車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)探秘：V2X通信和智能交通系統(tǒng)

 根據(jù)世界衛(wèi)生組織所提供的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，全球每年因車禍而喪生的人數(shù)大約有120萬(wàn)，受傷的人數(shù)在5000萬(wàn)左右。在1990年，各類死亡原因當(dāng)中車禍只排第9位，而有機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)到2020年，如果汽車交通系統(tǒng)的安全措施沒(méi)有顯著的提高，車禍所導(dǎo)致的死亡人數(shù)會(huì)升至死亡原因第3位。

為了提升交通系統(tǒng)的安全性和智能化，智能交通的系統(tǒng)理念逐漸興起。智能交通可以利用新一代的通信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)處理能力，提高交通系統(tǒng)的整體效率，降低能量損耗，增加運(yùn)輸?shù)陌踩捅憬荨＝A段，智能交通系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)將主要集中在智能公路交通系統(tǒng)領(lǐng)域，也就是俗稱的車聯(lián)網(wǎng)。

應(yīng)用場(chǎng)景

車聯(lián)網(wǎng)有很多應(yīng)用場(chǎng)景，有些是現(xiàn)在已經(jīng)看到的，有些是預(yù)測(cè)的。毋庸置疑，提高交通安全是最主要的應(yīng)用，其中包括：一，車輛當(dāng)發(fā)現(xiàn)有危險(xiǎn)臨近，例如前方有障礙物時(shí)，能夠及時(shí)提醒其他車輛;二，車輛能夠告知其他車輛自己所行進(jìn)的方向，以幫助其他車輛的司機(jī)做更準(zhǔn)確的判斷;三，靠近交叉路口時(shí)，向其他車輛提醒;四，駛離高速路時(shí)，向其他車輛提示;五，臨時(shí)/突然停車的預(yù)警;六，車輛變線時(shí)的提醒;七，事故匯報(bào);八，汽車司機(jī)對(duì)路邊行人/騎自行車人的提醒。

在交通管理方面，車聯(lián)網(wǎng)可以幫助疏通車流，實(shí)時(shí)地對(duì)擁塞采取有效措施。管理部門可以根據(jù)一些具體的條件靈活地實(shí)施交通規(guī)則，例如：可調(diào)的時(shí)速限制、可變的信號(hào)燈周期和燈閃順序、交叉路口自動(dòng)車流控制、救護(hù)車/消防車/警車的開(kāi)道。

在司機(jī)輔助方面，智能交通可以提供自動(dòng)泊車、導(dǎo)航狀態(tài)、路標(biāo)識(shí)別等。對(duì)于警察等執(zhí)法部門，車聯(lián)網(wǎng)有助于監(jiān)控、超速提醒、禁區(qū)管理、勒停命令的實(shí)施等。通過(guò)電子支付的方式，車聯(lián)網(wǎng)使過(guò)路費(fèi)/停車費(fèi)的收集更加快捷方便，從一定程度上減輕車流的擁塞，減少收費(fèi)站附近常發(fā)生的低速追尾事故。

隨著汽車電子突飛猛進(jìn)的發(fā)展，車輛本身的運(yùn)算能力也有長(zhǎng)足的提高，只要車聯(lián)網(wǎng)能提供充足大量的路況信息，根據(jù)車上的電子地圖和以往的數(shù)據(jù)，車子自身系統(tǒng)可以通過(guò)復(fù)雜的優(yōu)化算法，規(guī)劃出最佳的路徑，某些情況下還能實(shí)現(xiàn)在高速公路上的自動(dòng)駕駛。例如一個(gè)大貨車隊(duì)，只有最前方的車?yán)镉旭{駛員，后面的貨車?yán)镏挥腥舾蓚鞲衅骱屯ㄐ牌髋c第一輛車聯(lián)系，及時(shí)更新信息，順應(yīng)路況，實(shí)現(xiàn)合理駕駛。

