兼具低延遲/高頻譜效率特性　LTE開創多元車載應用

2014年國際消費性電子展(CES)中，幾乎所有的汽車供應商都展示配備先進導航與資訊娛樂系統的新型汽車(圖1)，足見聯網汽車已成為業界一大亮點。整體而言，4G長程演進計畫(LTE)則是推動這些創新設計的關鍵技術。

圖1　LTE可推動新一代高速、具備豐富視訊的車載應用與服務。

相較於前一世代的蜂巢式通訊標準(表1)，LTE的速度和服務品質保證將大幅提升車載系統效能，不僅可提供先進與多樣化影音服務，而且品質更佳，其中最明顯的創新在於即時、高畫質、低延遲、多通道視訊串流，就像從家中大螢幕高畫質(HD)電視得到的觀賞體驗一樣。

表1　LTE頻寬與先前世代的蜂巢技術比較

對於車輛銷售毛利通常低於汽車零售價格10%的汽車產業來說，汽車製造商能藉由推出支援LTE的新型車款，創造更多新服務與營收模式。

LTE頻寬規格快速演進

2004年，當時的Nortel技術長Phil Edholm曾提出「Edholm定律」(圖2)，意指無線廣域網路(如LTE、UMTS等蜂巢式技術)、無線區域網路(如Wi-Fi之漫遊技術)和固定式線路(如銅線、光纖等有線網路)的連接速度會逐漸朝相同的方向發展。此定律宣稱，當此一趨勢進展到某個時間點後，蜂巢式通訊的速度將會與無線區域網路相同，而且就實際應用的觀點來看，將能完全取代固定式線路網路(有線網路的終點)，而目前的趨勢走向也確實是如此。

圖2　LTE大幅縮短有線和無線區域網路技術的速度差距。

檢視目前商用網路的部署情況，可發現辦公室乙太網路(Ethernet)的速度已達到1G～10Gbit/s、家用纜線服務為100M～1Gbit/s，以及分別為300M～600Mbit/s的Wi-Fi(802.11a,b,g,n)和1Gbit/s的Wi-Fi 802.11ac。在蜂巢式網路方面則有150Mbit/s(Cat. 4)的LTE。隨著未來幾年「LTE-Advanced」開始部署，業界將能看到峰值傳輸速度提升至上傳500Mbit/s、下行1Gbit/s的全新局面。

在比較後發現，串流一部1,080p全高畫質(FHD)電影的頻寬只需10M～20Mbit/s。由於具備支援多重串流HD視訊通道的能力，現今網路的最高頻寬使用者，幾乎可透過LTE獲得網路上的任何一種服務。

LTE推動新型車載應用

無庸置疑，LTE具有非常大的發展潛力，未來幾年可望實現的新應用將陸續問世。首先是資訊娛樂/行動熱點，奧迪(Audi)已於2014年3月宣布，2015年的新款Audi A3將配備4G LTE，用以實現Audi Connect 4G服務，提供Google Earth(圖3)和Street View地圖來導航，並可透過語音辨識和音訊讀取，支援Google搜尋與網際網路/社交媒體瀏覽功能。此外，還有線上音樂/視訊串流、防撞輔助，以及最多可支援八位乘客的整合式4G/Wi-Fi路由器裝置，汽車將搖身一變成為一台行動網路熱點。

圖3　Audi展出內建LTE功能，可提供Google Earth導航功能的車載系統。

其次則是互動式電視和電影，4G LTE網路的增強效能使其毋須緩衝或等待就能實現HD電影串流，並可同時支援多位使用者(讓每個人都能觀賞自己的隨選電影)；許多汽車，特別是頂級車款，現在都會配備電視螢幕，除讓乘客能在長途旅行中觀賞之外，也能讓駕駛在汽車停駛時使用。

從1960年代FM收音機開始興起，到現在Pandora和Spotify等隨選音樂串流服務的普遍應用，不難預期車用電視也將會像車用收音機一樣快速普及，甚至更快。

除此之外，現場直播與廣播內容也可望透過LTE技術進駐車載系統，像世界盃足球賽或超級盃這類熱門的運動賽事，往往吸引全球數億人口同時觀賞。為處理如此高需求的現場即時內容，LTE的增強型多媒體播放和多重廣播功能(Enhanced Multimedia Broadcast Multicast Services, E-MBMS)，可為所有接收相同內容的使用者，或是LTE網路上的特定數量用戶，提供一種低延遲、高頻譜效率的傳輸方式。

