IEEE802.11p和LTE-V2X的比較 誰能更快用于安全應(yīng)用？

車到車通信正在顯著吸引人們的注意力，因?yàn)樗軜O大地減少道路交通事故，改善移動性，實(shí)現(xiàn)高層次的汽車自動化。支持安全關(guān)鍵應(yīng)用是車到車通信的核心，多年來，V2X選擇的技術(shù)一直是IEEE802.11p。最近，在移動通信標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP的積極推進(jìn)下，一種旨在滿足V2X應(yīng)用的新標(biāo)準(zhǔn)開始啟動。由于成千上萬的道路使用者的安全將取決于這些技術(shù)的性能，因此對它們進(jìn)行對比就顯得相當(dāng)重要。

在比較IEEE802.11p和LTE-V2X之前有幾個(gè)重要的相關(guān)事實(shí)需要強(qiáng)調(diào)：

•IEEE802.11p現(xiàn)在已經(jīng)可以商用，LTE-V2X還不行。目前市場上有多家芯片供應(yīng)商可以提供基于IEEE802.11p的產(chǎn)品。有些一級供應(yīng)商還有完整的解決方案。相比之下，目前市場上還沒有可商用的LTE-V2X產(chǎn)品，很可能還需要多年的時(shí)間才能見到完整且驗(yàn)證過的解決方案。曾經(jīng)許諾過的V2X 5G版本甚至需要更長的時(shí)間才能浮出水面。

•許多上路的汽車中已經(jīng)安裝有IEEE802.11p。最終用戶現(xiàn)在就可以購買到裝備有IEEE802.11p技術(shù)的汽車(比如通用的凱迪拉克1)。

•V2V NPRM已經(jīng)發(fā)布。說明美國政府有明確意向要全面推進(jìn)IEEE802.11p的部署工作， 也說明IEEE802.11p技術(shù)已可滿足安全性需求并且通過了測試驗(yàn)收。

•IEEE802.11p大批量部署可能很快開始。作為全球最大汽車制造商之一的大眾汽車公司已公開宣布，從2019年開始將在他們的首批車系中裝備IEEE802.11p技術(shù)2。

蜂窩領(lǐng)域一直在鼓吹v2x的部署應(yīng)該等到蜂窩技術(shù)準(zhǔn)備好并通過測試，而全然無視在驗(yàn)證IEEE802.11p對安全關(guān)鍵應(yīng)用的適用性方面作出的投資和現(xiàn)場測試工作。更具體地說，蜂窩領(lǐng)域聲稱LTE-V2X可以提供：

•強(qiáng)大的蜂窩生態(tài)系統(tǒng)。該系統(tǒng)借助多年來的豐富經(jīng)驗(yàn)可以向全球提供付費(fèi)服務(wù)和成熟的技術(shù)。雖然這是正確論點(diǎn)，但它指的是采用蜂窩技術(shù)的娛樂服務(wù)。而設(shè)備與基站之間的通信與處于動態(tài)環(huán)境中的設(shè)備與設(shè)備間通信有根本性的區(qū)別；

•雙倍的性能[6]。然而，就像下文要指出的那樣，在重要的V2V使用案例中，IEEE802.11p的性能完全超過了LTE-V2X；

•最小的附加成本。這是有問題的，因?yàn)閷Π踩P(guān)鍵應(yīng)用的支持強(qiáng)烈地表明需要將這些技術(shù)與娛樂軟硬件分離開來。因此，LTE-V2X很可能在物理上與蜂窩調(diào)制解調(diào)器分離；

•演進(jìn)路線圖和未來不會過時(shí)的技術(shù)，因?yàn)橥ㄟ^3GPP會議的全面測試機(jī)制可以持續(xù)地改進(jìn)這種技術(shù)。雖然這也許是真的，但每隔12到15個(gè)月升級一次標(biāo)準(zhǔn)并不能保證舊汽車能夠與新汽車通信。這與創(chuàng)建一個(gè)穩(wěn)定通用的國際標(biāo)準(zhǔn)來推動V2X技術(shù)成功的需求是背道而馳的。

這種建議的LTE-V2X技術(shù)源自蜂窩上行鏈路技術(shù)，與目前的LTE系統(tǒng)保持著很多相似性：比如幀結(jié)構(gòu)、子載波間距、時(shí)鐘精度要求以及資源塊概念等。這些屬性不是很適合汽車應(yīng)用場景，只是繼承自現(xiàn)有的峰窩技術(shù)。因此LTE-V2X要滿足車到車通信的特殊應(yīng)用要求比較吃力。

從技術(shù)上講，LTE-V2X在沒有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的情況下會出現(xiàn)問題。它有嚴(yán)格的同步要求(章節(jié)2.1)，否則將不能正確地從相鄰和附近的發(fā)射器接收消息(章節(jié)2.3)，并且通信距離也將受到限制(章節(jié)2.4)。另外，它所采用的資源分配機(jī)制無法正確處理具有不同長度的消息(章節(jié)2.5)，而多用戶訪問機(jī)制也不能很好的處理廣播消息(章節(jié)2.6)或消息沖突(章節(jié)2.9)。LTE-V2X的重載設(shè)計(jì)也會導(dǎo)致更高的開銷(章節(jié)2.7和2.8)。

