5 phương pháp hay nhất để tối ưu hóa kết nối xe

Với mỗi năm trôi qua, người tiêu dùng có kỳ vọng cao hơn về khả năng kết nối không dây từ xe của họ—và các kỹ sư thiết kế đang đi đầu trong việc tạo ra các hệ thống để đáp ứng những kỳ vọng này. Kết nối không dây và các ứng dụng liên quan có nhiều dạng khác nhau, từ hệ thống thông tin giải trí phức tạp đến các tính năng điều khiển xe như lập kế hoạch tuyến đường, dẫn đường và nhận dạng mối nguy hiểm.

5 phương pháp hay nhất để tối ưu hóa kết nối xe

Để kiểm soát và an toàn giao thông, các phương tiện của tương lai sẽ có thể giao tiếp bằng hệ thống xe-với-mọi-thứ (V2X). “Mọi-thứ” có thể bao gồm mạng di động, cơ sở hạ tầng ven đường, phương tiện cá nhân, người đi xe đạp và người đi bộ. V2X di động (C-V2X) là tiêu chuẩn cho V2X do nhóm tiêu chuẩn giao tiếp di động quốc tế 3GPP định nghĩa.

C-V2X có thể sử dụng giao tiếp giữa xe với mạng (V2N) thông qua mạng di động hoặc có thể sử dụng giao tiếp trực tiếp, được gọi là PC5. Các chức năng giao tiếp trực tiếp dựa trên PC5, tương tự như bộ đàm, cho phép xe giao tiếp với các xe khác hoặc các thiết bị gần đó mà không cần trung gian. Khả năng này giải quyết một trong những nhược điểm của V2N, yêu cầu vùng phủ sóng mạng di động và nhiều thiết bị phải chịu độ trễ dài vì tín hiệu được gửi qua nhiều giai đoạn (thiết bị đến tháp di động, tháp di động đến internet, internet đến tháp di động thứ hai và tháp di động đến thiết bị thứ hai). Điều này cũng có thể tốn quá nhiều thời gian để cung cấp dữ liệu quan trọng một cách kịp thời.

Truyền thông PC5 được tối ưu hóa cho giao tiếp gần, trong phạm vi 1,5 km và tầm nhìn, vì người dùng trong phạm vi này có liên quan nhất đến hoạt động an toàn của xe. Truyền thông tầm xa hơn có thể được quản lý bởi các thiết bị V2N và mạng di động. Sự gia tăng nhanh chóng của các hệ thống hỗ trợ người lái xe tự động (ADAS) và các chức năng an toàn đang thúc đẩy nhu cầu về kết nối dựa trên PC5 nhanh hơn và đáng tin cậy hơn. Với một số tổ chức an toàn và quản lý đang cân nhắc yêu cầu truyền thông PC5 để đạt được xếp hạng an toàn 5 sao, PC5 đang phát triển từ một tính năng tốt để có thành một tính năng bắt buộc phải có. Do đó, các thiết kế xe phải kết hợp ăng-ten và kiến ​​trúc hỗ trợ cung cấp kết nối V2X đáng tin cậy thông qua PC5.

Các kỹ sư ô tô phải giải quyết những thách thức và cạm bẫy tiềm ẩn đối với hệ thống ăng-ten ngay từ đầu quá trình thiết kế. Việc tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống ăng-ten đòi hỏi phải duy trì tính toàn vẹn tín hiệu tuyệt vời bằng cách giảm thiểu mất năng lượng hoặc suy giảm tín hiệu, cả bên ngoài và bên trong xe. Sau đây là năm mẹo mà các nhà thiết kế hệ thống có thể áp dụng để giúp đảm bảo xe có khả năng truyền thông C-V2X tốc độ cao cần thiết cho một loạt các chức năng an toàn.

1.Biết ngân sách liên kết của bạn

Thiết kế hệ thống ăng-ten để có hiệu suất tối ưu là một quá trình phức tạp và bước đầu tiên là lập bản đồ ngân sách liên kết. Ngân sách liên kết dự đoán lượng năng lượng bị mất giữa máy phát trong Xe A và máy thu trong Xe B (và ngược lại đối với tin nhắn trả về). Ở tần số 5,9 GHz, tần số được sử dụng cho liên lạc giữa xe với xe (V2V) dựa trên PC5, tổn thất năng lượng có thể đáng kể hơn so với tần số thấp hơn, khiến việc thiết lập ngân sách liên kết trước khi thực hiện bất kỳ bước thiết kế nào khác trở nên quan trọng hơn.

Khi thiết lập ngân sách liên kết, các nhà thiết kế phải xem xét đến tổn thất năng lượng trong khối ăng-ten; trong khối cáp, bao gồm bất kỳ đầu nối nào được yêu cầu; và trong khối đơn vị điều khiển viễn thông. Việc lập bản đồ thông tin này rất quan trọng để thiết kế hệ thống nhằm chống lại bất kỳ tổn thất năng lượng quá mức nào. Khi công việc thiết kế tiến hành, thiết kế hệ thống ăng-ten có thể được tinh chỉnh khi cần thiết để duy trì mức suy giảm tín hiệu chấp nhận được và đảm bảo hoạt động đáng tin cậy và hiệu quả của TCU.

