與車聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的技術(shù) V2X技術(shù)

近幾年在汽車行業(yè)比較流行的一個(gè)詞叫“車聯(lián)網(wǎng)”，什么是車聯(lián)網(wǎng)呢？根據(jù)中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)校企聯(lián)盟的定義，車聯(lián)網(wǎng)(Internet of Vehicles)是由車輛位置、速度和路線等信息構(gòu)成的巨大交互網(wǎng)絡(luò)。通過GPS、RFID、傳感器、攝像頭圖像處理等裝置，車輛可以完成自身環(huán)境和狀態(tài)信息的采集;通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，所有的車輛可以將自身的各種信息傳輸匯聚到中央處理器;通過計(jì)算機(jī)技術(shù)，這些大量車輛的信息可以被分析和處理，從而計(jì)算出不同車輛的最佳路線、及時(shí)匯報(bào)路況和安排信號(hào)燈周期。

 提到車聯(lián)網(wǎng)，你或許將其簡(jiǎn)單的理解為汽車聯(lián)網(wǎng)，但具體來說車聯(lián)網(wǎng)指的是通過汽車上集成的GPS定位，RFID識(shí)別，傳感器、攝像頭和圖像處理等電子組件，按照約定的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)，在V2V、V2R、V2I之間，進(jìn)行無線通信和信息交換的大系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。V2X對(duì)于車聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛安全有十分重要的作用。

V2X與車聯(lián)網(wǎng)有什么不同

車聯(lián)網(wǎng)是使用無線通信、傳感探測(cè)等技術(shù)收集車輛、道路、環(huán)境等信息，通過車-車(V2V)、車-路(V2R)信息交互和共享，使車和基礎(chǔ)設(shè)施之間智能協(xié)同與配合，從而實(shí)現(xiàn)智能交通管理控制、車輛智能化控制和智能動(dòng)態(tài)信息服務(wù)的一體化網(wǎng)絡(luò)。

車聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能交通系統(tǒng)領(lǐng)域的延伸。車聯(lián)網(wǎng)安全應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)包含感知層、通訊層與應(yīng)用層，感知層包含雷達(dá)、光學(xué)雷達(dá)與影像傳感器等，提供車輛收集周邊環(huán)境信息;通訊層也可稱為汽車局域網(wǎng)絡(luò)(Vehicle Area Network， VAN)，分為車載通訊(in-vehicle communicaTIon)、車外通訊、車間通訊(vehicle to vehicle communicaTIon)與車路通訊(vehicle to road communicaTIon)等四部分。

車聯(lián)網(wǎng)

V2X 是指車對(duì)外界的信息交換，是一系列車載通訊技術(shù)的總稱。V2X包含汽車對(duì)汽車(V2V)、汽車對(duì)路側(cè)設(shè)備(V2R)、汽車對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施(V2I)、汽車對(duì)行人(V2P)、汽車對(duì)機(jī)車(V2M)及汽車對(duì)公交車(V2T)等六大類。目前以V2V的發(fā)展最為成熟。

V2X

V2X 是未來智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，它可以通過通訊獲得實(shí)時(shí)路況、道路信息、行人信息等一系列交通信息，提高駕駛安全性、減少擁堵、提高交通效率、提供車載娛樂信息等?；赩2X 技術(shù)不僅可以大幅提升交通安全、降低交通事故率，而且可以為自動(dòng)駕駛、智能交通和車聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新提供低成本、易實(shí)施的技術(shù)路線和基礎(chǔ)平臺(tái)。

V2X車聯(lián)網(wǎng)之三大應(yīng)用領(lǐng)域(來源：工業(yè)技術(shù)研究院)

V2V通信原理及具體應(yīng)用

V2V作為V2X中發(fā)展最為成熟的，重點(diǎn)了解一下V2V的原理及應(yīng)用也十分必要。V2V通信是為了防止事故發(fā)生，通過專設(shè)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)送車輛位置和速度信息給另外的車輛。依靠技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，駕駛員收到警告后就能降低事故的風(fēng)險(xiǎn)或車輛本身就會(huì)采取自治措施，像是制動(dòng)減速。

