車聯(lián)網(wǎng)進(jìn)化的驅(qū)動力 5G為 V2X 應(yīng)用帶來優(yōu)勢

由于車聯(lián)網(wǎng)（V2X）等新興車載網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需要，對于延遲、數(shù)據(jù)速率、可靠性和通訊距離提出嚴(yán)格服務(wù)質(zhì)量要求，以及V2X 應(yīng)用正在過渡到基于5G，與當(dāng)下專用短距離通訊方法相較，帶來的一些關(guān)鍵特性和功能缺失，本文將討論在自動駕駛系統(tǒng)中使用 5G為 V2X 應(yīng)用帶來的主要優(yōu)勢。

車聯(lián)網(wǎng)（V2X）技術(shù)是車輛運(yùn)輸之未來。透過道路上車輛之間通訊（V2V）以及車輛與路燈和人行橫道等交通基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）之間進(jìn)行通訊，將大大增強(qiáng)汽車安全功能并緩解交通壅堵。V2X可使用5G在汽車、行人和交通攝影鏡頭/傳感器之間傳輸訊號，讓駕駛更加安全、更加方便。

接下來，本文將討論在 V2X 應(yīng)用中 5G 如何提供新功能的五種方式，5G會比當(dāng)前車載專用短程通訊（DSRC）系統(tǒng)提供更好的鏈接性和更低延遲。


技術(shù)進(jìn)化即將到來


 
圖1 : C-V2X能夠透過非視線方式感知來補(bǔ)充攝影鏡頭、雷達(dá)和激光雷達(dá)等傳感器不足，這是實(shí)現(xiàn)安全自動駕駛之關(guān)鍵因素。（source：metamorworks/Shutterstock.com）

透過接收有關(guān)駛近緊急車輛（包括距離和方向信息）以及學(xué)校/行人信道的訊息，V2X 和 5G能夠達(dá)成增強(qiáng)道路安全之目的。當(dāng)孩子們即將過馬路時(shí)，校車能夠通知附近車輛避讓，而當(dāng)在繁忙街道上出現(xiàn)阻塞車道時(shí)，送貨卡車可以讓周圍地區(qū)知道。有關(guān)交通壅堵訊息將實(shí)時(shí)傳遞，相關(guān)道路事故或交通壅堵警告會在發(fā)生后幾秒鐘內(nèi)傳輸。行人甚至可以透過手機(jī)接收到附近有關(guān)車輛行駛不正常或以不安全速度行駛警告，當(dāng)一輛超速行駛車輛闖紅燈后穿過十字路口時(shí)，行人會在踏上馬路之前聽到響亮警報(bào)。

蜂巢式C-V2X（C-V2X）是 V2X 的一個(gè)子集，能夠透過非視線（LoS）方式感知來補(bǔ)充攝影鏡頭、雷達(dá)和激光雷達(dá)等傳感器不足，這是實(shí)現(xiàn)安全自動駕駛之關(guān)鍵因素。C-V2X 還將提供比 LoS 傳感器更大覆蓋范圍，并且是車輛與其他鏈接設(shè)備進(jìn)行通訊基礎(chǔ)。

除了 V2X，5G 還將支持車對基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）、車對網(wǎng)絡(luò)（V2N）、車對車（V2V）、車對行人（V2P）以及騎行者等弱勢道路使用者、用于電動車功率傳輸?shù)能囕v到設(shè)備（V2D）和車輛到電網(wǎng)（V2G）通訊。



 
圖2 : 重要C-V2X 用例：車對車（V2V）、車對行人（V2P）、車對基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）和車對網(wǎng)絡(luò)（V2N）通訊。

透過 DSRC 和 C-V2X 提高安全性
自動駕駛車輛采用兩種高速通訊協(xié)議來保障車輛安全：DSRC 和 C-V2X，這兩種協(xié)議以極高速率運(yùn)作，并以低延遲進(jìn)行高頻數(shù)據(jù)交換。DSRC工作在5850～5925MHz頻段，數(shù)據(jù)速率為6～26Mbps； C-V2x 具有接收速率 26Mbps（RX）和最大26Mbps（TX）發(fā)射速率。 DSRC 和 C-V2X 無線電可以沒有連結(jié)，但它們在收聽其他訊號同時(shí)，能夠廣播車輛位置、速度和加速度等。


