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一篇文章读懂V2X的两大技术标准之争

2017-11-21 15:10:39 科学探索 来源:网络 编辑:陈思敏
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导读:为了提升交通系统的安全性和智能化,智能交通系统的概念正逐渐兴起。智能交通可以利用新一代的通信网络和数据处理能力,提高现有交通系统的整体效率,降低能量损耗,增加运输的安全

为了提升交通系统的安全性和智能化,智能交通系统的概念正逐渐兴起。智能交通可以利用新一代的通信网络和数据处理能力,提高现有交通系统的整体效率,降低能量损耗,增加运输的安全和便捷程度。

近年来智能交通系统的开发将主要集中在智能公路交通系统领域,也就是俗称的车联网。其中V2X技术借助车-车,车与路测基础设施、车与路人之间的无线通信,实时感知车辆周边状况进行及时预警成为当前世界各国解决道路安全问题的一个研究热点。根据美国交通部提供的数据,V2V技术可帮助预防80%各类交通事故的发生。

一篇文章读懂V2X的两大技术标准之争

在接下来的几篇文章里,车云菌将会为大家逐一梳理V2X技术发展过程中面临的标准之争、各个产业链公司在推动这项技术量产落地过程中付出的努力和成果以及5G通讯技术对V2X应用产生的影响。今天我们主要将目光投向V2X的一些基本概念以及两大底层通讯技术标准之间的对比和区别。

V2X到底是什么?

按照中国汽车工业协会对搭载V2X功能汽车的定义来看,它是搭载先进的车载传感器、控制器、执行器等装置,并融合现代通信与网络技术,实现车与X(人、车、路、后台等)智能信息的交换共享,具备复杂的环境感知、智能决策、协同控制和执行等功能,可实现安全、舒适、节能、高效行驶,并最终可替代人来操作的新一代汽车。

与自动驾驶技术中常用的摄像头或激光雷达相比,V2X拥有更广的使用范围,它具有突破视觉死角和跨越遮挡物的信息获取能力,同时可以和其他车辆及设施共享实时驾驶状态信息,还可以通过研判算法产生预测信息。另外,V2X是唯一不受天气状况影响的车用传感技术,无论雨、雾或强光照射都不会影响其正常工作。

此外,在传统智能汽车信息交换共享和环境感知的功能之外,V2X还强调了“智能决策”、“协同控制和执行”功能,以强大的后台数据分析、决策、调度服务系统为基础。而且要实现自动驾驶,车辆必须具备有感知系统,像人一样能够观察周围的环境,所以除了传感器,V2X技术也属于自动驾驶的一个感知手段。

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作为物联网面向应用的一个概念延伸,V2X(Vehicle to Everything)车联网是对D2D(Device to Device)技术的深入研究过程。它指的是车辆之间,或者汽车与行人、骑行者以及基础设施之间的通信系统。利用装载在车辆上的无线射频识别RFID技术、传感器、摄像头获取车辆行驶情况、系统运行状态及周边道路环境信息,同时借助GPS定位获得车辆位置信息,并通过D2D技术将这些信息进行端对端的传输,继而实现在整个车联网系统中信息的共享。通过对这些信息的分析处理,及时对驾驶员进行路况汇报与警告,有效避开拥堵路段选择最佳行驶线路。

V2X车联网通信主要分为三大类:V2V(Vehicle to Vehicle)、V2I(Vehicle to Infrastructure)和V2P(Vehicle to Pedestrian)。运输实体,如车辆、路侧基础设施和行人,可以收集处理当地环境的信息(如从其它车辆或传感器设备接收到的信息),以提供更多的智能服务,如碰撞警告或自主驾驶。

V2X两大技术标准:DSRC与LTE V2X

V2X通信技术目前有DSRC与LTE V2X两大路线。DSRC发展较早,目前已经非常成熟,不过随着LTE技术的应用推广,未来在汽车联网领域也将有广阔的市场空间。

率先出击的DSRC

车用环境无线存取(WAVE)、专用短程通讯(DSRC)是IEEE 802.11p底层通信协议与IEEE 1609系列标准所构成的技术,采用5.9GHz频段,并具备低传输延迟特性,以提供车用环境中短距离通讯服务。IEEE802.11p解决在高速移动环境中数据的可靠低时延传输问题、IEEE1609系列规范对V2X通信的系统架构、资源管理、安全机制等进行阐释。

DSRC是连结车辆与车辆(V2V)、车辆与路侧装置间的RF通用射频通讯技术,在车用环境中提供公共安全和中短距离通讯服务。各个国家分配的DSRC使用频段各不相同。1999年,美国联邦通讯委员会(FCC)于1999年决定将5.9GHz(5.850~5.925GHz)频段分配给汽车通讯使用。主要目标是使公共安全应用能够挽救生命并改善交通流量。FCC还允许在本领域提供私人服务来降低部署成本,并鼓励快速开发和采用DSRC技术和应用。