在商用方面，LTE-V2X無法利用汽車中已有的標(biāo)準(zhǔn)LTE調(diào)制解調(diào)器。不同的安全要求(章節(jié)2.10)和技術(shù)需求(章節(jié)4.1)強(qiáng)烈建議LTE-V2X的安全關(guān)鍵域要與標(biāo)準(zhǔn)LTE調(diào)制解調(diào)器的娛樂域分離開來。嚴(yán)格的同步要求(章節(jié)3.2)也會顯著地增加LTE-V2X硬件的成本。

從發(fā)展戰(zhàn)略上看，LTE-V2X也許不是用于安全關(guān)鍵應(yīng)用的最佳技術(shù)，因?yàn)槠涓轮芷诓荒芷ヅ淦嚨拈_發(fā)周期(章節(jié)4.1)。雖然當(dāng)前版本的LTE-V2X還沒有完成現(xiàn)場測試，但3GPP組織已經(jīng)開始開發(fā)LTE-V2X的新版本。下一代的IEEE802.11p也在考慮中了(章節(jié)4.2.1)，希望利用眾多大規(guī)?，F(xiàn)場試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)測試安全關(guān)鍵應(yīng)用。

我們的結(jié)論是，IEEE802.11p技術(shù)是即使在沒有網(wǎng)絡(luò)的情況下還能支持安全關(guān)鍵應(yīng)用的理想之選。如果有蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施，LTE-V2X是一種可行的替代方案，可以為娛樂服務(wù)提供更為成熟的生態(tài)系統(tǒng)。這種雙贏態(tài)勢要把重點(diǎn)放在每種技術(shù)的最強(qiáng)項(xiàng)上，共同努力提供最佳的車到車通信解決方案，并繼續(xù)為安全關(guān)鍵應(yīng)用部署IEEE802.11p，同時(shí)確保新的LTE-V2X技術(shù)能與之共存。

前沿

自從10年前推出以來，V2X選擇的技術(shù)一直是IEEE802.11p3，這種技術(shù)已經(jīng)完成了標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)和全面的測試。最近，一種面向V2X應(yīng)用的新標(biāo)準(zhǔn)正在移動通信標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP的推進(jìn)下開始啟動。成千上萬道路使用者的安全將依賴于這些技術(shù)的性能；因此對政策制訂者、汽車制造商和更寬范圍的汽車生態(tài)系統(tǒng)來說首當(dāng)其沖的是要對這些技術(shù)進(jìn)行全面的比較。

1.1 V2X的功能目標(biāo)

通過一起工作和共享信息使得交通運(yùn)輸更安全、更環(huán)保和更有趣是極具吸引力的。與這個(gè)概念有關(guān)的技術(shù)——統(tǒng)稱為合作性智能交通系統(tǒng)(C-ITS)承諾要減少交通擁堵、減輕交通對環(huán)境的影響并顯著減少致命交通事故的數(shù)量。

支撐C-ITS的一種關(guān)鍵技術(shù)是無線通信，覆蓋車到車(V2V)通信、汽車到摩托車(V2M)通信、汽車到基礎(chǔ)設(shè)施(V2I)通信以及基礎(chǔ)設(shè)施到汽車(I2V)通信。這些無線事務(wù)被總稱為汽車到萬物或V2X通信。

V2X技術(shù)將支持許多與安全相關(guān)的、也可能與安全無關(guān)的C-ITS系統(tǒng)應(yīng)用場合。它需要在非常動態(tài)的環(huán)境中可靠地工作，在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間具有相對較高的通信速度，并且支持在高速公路、擁擠的城市路口和隧道等安全相關(guān)應(yīng)用中提供極低的延時(shí)。

1.2 IEEE802.11p

IEEE802.11p設(shè)計(jì)滿足每種V2X應(yīng)用要求和最嚴(yán)格的性能規(guī)范。1999年，美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)在5.9GHz區(qū)段內(nèi)留出75MHz頻譜給了V2X。IEEE802.11p標(biāo)準(zhǔn)因此就工作在這個(gè)頻率范圍內(nèi)。

IEEE802.11p是IEEE802.11a(WiFi)的擴(kuò)展，工作在自組織網(wǎng)絡(luò)模式，不需要BSS(基本服務(wù)集，WiFi‘基站’)。它針對存在障礙物的移動條件進(jìn)行了優(yōu)化，能夠處理因?yàn)橄鄬λ俣雀哌_(dá)500km/h而產(chǎn)生的快速變化的多徑反射和多普勒頻移。典型的視距(LoS)通信距離是1km，但I(xiàn)EEE802.11p的主要目標(biāo)是‘能夠看到轉(zhuǎn)角’(非視距，NLOS)，因?yàn)槠囍袥]有其它傳感器可以做到這一點(diǎn)。事實(shí)表明，借助世界最先進(jìn)的技術(shù)，作為目前商用化的現(xiàn)貨產(chǎn)品通?？蛇_(dá)幾公里的更大范圍。當(dāng)IEEE802.11p多址訪問機(jī)制(沖突避免的載波偵聽多址訪問協(xié)議，CSMA-CA協(xié)議)與分布式擁塞控制(DCC)結(jié)合在一起使用時(shí)可以高效地應(yīng)付高密度應(yīng)用場合。