在所有距離內(nèi)進(jìn)行安全可靠通訊
透過推進(jìn)車輛編隊(duì)、進(jìn)階駕駛、擴(kuò)展傳感器和遙控駕駛等基于 C-V2X 應(yīng)用，5G為行業(yè) C-V2X 帶來側(cè)鏈通訊技術(shù)（sidelinking）。由于在緊急駕駛情況下需要緊急制動和規(guī)避碰撞，因此要求嚴(yán)格的低延遲和高可靠性。C-V2X最短傳輸延遲不超過4ms，并且可能更快，具體取決于實(shí)施方式。

短程通訊導(dǎo)致的大部分流量，尤其是在 V2X 部署第一階段，將主要是每輛車定期廣播消息，以傳達(dá)其狀態(tài)和運(yùn)動。

在交通密集區(qū)域，可用信道資源會使該區(qū)域飽和，并增加數(shù)據(jù)報(bào)丟失，從而可能危及駕駛員?？赏高^擁塞控制算法來檢查并定義某些參數(shù)，以在這些條件達(dá)到臨界水平之前進(jìn)行修改。C-V2X側(cè)鏈通訊是第一個(gè)在物理層引入距離作為維度的無線系統(tǒng)，可為 LoS和非LoS方案提供統(tǒng)一通訊距離。

V2X通訊之安全/隱私
基于 LTE的V2X通訊使用高容量、大小區(qū)覆蓋范圍和廣泛部署基礎(chǔ)設(shè)施，來支持用于安全和非安全應(yīng)用的各種類型車載通訊服務(wù)。3GPP和Qualcomm等機(jī)構(gòu)已經(jīng)為基于 5G的 V2X 服務(wù)制定了路線圖。

3GPP中定義的安全，主要包括機(jī)密性、完整性、真實(shí)性和抗回放攻擊能力。新的隱私和安全挑戰(zhàn)，例如面向群體的自動隊(duì)列安全移動管理、可靠協(xié)作駕駛、高效和保護(hù)隱私的車輛大數(shù)據(jù)共享和處理等，將需要進(jìn)一步研究。

V2X 應(yīng)用仰仗于連續(xù)、詳細(xì)位置信息，這可能會導(dǎo)致隱私問題。在私人車輛中，位置跟蹤將會顯示出駕駛員（可能是也可能不是車主）所處位置變化和活動；發(fā)送和傳播 V2X 用戶位置訊息，可能會給車主和租車人/借車人帶來隱私問題。

其他 V2X 應(yīng)用包括車輛之間通訊、增強(qiáng)現(xiàn)有方法以幫助提供左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)輔助、緊急制動警告以及改善十字路口態(tài)勢感知等。擴(kuò)展 Waze概念，它可以控制或建議車速調(diào)整以解決交通壅堵問題，并在GPS 地圖上對于車道關(guān)閉和高速公路建設(shè)活動等情況進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。V2X 對于實(shí)現(xiàn)汽車中大量軟件驅(qū)動系統(tǒng)無線（OTA）更新至關(guān)重要，這些包括從地圖更新到錯(cuò)誤修復(fù)再到安全更新等軟件應(yīng)用。


V2X訊息保護(hù)/安全性
V2X 通訊需要強(qiáng)大安全性來保護(hù)消息免受欺詐或誤導(dǎo)性使用，從而避免導(dǎo)致安全和隱私問題。另一種安全方法是使用公鑰證書對消息進(jìn)行簽名，以防止未經(jīng)授權(quán)的各方對數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行干擾，并安全地對通訊實(shí)施假名化。

公鑰基礎(chǔ)建設(shè)（PKI）包含一些用于創(chuàng)建、管理、使用、保存和撤銷數(shù)字安全證書的策略和程序。 PKI 允許安全地傳輸電子訊息，并且不僅僅是以密碼作為身份驗(yàn)證，還需要更嚴(yán)格身份確認(rèn)。


