【科研成果】V2X关键技术应用与发展综述

发布时间:2019-01-22 13:34 点击数:1047

0 引言

当前,各国政府和产业界正在着力发展智能汽车,其中车辆与外界的通信是实现辅助驾驶乃至自动驾驶、信息娱乐、出行管理等智能汽车重要功能的基础,汽车专用的V2X(Vehicle-to-Everything)通信将成为未来智能交通系统信息网络的关键组成部分。V2X技术从20世纪90年代起已经得到了广泛和深入的研究,但由于技术、政策、商业模式等方面的挑战仍然未能实现有效推广。本文总结了当前V2X技术的路线特点、发展现状和应用挑战,指出了符合中国特点的V2X技术方向,为研究机构、政府部门和有关企业提供战略支持和决策参考。

 

1 V2X技术发展路线

1.1 V2X技术的作用

V2X技术全面涵盖车辆与车辆(Vehicle-to-Vehicle, V2V)、车辆与基础设施(Vehicle-to-Infrastructure, V2I)、车辆与行人(Vehicle-to-Pedestrian, V2P)、车辆与外部网络(Vehicle-to-Network, V2N)等各种通信应用场景。目前而言,基于V2V通信,车辆能够实现前方碰撞预警、紧急电子制动灯、变道辅助、左转辅助、反向行驶预警、协同式自适应巡航控制等驾驶辅助功能;基于V2I通信,可以实现交通优先权和速度建议、交叉路口盲区预警、路况预警、闯红灯预警、现场天气影响预警、减速地带和施工地段预警、停车位和充电桩寻位等应用;基于V2P通信,能够实现弱势道路使用者的预警和防护;基于V2N通信,可以开展实时交通路径规划、地图更新等云服务。

通过以上应用,V2X技术能够显著提升驾驶安全和交通效率。美国交通部研究显示,一旦全国所有车辆装备基于V2V的交叉口移动辅助和左转辅助功能,每年将可以减少40万-60万的碰撞事故和19万-27万的伤亡人数、挽救780条-1080条生命,如果再加上其它V2V和V2I应用,V2X系统最高能够减少80%的非酒精类汽车交通事故。此外,V2X技术将使自适应协同驾驶成为可能,从而减少二氧化碳和污染物的排放。欧洲eCoMove项目研究成果表明,基于V2X的驾驶支持功能可以减少4%-25%的油耗和二氧化碳排放。同时,V2X技术是实现自动驾驶的重要手段,能够弥补摄像头、雷达等车载传感器视距不足的缺陷,并拓展车辆在盲点交叉口、恶劣天气环境等特殊条件下的感知能力,也有助于相关系统的冗余设计。

1.2 V2X技术的功能要求

利用V2X技术搭建的车辆网络属于车载自组织网络(Vehicular ad-hoc Network, VANET),具有以下典型特征:(1)网络由车辆自主创建,不断进行自我配置,即使缺少基础设施的参与也能够工作;(2)由于车辆处于高速运动状态,网络属于高度动态拓扑结构,具有不可预测性,而且时间要求严格;(3)自组织网络信息交换频繁;(4)网络没有长期的通信交换中心,需要分布式操作机制;(5)需要适应多种通信环境,既包括相对简单的高速公路交通场景,也包括具有建筑物、树木等障碍物的复杂城市环境;(6)车辆密度低时,网络经常断开链接。

由于具有上述特征,VANET面临一系列的技术挑战:(1)网络具有安全隐患,任何欺诈节点对网络信息的更改都可能造成严重破坏后果;(2)要求高可靠性和低延迟性;(3)车辆密度高时,可能出现频道拥塞现象;(4)难以部署依赖于集中式控制器的媒介存取控制(Media Access Control, MAC)方案;(5)要求可扩展性协议设计,在非常轻的负载或高度过载的网络中均可正常操作;(6)需要解决网络高多普勒频散以及多径延迟扩展的问题,并且需要实现非视距感知;(7)必要时应该在道路预先部署接入点,以保持网络连接。

1.3 V2X技术路线

针对VANET的特殊要求,国际上主要采用专用短程通信(Dedicated Short Range Communication,DSRC)和基于蜂窝网络的车辆对外通信(Cellular-V2X,C-V2X)两条技术路线。DSRC技术发展时间较长,已经被美国、日本等国家广泛认同,形成了完善的标准体系和产业布局。而C-V2X技术依托于蜂窝移动网络兴起,正处于快速发展阶段,受到了中国、欧盟等国家的高度重视。

