智能座舱架构与芯片- (5) 硬件篇下

四、短距无线连接

随着汽车智能化的发展与新型电子电气架构的演进，传统车内有线通信技术存在着诸多痛点：

线束长度增加：由于智能化与自动化的发展，车内传感器和执行器均大幅增加。采用有线技术连接，则线束长度，重量，成本会带来更大影响；
线束安装困难：线束安装强依赖于人工，线束安装的成本占人工成本的50%；基于有线连接的车载部件难以灵活升级，更增加了后期的维护与升级成本；
接插件数量多：由于线束连接，导致车内接插件数量显著增加。由于车内电磁干扰等影响，一定场景下有接插件失效的危险；

因此，为了满足车辆生产制造过程中的成本控制，灵活部署，降低重量等需求，并且在座舱娱乐系统中方便用户体验，以车内短距无线连接代替部分有线连接，完成数据传输和控制功能成为发展重点。当前，电池管理系统，车载信息娱乐系统，无钥匙进入，胎压监测等车载应用出现了无线化的需求。车载应用功能对短距无线通信技术提出了“低时延，高可靠，精同步，高并发，高安全，低功耗”的要求。
下面将介绍用于智能座舱的车内短距无线通信技术，而用于车云一体化和车联网的5G+V2X通信模块则暂不涉及。

4.1 Wi-Fi

Wi-Fi是IEEE 发布的802.11协议家族，其发展历程和技术原理纷繁复杂，在此不多做介绍。目前在车内座舱环境中，为了引入对用户设备无线连接的支持，以及车机手机互联的需要，智能座舱域控制器中需要增加Wi-Fi模块的支持。

802.11协议发展历程

Wi-Fi 带宽计算：

整机速率 = 空间流数量 * 1/(Symbol+GI) * 编码方式 * 码率 * 有效子载波数量

空间流数量

空间流，即Wi-Fi AP与Station之间建立的空间数据流。2*2代表有2条数据流。8*8就代表有8条空间数据流。对于发送方来说，有几条空间流，就需要有几根天线。

Symbol与GI

Symbol就是时域上的传输信号，相邻的两个Symbol之间需要有一定的空隙（GI），以避免Symbol之间的干扰。不同Wi-Fi标准下的间隙也有不同，一般来说传输速率较快时GI需要适当增大。

编码方式 (bit数/Symbol)

编码方式就是调制技术，即1个Symbol里面能承载的bit数量。从Wi-Fi 1到Wi-Fi 6，每次调制技术的提升，都能至少给每条空间流速率带来20%以上的提升。

码率

理论上应该是按照编码方式无损传输，但现实没有这么美好。传输时需要加入一些用于纠错的信息码，用冗余换取高可靠度。码率就是排除纠错码之后实际真实传输的数据码占理论值的比例。

有效子载波数量

载波类似于频域上的Symbol，一个子载波承载一个Symbol，不同调制方式及不同频宽下的子载波数量不一样。

下表给出了Wi-Fi的速率计算表格：

对于Wi-Fi6 8*8的配置来说，最大可支持空间8流，因此802.11ax在8*8的条件下，最大带宽为 1.2Gbps * 8 = 9.6Gbps；

注意，如果AP和手机建立连接，而手机只支持2*2，那么单个手机与AP的连接也只有2流，其最大速率只有2.4Gbps；有些Wi-Fi 模组支持双频并发(DBS with dual mac)，此时代表在2.4GHz 和 5G Hz两个频段上并发传输，速率标记为2*2+2*2，实际最高带宽可接近3Gbps。

4.2 BT

蓝牙 (BlueTooth) 技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本的近距离无线连接为基础，为固定设备或移动设备之间的通信环境建立通用的无线电空中接口（Radio Air Interface），将通信技术与计算机技术进一步结合起来，使各种3C设备在没有电线或电缆相互连接的情况下，能在近距离范围内实现相互通信或操作。简单的说，蓝牙技术是一种利用低功率无线电在各种3C设备间彼此传输数据的技术。蓝牙工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工业、科学、医学）频段，使用IEEE802.15协议。

