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《新通訊》低延遲/高可靠/強資安防護 5G C-V2X滿足車規應用需求
文／廖專崇
車聯網在汽車電動化與自駕化的風潮之下，將扮演越來越吃重的角色，在3GPP Release 16關於5G NR C-V2X標準底定後，未來車聯網應用的地基已經備妥，迎向這個市場規模可能不亞於智慧手機的新藍海，相關廠商面對蠢蠢欲動的商機，各式各樣布局的動作少不了，但是5G NR車聯網的效能要求高，如傳輸範圍提升至1000公尺、訊號延遲低於1ms、支援最高車速達500km/h，都為晶片、模組、系統設計帶來嚴苛挑戰。
除了效能之外，車用產品在安規上的要求比消費性產品嚴格，除了業界熟悉的功能安全性ISO 26262與環境耐受度/產品可靠度AEC-Q100等認證之外，還有OmniAir與TISA的相關認證等等。全球主要晶片大廠預計在2021~2022年推出5G NR V2X晶片，本文將先透過觀察目前廠商的解決方案動態，推敲產業的發展趨勢。另外，萬物聯網讓資訊安全問題更為凸顯，車聯網對於網路安全問題更是不能妥協，能否針對資訊安全進行完善的防護，也是C-V2X發展的重中之重。
5G C-V2X晶片最快2021年底問世
車聯網晶片是未來V2X應用的核心元件，不過由於技術門檻高，車規的驗證需求更進一步墊高了進入市場的門檻，以智慧手機處理器為例，經過長期的激烈競爭，許多廠商已被市場淘汰，真正的手機處理器供應商屈指可數。同樣的，車聯網晶片市場進入門檻更高，產業發展初期可能會有一些新創廠商冒出頭，但長期來看，主要的供應商應該也在二~三家之譜，以下針對高通(Qualcomm)、聯發科(MTK)與Autotalks等三家代表性廠商的動態簡要說明。
Qualcomm
通訊晶片龍頭高通Qualcomm的V2X解決方案型號為9150，支援3GPP Release 14規範，可讓車輛、基礎設施和行人在全球統一的5.9GHz智慧交通系統(ITS)頻段中進行直接通訊。9150包括C-V2X直接通訊模式，旨在無論有或沒有蜂窩網路參與的情況下為車對基礎設施(V2I)、車對車(V2V)和車對行人(V2P)提供車和路側單元的低延遲通訊。截至2021年第一季，高通都還未推出支援5G C-V2X版本的產品，工研院資通所車聯網及自動駕駛系統組組長李夏新(圖1)提到，目前只有Qualcomm推出完整的V2X解決方案，而以該公司的技術能力來看，其接下來的動態亦最值得關注。
聯發科
聯發科的車用晶片產品系列名稱為Autus，產品應用分為車載資通訊系統(Telematics)、智慧座艙系統(Infotainment)、毫米波雷達解決方案(mmWave Radar)、視覺先進駕駛輔助系統(V-ADAS)四大產品線。Autus T10(MT2635)是高整合度的車載資通訊系統平台，具備多項車載資通訊功能，包含數據保護和安全機制。支援-40至+85C的操作溫度，另外，搭配緊急呼叫(eCall)和ERA-GLONASS的內建數據。
Autus I20(MT2712)是智慧座艙系統，包含四顆ARM Cortex-A35處理器和兩顆Cortex-A72處理器的六核心系統級晶片，可為車用感測器傳輸資訊、娛樂內容及導航資料等。Autus R10(MT2706)是毫米波(mmWave)超短距雷達平臺(USRR)，操作範圍可達20米，適合取代超音波應用。嚴格說起來，MTK目前並沒有V2X產品，不過以MTK面對強大的對手競爭與車用市場發展潛力，加上其5G智慧手機晶片取得的成功，V2X解決方案相信已在其產品發展藍圖中。
Autotalks
Autotalks是專注V2X晶片的廠商，長期投入發展DSRC技術，其SECTON系列產品專為聯網自動駕駛汽車而設計，支援IEEE802.11p DSRC和C-V2X雙模標準直接通訊(PC5)應用。PLUTON2 RFIC支援雙頻IEEE802.11p或單頻C-V2X直接通訊。針對C-V2X崛起的趨勢，李夏新表示，Autotalks近年發展雙模產品，同時支援DSRC與C-V2X，不過也有內部消息指出，該公司接下來的產品開發將以C-V2X為主，也可以看得出產業發展走向。
設計架構助力低延遲/高可靠度需求