1.3.1 DSRC技术的特点

DSRC是一种双向半双工中短距离无线通信技术,可以实现高速数据传输,带宽可达3-27Mbps。DSRC具有一系列优点可以满足VANET的要求:指定授权带宽,能够用于安全可靠的通信;快速获取网络,便于立即建立通信,实现主动安全应用的高频更新;毫秒级的低延迟,使主动安全应用能够及时识别彼此并传输信息;高可靠性,可以在车辆高速行驶条件下工作,且性能免受诸如雨、雾、雪等极端天气条件的影响;安全应用比非安全应用的优先级更高;确保互操作性,支持V2V和V2I通信,有利于普遍部署应用;使用公钥基础设施(Public Key Infrastructure, PKI)实现安全信息认证和隐私保护[13]。

美国将DSRC视为V2X系统的主要实现手段,依托IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)和SAE(Society of Automotive Engineers)两大协会制定了完整的标准协议框架,如图1所示。在此基础上欧盟采用了不同的应用层标准,用ETSI TS 102 637系列替代了SAE J2735和J2945标准;日本也采用了不同的数据字典、信息集和协议。而在频谱分配方面,美国联邦通讯委员会将5850MHz-5925MHz作为V2V和V2I通信的专用频谱,包括5MHz的防护频段以及7个10MHz的控制信道和业务信道;欧洲电信标准协会在5.9GHz频段内分配30MHz的频谱用于智能交通系统,未来将扩展到整个5855MHz-5925MHz频段;日本将5770MHz-5850MHz频段用于DSRC电子收费和V2V通信的同时,将755.5MHz-764.5MHz也用于智能交通系统以避免频谱拥塞;韩国和澳大利亚也跟随欧美将5855MHz-5925MHz频段分配给智能交通系统;而中国对于DSRC的频谱分配尚无正式规定,但也在研究5.9GHz频段通信在V2X主动安全及未来自动驾驶中的应用。

图1 美国DSRC协议栈示意图

尽管DSRC技术已经得到了广泛的实际验证和应用,但其也存在一定的局限性。第一,DSRC采用的载波侦听多路访问(Carrier Sense Multiple Access-Collision Avoidance, CSMA-CA)协议在高度密集的交通情况下可能会产生数据包译码失败;第二,DSRC物理层的正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)技术限制了最大传输功率以及传输范围,不适用于需要长通信距离或合理反应时间的应用场景;第三,DSRC属于视距传输技术,障碍物较多的城市工况将对其构成挑战;第四,基于DSRC的V2I系统需要完善的基础设施部署,其安全性也需要通过路侧单元分发和管理车辆数字证书实现,因此对专用基础设施的依赖性大;第五,自动驾驶对通信范围、鲁棒性和可靠性具有更高要求,而目前的DSRC标准缺乏相关应用研究,未来的技术演进路线仍不明确。

1.3.2 C-V2X技术的特点

针对DSRC技术可能存在的问题,通信产业提出了C-V2X解决方案。C-V2X是一项利用和提高现有的长期演进技术(Long Term Evolution, LTE)特点及网络要素的新兴技术,作为第三代合作伙伴计划(The 3rd Generation Partnership Project, 3GPP)Release 14规范的一部分,该初始标准侧重于V2V通信,并逐渐增强对其他V2X操作场景的支持。C-V2X为实现邻近通信服务,引入了新的设备到设备通信(Device-to-Device, D2D)接口PC5,并且已针对高速度(可达250km/h)和高密度(数千个节点)的车辆应用情景进行了改善。在此基础上,C-V2X能够针对“覆盖范围内”和“覆盖范围外”两种情景提供通信服务(如图2所示),前者基于资源调度模式(mode 3),由基站安排传输资源,基站与车载设备通过Uu接口通信;而对于车辆处于基站覆盖范围以外的场景,也可以基于自动资源选择模式(mode 4)实现分布式调度,车辆之间可以直接通过PC5接口通信。目前3GPP组织已经完成了LTE-V2X的业务需求、网络架构、无线接入技术和V2V/V2X业务方面的研究与标准化,并将LTE-V2X标准立项申请提交到国际标准化组织(International Organization for Standardization, ISO),预计2018年第三季度完成标准制订工作。