V2V通信原理

V2V通信需要一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)，在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)上汽車之間互相傳送信息，告訴對(duì)方自己在做什么，這些信息包括速度、位置、駕駛方向、剎車等。V2V技術(shù)使用的是專用短程通信(DSRC)，由類似FCC和ISO的機(jī)構(gòu)設(shè)立的標(biāo)準(zhǔn)。有時(shí)候它會(huì)被描述成WiFi網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)榭赡苁褂玫降囊粋€(gè)頻率是5.9GHz，這也是WiFi使用的頻率。不過更準(zhǔn)確地說，DSRC是類WiFi網(wǎng)絡(luò)，它的覆蓋范圍最高達(dá)300米。

V2V是一種網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)(汽車、智能交通燈等)可以發(fā)射、捕獲并轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)。網(wǎng)絡(luò)上5-10個(gè)節(jié)點(diǎn)的跳躍就能收集一英里外的交通狀況。這對(duì)多數(shù)駕駛者來說都有足夠的應(yīng)對(duì)時(shí)間。

在發(fā)展之初，V2V對(duì)駕駛者來說可能只是閃爍的紅燈警告，或是指示哪個(gè)方向有危險(xiǎn)，當(dāng)然這些都還在概念階段?，F(xiàn)在已經(jīng)有數(shù)千輛測(cè)試車了，多數(shù)原型車都到了可以自動(dòng)剎車或轉(zhuǎn)彎來避開危險(xiǎn)的水平。交通信號(hào)或其它固定設(shè)備即為V2I，也就是汽車-基礎(chǔ)設(shè)施。

關(guān)于V2V還有很多其它說法，一些廠商把它叫做Car-to-X，還有“internet of cars”以及“connected car”，目前看來V2V正脫穎而出。

V2V通信的應(yīng)用

V2V通信被期望能夠在車道偏離、自適應(yīng)巡航控制、盲點(diǎn)偵測(cè)、后方停車聲波定位、備份照相方面發(fā)揮更多的作用，對(duì)比當(dāng)前的OEM預(yù)埋系統(tǒng)。因?yàn)閂2V技術(shù)開啟了對(duì)四周威脅的360度智能感知。V2V通信成為普適計(jì)算不斷壯大的應(yīng)用趨勢(shì)——物聯(lián)網(wǎng)——的分支部分。

V2V通信和智能交通系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)目前還存在三個(gè)主要的障礙：汽車廠商對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的一致意見，數(shù)據(jù)隱私安全和項(xiàng)目資金。

V2R

V2R需要分為兩種場(chǎng)景，第一種是高速公路，第二種是城市道路。高速公路是第一步，而城市道路需要在其基礎(chǔ)上，對(duì)城市道路中的增加標(biāo)識(shí)的識(shí)別后，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的數(shù)據(jù)判斷和數(shù)據(jù)通信。

高速路上的V2R相對(duì)來說比較容易。首先是標(biāo)識(shí)明確，沒有人行道，紅綠燈，行人等復(fù)雜路況因素的影響，只需要識(shí)別高速路中與車輛行駛和高速公路出入口標(biāo)識(shí)等就可以了。其次高精地圖已經(jīng)提前布局高速路。高精地圖能夠精確到厘米級(jí)，對(duì)于車輛的路線規(guī)劃和自動(dòng)駕駛有著的很大的幫助。有了高精地圖的支撐，V2R的交互就會(huì)相對(duì)變少，處理起來更加方便。最后，就是盡快實(shí)現(xiàn)V2V也能夠助力V2R的快速開發(fā)。因?yàn)槊恳惠v車都可以共享采集到的道路信息，并將這個(gè)信息傳遞到云端，促進(jìn)道路信息的合理化和完善化。

而對(duì)于城市道路來說，需要處理的信息就要更多一些，這也就要求車輛采集的信息更多，處理能力更強(qiáng)，同時(shí)對(duì)于V2I和V2P都有關(guān)聯(lián)，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的實(shí)現(xiàn)的最困難的障礙?？赡軐Ｓ械慕煌肪€或者是公共交通才是未來人類出行的主要方式，是值得探討和深度調(diào)研的。

V2R現(xiàn)在通過毫米波雷達(dá)和攝像頭進(jìn)行開發(fā)的方案很多，再輔助高精地圖和云端支持，只要實(shí)現(xiàn)V2V，半自動(dòng)駕駛和自動(dòng)駕駛在高速公路上實(shí)現(xiàn)并不遙遠(yuǎn)。