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美国的DSRC频谱和频道

美国5.9GHz DSRC的频段规划,以10MHz频宽为单位,将75MHz频宽划分成七个频道,并由低频至高频分别给予172、174、175、178、180、182与184频道编号。如下图所示,频道178为控制频道(CCH),剩余的六个频道为服务频道(SCH),其包含两个公共安全专用服务频道(频道172为车辆与车辆间公共安全专用服务频道,频道184为交叉路口公共安全专用服务频道)、两个中距离公共安全、私用共享服务频道(频道174与176),以及两个短距离公共安全/私用共享服务频道(频道180与182)。

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全球DSRC的频谱分配情况

WAVE/DSRC所表示的即是IEEE 802.11p与IEEE 1609系列标准所构成的DSRC技术,与其他DSRC技术相较,具有低传输延迟(0.0002秒)、高传输距离(1,000公尺)与高传输速度(27Mbit/s)等特性。在车辆行驶过程中,驾驶者需要对周围环境的变化做出快速判断,为了提高驾驶安全性,减少交通事故的发生,车辆间的通信时延显得尤为重要。

WAVE/DSRC技术底层采用IEEE 802.11p标准,上层则采用IEEE 1609系列标准。对应至开放系统互连参考模型(OSI Reference Model),IEEE 802.11p标准制定实体(PHY)层与资料链结层中的媒介存取控制层(MAC )的通讯协定,而媒介存取控制层中的多频道运作(Multi-Channel Operation)至应用层之通讯协定则由IEEE 1609各个子标准所规范制定。

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WAVE_DSRC系统的标准架构图

这里需要指出的是,IEEE 1609.2标准规范WAVE/DSRC系统中所使用的安全讯息格式和处理程序,包括安全WAVE管理讯息机制与安全应用讯息机制,同时也描述支援核心安全所需的管理功能。 WAVE/DSRC应用中的安全问题往往是最值得关注的,这些应用所提供的服务都必须具有抵御窃听、伪造、修改与重送攻击的能力。

后来者居上的LTE V2X

早在3G时代,国际通信业界已经联合整车厂开展了基于移动通信网络的V2V/V2I试验项目。启动于2006年的CoCar项目,参与公司包括爱立信、沃达丰、MAN Trucks、大众等,演示了在高速行驶的车辆之间通过沃达丰的3G蜂窝网络传送关键安全告警消息的应用,当时做到了端到端时延低于500ms。之后爱立信、沃达丰、宝马、福特又启动了CoCarX基于LTE网络的紧急消息应用性能评估,端到端系统时延在100ms以下。欧盟于2012年资助了LTEBE-IT项目,开展LTE演进协议在ITS中的应用研究。

LTE V2X针对车辆应用定义了两种通信方式:集中式(LTE-V-Cell)和分布式(LTE-V-Direct)。集中式也称为蜂窝式,需要基站作为控制中心,集中式定义车辆与路侧通信单元以及基站设备的通信方式;分布式也称为直通式,无需基站作为支撑,在一些文献中也表示为LTE-Direct(LTE-D)及LTE D2D(Device-to-Device),分布式定义车辆之间的通信方式。

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LTE V2X的两种通信方式

相比DSRC技术,LTE V2X可以解决前者在离路覆盖、盈利模式、容量及安全等各方面存在的问题。它的部署相对容易,频谱带宽分配灵活,传输可靠,覆盖广而且随着3GPP持续演进,可支持未来ITS业务需求。然而,LTE V2X的缺点也同样突出:标准尚在制定过程中,技术成熟度较低,面向车车主动安全与智能驾驶的服务性能还需要充分的测试验证。

2014年9月,LG向3GPP提交了LTE在V2X通信应用的规范草案。同年12月,爱立信提交了增强LTE D2D相近服务的规范草案。2015年2月和6月,3GPP的SA1和RAN1工作组分别设立了专题“LTE对V2X服务支持的研究”和“基于LTE网络技术的V2X可行性服务研究”,标志着LTE V2X技术标准化研究的正式启动。

3GPP在2016年9月已经完成了对其首份蜂窝车联网技术标准的制定工作,并在3GPP RAN会议上将其纳入到LTE Release 14中。它主要聚焦于V2V(车到车通信),是基于LTE Release 12及LTE Release 13所规范的邻近通信技术中的D2D(终端设备间直接通信),但是引入了一种新的D2D接口——PC5。作为3GPP V2V WI的一部分,PC5接口主要用于解决高速(最高250公里/小时)及高节点密度(成千上万个节点)环境下的蜂窝车联网通信问题。最新消息是,3GPP关于所有LTE V2X的标准R14,其中包括应用层、网络层、接入层所有的标准体系都已经完备,预计2019年前后启动商用,现在只等在国内标准的落地。

国内主导LTE V2X发展的是高通与华为,但大唐电信早在2012-2013年期间就提出了LTE-V解决方案的概念并在积极扮演着推手的作用。华为、乐金电子(LGE)与中国本地电信设备制造商CATT并共同主导了3GPP研究,中国通信标准化协会已经在中国针对LTE V2X推出了工作项目。