 图2 C-V2X通信的两种情景

相比于DSRC技术,C-V2X具有独有的优势和特点(如表1所示)。首先,利用移动网络供应商的基础设施,C-V2X能够提供稳健的通信平台,增强数据安全性和保密性,并通过边缘计算保证时间要求;其次,C-V2X物理层采用频分复用技术和更长传输时间,提高了链路预算增益,能够比DSRC提供更长的预警时间和两倍的通信范围;最后,C-V2X基站节点往往位于高处,因此具有更好的非视距感知能力。除了技术层面的优势,C-V2X也得到了更多通信企业的重视和投入。一方面,5G(5th Generation)技术的导入以及移动生态系统的完善将为C-V2X制定清晰的技术演变路线提供支持;另一方面,利用移动产业对蜂窝技术的研究和部署以及蜂窝运营商对C-V2X服务的积极推广,能够快速实现C-V2X系统的商业化,并且与车载远程信息处理服务相结合,进一步提高效率、降低成本并创造出具有网络效应的巨大收益。

表1 DSRC与C-V2X的特点比较

然而C-V2X的基础技术LTE同样存在一定局限性。第一,目前的蜂窝网络无法提供足够的数据带宽以及满足要求的低延迟,而D2D仅能在紧急情况下运行、设备发现协议极慢,因此难以支持时间要求严格的应用场景;第二,LTE采用增强型多媒体广播多播(Evolved Multimedia Broadcast Multicast Service, eMBMS)等技术进行单点到多点的接口管理,但主要支持静态场景,对于大量车辆拥挤的情况可能无法提供所需的效能;第三,LTE涉及移动网络运营商之间的移交和应用服务供应商之间的合作,针对V2X应用如何构建新的合作模式尚不明确;第四,LTE或邻近通信服务的安全机制并不适用于V2V通信,因为其仅提供安全信息的加密,但对信息真实性并无保障。

1.3.3 5G技术的特点

由于LTE自身的局限性,未来5G技术将充分考虑车辆安全应用的特殊场景,提供可扩展的连接以支持极端的需求变化。针对汽车场景,5G V2X技术将具备以下特点:(1)采用毫米波波段提升频谱带宽,实现超高速无线数据传输;(2)吞吐量达到1Gbps以上,具有更好的网络覆盖均匀性;(3)使用多跳模式以拓宽覆盖范围,将车辆作为网络节点,直接实现D2D通信;(4)具有高可靠性,可以通过增信删余码对正常的流量进行时分复用;(5)采用非正交资源扩展型多址接入(non-orthogonal Resource Spread Multiple Access,RSMA)、协同冲突避免机制等手段,实现毫秒级的端对端延迟;(6)同时提供多条连接链路,满足容错性和移动性要求;(7)可以实现穿透式增强现实,查看前方车辆反馈的视频,并发现弱势道路使用者。因此,5G能够协助解决车辆感知、协同驾驶、远程控制等问题,将是实现完全自动驾驶的关键通信技术。但要使5G技术能够适应汽车用例的严格要求,还需要从频谱管理机制、近邻服务(Proximity-based Services, ProSe)的直接发现程序和中继功能、Uu和PC5接口选择等方面进一步优化和提升现有LTE技术。目前全球正在加紧制定5G国际技术标准,中国已于2017年展开5G第二阶段测试,并在2018年进行大规模组网试验,最快将在2020年正式实现5G网络的商用化。由于LTE网络未来将平滑演进到5G网络,基于LTE的C-V2X技术能够与未来5G网络进行复用,因此高通等公司正在加快研发基于5G新空口的C-V2X产品及功能。

 

2 V2X技术应用进展

2.1 DSRC应用进展

美国是推动DSRC应用的主要国家,美国交通部长期致力于DSRC的试点部署工作,早在1999年便将DSRC选定为V2V通信方案,迄今已投入了约10亿美元进行开发测试。2011年8月启动的“轻型车辆驾驶员接受度诊所”项目,在美国6个地方设立不同的应用环境,用以评估用户对V2V安全应用的接受程度,得到了奔驰、通用、福特、丰田等车企的参与,结果表明58%的受访者愿意以200美元以下的价格购买V2V相关安全功能。2012年8月到2014年2月密歇根大学交通研究所在安娜堡市进行了“安全试点:模拟部署”测试,共计投入超过2800辆测试车辆以及25个基础设施站点,对V2X在真实环境下的运行情况以及安全效益进行评估。2016年美国交通部还进一步在怀俄明州、纽约市和坦帕市启动了“网联车辆试点部署”项目,投资超过4500万美元进行网联系统的设计、建设和测试,如表2所示。基于以上研究,美国高速公路安全管理局在2016年12月发布V2V通信法规提案,计划从2021年起实施新的法规,要求所有新增轻型车辆必须搭载基于DSRC的V2V技术。