蓝牙规范可分为两个层次：

Core Specification（核心规范）：用于规定蓝牙设备必须实现的通用功能和协议层次。它由软件和硬件模块组成，两个模块之间的信息和数据通过主机控制接口（HCI）的解释才能进行传递。这个是必选。
Profiles（蓝牙应用规范）：它从应用场景的角度为蓝牙技术的使用制定了不同的规范。这也是和大众日常生活接触最多的一部分。蓝牙支持很多Profiles，它是可选的。

Core Specification 包含2种技术：BR和LE，这两种技术，都包括了搜索，管理，连接等机制，但它们之间是独立发展的，因此BT设备最好能同时支持BR和LE，这样在设备进行互联时，可以根据实际需要，确保最大的兼容

1.Basic Rate (BR)

BR也称为经典蓝牙技术，它包括可选（optional）的EDR（Enhanced Data Rate）技术，以及交替使用的（Alternate）的MAC层和PHY层扩展（简称AMP）。对于EDR来说，最高传输速率可以达到2.1Mbps；对于AMP来说，它借用了Wi-Fi的PHY层和MAC层，因此最高速率可以达到54Mbps。由于EDR采用的是BT自身的PHY层，而AMP采用的是Wi-Fi的MAC与PHY，因此EDR和AMP是需要交替使用的(Alternate mode)。简单的说就是两个BT设备先在EDR上完成了点对点的连接，然后再协商是否都迁移到AMP上去，以实现更高的传输速率。

2.Low Energy (LE)

LE的重点是低功耗。它主要通过几个低功耗组件来实现蓝牙设备的发现，管理，连接等功能。

GATT：表示服务器属性和客户端属性，描述了属性服务器中使用的服务层次，特点和属性。BLE设备使用它作为蓝牙低功耗应用规范的服务发现。
ATT：实现了属性客户端和服务器之间的点对点协议。ATT客户端给ATT服务器发送请求命令，ATT服务器端向ATT客户端发送回复和通知。
SMP：用于生成对等协议的加密密钥和身份密钥。SMP管理加密密钥和身份密钥的存储，它通过生成和解析设备的地址来识别蓝牙设备。
L2CAP：管理连接间隔，例如10ms同步一次。它对LL进行一次简单封装，LL只关心数据本身，L2CAP就要区分是加密通道还是普通通道，同时还对连接间隔进行管理。

蓝牙常用的一些Profile：

1.A2DP：

全称为 Advances Audio Distribution Profile ，高质量音频分发规范，定义了如何将立体声(Stereo)质量的音频通过流媒体的方式从媒体源传输到接收器上，A2DP使用Asynchronous Connectionless Link（ACL，蓝牙异步传输）信道传输高质量音频内容，它依赖于Generic Audio/Video Distribution Profile（GAVDP，通用音频/视频分发规范）。A2DP必须支持低复杂度及Sub-bandCodec（SBC，低带宽编解码）。A2DP有两种应用场景分别是播放和录音。

播放场景是具有蓝牙功能的播放器通过A2DP向蓝牙耳机或蓝牙立体声扬声器传送高质量音频。
录音场景是具有蓝牙功能的麦克风通过A2DP向蓝牙录音器传送高质量音频。

2.AVRCP(Audio/Vedio Remote control profile)

音视频远程控制规范，它可以控制音视频流的协议，进行暂停，播放，停止，音量控制等。AVRCP协议定义了2个角色：

Target：被控制的目标设备，接收命令并按命令响应，例如电视，手机等；
Controller：远程控制端设备，发送控制命令到Target端，例如遥控器等；

3. HFP (Hands-Free Profile)

免提通话规范。定义了蓝牙音频网关设备如何通过蓝牙免提设备拨打和接听电话。HFP包括两个角色：Audio Gateway（AG，音频网关）和Hands-Free Unit（HF，免提设备）。

AG 是音频输入和输出的设备，典型的AG设备是手机。
HF是执行音频网关的远程音频输入输出设备，如耳机或者车载音响系统。
和HFP相关的规范有Headset Profile(HSP，耳机规范)，Phonebook Access Profile(PBAP，电话簿访问规范)。