V2I

V2I中的I不是指電信基礎(chǔ)設(shè)施，而是指車輛行駛過程中遇到的所有基礎(chǔ)設(shè)施。這包括紅綠燈，公交站，電線桿，大樓，立交橋，隧道等等一切人類的建筑設(shè)施。

V2I通信功能具體將采用車載智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)的760MHz頻段，使用該頻段可以在不影響車載傳感器的情況下實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)實(shí)施與車輛之間相互通信功能，從而獲取得到必要的關(guān)鍵信息。在交叉路口能見度較差時(shí)，V2I通信系統(tǒng)就可以接收到紅綠燈的信息，并通過V2V和V2P系統(tǒng)，接收到車輛和行人的信息，匯總提交給車腦(AB)系統(tǒng)，車腦通過車載操作系統(tǒng)(AOS)分析處理，控制汽車?yán)^續(xù)行駛還是繼續(xù)等待。

V2P

V2P是與每個(gè)人息息相關(guān)的技術(shù)，而且也不僅僅是技術(shù)的問題，還會(huì)上升到國(guó)家、社會(huì)、隱私、道德層面，因而變得非常難以實(shí)現(xiàn)。在網(wǎng)絡(luò)中搜到的資料，也巧妙而隨意的一筆帶過。

事實(shí)上，V2P并沒有想象中那么復(fù)雜。畢竟，如今人手一部手機(jī)的時(shí)代已經(jīng)來臨。無論是手機(jī)，尤其是可穿戴設(shè)備，都可以客串本文中提到的P模塊，實(shí)現(xiàn)和車輛中V模塊的交互通信。

那么P模塊應(yīng)該使用什么呢?筆者認(rèn)為L(zhǎng)TE-V中的LTE-V-Cell是實(shí)現(xiàn)V2I的有效工具，因?yàn)樗蠵(活動(dòng)的人，人只有活動(dòng)才有意義)都是需要隨時(shí)移動(dòng)的，搭載一個(gè)長(zhǎng)距離隨時(shí)可以互聯(lián)的模塊才能夠保證車輛能隨時(shí)接收到。車輛再輔以攝像頭，雷達(dá)傳感器等識(shí)別技術(shù)，便能夠有效的實(shí)現(xiàn)V2P。

V2X的標(biāo)準(zhǔn)之爭(zhēng)

目前主要有專用短程通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(DSRC)與研制中的基于 4.5G/5G 的 LTE-V 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在性能上符合需求，V2X的主流通信標(biāo)準(zhǔn)之爭(zhēng)將在這兩者之間展開。當(dāng)前智能交通系統(tǒng) ITS 正處在第三階段，5G 標(biāo)準(zhǔn)在 LTE-V 的基礎(chǔ)上，為滿足未來自動(dòng)駕駛的需求，性能指標(biāo)會(huì)更進(jìn)一步提升。

DSRC技術(shù)概要

DSRC由物理層標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11p又稱為WAVE(Wireless Access in Vehicular Environment)及網(wǎng)絡(luò)層標(biāo)準(zhǔn)IEEE 1609所構(gòu)成，在此基礎(chǔ)之上，美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)(Society of AutomoTIve Engineers，SAE)規(guī)范V2V與V2I信息的內(nèi)容與結(jié)構(gòu)，歐洲相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)由ETSI CT-ITS所規(guī)范。IEEE802.11p由IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)充，專門應(yīng)用于車用環(huán)境的無線通信技術(shù)，支持915MHz與5.9 GHz。

802.11p物理層架構(gòu)與802.11a大致相同，采用正交多頻分工(Orthogonal Frequency-division Multiplexing，OFDM)調(diào)變技術(shù)，且52個(gè)子載波可支持正交振幅調(diào)變(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)、相位移鍵調(diào)變(Phase-shift keying，PSK)等調(diào)變技術(shù)，同時(shí)搭配向前錯(cuò)誤校正技術(shù)(Forward Error Correction，F(xiàn)EC)，減少信息重新傳輸所發(fā)生的延遲情況，能夠因應(yīng)在高速移動(dòng)下信息傳遞的實(shí)時(shí)性。

