初期搶市首重模組化靈活設計　車聯網整合控制單元有訣竅

然而，為了提高自駕車的易用性並取得政府法規核准，系統必須更快、更具回應力和更穩定可靠。

本文探討達成汽車電子控制單元(ECU)和車載資通訊系統之間架構整合的選項。文中討論的內容包括：將「車聯網」(Vehicle-to-anything, V2X)整合至當前車載資通訊系統架構的挑戰；及如何定位解決方案以利取得監管部門批准。

車用網路拓撲搭載資通訊系統 自動駕駛輔助系統(ADAS)下一波的改進將來自車載資通訊系統與5G技術及V2X通訊的整合。透過這些技術，車輛「聆聽」和「說話」的對象不只有其他車輛，還包括行人身上與道路基礎設施上的智慧裝置。

一般而言，因為車載資通訊的控制單元(TCU)具有連接外界的介面，所以TCU是車內網路中不安全、或暴露於風險中的部分。車用資訊娛樂系統和車載診斷單元(OBDU)也是如此。安全閘道器能隔開安全和不安全的網域(圖1)。安全閘道器負責控制安全與不安全網域之間所有的通訊。 車用乙太網路(100BASE-T1或1000BASE-T1)網路常用於連接TCU。為了減輕重量和成本，車用乙太網路使用非屏蔽雙絞線電纜，而這與標準乙太網路不同。

車用乙太網路的缺點是，它的最大吞吐量低於標準的乙太網路。100BASE-T1和1000BASE-T1支援的資料傳輸量峰值分別為100Mbps和1,000Mbps。

相較之下，最先進的蜂巢式數據機(Cellular Modem)最高支援2Gbps(4G，版本14)、甚至高達5~6Gbps(5G，版本15)的吞吐量，乙太網路的連線便成為系統瓶頸。因此，業界正在開發更高速的乙太網路(吞吐量最高可達10Gbps和以上)與PCIe-over-cable的技術。

在前文中，圖1點出了TCU在車內的位置。TCU通常置於鯊魚鰭下、車頂下方的車尾處。鯊魚鰭內有連結蜂巢網路、全球導航系統(GNSS)、數位視訊廣播(DVB)、數位音訊廣播(DAB)或衛星無線電系統所需的天線。天線電纜費用高昂，也容易損耗。將TCU擺放在此，可盡量減少因天線電纜產生的問題。不過，這個位置的挑戰是，當車輛停放於烈日下，車頂下的溫度可能會飆高，因而影響到V2X與車載資通訊元件的耐溫要求。

TCU技術架構解析

TCU主要有兩種網路拓撲：「智慧型」數據機(Smart Modem)，以及「AP+薄型」數據機(AP+Slim Modem)。過去，所謂的智慧型數據機占主導地位。智慧型數據機是蜂巢式的數據機，除了基頻實體層(PHY)和協定堆疊處理技術(Protocol Stack Processing)、射頻(RF)晶片、RF前端組件和電源管理單元(PMU)以外，還包含一個整合至基頻晶片的小型應用處理器(AP)，如圖2所示。

AP+薄型數據機則是近期崛起的第二種拓撲結構—主要是為了管理TCU及直接在此執行的其他應用程式，使處理需求持續攀升(圖3)。高階手機使用的便是典型的「AP+薄型數據機」拓撲。

在兩種拓撲中，數據機的部分(在車輛的黑盒子裡)常置於專用模組—即所謂的網路存取設備(NAD)模組內。然後，TCU製造商再將此模組焊接到主印刷電路板(PCB)上。事故發生時可能導致車輛主電池斷電、或主音訊系統故障，故需有備用電池和備用的音訊子系統來撥出和接聽電話。

智慧型數據機最大的優點是產品成本較低，AP+薄型數據機的架構則具較高的AP效能及延展性。表1是兩種架構的優缺點比較。目前為止，大部分的汽車OEM廠均採智慧型數據機的架構；不過，AP+薄型數據機的架構也漸獲青睞。

V2X標準整合考量要點

目前有兩個相互競爭的V2X標準：由電機電子工程師學會(IEEE)制定的802.11p標準，以及由第三代合作夥伴計畫(3GPP)定義規範的蜂巢式車聯網(C-V2X)，是3GPP蜂巢網路標準的一環。

第一版802.11p於2002年發布；3GPP的C-V2X(有時稱為LTE-V)則是於2017年納為第14版LTE的一環推出。兩個標準使用同樣的頻段(5.9GHz)，進而可能產生共存問題。未來還可能加入其他頻段，如：5G NR V2X之車用無線網路(WAVE)毫米波段。表2是兩種標準的優缺點對比。

在V2X的整合策略上，另一個需考慮的要點是，3GPP並未針對V2X的通訊規範出標準的中介軟體。802.11p和C-V2X則將使用基於IEEE 1609 WAVE標準之相同中介軟體。由於C-V2X的技術發展藍圖更臻完備、額外成本較少、在間接—經由基地台傳統蜂巢式上行鏈路(UL)/下行鏈路(DL)與直接—側邊鏈路(SL)通訊間的整合也更形緊密，因此，車用記憶體業者如美光(Micron)認為C-V2X終將取得上風。但保險起見，V2X整合應該兼顧兩種標準。

Autotalks在名為「加快全球車聯網部署，提高道路安全」(Accelerating Global V2X Deployment for Road Safety)的論文中指出，為了在V2X技術的早期市場引入階段輕鬆布局，將V2X整合至車載資通訊單元時需考量幾個要點：