蓝牙的发展历程

4.3 UWB

UWB(Ultra Wide Band, 超宽带)技术是一种使用1GHz以上频率带宽的无线载波通信技术。它不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很大，尽管使用无线通信，但其数据传输速率可以达到几百兆比特每秒以上。使用UWB技术可在非常宽的带宽上传输信号，美国联邦通信委员会（FCC）对UWB技术的规定为：在3.1~10.6GHz频段中占用500MHz以上的带宽。

UWB的特点很多，其中一个特点是定位精确。

“冲激脉冲具有很高的定位精度。采用UWB技术，很容易将定位与通信合一，而常规无线电难以做到这一点。UWB技术具有极强的穿透能力，可在室内和地下进行精确定位，而GPS(全球定位系统)只能工作在GPS定位卫星的可视范围之内。与GPS提供绝对地理位置不同，超宽带无线电定位器可以给出相对位置，其定位精度可达厘米级，此外，超宽带无线电定位器在价格上更为便宜。”

在智能座舱上，目前UWB有3个应用方向：

1.无钥匙进入系统

2. 汽车迎宾系统

由于UWB具有定位精确的特性，因此可以在较远的地方就能感知到携带UWB钥匙的乘客靠近。此时可以启动相对应的迎宾系统，给用户以更佳的体验感受。

3. 车内儿童检测

欧洲NCAP计划从2023年1月起增加对车内儿童存在检测的评分，各项规定非常细致。美国正在立法要求所有新车预装儿童存在检测功能，预计在2025年全面实施。据说国内相关规范也在评估制订中。

“将儿童单独留在停放的车内，即使只有几分钟，也可能导致中暑和死亡，尤其是当汽车暴露在阳光下时。儿童无法自行下车，再加上对高温的耐受性较低，因此要求儿童不得留在车内无人看管。温度可以在短短15分钟内达到临界水平，让窗户半开着几乎不能减少威胁。与车祸相比，儿童死于车辆相关中暑的情况较少发生，但这些完全可以避免的死亡的性质值得特别关注，因为解决车内儿童体温过高问题的技术已经存在。”以上文字来自欧洲NCAP关于儿童存在检测的测试与评估标准的直接翻译。

用于车内儿童检测的技术，直接传感器方式有摄像头，毫米波雷达，UWB雷达等几种方式。

UWB雷达发射UWB脉冲信号，并接收该脉冲信号经障碍物反射后的回波，通过对回波扰动的分析来判断UWB雷达附近是否存在物体（或人）。具体来讲，UWB雷达通过接收到的CIR（Channel Impulse Response信道脉冲响应）来探测周围物体及其运动。可以通过它来检测儿童的呼吸，心跳等。

相比摄像头，UWB雷达没有隐私风险，可以穿透毯子，后向安全座椅等。相比毫米波雷达，它的成本相对较低，且没有无线电合规的风险。

根据2021年11月我国工信部颁布的《汽车雷达无线电管理暂行规定》：24G毫米波雷达已经禁止在新车上使用；77G毫米波雷达主要用于自适应巡航、防撞、盲点探测等应用；60G毫米波虽是目前舱内雷达使用的主要频段，但工信部本次规定尚未包含对60GHz频段的说明。

4.4 星闪SparkLink

星闪无线短距通信技术SparkLink，主要由星闪联盟制定和发布。针对包括汽车领域在内的关键应用场景及其需求，定义了从接入层到基础应用层的端到端标准体系。

星闪技术提供SLB（SparkLink Basic，星闪基础接入技术）和SLE（Sparklink Low Energy，星闪低功耗接入技术）两种无线通信接口。

一方面，SLB支持20s的单向时延、99.999%的传输可靠性和1s的同步精度，主要用于承载以车载主动降噪、无线投屏、工业机械运动控制等为代表的业务场景，其显著特征是低时延、高可靠、精同步和高并发等。

另一方面，SLE支持250s的双向交互、低至-110dBm的接收机灵敏度和多达256个用户的并发接入，主要用于承载包括耳机音频传输、无线电池管理系统、工业数据采集在内的具备低功耗要求的业务场景。