E-MBMS透過建置點到多點傳輸(多重廣播)實現，其中單一的現場視訊串流會經由網路核心進行傳輸，再依網路邊緣的需求複製和傳送給觀眾或用戶。今年1月，威瑞森(Verizon)在紐約Bryant Park已展示2014年超級盃的LTE多重廣播系統(圖4)，其結合在公園內的現場攝影資料、廣播電視，以及廣告等額外即時訊息的輸入。

圖4　Verizon展示2014年超級盃的LTE多重廣播系統。

隨著在網路上「看電視」的趨勢愈來愈普遍，多重廣播能讓行動通訊業者為使用者提供新的視訊服務，並協助電視廣播業者擴展觀眾群，無需在LTE網路大量載入數百萬個點對點視訊串流便可實現。

其他的廣播內容，例如區域布告欄、適地性服務相關訊息，以及離峰預先下載電影等，也都能受益於LTE的多媒體播放多重廣播功能的優勢。

車廠跨足自有品牌平板/顯示裝置設計

除了提供高品質LTE相關服務，有些汽車製造商正計畫推出自有品牌行動裝置，以搭配其車款一起使用。以Audi為例，其在2014年1月舉行的CES展會上宣布，將自行開發平板裝置，而且是全功能的Android平板(圖5)，可放入前座頭枕後方的基座中，以供後座的乘客使用。

圖5　Audi已提出10.2吋車用Android平板裝置設計概念。

Audi亦指出，此平板電腦將於4∼5年之內量產，能放在車內，並實現較其他品牌行動裝置更佳的車內整合度，同時該產品也將以符合嚴格汽車環境(溫度、震動、生命週期)的規範製造，乘客將能利用此平板裝置控制收音機、媒體和導航系統，並根據汽車運作狀態呼叫資料。由於此裝置採用Google Android作業系統，它還能透過Google Play應用程式商店存取所有的應用程式、電影和音樂；另一個有趣的特性是，在路上看到一半的電影，還能在家中的客廳繼續播放。

與此同時，車廠也開始投入發展擴增實境(AR)和抬頭顯示器(HUD)，將汽車狀態和安全訊息顯示在擋風玻璃上供駕駛參考，就像飛機儀器一樣。這種能夠直接抬頭，毋須移動視線就可檢視速度、導航和有汽車靠近資訊的方式，可帶來更安全與更有效的汽車駕駛體驗。

由於LTE可發揮網路的強大功能與豐富內容，將進一步推進上述應用趨勢的發展。舉例來說，透過攝影機和道路感測器的即時回應，與周遭車輛的資訊結合在一起，可用來監測可能發生的交通狀況，而所擷取資料會在雲端中處理，然後再傳送給所有汽車，受惠於LTE的低延遲特性，周遭車輛的相對速度即時監測是有可能實現的。

這些「LTE智慧型汽車」依此更改螢幕上的車道指示，甚至事先根據偵測到的危險路況自動變更導航選擇，且駕駛可藉由HUD看到前方車輛以紅框顯示，並有綠色箭頭指示應切換至哪一個車道，視線完全不須離開道路，便能看到所有的相關訊息。其他會顯示的輔助訊息還包括，鄰近的加油站位置(和價格)、服務、停車或過路收費方式等，並能即時更新前方路況。

覆蓋率未達100%　LTE仍須向後相容2G/3G

隨著這些服務成為汽車配備，以及LTE網路擴大到可提供100%的覆蓋率，2G和3G技術將被逐漸淘汰。然而，在這段過渡期間內，車廠還是需要在汽車內提供與2G和3G技術的向後相容性(LTE多模)，以確保能隨時保持聯網，讓這些應用不只是在目前靠近城市或城市中等擁有良好LTE覆蓋的地區，才能發揮作用。

雖然要實現前述許多應用，最好是利用LTE技術，但廣泛覆蓋的HSPA+網路(最新的3G標準版本)亦能提供42Mbit/s的下行速度，雖然該技術傳輸延遲較長，但用戶必須了解，峰值資料傳輸率只是理想條件下的數據，而其頻寬是由所有共用此相同蜂巢的使用者來共享。未來，LTE的OFDMA調變方法能讓遠高於3G的大量使用者來共享頻寬。

在LTE無法覆蓋的地區，HSPA+仍能為一定數量的使用者提供品質尚能接受的服務。如調適性的視訊/音訊編碼技術，網路上常見的(如YouTube)視訊應用，能依照頻寬可用性的改變而即時調降效能，再與本地資料快取結合，便能提供高品質體驗，並依網路條件需求適時在LTE和HSPA+之間切換。