為實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大 V2X 性能進(jìn)行測試
對于預(yù)測各種現(xiàn)實(shí)世界場景中V2X 通訊之性能，其重要性怎么強(qiáng)調(diào)都不為過。由于駕駛員、乘客和行人安全極其重要，因此需要在部署前進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)室測試是證明重要假設(shè)和測試意外情況的關(guān)鍵第一階段。作為此類測試之一，5GAA 汽車協(xié)會在 V2X 功能和性能測試報(bào)告中運(yùn)作 V2X 性能和功能測試，其中僅 C-V2X 技術(shù)會在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中針對高度擁擠場景進(jìn)行測試，即便在這種擁擠場景中，C-V2X 延遲仍然受到為該場景設(shè)置的100ms延遲限制。

這些測試中一些主要關(guān)注點(diǎn)，包括：

? 20MHz CH183中的C-V2X通訊與10MHz CH184中同樣BSM類消息傳輸具有相同可靠性（數(shù)據(jù)報(bào)接收率針對距離）。
? CH183中C-V2X高負(fù)荷傳輸對CH172中DSRC基本安全傳輸之影響，在LoS條件下，遠(yuǎn)達(dá)1.4km距離時(shí)可忽略不計(jì)。
? CH183中C-V2X高負(fù)載傳輸對CH178中V2I和I2V傳輸影響，在LoS條件下，遠(yuǎn)達(dá)1.4km距離時(shí)可以忽略不計(jì)。
? CH183中C-V2X高負(fù)載傳輸對CH180 中V2I和I2V傳輸影響，在LoS條件下，遠(yuǎn)達(dá)1km距離時(shí)可以忽略不計(jì)。

Ford和Qualcomm還進(jìn)行了進(jìn)一步外場測試，以支持最新5G汽車協(xié)會（5GAA）向美國聯(lián)邦通訊委員會提出的C-V2X部署豁免申請。C-V2X表現(xiàn)良好，尤其是在視線（LoS）條件下。

按照5GAA計(jì)劃，C-V2X被認(rèn)為已準(zhǔn)備好與商用芯片組一起部署，也被視為車載全球部署準(zhǔn)備就緒。5GAA 將與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定組織（SDO）合作，推動5G V2X需求，以創(chuàng)建成功V2X生態(tài)系統(tǒng)。


結(jié)論
我們可以看到V2X巨大市場潛力，但它仍處在起步階段，而且在成熟之前，我們可能無法充分享受這項(xiàng)技術(shù)許多好處。大多數(shù)交通系統(tǒng)尚不兼容 V2X，但伴隨V2X系統(tǒng)變得越來越普遍，交通系統(tǒng)將能夠根據(jù)需要調(diào)整交通訊號燈時(shí)間以緩解交通壅堵，這如同高速公路如何使用流量控制燈（通常帶定時(shí)器）以避免出現(xiàn)大壅堵。

車聯(lián)網(wǎng)連結(jié)技術(shù)可能會在未來 20 年左右取得長足進(jìn)步，許多新車型會使用某種形式 V2X 技術(shù)，尤其是豪華車型。大多數(shù)原來豪華車的設(shè)施（例如真皮座椅、天窗、巡航控制）當(dāng)下已經(jīng)在所有價(jià)位汽車中變得很普遍。預(yù)計(jì) V2X 鏈接將成為具備自動駕駛系統(tǒng)（ADS）車輛的一項(xiàng)關(guān)鍵能力，該自動駕駛系統(tǒng)會評估環(huán)境中潛在危險(xiǎn)，然后做出相應(yīng)響應(yīng)。ADS 掌握周圍環(huán)境有關(guān)信息越多，就能夠做出更好的決策，5G 將使從手機(jī)到交通訊號燈再到車載導(dǎo)航系統(tǒng)的鏈接，成為交通之未來。

（本文由貿(mào)澤電子提供；作者為Steve Taranovich、Alex Plumer）