在汽车领域，星闪技术的主要应用场景有：

车载主动降噪
无钥匙进入
车载免提通话
车机手机互联
无线电池管理系统
营运车辆全景环视
无线氛围灯

五、存储子系统

随着车内新应用赋能，比如智能座舱可以将电商购物平台接入车内，还可以为后排乘客提供更丰富的视听娱乐节目，同时还要做好EDR这一类驾驶突发事件记录仪的日志记录，并处理各路传感器的采样输入信息，还要为驾乘人员提供合理的建议辅助作出决策，这一切不断升级进化的智能系统对车载存储需求要求扩大到数十GB的范围。据Counterpoint的研究表明，L3级自动驾驶汽车，单小时传感器生成的数据在TB级别。在未来十年内，乘用车单车存储容量将达到2TB。

智能座舱的存储子系统，根据需求，可以采用SD card，eMMC，UFS，SSD等方式。

5.1 车载存储器的演进过程

早期的GPS导航仪、行车记录仪等车载设备配备的基本都是SD卡，一般的SD卡只有4比特的总线宽度，可以提供最快100MBps的读写带宽，最大到上百GB的容量，可以提供简单的写保护功能。其缺点是显而易见的，由于依靠的仅是SD的金手指和卡槽内的金属触点连接，无法长时间可靠地适应汽车内颠簸、高温、高湿的变化环境。
后面出现了eMMC器件，这里的e代表的就是Embedded，虽然叫嵌入式MMC卡，其实它的外形结构是一块153引脚的BGA封装芯片。将其焊接在PCB板上，具有更好的稳定性，而且e.MMC卡具有8比特的总线宽度，可以提供最快400MB/S的读取速度，最高容量可达512GB，包括了内部带电源保护和温度超标管理，并且可以快速响应嵌入式系统的启动要求。
除了eMMC器件，在一些汽车上开始采用UFS（Universal Flash Storage，通用闪存存储器）存储芯片，其外形和eMMC几乎一模一样，也是BGA的封装芯片形式，它可以提供两对插分信号总线来高速传输数据，目前UFS 2.1的协议已经可以最快支持到1.2GB的读出速率，UFS 3.1的版本协议更是在2.1协议基础上翻了一倍，达到了2.9GB每秒，今后UFS 4.0版本协议更是达到了惊人的4.6GB每秒的吞吐率，而且单芯片能提供最高容量可以达到1TB容量。
除此之外，各大存储厂商也在积极研发基于PCIe接口的NVMe协议车规级SSD，将提供大于10GB每秒的数据吞吐率，而且包含前面eMMC、UFS的快速响应和温度管理特性，可以为下一代基于自动驾驶的智能车载系统提供几十TB的海量存储容量。

5.2 存储器的生命周期

由于车内严苛的使用环境，车载存储器除了从接口类型、读写速度，及存储容量几个维度外，还需要从其他维度来评估存储器的品质。比如从性能、可靠性、温度范围和增强特性等四个方面来衡量车载存储器的品质。首先要制造商具备多年的闪存研发经验积累，才能保证产品在满足高性能条件下同时具备可靠的品质保障。其次满足车用电子元件的AEC-Q100和国际标准。三是要能适应负40度到正85度的宽温和负40度到正105度的超宽温的工作环境、工作温度要求。四是要具备温度管理、快速启动、智能分区，满足汽车生产条件的100%存储空间的数据预烧录要求。

对于车载存储器来说，其生命周期的长短，除了受车载环境的影响，还与应用场景，以及Host端的读写操作特性有关。例如，一个长期、反复读写存储器的操作环境，必然加速存储器内部颗粒的磨损，从而变相减少它的生命周期。

无论是SD card，eMMC，UFS，SSD固态硬盘，其内部的存储颗粒都是NAND flash，用户数据写入NAND flash内部的cell中。不同类型的NAND，每个cell可以存储的数据容量不同。例如SLC NAND，每个cell可以保存1bit的数据；MLC可以保存2bit，TLC可以保存3bit。如下图所示：