表2 美国交通部“网联车辆试点部署”项目

2.2 C-V2X应用进展

欧洲和亚洲是C-V2X技术的积极倡导者,近期结成了各种旨在开发、测试和推进C-V2X技术的伙伴关系,包括5G汽车联盟、德国“汽车连接未来一切”(Connected Vehicle to Everything of Tomorrow,ConVex)联盟、法国“驶向5G”战略合作、香港智能交通联盟、韩国5G汽车应用测试等。而中国将V2X技术作为智能网联汽车和智能交通系统的一部分,纳入“中国制造2025”“互联网+”等国家战略,DSRC和C-V2X技术分别得到政府的不同部委、基础设施供应商和汽车制造商等不同利益相关方的支持,各个政府部门和行业组织正在积极协调技术标准的制定(如图3所示)。目前由通用汽车、长安汽车和清华大学共同制定的《合作式智能运输系统车用通信系统应用层及应用数据交互标准》已经正式发布,该标准将与底层通信技术无关的V2X信息格式标准化,有利于实现不同品牌车辆及V2X系统的互联互通。而在上海嘉定的智能网联汽车试点示范区规划中,也将同时测试DSRC与C-V2X两种技术。

图3 中国V2X技术标准的制定分工

2.3 V2X技术应用存在的问题

尽管V2X技术已经取得了长足的进步,但与大规模普及应用仍然存在相当大的距离,其中涉及技术、商业模式、法律法规等多方面挑战。除了上述提到的技术局限性,V2X技术应用还存在以下的问题:

(1)技术成熟度问题。DSRC已经解决了最具挑战性的车辆安全问题,可以用于部署V2V系统,但V2I系统依赖于广泛覆盖的全新DSRC专用基础设施,需要大量投资,因此可能并不适合成为最后进行大规模部署的V2X系统。而C-V2X目前仅适用于涉及云端交互的非安全相关应用场景,现在的基础设施尚不足以支持在高速移动或拥塞情况下要求低延迟的V2X安全应用情景。因此一些专家提出两种技术共存互补的解决方案,即允许C-V2X的V2V直接通信共享DSRC专用频谱,C-V2X既可以在5.9GHz频谱中工作,也可以在相邻信道共存。但是共享频谱的方案受到DSRC支持者的质疑,同时车辆网络的特点对频谱共享后的移动出行管理、网络选择机制和切换策略等均构成相当的技术挑战。

(2)资源紧张性问题。移动互联网时代各类通信技术对于频谱资源的争夺异常激烈,由于V2X技术尚未实现大规模的商业应用,美国联邦通讯委员会(Federal Communications Commission, FCC)正在考虑允许未授权的国家信息基础设施设备共享DSRC频谱。思科提出未授权设备可以监视DSRC信道,如果检测到正在发送的信号则避免使用整个频段,否则可以借用信道;高通则提出了重新信道化的方案,要求将关键的控制信道和公共安全信道移动到专用频段,而将其余的DSRC服务信道重新配置,允许未授权设备和非安全类DSRC应用共享该部分频谱。但是频谱共享的建议遭到了汽车产业的普遍反对,都认为频谱共享违背了利用V2X技术改善道路安全的初衷,明确表态不支持重新分配频段。可以看出在通信资源日益紧张的今天,汽车产业必须加快V2X的普及应用,以确保在物联网时代占据一席之地。

(3)立法客观性问题。美国是世界上第一个考虑将V2X系统的强制安装纳入法律法规的国家,由于美国政府之前在DSRC技术上的大量投入,美国交通部的立法明确要求车辆必须搭载基于DSRC的V2V技术。而随着蜂窝技术的迅猛发展,各利益相关方对于20年前适合于V2V通信的DSRC是否仍然是最佳技术路线产生了巨大分歧。美国和日本车企及其供应商已经在DSRC技术开发上投入了十余年的精力,普遍支持美国交通部的提议。通用汽车甚至在2017年3月推出的2017款凯迪拉克CTS车型上率先搭载了基于DSRC的V2V系统。但是电信产业以及多数欧洲汽车制造商并不完全支持此项提议,而是支持C-V2X方案或要求法规中立、由市场决定技术路线。包括5G汽车联盟、思科、高通等企业在内的反对方均认为将DSRC作为法定技术的提议将严重阻碍美国V2X技术的创新,难以为消费者提供最好、最先进的解决方案。正是由于技术路线的不确定性,各国政府对于V2X应用的法规制订和普及建设仍然保持谨慎态度。