技術(shù)方向

V2V，或者拓展到V2X，指的是汽車車輛之間，或者汽車與路邊行人/騎車者的通信系統(tǒng)。這類系統(tǒng)就是所謂的車輛臨時(shí)網(wǎng)絡(luò)(Vehicular Ad-hoc Networks, VANETs)，它屬于一種移動(dòng)臨時(shí)網(wǎng)絡(luò)(Mobile Ad-hoc Networks, MANETs)。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，每一輛入網(wǎng)的車可以成為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，具有移動(dòng)性。每個(gè)節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)協(xié)同，減少盲區(qū)，避免事故。

目前，車聯(lián)網(wǎng)中最重要的目的是提高交通安全，其需求集中體現(xiàn)在：一，低時(shí)延，端到端時(shí)延在5ms以內(nèi);二，高可靠，誤包率在99.999%以下，而且能在車輛發(fā)生擁塞，大量節(jié)點(diǎn)共享有限頻譜資源時(shí)，仍能夠保證傳輸?shù)目煽啃?三，可能需要支持高速移動(dòng)，考慮到汽車之間的相對(duì)移動(dòng)，最高相對(duì)時(shí)速可達(dá)500km/h;四，傳輸數(shù)據(jù)包至少能承載1600字節(jié)的信息數(shù)據(jù)。

車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展是跨行業(yè)的，涉及的技術(shù)眾多，在這里我們著重介紹與無(wú)線通信及系統(tǒng)密切相關(guān)的，分別從物理層和網(wǎng)絡(luò)層入手。

已有的技術(shù)

當(dāng)前，由IEEE 802.11p和IEEE 1609組成的協(xié)議框架能夠完成車聯(lián)網(wǎng)的一些最基本的功能。IEEE802.11p是IEEE 802.11系列的一個(gè)版本，可謂專門為車聯(lián)網(wǎng)而“定制”。這樣，WiFi的關(guān)鍵技術(shù)IEEE802.11技術(shù)正通過(guò)802.11p拓展到車聯(lián)網(wǎng)的V2X應(yīng)用上。IEEE802.11p傳承了WiFi大部分的物理幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括OFDM發(fā)射，以及基本媒體接入控制(MAC)層協(xié)議，目前支持5MHz/10MHz/20MHz的帶寬，在美國(guó)的頻段是5850MHz~5925MHz，工作帶寬均為10MHz，共支持7個(gè)，其中2個(gè)只能由公共安全部門所使用。相比一般的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，IEEE802.11p所能覆蓋的半徑并不大，在500m以內(nèi)，因而被稱為短距離通信(DSRC)技術(shù)。同時(shí)IEEE802.11p協(xié)議中引入了時(shí)鐘廣播和增強(qiáng)的信道抑制技術(shù)，以加強(qiáng)車聯(lián)網(wǎng)的物理層。其中時(shí)鐘廣播技術(shù)可以幫助節(jié)點(diǎn)與公共的時(shí)間參考保持同步;而信道抑制目的是提高接收器對(duì)5GHz左右的帶外干擾的抵抗能力。

由于車輛的快速移動(dòng)性，車輛與路邊的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施所組成的通信鏈路也都是臨時(shí)性的，即只在很短的時(shí)間之內(nèi)存在。所以這個(gè)鏈路必須在極短的時(shí)間建立連接，發(fā)送數(shù)據(jù)。而IEEE802.11技術(shù)中的那些繁瑣的連接認(rèn)證過(guò)程耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)，難以使用在車聯(lián)網(wǎng)。為此，IEEE 1609填補(bǔ)了高層協(xié)議的空白，形成一套完整的協(xié)議棧。IEEE1609包括4個(gè)子協(xié)議，其中IEEE1609.1定義了資源管理，將遠(yuǎn)端的應(yīng)用層與當(dāng)前的車輛聯(lián)系起來(lái);IEEE1609.2為應(yīng)用層和管理信息提供安全服務(wù);IEEE1609.3是IEEE802.11p的網(wǎng)絡(luò)層;總體上，IEEE1609.4可以處理多信道通信。