從低延遲的角度來看，5G的OTA點對點的傳輸延遲約1~5ms，而4G的傳輸延遲約30~50ms，從倍數來看就有很大的差異。恩智浦半導體大中華區汽車電子市場資深經理翟驍曙舉例說明，一輛時速100公里的車，延遲時間若為50ms，其延遲時間內行駛的距離約為140~150公分。相反的，若在同樣時速下，延遲時間降低到5ms，則行駛距離的長度約13公分，由此可見以13公分和150公分的距離上差異，感受出低延遲的優勢。
另外，由於目前DSRC的技術成熟度還是高過C-V2X，異質技術的整合將會是未來車聯網發展的一大重點，資策會系統所副主任李永台(圖2)指出，現階段產業仍會以提升各別技術的可靠性與安全性為主，要等到C-V2X規格底定且技術逐漸成熟後，產業才會開始投入DSRC與C-V2X技術的整合。而整合的重點包括統一溝通機制，並克服DSRC與C-V2X因共用頻段而產生的訊號干擾問題。此外，V2V與V2N(或V2I)兩種模式間的整合也是技術發展的要點。翟驍曙說，隨著ADAS/AD功能的普及和法規的健全，今後三到五年間C-V2X應用將有很好的發展機會。
V2X晶片設計難度與智慧手機處理器相去不遠，但由於車規的要求較消費性產品嚴格許多，從晶片、模組、系統到整車都需要經過繁複的測試驗證程序，同時產品生命週期也長達10~20年，為確保產品的可靠性，整體驗證時間可能會超過一年。德凱認證(DEKRA)Connectivity資深總監陳銘鴻(圖3)解釋，以最多數人熟悉的ISO 26262的規範為例，一般分成輔導與審查，輔導的精神就是進入內部的製造流程評估產品的生產流程是不是符合規範的精神，車廠也會進行要求。
從最上游的IP角度來觀察，V2X對於延遲與可靠性的要求非常嚴格，Arm首席應用工程師沈綸銘(圖4)表示，從服務品質(Quality of Service, QoS)的角度來解釋，Arm Cortex-R系列就是可以保證資料處理的即時性，設計概念是將每個事件發生到CPU處理的時間固定，不會因為突發事件而占據CPU處理的流程，對IC設計業者來說，這樣的概念有助於其設計V2X這類低延遲與高可靠度的產品。
完善V2X測試驗證不可或缺
而車用元件儘管需要進行冗長的驗證程序，但到車輛上路還是有很大的差距，陳銘鴻認為，這些繁複的驗證程序其實只是基本要求，分成三個部分，一為法規的強制性要求、二為產品品質一致性要求、三為實際道路測試。法規要求的部分通常為基本功能，系統是否能正常作動；而品質一致性要求就是如ISO 26262、AEC-Q100、OmniAir等；實際道路測試又分為封閉場域、半封閉場域、開放場域等。
其中因應V2X發展而成立的OmniAir，是由美國政府部門代表與民間廠商所共同組成的非營利性組織，為協助制定美規車用通訊技術5.9GHz WAVE/DSRC的相關驗證方案，並促成各項技術與設備達成場域布建的要求。OmniAir所扮演的主要角色包括提供驗證、查核WAVE/DSRC技術的標準程序與方法，並以協力廠商的獨立角色確保DSRC設備之互通性。陳銘鴻強調，DEKRA能提供DSRC、C-V2X與eCall車聯網完整認證服務。
車聯網資安成剛性需求
而通訊的應用固然大幅提升車輛的便利性與功能，但有網路的地方就有資安問題，尤其是物聯網的發展，網路安全可以說是最大的「副產品」。車輛對安全性的重視是第一要務，若是因為車聯網的資安事件，而對車輛或乘客的安全產生危害，絕對是非常嚴重的疏失。對此，沈綸銘指出，車輛對於資安危害容忍度為零，Arm身為最重要的晶片上游架構供應商，2020年共全球有87億顆左右的晶片採用Arm架構，但卻罕有晶片遭駭客入侵的事件，正是因為Arm很重視網路安全，TrustZone架構就利用隔離的概念，讓敏感性資料禁止存取，降低晶片被駭的機率。
相較於TrustZone採用隔離的概念，但通訊的過程中，還是有部分機敏性訊息會暴露在外，針對這樣的狀況，Arm的處理方式就是透過早期告警的方式，畢竟道高一尺魔高一丈，不管防護的機制再嚴密，也不可能滴水不漏，因此Arm也在架構中設計警告機制，可以針對通訊過程中異常的活動盡快提出告警，如果確認為資安事件，就可以盡快處理，避免危害擴大。
另外，除了網路資安事件之外，個資與個人隱私也會因為網路活動的發達而不慎暴露，李夏新認為，在車聯網的應用中，資安的重要性也會不斷提升，隨著網路使用的頻繁，網路安全將成為剛性需求，在晶片、模組、系統、整車的各個設計階段都需要深入強化。