標(biāo)準(zhǔn)化工作從10多年前就開始了，最終草案是2009年批準(zhǔn)的，并且自從批準(zhǔn)后做了大量的測試和驗(yàn)證工作。simTD項(xiàng)目[8]是第一個(gè)大規(guī)?，F(xiàn)場測試項(xiàng)目，開始于2009年，當(dāng)時(shí)使用了100多臺汽車。從那時(shí)開始到現(xiàn)在，完成商用化IEEE802.11p產(chǎn)品的現(xiàn)場試驗(yàn)項(xiàng)目有幾十個(gè)，而且還有許多仍在進(jìn)行著。參考文獻(xiàn)[8-13]就提到了其中的一些項(xiàng)目。最大的IEEE802.11p先導(dǎo)項(xiàng)目之一是由USDOT(懷俄明州，坦帕和紐約市)資助的，包含超過一萬多輛實(shí)現(xiàn)了各種應(yīng)用的汽車，投資總額超過4500萬美元[13]。巨大投資用于保證這種技術(shù)的質(zhì)量和可靠性。

多家半導(dǎo)體公司設(shè)計(jì)和測試了通過汽車資格認(rèn)證的IEEE802.11p兼容產(chǎn)品。多家供應(yīng)商可以提供大量的硬件和軟件產(chǎn)品，從而組成了一個(gè)豐富的生態(tài)系統(tǒng)。市場上有許多型號汽車采用了IEEE802.11p技術(shù)，還有其它型號汽車正計(jì)劃很快發(fā)布，比如：

•通用的凱迪拉克CTS汽車裝備有IEEE802.11p4；

•豐田在日本國內(nèi)就有接近10萬輛汽車裝備有IEEE802.11p；

•大眾選擇了IEEE802.11p技術(shù)來支持V2X應(yīng)用5。

USDOT宣布，根據(jù)收集到的證據(jù)證明，IEEE802.11p技術(shù)可以顯著減少道路上的碰撞事故數(shù)量。專家們預(yù)期USDOT即將進(jìn)入能夠?yàn)榱税踩鴱?qiáng)制要求在所有新的輕便型汽車中采用IEEE802.11p技術(shù)[14] 的正式流程。

1.3 LTE-V2X

LTE-V2X是一種相對較新的技術(shù)(首次討論發(fā)生于2015年)，是3GPP Rel-12設(shè)備到設(shè)備(D2D)功能的擴(kuò)展，本身依賴于使用LTE上行鏈路傳輸和上行鏈路頻譜資源實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的直接通信。V2V基礎(chǔ)安全功能最早出現(xiàn)在LTE Rel-14規(guī)范中。

LTE-V2X設(shè)計(jì)時(shí)就考慮了多種部署場景，因此提出了以下要求：

1.能夠在有或沒有eNB(‘基站’)覆蓋的條件工作。Rel-14中的LTE-V2X基于的是PC5接口，允許用戶在有或沒有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的條件下彼此間直接廣播消息。在蜂窩覆蓋下的操作可以利用同步網(wǎng)絡(luò)的所有好處，其中的中心協(xié)調(diào)、調(diào)度和管理是用一系列基站實(shí)現(xiàn)的。然而需要注意的是，存在這種裝置無法工作的許多情景，比如覆蓋率很差的農(nóng)村地區(qū)、高速公路以及會發(fā)生頻繁切換基站的快速移動用戶。LTE-V2X技術(shù)必須能夠在沒有基站覆蓋的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)可靠的工作；

2.在專用的免許可載波或有許可的頻譜條件下獨(dú)立工作；

3.增強(qiáng)D2D空中接口功能，以便支持低延時(shí)、高密度和高速度。

為了滿足提高了的要求，Rel-14 LTE-V2X引入了新的Sidelink傳輸模式(傳輸模式3&4)，參考表1。由于引入了低延時(shí)傳輸技術(shù)，因此這些模式有別于Rel-12 D2D模式(傳輸模式1&2)，改進(jìn)了對更高速度和新的分布式信道訪問機(jī)制的支持。

表1：LTE-Sidelink通信中可用的操作模式。

盡管近年來業(yè)界作了很大的貢獻(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)化工作，但LTE-V2X標(biāo)準(zhǔn)還遠(yuǎn)未成熟，許多技術(shù)課題仍在討論中，最近舉行的RAN會議期間大家還一致同意做了很多顯著的標(biāo)準(zhǔn)修改。與V2X有關(guān)的維護(hù)修改請求(CR’s)數(shù)量很大，使得芯片制造商在確定功能集、進(jìn)入可互操作性測試階段、固定軟硬件架構(gòu)和投產(chǎn)方面面臨很大的挑戰(zhàn)。汽車制造商也質(zhì)疑其實(shí)際性能和對安全關(guān)鍵用例的支持。此時(shí)此刻，LTE Rel-14標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)際性能幾乎是未知的。

對安全關(guān)鍵應(yīng)用來說最相關(guān)的也是最具挑戰(zhàn)性的LTE-V2X操作模式是Sidelink傳輸模式4，這個(gè)模式可以被看作是自組網(wǎng)模式。與IEEE802.11p技術(shù)的比較重點(diǎn)就放在這個(gè)模式上。

2、LTE-V2V模式4和IEEE802.11p的比較

IEEE802.11p和LTE-V2X都采用眾所周知的正交頻分復(fù)用（OFDM）調(diào)制技術(shù)，其中的數(shù)據(jù)塊安排用等距的子載波傳輸。然而，

如表2所示那樣，它們選擇了非常不同的參數(shù)。LTE-V2X繼承了很多LTE的機(jī)制，適合具有功率控制、同步調(diào)整功能的集中式（即非自組織）和同步網(wǎng)絡(luò)，并且工作在低速到中等速度。正如后面章節(jié)將要討論的那樣，它不太適合自組網(wǎng)通信模式，無法應(yīng)用于多個(gè)重要的V2X使用場合。