除了近距離通信使用IEEE802.11p，適用于更遠(yuǎn)距離的通信技術(shù)，如WiMAX(IEEE 802.16)、GSM或者3G/4G，都曾被考慮作為潛在的車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。但是這些技術(shù)都需要廣泛而耗資的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)部署以及針對(duì)車聯(lián)網(wǎng)具體需求的技術(shù)改進(jìn)。

車聯(lián)網(wǎng)下層網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)主要分為兩大類：車載單元(Vehicular on-board unit)和路邊單元(road-side unit)。路邊單元如同WiFi網(wǎng)絡(luò)中的錨點(diǎn)，提供與基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的通信。如果需要，路邊單元有責(zé)任為車載單元分配傳輸信道。路邊單元需要周期性地在控制信道發(fā)射“信標(biāo)”(beacon)信號(hào)，以便車載單元監(jiān)聽(tīng)識(shí)別。這個(gè)過(guò)程和物理層信號(hào)與WiFi的有一些不同。另外還有一種比較特殊的節(jié)點(diǎn)，一般置于應(yīng)急場(chǎng)景中的警察、消防或急救車輛上，他們盡管是車載單元，但也具備路邊單元的許多功能。

未來(lái)的技術(shù)方向

● 降低時(shí)延技術(shù)

為了更好地滿足低時(shí)延的要求，車聯(lián)網(wǎng)物理層協(xié)議需要靠慮對(duì)幀結(jié)構(gòu)的適配。當(dāng)前LTE的子幀長(zhǎng)度為1ms，因?yàn)橹С肿赃m應(yīng)重傳，一來(lái)一回，每次時(shí)延至少8ms，幾次下來(lái)，光是空中接口的時(shí)延就有十幾ms。為降低時(shí)延，物理幀的長(zhǎng)度需進(jìn)一步縮短，如果采用自適應(yīng)重傳，來(lái)回時(shí)間每次應(yīng)遠(yuǎn)小于5ms。

在高可靠傳輸應(yīng)用中，LTE對(duì)一般數(shù)據(jù)在空口誤塊率(FER)要求是初始傳輸為10%，經(jīng)過(guò)幾次重傳后(當(dāng)然增加了時(shí)延)，誤塊率如果低于1%即可。顯然這遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足99.999%可靠度的要求。為進(jìn)一步改進(jìn)系統(tǒng)性能，首先可以考慮使用新的信道編碼技術(shù)，在不明顯增大時(shí)延的條件下，把誤塊率降到十萬(wàn)分之一?；蛘呤褂酶行У那跋蚣m錯(cuò)編碼技術(shù)(FEC)的低時(shí)延高可靠傳輸機(jī)制：通過(guò)犧牲速率(或帶寬)，可以極大降低信息重傳的概率，從而有效降低傳輸時(shí)延。[!--empirenews.page--]

通過(guò)設(shè)計(jì)較短的連接建立信令流程及終端與網(wǎng)絡(luò)的身份鑒定方法可以進(jìn)一步降低時(shí)延。

另外，采用跨信令棧的自適應(yīng)路由機(jī)制，在低時(shí)延及高可靠性兩者之中進(jìn)行適時(shí)的調(diào)整，優(yōu)化網(wǎng)資源的使用，提高傳輸性能。增強(qiáng)MAC協(xié)議的業(yè)務(wù)保障能力與多業(yè)務(wù)資源合理分配功能，可以在可靠傳輸?shù)那疤嵯?，進(jìn)一步降低時(shí)延。