2016年11月,工信部无线电管理委员会批复5905-5925 MHz总共20MHz用于LTE-V直连技术试验验证。批复明确指出,这20MHz频谱作为试验频谱仅用于LTE V2X直连技术的试验验证,其中包括功能性测试和不同无线电应用间兼容性试验研究。在第二阶段实验中,工信部先后明确了3.5G、4.9G频段中的各200M频率,属于5G技术研发试验。这个频谱有可能在2018年中确定下来,这对整个LTE V2X的产业化是重要的时间节点。

2017年9月中旬,中国智能网联汽车产业创新联盟正式发布《合作式智能交通系统 车用通信系统应用层及应用数据交互标准》。该标准属于中国汽车工程学会的团体标准,是国内第一个针对V2X应用层的团体标准,为国内各车企及后装V2X产品提供了一个独立于底层通信技术的、面向V2X应用的数据交换标准及接口,以便在统一的规范下进行V2X应用的开发、测试,对V2X大规模路试和产业化具有良好的推动效应。

根据中国汽车工程学会,车用通信系统通常可以分为系统应用、应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层,该V2X标准主要关注应用层及应用层与上下相邻两层的数据交互接口。该标准从应用定义、主要场景、系统基本原理、通信方式、基本性能要求和数据交互需求六个方面,已经制定出了17个应用的具体要求,包括通信频率、类型、最大时延、通信距离以及定位精度,详见下表。

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《合作式智能交通系统 车用通信系统应用层及应用数据交互标准》定义的17项应用

从表中可以看出,目前的一期应用主要是提供预警功能,相当于是将此前ADAS的预警范围利用V2X的方式进行了扩大。因为目前国内在通信技术上未有规定,国际标准中也针对不同通信技术各有要求,因而标准支持LTE V2X、DSRC、5G三种通讯技术,针对高时延低频率类应用,还额外支持4G通信。

目前上海汽车城已按照该标准对国家智能网联(上海)试点示范区封闭测试区和科普体验区的V2X系统进行了软件升级。现已在覆盖封闭测试区的8套V2X路测系统,覆盖科普体验区的10套V2X路测系统以及10辆实验车上部署了支持该标准的V2X应用软件,传输数据内容包括BSM、MAP、SPAT、RSI和RSM五类消息,实现了前向碰撞预警、交叉路口碰撞预警、紧急刹车预警、异常车辆提醒、限速预警、弱势交通参与者碰撞预警、车内标牌、绿波车速引导、信号灯优先控制等二十余类V2X应用。

而11月6日,在位于上海科技创新港路周围的一段公共道路上,通用联合上海国际汽车城和上海淞泓智能汽车有限公司演示了车辆与基础设施(V2I)通信应用,来自通用汽车的测试车辆成功获取了道路交叉口的红绿灯状态和倒计时信息。

除上海汽车城之外,工信部又先后推动在杭州、北京、重庆成立“智能汽车与智慧交通产业创新示范区”,基于LTE-V/5G的通信环境建设,支撑开展智能驾驶、智慧交通相关示范应用。目前国内通信设备厂商已有基于LTE-V架构的原型样机,可进行车路协同实景演示。

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LTE-V标准制定路线图

DSRC与LTE V2X对比

DSRC相比V2X已经有成熟的标准和良好的网络稳定性,但LTE V2X作为后起之秀,正有逐步取代并超越DSRC的趋势。在可用性方面,DSRC具有不依赖网络基础设施(比如安全性管理和互联网接入等功能)和自组网的良好特性,所以基于DSRC标准的V2X网络稳定性强,不会由于传输瓶颈和单点故障的原因导致整个系统无法工作。

而在不包含ProSe功能的LTE版本中,LTE V2X需要依赖基础网络设施,在R12以后的版本中,由于LTE加入了ProSe功能后,LTE V2X功能支持在线和离线两种模式,互联网连接不在是必备选项了。另一方面由于DSRC使用的是不经过协调的信道接入策略,这种策略无法满足未来V2X对确定性时延的需求,同时DSRC的可靠性和容量,较LTE V2X也要差一些。 未来随着无人驾驶和互联网汽车的出现,汽车与互联网相连,将成为一种常态。由于LTE-V是基于运营商网络建设的,所以LTE V2X后续的发展潜力很大。

车云小结

《合作式智能交通系统 车用通信系统应用层及应用数据交互标准》的出台,使得V2X的应用程序可以在不同的通信技术条件下运行,例如DSRC,4G-LTE,LTE-V2X和5G,为V2X产业化落地提供坚实的基础。但是V2X技术要发挥作用,除了选择什么样的标准之外,还涉及到政府的推动作用,个人认为如果不强制要求安装的话,可能实际效果并不会很好,这样一来,附加成本的攀升也会导致消费者对这项新技术的排斥。因此政府在V2X频谱,蜂窝网络部署等方面的规划对于整个V2X产业链的产品和服务开发有着十分重要的影响。