2.1 同步

與IEEE802.11p相比，LTE-V2X對頻率誤差和時(shí)序誤差更為敏感。在不精確的頻率同步狀態(tài)下，殘留頻率誤差會導(dǎo)致載波差拍干擾（ICI）。在LTE-V2X中，OFDM的子載波間距要比IEEE802.11p的子載波間距近10倍，因此相同的絕對頻率誤差在LTE-V2X中的影響要遠(yuǎn)大于在IEEE802.11p中的影響。這將導(dǎo)致LTE-V2X性能會受限，相同的絕對頻率誤差將產(chǎn)生大100倍的干擾功率。表3對IEEE802.11p和LTE-V2X的時(shí)序精度和頻率精度要求進(jìn)行了量化。

* 時(shí)序精度在針對信道切換的IEEE 1609.4標(biāo)準(zhǔn)中有規(guī)定

IEEE802.11p的操作對時(shí)序沒有依賴性；頻率精度在IEEE802.11中有規(guī)定

** 時(shí)序精度在3GPP TS 36.133中有規(guī)定；頻率精度在3GPP TS 36.101中有規(guī)定

有兩個(gè)明顯的主要區(qū)別：

1.LTE-V2X要求要嚴(yán)格得多；

2.LTE-V2X的要求與用戶的同步源有關(guān)。當(dāng)用戶使用不同的同步源時(shí)，比如鎖定到不同的基站，同步的要求將無法滿足，從而影響汽車彼此之間的通信性能。

為了滿足這些同步要求，LTE-V2X用戶需要依賴于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）信號。然而，這又會帶來其它挑戰(zhàn)。舉例來說，事實(shí)上GNSS信號在隧道、地下停車場和城市峽谷等位置有可能丟失或不足夠可靠。在沒有GNSS覆蓋的情況下，在要求的精度范圍內(nèi)保持同步取決于用戶的本振漂移。精度越高，就像嚴(yán)格子載波間距要求的那樣，成本就越高。在沒有可靠的GNSS信號或根本沒有GNSS信號的情況下，用戶不得不選擇替代源實(shí)現(xiàn)同步，這會影響通信的可靠性。

IEEE802.11p工作時(shí)不需要依靠GNSS信號。IEEE1609.4也需要GNSS信號，但只用于從一個(gè)信道切換到另一個(gè)信道，也就是說需要低得多的時(shí)序和頻率精度。

2.2高速狀況

移動中的汽車在傳輸信號時(shí)會發(fā)生多普勒頻移，這個(gè)頻移可以被看作（除了同步誤差之外）額外的頻率誤差。在高速狀況下，這些多普勒頻移可能兩倍于甚至四倍于同步誤差（隨著汽車相對速度的增加而增加），并成為主要部分。

如圖1所示，LTE-V2X中的符號周期要比IEEE802.11p長10倍，這會限制最大可檢測的多普勒頻移，并因此對速度有最大值的限制（除了跟蹤快速變化的信道以外）。事實(shí)上，在3GPP仿真結(jié)果內(nèi)已經(jīng)觀察到了這種缺點(diǎn)，即當(dāng)速度超過140km/h時(shí)，就不再能可靠地檢測消息，性能也很差。3GPP解決這個(gè)問題的方法是引入復(fù)雜的處理方法，但該方法被證明不夠強(qiáng)大；或者減少調(diào)制和編碼方案（MCS），但并不能解決問題。建議修改先導(dǎo)符號圖案或縮短符號周期是不被接受的，因此最終LTE-V2X被嚴(yán)格限制用于速度在140km/h以下的應(yīng)用。

而IEEE802.11p受益于很短的符號周期和精選的符號先導(dǎo)圖案，因此對高速時(shí)的性能沒有任何限制。雖然LTE-V2X受限于工作在140km/h以下，但I(xiàn)EEE802.11p性能在250km/h甚至更高的速度時(shí)都可圈可點(diǎn)。

2.3 近-遠(yuǎn)端問題

LTE-V2X對于用戶接收來自兩個(gè)或更多個(gè)具有不同功率電平的發(fā)射機(jī)的信號場合非常敏感，即近-遠(yuǎn)問題，如圖2所示。這種功率差可能發(fā)生在兩個(gè)相鄰的發(fā)射機(jī)其中一個(gè)被阻擋的時(shí)候。IEEE802.11p允許每個(gè)OFDM符號傳輸單個(gè)用戶消息，而接收機(jī)可以針對每個(gè)用戶單獨(dú)以最佳的方式設(shè)置其參數(shù)，比如自動增益控制器（AGC）、時(shí)間偏移估計(jì)和頻率偏移估計(jì)等，因?yàn)榉柺遣还蚕淼摹?/p>

LTE-V2X允許用戶共享相同OFDM符號內(nèi)的資源（圖3），但接收機(jī)只根據(jù)單個(gè)組合信號設(shè)置其自動增益控制器的增益值。因此，LTE-V2X接收機(jī)在存在強(qiáng)信號的條件下接收弱信號的能力是受限制的6。但弱信號的重要性可能比強(qiáng)信號大。舉例來說，強(qiáng)信號可能來自與安全決策的關(guān)聯(lián)度較低的車輛后面的發(fā)射機(jī)，而弱信號也許來自可能會引起真正風(fēng)險(xiǎn)的正在接近的發(fā)射機(jī)。