・彈性：同時支援兩個標準

・模組化：讓V2X僅在需要時才產生額外費用

・資訊安全：符合法律規定的安全性要求

・安全：支援具功能安全要求的應用場景

・啟動：快速啟動，快速操作

・溫度：安裝於車頂下方的TCU最高耐溫105℃ Troof

加密效能(為了驗證收到的訊息)也是另一要件。基於資訊安全的考量，每筆V2X訊息都以橢圓曲線加密(ECC)簽名保障。此簽名機制可阻擋假訊息插入。每輛車每秒將傳輸10條V2X基本安全訊息(BSM)；在發出訊息之車輛1平方公里的範圍內均可接收到BSM。

在雙向堵車的四線道高速公路上，最多可能有300輛車發出訊息。如要檢查簽名的有效性、逐一驗證訊息，每秒恐需驗證高達3,000個ECC簽名。目前，常見之車用微處理器中的標準加密加速器每秒最多僅能處理100~200條訊息。因此，搭載高效能硬體加速器的應用處理器不可或缺。

此外，不同區域也將採用不同的ECC演算法，如：ESDSA、Brainpool或SM2。為了打進全球的市場，這些所有選項都需納入支援。

圖4是可滿足上述要求的建議架構。在左側的圖中，完整的V2X功能與蜂巢式數據機及TCU控制功能分開。這是最為模組化和高彈性的做法。在無V2X法令而車輛未安裝V2X模組的地區中，專用的V2X模組可在需要V2X時才裝上。

V2X模組包含的元件有無線射頻、實體層(PHY)、高安全模組(HSM)、加密加速器(ECDSA)，以及IEEE 1609中介軟體。

這種做法很適合802.11p。另外，也可將C-V2X PHY和RF的功能與蜂巢數據機的其他部分分開。在這種情況下，C-V2X數據機廠商與蜂巢數據機廠商必須在整合測試和互相操作性的測試過程中，與網路廠商和網路營運業者緊密合作。

對於需在基地台與V2X側鏈間密切互動的C-V2X模式而言(傳輸模式3或2)，廠商間的合作尤為關鍵。

C-V2X的初期部署可能會使用傳輸模式4的側鏈。在此，由於側鏈上的資源配置是在蜂巢網路以外獨立完成的，因此可更容易將C-V2X與數據機的蜂巢部分隔開來。另一種方法則是採C-V2X的架構化方案(如圖4中的右圖)。在這種架構中，側鏈的RF、PHY和控制層仍是蜂巢數據機的一部分。主要的數據機業者如高通(Qualcomm)的5G產品線支援C-V2X。V2X模組仍負責處理V2X中介軟體、簽名驗證及安全的要求。

此架構化方法可加快V2X的上市時程，並可因其在V2X初期階段的模組化，提供具成本效益的解決方案。如果某一天，兩種V2X標準中有一個勝出，且兩者的市場滲透率加起來達100%，則車載資通訊系統與V2X間便可達成更緊密的整合，進一步壓低產品成本。

圖5呈現的是將蜂巢、V2X、TCU控制與應用完全整合的可能架構。延續上述的V2X整合要求，當標準確定且V2X的滲透率近100%時，模組化和靈活性的重要性便將減低。

專用的小型HSM，如Infineon SLE 97(Infineon Technologies AG)，可滿足安全防護的需求。這類的HSM可滿足V2X法令規定的高安全要求(美國為FIPS 140-2 Level 3；歐盟為EAL4通用準則)。HSM存放用於傳送訊息的密鑰和運算簽名；訊息的傳輸乃基於加密金鑰。因為每秒僅需傳送10筆訊息，所以不需高效能即可產生簽名。假使需接收及驗證數千筆訊息，則可使用基於公鑰的加密技術，安全性要求也會因而降低。高效能ECC引擎(用於驗證已收取訊息的簽名)可整合至應用處理器內。

其餘的要求(功能安全性、快速啟動和耐溫範圍)則可透過車用微控制器或應用處理器搭載的尖端技術來解決。

資通訊/V2X技術方案力助車載產品供應

以美光為例，其因應車載資通訊系統的市場需求來設計和製造MCP。MCP將揮發性與非揮發性的記憶體晶粒交互堆疊，如圖6所示。另一種常見的車載MCP組合方法則是將LPDDR+SLC NAND併入一個封裝內。其他組合方式還包括：NOR+LPDDR或eMMC+LPDDR，以及UFS+LPDDR。

車載資通訊系統之MCP面臨的主要挑戰是，小型蜂巢數據機(NAD)或V2X模組可用的電路板空間很少。透過垂直堆疊兩組晶粒和共用的引腳(如電源或接地引腳)，前述的MCP設計可節省三到四成的電路板空間。另外的優點是，由於封裝和引腳的精省，以及物流和製造流程的簡化，產品成本還能減低—因為生產過程中僅需採購及安裝一個組件，而不是兩個。

本文從整體車用網路拓撲和不同的TCU架構(智慧型數據機、AP+薄型數據機)開始，探討V2X與車載資通訊系統的整合策略。整合V2X時—尤其在V2X的市場導入期間，滲透率還不穩定，且市場上還有兩種V2X技術爭鋒—靈活性和模組化是關鍵的考量因素。

若能整合LPDRAM和NAND的MCP，不僅能大幅減少NAD與V2X模組所需的電路板空間，還能協助客戶降低產品和製造成本。

(本文作者為美光車用系統架構師)