La interferencia de la señal compromete la seguridad del radar automotriz

El tema poco conocido de la seguridad del radar está emergiendo como un potencial talón de Aquiles de los vehículos altamente automatizados y asistidos por el conductor:las señales de radar interfieren entre sí.

El radar se ha convertido en una modalidad de detección esencial que complementa las cámaras de imágenes CMOS. El radar funciona en todas las condiciones climáticas y habilita una variedad de funciones de conducción automatizada, incluidos los frenos automáticos de emergencia (AEB). Pero los radares pueden estropearse o fallar si terminan, como los aceleradores de partículas de los Cazafantasmas, cruzando las corrientes de los demás.

"Hay algo muy importante que me olvidé de decirte.
No cruces los arroyos. Sería malo ".

Si bien este aún no es un fenómeno advertido públicamente por los fabricantes de automóviles o comúnmente percibido por los conductores, los radares de automóviles, que operan en entornos congestionados, enfrentarán una interferencia significativa.

El segmento de aplicación del radar abarca desde el control de crucero adaptativo y la detección de puntos ciegos hasta los sistemas de advertencia de colisión frontal y la asistencia inteligente para estacionar. Para que un vehículo tenga una vista de 360 ​​grados, necesita chips de radar de corto y largo alcance. AEB generalmente usa radar (para todo clima) y, a veces, lidar y cámaras para detectar un accidente inminente.

La rápida proliferación de AEB en el mercado global se ha convertido en un arma de doble filo para los proveedores de sensores de radar. Es tanto motivo de celebración como motivo de preocupación.

Por ejemplo, el Programa de Evaluación de Automóviles Nuevos de China (NCAP) ya exigió AEB para todos los camiones que saldrán de la fábrica al mercado en 2020. Los automóviles nuevos en Japón deben tener las funciones AEB delanteras y traseras, a partir de este año. En los Estados Unidos, 20 fabricantes de automóviles han acordado una "tasa de ajuste AEB del 100 por ciento en automóviles nuevos en 2022". De cara a los requisitos de Euro NCAP para 2019, el 90 por ciento de los automóviles vendidos en Europa ya vienen con la última tecnología para evitar choques para impactos de automóvil a automóvil.

NXP Semiconductors proyecta que la tasa de penetración del radar automotriz aumentará al 55 por ciento en 2030. En una entrevista reciente con EE Times , Huanyu Gu, gerente senior de marketing de productos de NXP Semiconductors responsable de ADAS y V2X, advirtió que la interferencia del radar es inevitable y dijo que "cuando varios radares transmiten al mismo tiempo y en la misma frecuencia o superpuesta, y si luego comparten una ruta visible ".

Gu de NXP no es el único que se preocupa. Martin Duncan, gerente general de la división ADAS y ASIC de ST Microelectronics, también dijo a EE Times , “El hecho de que ahora tengamos un 25% de vehículos nuevos con sistemas de radar, ya es un problema. Si intenta capturar en tiempo real las condiciones de la carretera, es muy fácil ver las transmisiones de varios vehículos. Como todos usamos la misma banda de frecuencia, esto podría empeorar a medida que aumenta la tasa de ajuste ".

Un ejemplo de implementación de múltiples sensores de radar usados ​​para seguridad activa y sistemas de conducción asistida (Kissinger, 2012)

El principio de la congestión del radar es sencillo. La Administración Nacional de Seguridad del Tráfico en las Carreteras (NHTSA) escribió en su "Estudio de congestión de radar" publicado en septiembre de 2018:

Los radares utilizan el conocimiento de las señales radiadas para identificar ecos y estimar el alcance y la velocidad de los objetos en el entorno. Estos ecos no son copias perfectas de la señal original, sino una suma de múltiples retornos que interfieren constructiva y destructivamente con la señal. Es importante comprender que los retornos de los objetos iluminados por el radar fluctúan, especialmente cuando el rango relativo, el aspecto y otros objetos en la escena cambian. Con varios radares operando muy cerca y un entorno de múltiples fuentes de dispersión, el rendimiento de cada radar se degrada a medida que aumenta el nivel de interferencia.