為了解決近-遠(yuǎn)問題，LTE-V2X引入了地球分區(qū)的概念，其中包括根據(jù)用戶所在的絕對地理位置建立空間隔離，不同位置的用戶只能限于從特定的時(shí)間-頻率集中選擇發(fā)射用的資源。這種解決方案當(dāng)然非常有趣，但需要進(jìn)行現(xiàn)場驗(yàn)證，以評估不均勻分布的用戶以及他們快速移動位置帶來的影響。

2.4最大通信距離

比較V2X技術(shù)的一種方法是比較在室外相同條件下測試得到的實(shí)際性能。IEEE802.11p已被證明在各種現(xiàn)場試驗(yàn)中可以達(dá)到很大的通信距離，在高速公路情況下已經(jīng)能夠達(dá)到幾公里。遺憾的是，LTE-V2X現(xiàn)場試驗(yàn)還沒有可用于比較的結(jié)果。但LTE-V2X同步概念對用戶之間的通信距離有限制，反映在分配給循環(huán)前綴（CP）的不同角色中，見表4。

在LTE-V2X這樣的同步系統(tǒng)中，所有用戶的信號必須在時(shí)間上同步到達(dá)接收機(jī)，以防止連續(xù)的OFDM符號之間出現(xiàn)碼間干擾。在實(shí)際應(yīng)用中這種要求是無法滿足的，因?yàn)橐磥碜圆煌l(fā)射機(jī)的信號傳播時(shí)間不相等，要么每位用戶用于自己傳輸?shù)臅r(shí)序基準(zhǔn)不相等。當(dāng)用戶處于覆蓋范圍內(nèi)、并將eNB用作他們的時(shí)序基準(zhǔn)（在GNSS不可用的情況下）時(shí)就是這樣的例子。在這種情況下，每位用戶的傳輸時(shí)間都是基于自己的下行鏈路時(shí)序基準(zhǔn)7。自然而然的，一些用戶靠eNB近一些（具有較短的傳播延時(shí)），一些用戶比較遠(yuǎn)。近的用戶要比遠(yuǎn)的用戶更早地開始傳輸，而鄰近近用戶的接收（RX）用戶也會設(shè)置相應(yīng)的接收窗口。遠(yuǎn)用戶的傳輸將在往返傳播延時(shí)之后到達(dá)接收機(jī)。在遠(yuǎn)程發(fā)射機(jī)太遠(yuǎn)的情況下，它可能到達(dá)的太晚而超出接收窗口，導(dǎo)致接收側(cè)無法檢測到消息，見圖4。

從圖中可以看出，對通信距離有限制，超出這個(gè)范圍接收機(jī)將無法檢測到遠(yuǎn)用戶發(fā)的消息。表5列出了LTE-V2X可以實(shí)現(xiàn)的最大距離。某些情況下不能滿足中定義的Do-No-Pass-Warning消息提出的NPRM要求。

2.5 資源分配

實(shí)際的V2X業(yè)務(wù)圖案是用具有可變大小的數(shù)據(jù)包來表征的。諸如（由ETSI規(guī)定的）CAM和基本安全消息（BSM，由SAE規(guī)定）等消息組是周期性（通常是每隔100ms）產(chǎn)生的，包括比如地理位置、速度、朝向等汽車狀態(tài)信息和其它相關(guān)信息。汽車偶然也會將一組路徑預(yù)測和/或近來的路徑歷史點(diǎn)附加到這些消息上。點(diǎn)的數(shù)量取決于道路狀況，但在每個(gè)點(diǎn)用大約10個(gè)字節(jié)描述的情況下，這種增加的信息就會很容易在負(fù)荷中占據(jù)額外數(shù)10個(gè)字節(jié)。另外一個(gè)改變消息長度的例子與安全有關(guān)：對BSM來說，整個(gè)安全證書每隔500ms發(fā)送一次，會給默認(rèn)的消息長度再增加100個(gè)字節(jié)。 IEEE802.11p的資源分配方案可以很輕松地支持可變數(shù)據(jù)包大小。一旦某位用戶占用了信道它就會自己用一個(gè)OFDM符號的分辨率（即8微秒）判斷傳輸時(shí)長，以便負(fù)載傳輸時(shí)間變得更短/更長。在LTE-V2X中，用戶會以半永久的方式保留資源，也就是說在知道確切的數(shù)據(jù)包大小之前。在應(yīng)用層的負(fù)荷大小還沒有確定前就提前保留資源會導(dǎo)致資源大小的超分配（沒有效率）或欠分配（要求更密集的編碼，降低對消息的檢測概率）。不管怎樣，適合IEEE802.11p的簡單資源分配機(jī)制在處理可變負(fù)荷尺寸時(shí)會更加高效。

2.6 半雙工

從圖3可以明顯看出，LTE下的兩個(gè)用戶可以使用不同的頻率資源在相同的OFDM符號中傳送消息。在某一給定時(shí)刻，用戶要么發(fā)送，要么接收，因?yàn)樗麄兊臒o線系統(tǒng)工作在半雙工模式。這樣，兩位用戶即使靠得很近也不會收到彼此的消息，從而錯(cuò)過安全關(guān)鍵決策所必需的信息。他們不得不等待直到其中一位或兩位為傳輸選中新的資源。

2.7 物理層效率

重載設(shè)計(jì)的LTE波形和幀格式在單用戶下將轉(zhuǎn)換為更高的開銷，詳見下面這張表。

2.8容量

V2X適合用于高業(yè)務(wù)密度的場合。容量的定義是在某個(gè)區(qū)域內(nèi)所有車輛能夠在不競爭相同資源的條件下實(shí)現(xiàn)通信的能力，因?yàn)楦偁幾罱K將導(dǎo)致通信距離的縮短和延時(shí)的增加。在等效條件下IEEE802.11p和LTE-V2X具有相似的容量和距離。