● 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)創(chuàng)新

反過(guò)來(lái)，車聯(lián)網(wǎng)對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)也提出了新的挑戰(zhàn)。車聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線空口具有短程特征，而且有短時(shí)延與高可靠度的需求，這導(dǎo)致無(wú)線蜂窩網(wǎng)的建網(wǎng)理念不能完全適用。無(wú)線基站并非合適的路邊站，導(dǎo)致很多現(xiàn)有設(shè)施難以被重復(fù)使用。如何利用已有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，如何經(jīng)濟(jì)地鋪設(shè)新的設(shè)施(光纖傳輸網(wǎng)/微波傳輸網(wǎng)/光纖接入網(wǎng)/IP網(wǎng)/傳統(tǒng)電話網(wǎng)等)是建立智能交通基礎(chǔ)設(shè)施必須考慮的實(shí)際問(wèn)題。減少基礎(chǔ)設(shè)施的投資和提高已有設(shè)備的復(fù)用能力，需要新的組網(wǎng)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)。軟件控制網(wǎng)絡(luò)(SDN)和虛擬網(wǎng)絡(luò)(NFV)技術(shù)必將在這里得到恰當(dāng)?shù)膽?yīng)用和進(jìn)一步的發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)需要進(jìn)一步扁平化和虛擬化，通過(guò)優(yōu)化端到端數(shù)據(jù)傳輸路徑，從而減小數(shù)據(jù)傳輸經(jīng)過(guò)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，從而降低數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延;通過(guò)優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸路徑，保證數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)選擇可靠性最優(yōu)路徑進(jìn)行傳輸，從而提高通信的可靠性。

● 車聯(lián)網(wǎng)也是D2D和MTC的一個(gè)典型應(yīng)用

車聯(lián)網(wǎng)也可以看成是終端直通通信(D2D)的一種應(yīng)用，每一個(gè)車載單元與附近其他車輛上的車載單元進(jìn)行直接的通信。因?yàn)闊o(wú)需通過(guò)基站或者路邊單元的轉(zhuǎn)發(fā)，車輛之間通信的延時(shí)可以大大降低，傳輸速率也可提高，尤其當(dāng)車輛距離較近時(shí)。D2D的未來(lái)技術(shù)，例如，基站可控的直通通信、終端間的互發(fā)現(xiàn)、基于分布式調(diào)度的移動(dòng)臨時(shí)網(wǎng)絡(luò)等，都可以運(yùn)用到車聯(lián)網(wǎng)當(dāng)中。車聯(lián)網(wǎng)還可以看成機(jī)器間通信(MTC)的一種應(yīng)用，也會(huì)有大量終端(這里即車載單元)存在于系統(tǒng)當(dāng)中，需要系統(tǒng)的維護(hù)和支持，小的控制信令包不斷，系統(tǒng)負(fù)擔(dān)很大。而在交通擁堵時(shí)，同時(shí)會(huì)有很多車載單元競(jìng)爭(zhēng)接入，對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)巨大的沖擊。因此，未來(lái)MTC的技術(shù)發(fā)展，尤其在控制信令優(yōu)化和“接入風(fēng)暴”處理方面的創(chuàng)新將會(huì)極大地提高車聯(lián)網(wǎng)的性能。

智能交通系統(tǒng)是一項(xiàng)前途廣闊的新技術(shù)領(lǐng)域，是通信和信息技術(shù)的新的應(yīng)用領(lǐng)域。不同于傳統(tǒng)技術(shù)，智能交通是一個(gè)跨行業(yè)、跨技術(shù)領(lǐng)域、跨國(guó)界的巨大的系統(tǒng)工程。完成這一工程，需要車輛制造行業(yè)、公路建造管理部門、城市建筑規(guī)劃部門、通信設(shè)備廠商和網(wǎng)絡(luò)公路運(yùn)營(yíng)部門的合作，共同開(kāi)發(fā)完善這一技術(shù)，使之走向成熟，形成新的產(chǎn)業(yè)鏈和商業(yè)模式。

作為智能交通的關(guān)鍵技術(shù)，V2X技術(shù)有很大的提升余地和創(chuàng)新空間。本文對(duì)V2X技術(shù)現(xiàn)狀和未來(lái)技術(shù)發(fā)展方向做了初步的展望，相信在未來(lái)5G時(shí)代，相關(guān)的技術(shù)創(chuàng)新將把V2X產(chǎn)業(yè)應(yīng)用帶到一個(gè)新高度，智能交通大系統(tǒng)將會(huì)在不久的將來(lái)成為現(xiàn)實(shí)。