Eso podría llevar a comprometer la seguridad. “El peor de los casos serían las muertes causadas por la interferencia del radar. En la actualidad, ya existe un mayor uso del filtrado contra falsos positivos en la pila de radares, independientemente de la causa raíz ”, señaló el fundador y presidente de VSI Labs, Phil Magney.

Se había advertido a la industria

Cuantos más coches equipados con radar salgan a la carretera, más rápido debe aprender cada radar a lidiar con la presencia de otros radares. Los proveedores de radar están bajo presión.

El escenario de tráfico común simple en el que la interferencia se calcula en el radar de la víctima (verde) y es generada por los otros vehículos (rojo) 3. (Fuente:NXP)

La interferencia de radar no es una consecuencia inesperada de la proliferación de radares. Se había advertido a la industria automotriz. Hace más de una década, Europa armó un proyecto llamado MOSARIM (Más seguridad para todos mediante la mitigación de interferencias de radar) y emitió un informe en 2012. El proyecto investigó “la interferencia mutua del radar vehicular y la definición y elaboración de contramedidas y técnicas de mitigación efectivas. ”

Más recientemente, la NHTSA realizó un "Estudio de congestión de radar", modelando y simulando la interferencia de radar con dos preguntas en mente:

• ¿Cuánta potencia recibe un radar determinado de otros transmisores de radar?
• ¿Cómo afecta esto al rendimiento de un sistema de advertencia de colisión?

El informe concluyó:

… Los sistemas que funcionan bien en entornos con pocos radares pueden sufrir una degradación significativa del rendimiento en entornos congestionados de radar. Los resultados del estudio muestran que los niveles de interferencia basados ​​en el funcionamiento de los sistemas actuales en entornos congestionados serán significativos. En escenarios con muchos vehículos operando radares en la banda de 76-81 GHz, la potencia de otros radares probablemente excederá la potencia de los ecos de los objetivos necesarios para un rendimiento especificado, en varios órdenes de magnitud.

¿Colaboración entre radares?

Entonces, la industria ha sabido durante una década sobre la inminencia de los atascos de tráfico por radar. ¿Qué acciones ha tomado?

Con todo este tiempo de espera, es de esperar que los fabricantes de equipos originales de automóviles y los de nivel 1 desarrollen una estrategia sólida para evitar interferencias. Puede imaginarse un sensor de radar que evite las interferencias adaptando los parámetros de forma de onda de forma dinámica.

Esta no es una ciencia espacial. La comunidad de radares tiene el conocimiento para tomar prestados tipos similares de reglas de acceso a canales ya implementadas por la industria de las telecomunicaciones (como en TDMA, FDMA y CDMA). Tal esquema de "escuchar antes de hablar" debería permitir una comunicación más estructurada entre radares, dijo Gu de NXP.

Desafortunadamente, esa no es la mitigación de interferencias adoptada por la industria. Aparte del hecho de que los radares de automoción utilizan el mismo espectro de frecuencia asignado (76GHz ~ 81GHz), la comunidad de radares no está sujeta a regulaciones. "Los parámetros de la forma de onda del radar no están regulados", señaló Gu.

Los acuerdos, la estandarización y la regulación de la industria nunca han sido parte del ADN de la industria automotriz.

Un enfoque común adoptado hoy es "limitar la interferencia aleatorizando las señales transmitidas en tiempo o frecuencia", según Gu. Reconociendo la falta de lógica detrás de esta asignación al azar, Gu dijo:“Hoy, lo estás haciendo a ciegas. Esto ciertamente está bien, especialmente si no hay muchos autos en la carretera con radares. Pero si desea mejorar la solidez del sensor de radar a las interferencias, debe buscar la colaboración entre los sensores de radar ”.

Pero eso requeriría regulación.