图片来源：Kioxia

在向NAND cell中写数据时，首先要执行erase操作。也就是通过给cell的每一位写"1"的操作，将NAND cell初始化。这个过程被称为一次P/E cycle(Program/Erase)。每次P/E都会导致cell 单元的氧化层发生轻微退化(degrade ever so slightly)，当达到一定的P/E次数后，cell单元将不再能够保存电荷，从而使用寿命终结。在上述3种类型的NAND中，SLC可以支持的P/E 次数最多，MLC次之，而TLC最弱。

为了保存数据，NAND还必须为cell维持一定的电压，以保持电荷。NAND controller firmware软件需要周期性地给NAND cell进行刷新，这样才能保证读取数据的正确性。然而，电荷将随着时间自然退化，并且电荷损失率可能会因极端温度变化和NAND cell 的健康而加速退化。

影响 NAND 单元寿命的因素有：

极端温度变化：

恶劣的车载环境会对存储器件的寿命造成影响，极热或极寒都会对车载电子设备造成巨大的挑战，根据车规AEC-Q100 grade3 的要求，车载电子设备的工作温度要满足从-40度到+105度。低温对存储器的影响还不太大，但是高温环境将使得NAND的数据保持能力大大降低。如下图所示，P/E cycles 的次数越多，NAND的数据保持能力降低越快。相同条件下，温度越高，NAND的寿命就越低。

Flash存储磨损：

在向NAND写入数据之前，首先要执行P/E操作。P/E 操作将以Block为单位，向NAND cell写入“1”，称为erase。当重复进行erase后，电子氧化层将逐渐退化，在读取NAND cell中所保存的数据时就有可能会出错。虽然一些小量错误可以通过ECC错误校验码进行恢复，但当错误大量发生时，ECC也不可能将之完全恢复。这就会导致读数据错误，或者erase 失败。每一个NAND 都会有一个最大可支持的P/E cycles数目，当NAND block的P/E cycles超过这个数目时，它就不再可用了。衡量磨损加速的一个重要考量因素就是写放大系数WAF (Write Amplification Factor)

写放大系数WAF:

理想状态下，当Host端向NAND 端写入一个Byte的数据时，NAND controller应该只向NAND cell中写入1个Byte。但是由于NAND的特性(按块block擦除，按页page写入)，因此很快就会造成NAND的碎片化。此时NAND controller为了进行写负载均衡，将会在闲暇时间执行garbage collection操作。garbage collection会造成数据在NAND内部的搬运，因此实际写入NAND cell的数据将远远大于主机端写入NAND的数据。我们使用写放大系数来衡量这一参数：

为了降低WAF，提升NAND的使用寿命，一些良好的使用NAND习惯有：

仔细评估WAF：应该收集并分析工作负载的trace信息，并计算WAF。然后使用这些数据作为系统性能改进的参考依据。
创建大的读写trunk：大量而频繁的小容量读写操作将会大大增加WAF。由于NAND的特性，它的读和写是以page为单位，擦除是以block为单位。因此在日常使用NAND的时候，应该在软件端尽量创建足够的buffer再进行NAND的读写操作。例如常用的log机制，最好是创建RAM buffer进行缓冲。
使用pSLC mode：对于那些需要小量写入的关键数据，可以将MLC或者TLC合并，作为一个伪SLC单元来写入。此时一个伪SLC单元只能存储1bit的数据，但它可以达到SLC的P/E cycles。这样操作所付出的代价是，2倍的MLC或者3倍的TLC，才能组合成一个pseUdo SLC单元。
使用负载均衡算法：这是对NAND controller厂商的要求。它们需要监控NAND 单元的使用情况，挑选出"at risk"的NAND block，并将它们的数据迁移到仍然具有良好性能的NAND block中。
监控NAND health registers：NAND 厂商(eMMC or UFS)都会提供与NAND health有关的实时报告，它是通过监控相关的寄存器而给出的。主机厂开发端通过监控这些健康报告，就可以得知当前的NAND寿命状态，并且可以分析出哪些读写NAND的操作是有风险的，这样就可以有针对性的去改进。