从车联网到工业4.0 智慧应用关键──5G 通讯的低延迟与可靠度-低调大师

从车联网到工业4.0 智慧应用关键──5G 通讯的低延迟与可靠度

2017-07-03 450

智能车，或是更进阶的无人驾驶车，一直都是近几年资通讯大展的亮点。汉诺威电子展（Cebit）早在 2008 年就新增了汽车电子展区，包含 Benz 与 BMW 同时也在该年展出了未来信息（IT）概念车，首次将传统汽车业结合信息通讯技术。现在的信息通讯大展已不再只限传统信息通讯业者如 Apple 或 Google 参展，更多的是汽车业者加入。而在大厂动向方面，高通并购了恩智浦（NXP）、英特尔最近并购了 Mobileye，都是看中未来汽车电子的潜力。

电动、智能车载及工业 4.0，成下个明星产业

推升智能车的另一个潮流就是电动车的出现，由特斯拉在近几年带动的插电电动车风潮席卷了全球，其诉诸的节能减碳，绿能运输更是人类产业未来必走的路。近期减缓气候变迁与支持低碳经济是全球一致的目标。

除了汽车应用外，另外一个未来产业亮点为工业 4.0。带入先进的感测、联网等智能技术进入传统工厂内，期待提高效率与质量。目前德国与日本都将工业 4.0 视为下一代发展制造工业的目标。在工业 4.0 预定目标中，透过机器对机器（Machine to Machine，M2M）的控制，智能工厂能实时（Real-time）自行管理生产链、物流与操作程序，互相整合的系统在机器、资产、操作程序与物料之间建立起互动的桥梁，智能机器与装置可利用校正程序，避免意料外的失误，让无效率的停机时间成为过去。

而要发展智能汽车或是工业 4.0，共同特性都是透过资通讯技术让反应自动化，能否实时处理事件是非常重要的关键因素，其中智能汽车或是未来的自驾车，更是牵涉到人们生命安全，对于可靠性与处理突发状况的能力更是极端要求，在此之下，现行的 LTE-A 或是 LTE-A Pro（4G）处理此类需求恐力有未逮，故信息通讯业者期待透过制定 5G 中全新一代的通讯标准 IMT-2020，把人类的梦想进一步化为可能。

车用通讯需求两大特性

3GPP 已经在今年发表了俗称第五代移动通讯标准 IMT-2020 准备时程，将使用于 Release-15、Release-16 以及后续相关 5G 标准规格中。第一个 Release-15 版本将于 2018 年 9 月完成，主要为了满足较急迫的商业需求，尤其是在 2020 年东京奥运时商转；而第二个版本将于 2020 年 3 月完成，称为 Release-16，将满足 IMT-2020 提出的目标和所有可辨识的用例与需求。同时 3GPP 也公布了代表 5G 的识别图案（logo）。

IMT-2020 确立了三大应用领域，分别是加强移动宽带（enhanced Mobile BroadBand，eMBB），大规模机器通讯（massive Machine Type Communication，mMTC）以及高可靠低延迟通讯（Ultra Reliable Low Latency Communication，URLLC）。现有4G（LTE-A）延续 3G 早已有的移动宽带技术，如目前 iPhone 7 具备三个聚波载合（Carrier Aggregation，CA）并且在 3GPP Release-13 定义了专为机器通讯的规格，例如物联网的 Cat-M 或是 NB-IoT，只有 URLLC 为传统 3/4G 所没有的新兴应用领域，广义而言，其也属于机器通讯的一种，只是相较于现行 4G 的规格，其应用于汽车或是工业使用等关键领域，与传统现行物联网专注于超低成本与超低功耗完全不同，可说为 5G 规格中相当重要的亮点。

针对上面的车用或是工业用的需求，IMT-2020 的 URLLC 规格将处理满足最低 1ms（毫秒），其低延迟（Low-Latency）特性就是为了缩短通讯联机的时间，让智能汽车或智能工厂能有更充裕的处理由传感器所传来的信息。根据统计，目前 4G 系统在通讯延迟时间上都远超过此数值，台湾电信系统在最糟的情况需要 4X ms，而美国电信系统因为幅员广大，甚至有 2XX ms 的纪录。现行被采用为车载通讯（Dedicated Short Range Communication，DSRC）间技术之一的 IEEE 802.11p，虽然为 WiFi 架构的一种，但其主要修改要点就是缩短 WiFi 之高延迟特性，降低通讯传递的时间。

除了缩短处理时间之外，汽车业攸关人命安全，本田汽车创办人本田宗一郎（Soichiro Honda）曾说：“交通工具与人命相关，从业员工需要有强烈的责任感，不负责任的人可以去卖文具用品或是布匹之类的，这些东西如果有缺陷的话，换个货就可以解决；但我们公司的产品如果有瑕疵，后果会相当严重。”故在 URLLC 规格上面，可靠性（Reliability）与可处理突发状况都是不可或缺的规格，确保收到与处理讯息的装置错误率都必须尽可能降低。