802.11p在915MHz頻段中，支持傳輸距離小于300公尺，傳輸速率低于0.5 Mbit/s，使用5.9GHz頻段通訊時(shí)，傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)1，000公尺，以頻道帶寬10 MHz為單位，傳輸速率最高為27 Mbit/s，允許在車速260km/h下進(jìn)行車與車之間以及車與道路設(shè)備之間的信息傳輸。

DSRC系統(tǒng)包含車載裝置(On Board Unit，OBU)與路側(cè)裝置(Road Site Unit，RSU)兩項(xiàng)重要組件，透過OBU與RSU提供車間與車路間信息的雙向傳輸，RSU再透過光纖或行動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將交通信息傳送至后端平臺(tái)(圖1)。由于車間與車路通訊應(yīng)用情境復(fù)雜，汽車數(shù)量多寡、距離與道路氣候等都會(huì)影響無線網(wǎng)絡(luò)的通訊，通訊速度與質(zhì)量將對(duì)用路人安全造成極大影響，因此車聯(lián)網(wǎng)安全應(yīng)用相關(guān)通訊網(wǎng)絡(luò)通常被要求須要具備高移動(dòng)性與低延遲率，IEEE將安全應(yīng)用通訊延遲容許范圍定在50ms內(nèi)，最多不超過100ms，允許接收訊息后有足夠反應(yīng)時(shí)間。

圖1　DSRC技術(shù)包含車載單元與路側(cè)單元，可以支持車與車之間和車與路側(cè)設(shè)備的雙向數(shù)據(jù)傳輸。

LTV-V技術(shù)概要

車間與車路間的通訊技術(shù)除DSRC外，華為、高通(Qualcomm)等網(wǎng)通廠商積極推動(dòng)以LTE網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的LTE V2X技術(shù)，3GPP自2015年底將LTE-V技術(shù)納入Release 14標(biāo)準(zhǔn)制定，目前于SA WG1內(nèi)進(jìn)行相關(guān)服務(wù)之研究及討論。

德國(guó)電信亦宣布將與華為、豐田(Toyota)及奧迪(Audi)汽車合作，在因哥爾斯塔特高速公路的測(cè)試場(chǎng)域上進(jìn)行LTE-V技術(shù)實(shí)證。德國(guó)電信將在LTE基地臺(tái)上設(shè)置華為供應(yīng)的LTE-V硬件，Toyota及Audi車載LTE-V裝置同樣由華為提供。中國(guó)政府也看好LTE應(yīng)用于車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，由中國(guó)信息通信研究院主導(dǎo)成立LTE-V核心工作組，在中國(guó)通訊標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)與3GPP架構(gòu)下推動(dòng)LTE-V的標(biāo)準(zhǔn)化與商業(yè)化發(fā)展。

在3GPP架構(gòu)下，與V2X相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)包含多媒體廣播群播(Multimedia Broadcast Multicast Service，MBMS)與LTE Direct通訊。利用MBMS技術(shù)可同時(shí)對(duì)大量裝置廣播如公共警示等緊急訊息，LTE Direct通訊部分，3GPP于2011年展開相關(guān)研究，并正式將其納入Release 12的標(biāo)準(zhǔn)制定，LTE Direct可自動(dòng)搜尋鄰近上千臺(tái)裝置，能夠讓處于LTE訊號(hào)覆蓋范圍內(nèi)外之車輛、路側(cè)裝置等在不透過基地臺(tái)情形下相互溝通(圖2)。

圖2　LTE-V可以再細(xì)分為L(zhǎng)TE-V Cell(集中式)與LTE-V-Direct(分布式)兩種不同通訊模式。前者需由基地臺(tái)提供服務(wù)，后者則類似DSRC，可實(shí)現(xiàn)直接聯(lián)機(jī)。

3GPP于TS 22.185文件中描述LTE-V應(yīng)用情境與傳輸要求，LTE-V應(yīng)用情境包含LTE網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)及范圍外的V2V、車對(duì)基礎(chǔ)建設(shè)/網(wǎng)絡(luò)(V2I/N)及車對(duì)行人(V2P)等。傳輸部分須達(dá)到支持最大相對(duì)速度280km/h、絕對(duì)速度160km/h的高速移動(dòng)，以及V2V環(huán)境下延遲速度低于100ms等要求。