2. Tối đa hóa cường độ tín hiệu bằng cách bố trí ăng-ten phù hợp

Trước khi các nhà thiết kế có thể bố trí hệ thống ăng-ten xe, cần phải xác định vị trí ăng-ten hiệu quả, tối ưu. Vị trí vật lý của ăng-ten trên xe có tác động lớn đến cường độ tín hiệu. Đồng thời, việc lựa chọn vị trí cho ăng-ten phải cân bằng với thiết kế tổng thể và tính thẩm mỹ của xe.

Khi đánh giá vị trí, kiểu dáng (ví dụ, vây cá mập hoặc lưỡi) và vị trí (ví dụ, kính chắn gió phía trước hoặc cản) của ăng-ten là những cân nhắc chính. Vị trí sẽ ảnh hưởng đến kết nối đa hướng, với cường độ tín hiệu thay đổi đáng kể theo hướng tùy thuộc vào vị trí ăng-ten. Ví dụ, vây cá mập được đặt trên nóc xe, lý tưởng nhất là ở điểm cao nhất. Điều này mang lại tiềm năng phủ sóng 360 độ xung quanh xe. Nhưng  vây cá mập tùy chỉnh  thường chứa nhiều thành phần ăng-ten bên trong, chẳng hạn như mạng di động 5G, GNSS độ chính xác cao, Wi-Fi hoặc AM/FM, có thể chặn tín hiệu và làm giảm hiệu suất. Ngược lại với trực giác, mái kính đặc biệt có hại cho hiệu suất ăng-ten ở tần số 5,9 GHz. Do đó, các thành phần PC5 thường được thêm vào mặt sau của vây cá mập và tập trung vào hiệu suất hướng về phía sau.

Ăng-ten được đặt trong kính chắn gió hoặc bên trong cản xe sẽ bị ảnh hưởng bởi các thiết bị và vật liệu kết cấu gần đó. Đối với ăng-ten ở góc trước bên trái của xe trong cản xe, có khả năng sẽ có “điểm mù” ở bên phải và phía sau vì bất kỳ tín hiệu nào cũng cần phải đi qua một phần đáng kể của kết cấu xe, do đó làm giảm đáng kể cường độ tín hiệu. Biểu đồ cực được sử dụng để hình dung các điểm mù bằng cách xác định các hướng có cường độ tín hiệu kém. Với thông tin này, kiểu ăng-ten hoặc vị trí có thể được sửa đổi để cải thiện khả năng kết nối.

Trong nhiều trường hợp, việc tối ưu hóa cường độ tín hiệu có thể được thực hiện bằng cách sử dụng hai ăng-ten bổ sung cho phạm vi phủ sóng của nhau (giả sử TCU có hai ăng-ten). Với một ăng-ten ở phía trước và một ăng-ten thứ hai ở phía sau, hoặc với các ăng-ten ở các góc đối diện, mỗi ăng-ten duy trì cường độ tín hiệu tốt nhất theo hướng điểm mù của ăng-ten kia. Đây được gọi là hệ thống đa dạng. Sử dụng các biểu đồ cực của cường độ tín hiệu, vị trí đặt ăng-ten có thể được thiết kế có chủ đích để tối đa hóa cường độ tín hiệu và cải thiện tốc độ cũng như độ tin cậy của kết nối PC5 của xe.

3. Tối ưu hóa cáp và kết nối của bạn

Sau khi xác định được vị trí ăng-ten và TCU, bước tiếp theo trong quy trình thiết kế tập trung vào việc định tuyến cáp và lựa chọn các tùy chọn kết nối để tối ưu hóa hiệu suất hệ thống. Một nguồn suy giảm tín hiệu đáng kể có thể là mất mát cáp. Điều này chủ yếu bị ảnh hưởng bởi loại và chiều dài cáp cũng như các đầu nối được sử dụng. Tuy nhiên, mất mát cáp có thể được kiểm soát, nhưng việc thiết kế để có cường độ tín hiệu tối ưu đòi hỏi phải xem xét một loạt các yếu tố. Các yếu tố này bao gồm kiến ​​trúc xe cũng như chi phí, trọng lượng và khả năng sản xuất linh kiện.

Cáp chạy ngắn hơn và cáp đồng trục 50 Ohm hiệu suất cao có thể giúp giảm tổn thất cáp. Tuy nhiên, với cáp hiệu quả hơn, đi kèm với sự đánh đổi về chi phí và trọng lượng. Dây hiệu suất cao nặng hơn, làm tăng trọng lượng cho xe và đắt hơn. Việc lắp đặt cũng có thể khó khăn và tốn thời gian hơn. Vì những lý do này, chiều dài cáp phải được giữ càng ngắn càng tốt, nhưng điều này phải được đánh giá cùng với nhu cầu về vị trí đặt ăng-ten cũng như kiến ​​trúc tổng thể của xe và dây điện. Các đầu nối điện cũng có thể tạo ra sự khác biệt lớn trong hiệu suất tổng thể của hệ thống, cả trong việc quản lý tổn thất cáp và đảm bảo hiệu suất đáng tin cậy. Các đầu nối hiệu suất cao, cấp ô tô, chẳng hạn như  Đầu nối Molex High-Speed ​​FAKRA Mini (HFM) , cũng có thể giúp giảm tổn thất cáp.