表7表明，LTE-V2X和IEEE802.11p的容量基本相同，一個(gè)給定10MHz的信道可以在1ms時(shí)間內(nèi)容納大約2條消息。

2.9 消息沖突

在一條道路的指定區(qū)段會有多個(gè)用戶，每個(gè)用戶以有規(guī)律的間隔發(fā)送消息。IEEE802.11p通過實(shí)現(xiàn)CSMA-CA協(xié)議解決潛在的沖突問題，它會在開始新的傳送之前檢查無線信道是否在使用狀態(tài)。LTE-V2X沒有等效的機(jī)制，如果發(fā)生沖突也不會被檢測到。兩個(gè)用戶可能使用相同的資源塊發(fā)送消息。在重新選擇資源之前資源會通過半永久分配技術(shù)保持用于多次傳輸。因此這兩個(gè)用戶的多次傳輸將丟失。

LTE-V2X通過增加一定程度的隨機(jī)性在用戶之間重新選擇事件時(shí)間來減輕這個(gè)問題，但不能完全解決沖突風(fēng)險(xiǎn)。

舉例來說，兩輛汽車都在接近交叉路口。一旦進(jìn)入有效通信范圍，IEEE802.11p將確保無沖突操作，必要時(shí)會發(fā)出警告。LTE-V2X則無法這樣做，從而白白失去寶貴的時(shí)間。

2.10 網(wǎng)絡(luò)安全保護(hù)

ISO26262中針對上路汽車定義的功能性安全認(rèn)證提出了采取驗(yàn)證和確認(rèn)措施來確保達(dá)到足夠和可接受的安全水平的要求。風(fēng)險(xiǎn)和危險(xiǎn)分析通過衡量威脅生命的潛在可能性來確定汽車安全完整性水平（ASIL）等級。由于V2X可能控制汽車，比如在車隊(duì)?wèi)?yīng)用中，因此可以假設(shè)V2X要求ASIL B等級的ISO26262。達(dá)到ASIL B等級要求付出額外的成本，因此強(qiáng)烈建議將非安全關(guān)鍵域和安全關(guān)鍵域在軟件和硬件方面分隔開來。如果系統(tǒng)的非安全部分沒有被隔離，那就也要進(jìn)行ISO26262認(rèn)證，那將變得特別困難，成本也會特別高。另外，域的隔離有助于更強(qiáng)大更好地防止?jié)撛诘木W(wǎng)絡(luò)攻擊，見圖5。硬件和軟件的隔離清楚地表明，無法通過簡單地重復(fù)使用標(biāo)準(zhǔn)LTE調(diào)制解調(diào)器覆蓋LTE-V2X應(yīng)用空間。

高度復(fù)雜的LTE-V2X解決方案意味著比IEEE802.11p解決方案更高的成本。因此用LTE-V2X滿足安全應(yīng)用將變得更加昂貴。

3 成本因素

3.1 無法重復(fù)使用標(biāo)準(zhǔn)LTE調(diào)制解調(diào)器

標(biāo)準(zhǔn)LTE調(diào)制解調(diào)器芯片級只解碼從基站接收到的每個(gè)傳輸時(shí)間間隔單個(gè)的傳輸。在LTE-V2X中，除了解碼基站數(shù)據(jù)外，芯片組還要求解碼每個(gè)傳輸時(shí)間間隔并發(fā)的多個(gè)傳輸（來自不同的用戶），因此需要增加數(shù)量較多的硬件。標(biāo)準(zhǔn)LTE調(diào)制解調(diào)器無法重復(fù)使用，因?yàn)長TE-V2X中的波形和信號格式有別于標(biāo)準(zhǔn)LTE。

另外還要增加一個(gè)5.9GHz無線鏈，以及穩(wěn)定的GNSS同步時(shí)鐘源，見章節(jié)2.1。

從成本方面考慮，LTE-V2X和IEEE802.11p系統(tǒng)只有調(diào)制解調(diào)器和時(shí)鐘源方面有區(qū)別，而更高的層、人機(jī)界面以及安全用例等方面都是相同的。實(shí)際上，IEEE802.11p調(diào)制解調(diào)器并不比在蜂窩芯片組旁邊增加LTE-V2X產(chǎn)生的額外成本貴，因?yàn)長TE-V2X時(shí)鐘源和認(rèn)證成本的影響也很大（AEC-Q100對蜂窩芯片級成本的影響）。因此，即使沒有域隔離，LTE-V2X也不比IEEE802.11p便宜。

3.2 時(shí)序和時(shí)鐘精度

LTE-V2X對精確同步的額外敏感意味著不切實(shí)際的參考時(shí)鐘，見表3，因?yàn)闀r(shí)鐘源的精度與性能和魯棒性有關(guān)。對時(shí)鐘元件在高溫以及高應(yīng)力下的溫漂以及頻率穩(wěn)定度的苛刻要求， 最終會造成成本上升。