LTE-V的實(shí)際運(yùn)作可分為L(zhǎng)TE覆蓋范圍外的V2X通訊，單一營(yíng)運(yùn)商透過基地臺(tái)管理的V2X通訊以及多營(yíng)運(yùn)商透過基地臺(tái)管理的V2X通訊等。3GPP認(rèn)為，在多營(yíng)運(yùn)商提供V2X服務(wù)的情境下，訊息傳遞有三種情形需被考慮：

第一，特定區(qū)域內(nèi)僅有一家營(yíng)運(yùn)商有基地臺(tái)，該營(yíng)運(yùn)商與其他營(yíng)運(yùn)商分享基地臺(tái)提供包含V2X等多種服務(wù);

第二，特定區(qū)域內(nèi)僅有一家營(yíng)運(yùn)商擁有V2X頻段，該營(yíng)運(yùn)商分享基地臺(tái)給其他營(yíng)運(yùn)商限定提供V2X服務(wù);

第三，特定區(qū)域內(nèi)有2家營(yíng)運(yùn)商都擁有基地臺(tái)，V2X服務(wù)器分配V2X訊息給2家營(yíng)運(yùn)商的網(wǎng)絡(luò)。終端應(yīng)能夠接收不同營(yíng)運(yùn)商之V2X訊息，避免漏接重要信息。

DSRC、LTE標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

在標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)程與導(dǎo)入方面，DSRC發(fā)展較成熟，美國(guó)、歐洲等國(guó)家已提出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，LTE-V目前已在3GPP進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)制定流程，但至少需到2017年Release 14中才會(huì)完成，在布建上DSRC由于需要安裝新的路側(cè)設(shè)備，將增加導(dǎo)入成本與時(shí)間，LTE-V則能夠整合既有的基地臺(tái)裝置，不需要大量布建新基礎(chǔ)建設(shè)，可縮短導(dǎo)入時(shí)間，兩者之間互有優(yōu)勢(shì)。

DSRC關(guān)鍵指標(biāo)：支持車速 200km/h，反應(yīng)時(shí)間 100ms，數(shù)據(jù)傳輸速率平均 12Mbps(最大27Mbps)，傳輸范圍 1km。根據(jù)美國(guó)交通運(yùn)輸部的報(bào)告，違反交通信號(hào)燈指示的時(shí)延要求是小于100ms;車輛防碰撞指示的時(shí)延要求是小于20ms。

LTE-V-Cell 關(guān)鍵指標(biāo)：傳輸帶寬最高可擴(kuò)展至100MHz，峰值速率上行500Mbps，下行1Gbps，時(shí)延用戶面時(shí)延≤10ms，控制面時(shí)延≤50ms，支持車速 500km/h，覆蓋范圍與 LTE 范圍類似。LTE-V-Direct 目前還沒有詳細(xì)的技術(shù)指標(biāo)，據(jù)悉 LTE-D 具備能尋找 500 公尺內(nèi)數(shù)以千計(jì)裝臵以及服務(wù)的能力，因此能讓兩個(gè)以上最接近的 LTE-D 裝臵在網(wǎng)內(nèi)通訊。

總結(jié)

車間與車路間通訊技術(shù)可協(xié)助提升車輛安全，也是未來自動(dòng)駕駛車輛的關(guān)鍵技術(shù)之一，DSRC與LTE-V都利用車載裝置間以及車輛與路側(cè)裝置間進(jìn)行信息交換，達(dá)到實(shí)時(shí)信息傳遞，提供駕駛者判斷或車輛自動(dòng)控制，兩者在技術(shù)上都必須達(dá)到一定傳輸要求來實(shí)現(xiàn)車輛安全應(yīng)用。

目前 DSRC 產(chǎn)業(yè)鏈更為成熟，但 LTE-V/5G 可能后來居上，總體來看政府政策影響極大。智能駕駛和智能交通融合將催生 V2X 的巨大市場(chǎng)，正如 NB-IOT 在物聯(lián)網(wǎng)低頻低速率數(shù)據(jù)場(chǎng)景下的應(yīng)用，我們中長(zhǎng)期看好 LTE-V/5G 在車聯(lián)網(wǎng) V2X 領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿Α?/p>