No obstante, en su propio informe técnico sobre la interferencia de radar, NXP concluyó:

Eventualmente, para respaldar una alta penetración en el mercado, se necesitará algún tipo de acuerdo entre los fabricantes para compartir de manera más efectiva los recursos de detección de una manera justa. Este último paso significa que todos los actores del mercado tendrán que sentarse juntos para definir una forma estandarizada de acceder al canal y, al mismo tiempo, mantener la posibilidad de tener un rendimiento de detección diferenciado.

Gratis para todos

Radar siempre ha sido un "gratis para todos", observó Egil Juliussen, un veterano analista independiente de la industria automotriz. En la búsqueda de innovaciones, las empresas de sensores de radar suelen estar inclinadas a desarrollar nuevos algoritmos patentados que se ejecutan en DSP o MCU asociados con chips de sensores para que su radar pueda mejorar la resolución de imágenes y mitigar la interferencia, explicó.

En otras palabras, para muchos en la industria automotriz, lanzar más procesamiento de señales a los problemas de interferencia de radar es un enfoque más preferido que cualquier acuerdo o regulación de la industria.

Un sensor de radar con una parte digital (DSP), el transmisor y el receptor frontal. Las técnicas de interferencia se pueden agrupar en aquellas diseñadas para evitar la saturación del front-end, aquellas que gestionan la interferencia digitalmente y aquellas que intentan evitar la interferencia antes de que realmente ocurra. (Fuente:NXP)

Durante nuestra entrevista, Gu de NXP planteó tres enfoques diferentes para mitigar la interferencia de radar:1) evitar la saturación en el front-end; 2) gestionar la interferencia digital reconociendo y eliminando la interferencia en el dominio digital; 3) evite las interferencias adaptando los parámetros de forma de onda de forma dinámica.

El tercer enfoque ya se considera menos probable que se adopte en el espectro actual de 77 GHz. Gu explicó:"La gente piensa que es demasiado tarde porque ya tenemos demasiados sensores de radar en la carretera y esos sensores no colaborarían". Añadió que el esquema podría "aplicarse a la frecuencia de 140 Ghz en el futuro, si esa banda está disponible para el radar".

El primer enfoque, más probable, es diseñar técnicas que eviten la saturación de la interfaz. Aquí, se puede recibir al menos una parte de la señal deseada y tomar las contramedidas adecuadas. "Puede hacer esto proporcionando al receptor de radar dos configuraciones de ganancia diferentes", dijo Gu. Alternativamente, el sistema podría incluir "anulación espacial", en la que el front-end utiliza múltiples antenas para cegarse en la dirección que genera interferencia. Este enfoque busca eliminar una señal de interferencia antes de que sature el front-end, explicó Gu.

Los proveedores de chips de radar como NXP tienden a centrarse en manejar la interferencia en el dominio digital, en DSP. "Por supuesto, su condición previa es que en realidad la señal deseada no esté siendo enterrada por las señales fuertes", dijo Gu.

Después de determinar que la señal interferente es relativamente débil, se puede digitalizar junto con la señal deseada, sin que se sature el front-end.

Pero el nombre del juego es reconocer primero si la señal se ha corrompido, lo que es más fácil decirlo que hacerlo, según NXP. Las técnicas para hacerlo dependen de la forma de onda de radar específica tanto del radar víctima como de la interferencia. Debido a que el marco regulatorio actual permite diferentes formas de construir formas de onda de radar, cada fabricante de sensores de radar elige la suya propia, lo que hace que el proceso no solo sea diverso sino complicado.

El estándar de facto en los radares para automóviles es el radar de onda continua con modulación de frecuencia (FMCW). FMCW ofrece un rendimiento muy bueno que es relativamente simple y elegante. Cubre un gran ancho de banda con un ADC de bajo ancho de banda y proporciona una estimación robusta de la velocidad del objetivo, según NXP. Pero viene con algunas advertencias.