對IEEE802.11p來說，精度要求幾乎與常用的WLAN設(shè)備沒有什么差別，因此同步精度要求不會影響IEEE802.11p系統(tǒng)的成本。

即使GNSS覆蓋信號暫時(shí)比較弱，LTE-V2X應(yīng)該也能長時(shí)間保持相同的精度水平。當(dāng)LTE-V2X不能依賴GNSS、而且找不到另外一個(gè)與GNSS（間接或直接）同步的用戶時(shí)，LTE-V2X系統(tǒng)仍必須以規(guī)定的0.1ppm頻率精度產(chǎn)生和發(fā)送V2X消息。汽車要滿足這個(gè)精度要求是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)橄嚓P(guān)的元器件會非常昂貴。這個(gè)精度等級今天只保留給了宏基站（宏eNB），這種基站集成有高端振蕩器，但這種振蕩器決不是用于消費(fèi)終端的，也無法承受大的溫度變化，且容易受汽車振動和加速的影響。

3.3 摩托車/電動自行車：對這些最易受傷害的道路用戶來說沒有蜂窩調(diào)制解調(diào)器障礙

沒有標(biāo)準(zhǔn)LTE調(diào)制解調(diào)器的LTE-V2X成本甚至更高，比IEEE802.11p明顯高很多。蜂窩調(diào)制解調(diào)器在摩托車和電動自行車中不常見，因?yàn)閑Call法規(guī)不適用于摩托車。因此LTE-V2X成本對相對低成本的摩托車的影響是個(gè)障礙。

由于摩托車的高機(jī)動性，所以摩托車的定位是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。GNSS和V2X天線必須謹(jǐn)慎放置，不應(yīng)該受智能手機(jī)的未知位置、方向和屏蔽套的影響。因此使用智能手機(jī)支持V2X應(yīng)用不是一種合適的方法。對極度需要V2X保護(hù)的摩托車駕駛?cè)藖碚fIEEE802.11p是一種最經(jīng)濟(jì)的主動安全方案。

4 成熟性和未來展望

4.1取樣汽車周期

汽車市場的發(fā)展步伐與蜂窩市場有很大的不同。一部移動手機(jī)通常三年就要更換了，而一輛汽車可能要用15到30年，并且要求在這個(gè)時(shí)間跨度內(nèi)可靠的工作。因此技術(shù)必須成熟，且經(jīng)過全面的驗(yàn)證。發(fā)生故障時(shí)的召回具有嚴(yán)重的后果，因?yàn)檎倩匾惠v汽車與召回一部智能手機(jī)所造成的影響是不同的。

基于這個(gè)理由，在可靠性、壽命和工作條件等方面對汽車元器件提出了廣泛的質(zhì)量措施，以確保低的淘汰率（一般小于1ppm）。這些措施不僅涵蓋設(shè)計(jì)周期，還涵蓋了測試和認(rèn)證。

由于V2X在（半）自動駕駛中是必不可少的，我們希望它至少經(jīng)認(rèn)證能用在ASIL-B或更高安全等級的系統(tǒng)中，能與AEC-Q100（基于故障機(jī)制的應(yīng)力測試認(rèn)證）、IEC62132（EMC免疫）和ISO26262（功能性安全認(rèn)證）平起平坐。網(wǎng)絡(luò)安全是安全性技術(shù)的另外一個(gè)重要方面。整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)該是安全的，并且有兩個(gè)子模塊（HSM和網(wǎng)關(guān)）應(yīng)該得到認(rèn)證。在時(shí)間和設(shè)備方面的相關(guān)投資會超出蜂窩消費(fèi)產(chǎn)品投資的正常范圍。設(shè)計(jì)方法是不同的：蜂窩移動通信行業(yè)愿意作出這類投資嗎？

4.2 未來發(fā)展和后向兼容問題

4.2.1 LTE-V2X

在總結(jié)Rel-14 LTE-V2X（“階段1”） 8的同時(shí)，3GPP已經(jīng)在研究LTE-V2X Rel-15（“階段2”）的未來增強(qiáng)特性，該版本有望作為2018年12月規(guī)范的一部分發(fā)布。Rel-15增強(qiáng)版覆蓋的主要目標(biāo)有9：

• 載波匯聚（多達(dá)8個(gè)PC5載波）

• 64-QAM技術(shù)

• 研究縮短傳輸時(shí)間間隔（《1 ms）的好處和可行性

• 研究傳送分集的好處和可行性

這些目標(biāo)并不是用來解決本文提出的根本性挑戰(zhàn)。

在Rel-15中引入新的增強(qiáng)功能的主要問題之一是處理V2X消息的后向和前向兼容性。如果3GPP規(guī)范不能滿足這個(gè)要求，就沒有推出Rel-14 V2X的積極性了，因?yàn)榇蠹抑繰el-14是一種到達(dá)盡頭的技術(shù)。然而，這種要求離滿足還有很大距離，因?yàn)镽el-15技術(shù)性規(guī)范還沒有準(zhǔn)備好。

4.2.2 IEEE802.11p

IEEE組織正在持續(xù)發(fā)展和改進(jìn)802.11“WiFi”無線局域網(wǎng)系列標(biāo)準(zhǔn)。所有的WiFi系列規(guī)范（“a”， “ac”， “n”， “p”等待）都收集在一個(gè)文檔中。這樣的文檔就是正式的IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)，最新版發(fā)布于2016年10。

我們可以發(fā)現(xiàn)，在V2X瞄準(zhǔn)的應(yīng)用方面，IEEE比3GPP大約領(lǐng)先8年的時(shí)間。第一個(gè)版本（“802.11p”）從2010年就開始進(jìn)行了廣泛的測試，對V2X來說如今已經(jīng)是一種非常安全、成熟且可靠的技術(shù)。