音訊通訊則是另一個重要需求，任何一種支援LTE網路的資訊娛樂系統都將整合免持聽筒的語音通話功能，讓駕駛能安全地撥打並接聽電話。此外，有些新的應用，像是私人秘書服務(Concierge Service)也需要語音互動功能，因此這是一面駕駛一面通話的最安全、自然且舒適的方式。由於2G/3G高品質電話服務的全球廣泛覆蓋，在未來的一段時間內，汽車仍須維持能與2G/3G網路相連。

最後，歐洲緊急救援系統(eCall)將要求行動通訊覆蓋範圍遍及整個歐盟區域。由於GSM已在歐洲(和全世界)擁有完善部署，且eCall採用非常低的頻寬，因此這也是讓汽車要維持2G連接性的另一個原因，至少在LTE尚未全面覆蓋與普及之前仍需如此。

汽車導入LTE設計考量

當要將LTE整合到汽車環境中，以實現各種汽車應用時，以下將說明幾個須特別考慮的重要因素：

支援MIMO與多頻多模

LTE服務擁有非常複雜的地理區域與無線頻段組合，這是眾所皆知的事實，現今已有超過四十種定義的LTE頻段，因此在許多地區，至少須能同時支援五到六個頻段。尤其汽車經常會跨區域漫遊，例如從北美到南美，或從東歐到西歐，所以汽車可能須要支援多達十個以上LTE頻段。

此外，LTE也須採用兩個天線的多重輸入多重輸出(MIMO)設計(發送器和接收器兩端都須採用多個天線以提升效能)，並將可能進一步演進至四個天線，才能在高速移動中達到足夠的傳輸速率。

由於在汽車的兩端要裝置多個天線的困難度很高，因此蜂巢式模組最好能分開為一個放在車內的數位組件，以及另一個與外部天線組裝在一起的遠端無線組件，就像現今許多汽車都有的「魚鰭」設計一樣。更複雜的設計方式是，目前的魚鰭中都已內建天線，可支援GNSS、FM和數位收音機等，所以謹慎的系統設計與射頻(RF)共存模型會變得非常重要。

元件須符合嚴格車規要求

由於汽車元件生命週期很長，且須耐受嚴苛的環境條件(熱、冷、震動)，因此所有車用元件都應符合嚴格的品質與效能條件，美國的汽車電子委員會(AEC)已針對這些要求制定規範。 針對蜂巢式模組，AEC-Q100是首要的需求，它定義電氣、生命週期和壓力可靠度等測試參數。其中，最主要的關鍵是測試模組在擴大操作溫度範圍內的可靠度，這與模組安裝在汽車的位置有關，舉例來說，對車載應用來說，可能需要Grade 3(-40∼85℃)，儀表板應用亦須滿足Grade 2(-40∼105℃)，而空間狹小且會受日曬的位置須符合Grade 1(-40∼125℃)。

由於智慧型手機等消費性電子通常僅達到相當於Grade 4的等級，這便是為什麼汽車製造商不會在車用電子系統中，採用標準行動裝置元件的原因。

注意設計彈性/相容性

另一個考量是，LTE應如何與車內的既有技術進行整合。以下有三個重複的需求。在實際應用上，其中每一個需求都可能會由不同的設計團隊來開發，並採用不同元件供應商提供的產品，並依照客戶喜好方式安裝：

·安全系統：如eCall等應用，通常是以2G為主，其中包括全球衛星定位系統(GPS)技術，目前已逐漸成為標準功能。

·導航：同樣以2G為主，但逐漸朝3G發展，其中包括高效能多重全球導航衛星系統(GNSS)定位技術，多為高級車款的標準功能。

·資訊娛樂系統：通常以3G為主，並快速朝LTE移轉，可能採用導航系統的定位資訊，或有自己內建的定位系統，一般做為汽車的高階選配方案。

理論上，這些系統最好都能整合在一起，以便能共享資源，未來這有可能成為業界的一種標準做法。然而，在未來的5∼10年內，來自供應鏈和市場的壓力，會使這些系統的整合目標不易達成，因此，設計靈活性和系統相容性(PCB布局、介面和軟體API)將會是選用數據機元件的重要考量。

因應汽車導入LTE的需求，許多機器對機器(M2M)模組廠已加緊研發新一代4G產品。以u-blox為例，近期已推出一系列LTE蜂巢式模組與衛星定位元件，可提供隨插即用的相容性，並具備從2G到3G和4G LTE多模(包括2G和3G HSPA+)的各種選項，此外，這些模組都符合AEC-Q100汽車認證，能滿足汽車產業的嚴格需求。

(本文作者Charles Sturman為u-blox LTE產品行銷部門主管，Carl Fenger為u-blox通訊經理)