Los diferentes fabricantes utilizan diferentes configuraciones de parámetros de formas de onda FMCW para diferenciar su propuesta de producto y cubrir diferentes requisitos de aplicación, como frecuencia portadora, ancho de banda, duración del chirrido, tiempo de muestreo, duración del ciclo de detección y diferentes formas de cambiar los parámetros durante un período de detección.

En resumen:el sensor de radar primero debe reconocer si hay una interferencia. La detección de interferencia funciona reconociendo características únicas de la señal alienígena. Una vez que se detecta la interferencia, los algoritmos del sistema deben eliminarla de la señal recibida tan completamente como sea posible sin corromper o eliminar la señal deseada.

Nada de esto debería sorprender a nadie en la comunidad de radares. "Hay algoritmos de procesamiento de señales de libros de texto en el mercado y ya los está utilizando la industria", dijo Gu.

Los algoritmos de los libros de texto, sin embargo, tienen límites, anotó. “A menudo se limitan a lidiar con interferencias de baja correlación. Y también son capaces de lidiar con un número muy limitado de interferencias, una o dos a la vez ".

El objetivo de NXP es seguir desarrollando sus algoritmos de señales digitales avanzados diferenciados para eliminar la interferencia.

ST está trabajando en su propia metodología. Duncan dijo:“Si está consciente de lo que debe ser el chirrido del radar, puede filtrar / ignorar fácilmente las señales falsas. También es posible introducir firmas entre chirridos ”.

Sin embargo, Duncan agregó:"Si hubiera más estandarización / intercambio de lo que se transmite, ayudaría en las contramedidas para eliminar las señales no deseadas".

¿Sientes la interferencia del radar?

La NHTSA presentó un par de escenarios que simulan las interferencias esperadas en la congestión del radar.

• En el caso del tráfico en una carretera de dos carriles, asumiendo que los radares usan frecuencias portadoras seleccionadas al azar, la NHTSA predijo que “un radar automotriz encontraría energía de otros radares mucho mayor que los ecos de sus propias transmisiones necesarias para rastrear otros vehículos. La interferencia se acerca a cuatro órdenes de magnitud, o casi 40 dB, más que los ecos típicos de un objetivo de referencia, como se especifica para el sistema ”.
• En los radares que miran hacia atrás (como en los sistemas de detección de puntos ciegos), "estas unidades son vulnerables a la llegada directa de radares de evitación de colisiones frontales que utilizan mayor potencia y ganancia de antena". El estudio dijo:"Nuestro análisis muestra que estas unidades podrían experimentar una potencia de interferencia de un radar de evitación de colisiones frontal que es casi cinco órdenes de magnitud, o 50 dB, mayor que los reflejos de su objetivo de referencia especificado".

Sin embargo, hasta ahora, el impacto del radar no se ha sentido en las carreteras del mundo real.

"La interferencia de radar a radar es todavía desconocida y, como investigadores aplicados que trabajan con radar casi todos los días, VSI no puede decir que alguna vez hemos experimentado interferencia de radar a radar de otro vehículo mientras probamos en vías públicas", dijo Magney de VSI Labs. . "Podemos suponer que estamos expuestos porque muchos vehículos en la carretera tienen una combinación de radares de corto a largo alcance", agregó.

Durante la llamada financiera del primer trimestre de Tesla el lunes, el CEO Elon Musk reiteró los planes para eliminar los radares de los vehículos Tesla, haciendo discutible el tema de la interferencia del radar, al menos para los vehículos Tesla.

Sin embargo, otros fabricantes de equipos originales (OEM) de automóviles, proveedores de tecnología automotriz y de nivel 1 no abandonarán el radar en el corto plazo.

Los radares en particular son críticos porque son resistentes a la intemperie, enfatizó Magney de VSI. "El radar es uno de los sensores ADAS más rentables y la penetración crecerá drásticamente en los próximos años".

>> Este artículo se publicó originalmente en nuestro sitio hermano, EE. Tiempos.

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