Giống như nhiều quyết định thiết kế khác, việc tối ưu hóa kết nối trong xe trong khi hạn chế mất cáp là một hành động cân bằng giữa việc đáp ứng các mục tiêu về hiệu suất hệ thống với việc hạn chế chi phí và trọng lượng. Ngân sách liên kết đóng vai trò là yếu tố chính trong việc quản lý các ưu tiên này.

4. Kết hợp bộ bù, nếu cần

Trong nhiều xe, đặc biệt là những xe sử dụng hai ăng-ten, sẽ cần có các đoạn cáp dài hơn. Trên các đoạn cáp dài hơn hai mét, suy giảm tín hiệu là một yếu tố quan trọng để đạt hiệu suất cao nhất, thường chỉ ra nhu cầu về bộ khuếch đại hai chiều hoặc bộ bù. Bộ bù có thể cải thiện hiệu suất bằng cách tăng cường độ tín hiệu ở chế độ truyền để bù đắp cho tổn thất năng lượng trong hệ thống. Ở chế độ thu, bộ bù khóa tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu. Ngân sách liên kết sẽ nêu bật nhu cầu về bộ bù cho các đoạn cáp dài hơn thường được đưa vào các hệ thống ngày nay.

Bộ bù cũng phải là loại không phụ thuộc, nghĩa là nó sẽ hoạt động với các giao thức hệ thống khác nhau từ các nhà cung cấp chipset PC5 lớn, mặc dù khách hàng thường sẽ tùy chỉnh chức năng. Đối với hệ thống ăng-ten thông thường, một bộ bù cấp ô tô, không phụ thuộc giao thức, chẳng hạn như Molex V2X Compensator, cung cấp một số lợi thế. Nó kết hợp một thành phần ăng-ten PC5; cung cấp mức độ linh hoạt thiết kế cao, bao gồm các thiết lập điều khiển độ lợi khác nhau cho tín hiệu vào và ra; và thiết kế chắc chắn của nó giúp đảm bảo hệ thống hoạt động đáng tin cậy.

5. Kiểm tra kỹ lưỡng hệ thống ở mọi giai đoạn

Trong suốt quá trình thiết kế, điều quan trọng là phải kiểm tra hệ thống ăng-ten xe nhiều lần, cả trên cơ sở thành phần và như một hệ thống hoàn chỉnh. Đảm bảo hệ thống và các thành phần của nó hoạt động như thiết kế là rất quan trọng để tránh những bất ngờ khi thiết kế được hoàn thiện.

Trong giai đoạn đầu của quá trình thiết kế, cần phải thử nghiệm mô phỏng. Việc sử dụng các tính toán có được từ việc mô phỏng sự suy giảm tín hiệu của từng thành phần trong hệ thống là điều cần thiết để tạo ra ngân sách liên kết. Sau đó, khi thiết kế được tinh chỉnh, có thể sửa đổi thử nghiệm mô phỏng khi cần thiết. Khi thiết kế ở giai đoạn nguyên mẫu, cần sử dụng một cơ sở thử nghiệm để cung cấp đầy đủ dữ liệu về hoạt động của toàn bộ hệ thống. Molex tận dụng các cơ sở thử nghiệm chuyên dụng, tiên tiến ở Châu Âu và Bắc Mỹ để xác định hiệu suất của hệ thống trong nhiều điều kiện khác nhau. Sử dụng thông tin này để xác thực các mô phỏng và ngân sách liên kết sẽ giúp đảm bảo hệ thống ăng-ten hoạt động theo yêu cầu.

Tầm quan trọng ngày càng tăng của kết nối

Khi các hệ thống an toàn trong xe bắt đầu phụ thuộc ngày càng nhiều vào kết nối C-V2X dựa trên PC5, các nhà thiết kế ô tô sẽ ngày càng phải đảm bảo rằng xe có thể duy trì kết nối di động đáng tin cậy với các xe gần đó và các thiết bị khác. Người tiêu dùng và các cơ quan quản lý sẽ yêu cầu xe đạt được các tiêu chuẩn cao về kết nối để đáp ứng kỳ vọng về an toàn.

Để thực hiện được điều này, cần phải thiết kế hệ thống ăng-ten xe ngay từ đầu với các cân nhắc về thách thức suy giảm tín hiệu. Thực hiện các bước này và tối ưu hóa hoạt động đầu cuối của hệ thống ăng-ten khi thiết kế xe tiến triển sẽ cải thiện đáng kể khả năng kết nối và hoạt động chung của hệ thống để mang lại hiệu suất đáp ứng nhu cầu của người tiêu dùng. Đổi lại, điều này sẽ cải thiện sự hài lòng của khách hàng và cho phép các phương tiện kết nối của tương lai mang lại mức hiệu suất, sự thoải mái và hiệu quả mong muốn, quan trọng nhất là với mức độ an toàn cao nhất cho người lái và hành khách.