 

3 结论和建议

V2X通信技术能够实现更加安全、高效、便捷的驾驶体验,同时也是未来高度自动驾驶的基础支撑,是汽车产业融入万物互联时代的重要途径。当前,实现V2X的DSRC与C-V2X两种技术路线引发了各界的激烈讨论,由于各有优劣,最佳路线尚无定论,而V2X系统的大规模应用也仍需时日。中国作为智能汽车和智能交通的后发国家,应当从国际V2X技术的发展历程中充分吸取经验,更好地进行顶层的统筹规划和基础建设工作。为此,本文总结提出以下结论:

(1)V2X技术最终将向5G发展。DSRC技术经过近20年的研发已经较为成熟,凭借其低延迟和高安全性的特点使得V2V系统的部署成为可能。然而其通信范围受限、基础设施依赖性强、缺乏技术演进路线等问题促使业界将目光投向了蜂窝技术的应用。而C-V2X技术目前尚处于起步阶段,初始标准刚刚完成,还不能满足严格的车辆通信安全要求,仅适用于非安全相关的应用。但是未来5G技术将充分考虑车辆应用需求,有潜力提供高吞吐量、宽带载波支撑、超低延迟和高可靠性的通信服务,从而真正满足智能网联汽车的核心诉求。因此,国家在制定相关法规政策以及推动项目建设时,应当充分考虑当前技术与未来5G通信的过渡衔接,避免战略误判和低效投入。从这个角度看,发展与5G技术兼容性更佳的C-V2X技术将更加符合长远利益。

(2)V2X系统的推广应该积极利用现有通信资源。无论采用DSRC还是C-V2X方案,V2X系统的应用均需要对现有车载设备、网络基础设施和交通管理设施等进行升级改造。目前DSRC在中国主要应用于基于5.8GHz频段的电子不停车收费(Electronic Toll Collection,ETC)系统,但其路侧单元主要集中在高速公路收费站、机场停车场、城市停车场等,设施数量较少,功能相对单一,难以达到未来中高级自动驾驶的通信需求。相比而言,蜂窝移动通信资源更为丰富,据工信部《2017年通信业统计公报》统计,2017年底国内移动通信基站数量已达到619万个,其中包括328万个4G(4th Generation)基站,到2020年将实现全国行政村4G覆盖率超过98%。因此从网络覆盖率、基础设施改造成本、用户使用成本等各个角度综合考虑,采用C-V2X方案将更有利于推动V2X系统的大规模普及应用。

(3)V2X标准法规的制定需要充分的国家安全考虑。V2X系统是未来智慧城市和智能交通的核心组成部分之一,其技术标准决定了未来交通的安全性和产业的主导权。目前美国率先启动了V2X系统的技术标准和应用法规的制定工作,极有可能将DSRC作为法定技术,然而这是建立在其多年研究基础上的结果。美国DSRC的相关协议标准以及频谱划分已经引领了世界的技术趋势,通用、德尔福等公司均具有雄厚的DSRC技术积累,因此美国希望通过推广DSRC技术掌握V2X产业甚至智能汽车以及智能交通产业的话语权。而中国目前并未确立DSRC技术的主导地位,在国内通信企业掌握4G技术、并且正在积极参与5G标准制定的情况下,更应当充分利用自身优势,积极参与C-V2X技术和产品的基础研发和应用建设,实现产业的自主发展,确保汽车、信息两大产业安全受控。

(4)V2X系统的完善需要汽车产业与通信产业的通力合作。目前国内V2X技术的主要推动方是各大通信企业,出于拓展业务、构建生态等考虑积极参与汽车产业,而很多国内汽车企业对于V2X的发展趋势、应用场景和实际需求都不明确,相关开发和测试进展相对缓慢。相比之下,国外往往是整车企业和零部件供应商根据驾驶功能进行需求定义,再由专业团队进行开发,进而与电信运营商进行测试运营方面的合作。国内汽车产业应当提高该领域的战略认识,依托于智能网联汽车产业创新联盟、国家智能网联汽车试点示范区等组织和项目,尽快形成统一的需求定义以及技术路线,从而更好地与通信产业分工协作,打造一流的车联网解决方案。

来源:清华汽车产业与技术战略研究院


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