在豐富經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，人們還在繼續(xù)改進(jìn)802.11p標(biāo)準(zhǔn)。新版本目前命名為“802.11px”。改進(jìn)的地方包括使用最新的802.11“n”和“ac”技術(shù)，比如用于信道編碼的低密度奇偶檢驗(yàn)（LDPC）、MIMO/天線分集以及改進(jìn)的OFDM導(dǎo)頻版圖等。

為了充分利用過去十年來所有的發(fā)展和現(xiàn)場試驗(yàn)成果，802.11p用戶很可能后向兼容802.11px，因?yàn)樗恢奔嫒萜渌?02.11系列標(biāo)準(zhǔn)。如此看來，802.11px自然而然會是802.11p標(biāo)準(zhǔn)的子集。這將確保兩種技術(shù)之間的平滑過渡，同時(shí)在802.11px推出之后仍能保持802.11p標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)大吸引力。

4.3 蜂窩技術(shù)的推廣進(jìn)程回顧

從過去歷代蜂窩技術(shù)的推廣進(jìn)程來看，在與新的蜂窩技術(shù)推出相關(guān)的時(shí)間表方面，從第一個(gè)技術(shù)性報(bào)告規(guī)范發(fā)布到真正批量部署通常要花5到6年的時(shí)間。舉例來說，LTE從第一版規(guī)范發(fā)布（2007年10月發(fā)布版本8.0）到達(dá)到1億以上用戶（2012年底）就用了5到6年的時(shí)間。

我們記得至今為止（2017年6月），Rel-14 V2X規(guī)范還沒有完全固定下來，仍然在進(jìn)行技術(shù)性修正，因此很讓人疑惑基于LTE的V2X究竟何時(shí)才能被認(rèn)為技術(shù)上面成熟、可以被廣泛采納并可以大批量部署，這可能未來還需多年才能最終確定。

LTE-V2X仍舊在持續(xù)變化。本文僅根據(jù)當(dāng)前已經(jīng)發(fā)布的內(nèi)容，涉及到的某些問題可能在未來找到解決的方法，但這些基于未來方案的假設(shè)也意味著LTE-V2X技術(shù)的落地需要被繼續(xù)推遲。

對于基于LTE技術(shù)的LTE-V2X而言， 未來還將受到新發(fā)布的5G新無線技術(shù)（NR）的嚴(yán)重威脅。今天，3GPP正在推進(jìn)第一版5G NR盡快發(fā)布。5G將為V2X提出另外一種解決方案（V2X階段3，或eV2X），但這種解決方案只能在第二版5G NR下實(shí)現(xiàn)。因此汽車行業(yè)可能沒有意愿去采用一種我們已經(jīng)知道很快要被5G淘汰的技術(shù)（LTE Rel-14）。

4.4 混合方案

混合方法可以整合每種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)而產(chǎn)生一個(gè)更為完整更有希望的解決方案。例如IEEE802.11p在安全消息方面比LTE-V2X更強(qiáng)。另一方面，蜂窩網(wǎng)絡(luò)可以在車輛之間以及車輛與云端之間提供更長距離的連接。

目前還缺少定義IEEE802.11p和蜂窩之間互連工作的標(biāo)準(zhǔn)化活動。在3GPP中增加這項(xiàng)工作有助于引入雙方的最強(qiáng)項(xiàng)，提高蜂窩連接向汽車中的滲透率。

5GAA建議將獨(dú)立的10MHz信道分配給這兩種技術(shù)。然而，LTE-V2X發(fā)射機(jī)會使IEEE802.11p接收機(jī)致盲，反之亦然。

另外，5GAA建議（在申請使用5.9GHz的ITS專用頻段的申請書中提到）將產(chǎn)生危險(xiǎn)的先例，因?yàn)槠渌录夹g(shù)可能利用這種理由申請頻段資源而不考慮對現(xiàn)有安全關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)所帶來的標(biāo)準(zhǔn)碎片化負(fù)面影響。

兩種技術(shù)應(yīng)該以積極主動的方式共存，比如通過定義一種通用的方式訪問可用資源。由于IEEE802.11p已經(jīng)在市場中得到部署，因此LTE-V2X可以簡單地部署與IEEE802.11p相同的MAC，即基于CSMA-CA協(xié)議的MAC。

5 本文小結(jié)

目前推薦的LTE-V2X是蜂窩技術(shù)滿足安全關(guān)鍵要求的重要一步，但它還沒有達(dá)到IEEE802.11p的性能等級，IEEE802.11p在未來多年仍將是作為在道路上挽救生命的關(guān)鍵通信技術(shù)的唯一選擇。

對適用于V2X應(yīng)用的IEEE802.11p和LTE-V2X的詳細(xì)技術(shù)性觀察進(jìn)一步確認(rèn)了它們的互補(bǔ)特性。

在有網(wǎng)絡(luò)的情況下，LTE-V2X可以利用蜂窩領(lǐng)域中多年的創(chuàng)新成果為V2I和I2V服務(wù)提供有效的替代方案。IEEE802.11p也覆蓋V2I和I2V，但效率較低些。

在沒有網(wǎng)絡(luò)的情況下，由于需要保持與LTE中相同的符號結(jié)構(gòu)和相似的幀結(jié)構(gòu)，LTE-V2X會有很大的問題。IEEE802.11p在魯棒性和效率方面表現(xiàn)更好。

安全關(guān)鍵和挽救生命的應(yīng)用仍然是汽車到汽車通信的核心部分，因此它必須能夠在缺少網(wǎng)絡(luò)的情況下有效的工作。