会妨碍讯息传输可靠性的原因常见有三：讯息遗失、讯息错误或讯息传输太晚到达。前两者需要更多容错设计，而确保讯息在时限内抵达则需要重新设计电信系统架构。在 5G URLLC 设定可靠性目标中，可靠度如以机率表示，累积分布函数（Cumulative Distribution Function，CDF）需要达到 99.9999% 以上，才足以达到车用安全标准。

工规电子零组件的三大认证标准

既然是目标为车用的通讯，当然车用电子也需要满足车用规范。目前在车用电子必须通过三大规范，分别是代表质量管理系统认证的 TS 16949，安全性认证的 ISO 26262 以及可靠度验证的 AEC Q100/101/200。整个车用电子零件分为三大类别，包含 IC、离散半导体、被动组件三大类别，为了确保这些汽车电子零组件符合汽车安全的最高标准，美国汽车电子协会（Automotive Electronics Council，AEC）系以微控制器与集成电路等主动零件为标的，设计出一套标准 AEC-Q100；而针对被动组件设计的标准为 AEC-Q200，其规范了被动零件所必须达成的产品质量与可靠度。

AEC Q100 规范了在车用的芯片必须通过的可靠性标准。由于车用必须在各种极端环境下都能够确保人命安全，而汽车使用环境可能从迪拜密闭空间高达 120℃ 到西伯利亚的 -30℃。除了温度外，也规定了如操作时间（Operation Life Test，OLT）、读写次数等许多可靠性测试种类，车用电子通讯都必须能够通过等此类环境考验。有了可靠性才有过安全性认证 ISO 26262 的可能。

另一个确保可靠性的标准就是 TS 16949。质量管理是所有汽车厂商的命脉，对于传统信息通讯厂商而言，效能与成本是最重要的考虑点，但在车用环境，质量管理重要性远胜效能与成本。因为一台车可能高达一万多个零组件，在又要确保整车无故障率情况下，对于每个零组件生产时的良率要求非常严格。对 5G 的 URLLC 而言，使用的远程通讯系统（Telematics）通讯组件的质量要求，远大于现行常见装载于车内影音上网系统（Infotainment），其生产质量目标与其他车用安全零组件一样要求零缺失（Zero Defect/Failure）。各车厂对于半导体芯片的制造都有详细流程，来区别其他消费性芯片的流程。

为了达到整体高可靠性，除了在生产制造初期达到的完全无缺失外，交车给终端消费者后，也要注意正常使用下遇到妨碍可靠性的因素。像是噪声与辐射带电粒子会造成半导体判断错误，导致不可预期状况。以内存为例，在资通讯产品中已属于最高可靠标准的服务器，根据 Google 对自家服务器的统计，每年却高达三分之一会发生可复原的内存错误，而无法复原的错误发生率则为百分之一。虽然目前传统通讯与服务器当中使用了错误更正码（Error Correcting Code，ECC）来解决此错误发生原因，但在车用环境需要更高标准，以降低所有出错的机会。而在 5G URLLC 的规格发想中，虽然低延迟和高可靠性的要求都会降低系统容量（Capacity），但透过更宽的频谱使用，可弥补此减少的差距。

▲ （Source：Shutterstock）

车规制造与设计技术

为了达到可应用在车用的环境，除了上述对于质量制造的控管外，由于汽车的使用年限远较消费性产品长，其对于零组件供应时期甚至高达三十年。在严格的规范和供应年限要求下，零组件供货商通常都得靠自有制造厂，才能得到汽车业者客户的认同。为了防止运作错误而使用 ECC 作为容错设计，在 5G URLLC 中，大规模天线数组（Massive MIMO）便在其中扮演关键角色。透过空间分歧（Space Diversity）接收多个传输数据流，可以防止几个通讯失效。而运作在车内的基频芯片同时搭配的 DRAM 也将具备 ECC 功能，目前 DDR4E 与 LPDDR4 都已经可以看到内建 ECC 功能的产品。而储存数据的非挥发内存（Non-Volatile Memory，NVM）也需要具备此功能。

根据三星在 JEDEC 提出的报告，如果使用（72,64）编码（Code Rate），芯片面积约会增加 11.5% 成本。而如果使用（136,128）编码，芯片面积约只增加 6.5% 成本，差别在于（136,128）只能更正一个位的错误，而（72,64）除了可以更正一个错误外，还可侦测两个位的错误。由于车规超严格的质量标准，其对成本的容忍度也远较于消费性产品为高，未来将可以看到更多具备 ECC 功能的车用电子芯片问世。

本文转自d1net（转载）

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