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蜂窩車聯(lián)網(wǎng)C-V2X

2020-12-15 15:54:51 深圳市瑞普高電子有限公司 803

▉ V2X是什么


V2X,即vehicle to everything,車聯(lián)萬物。

簡單來說,就是賦予車輛通信能力,通過V2V車對車)、V2P車對行人)、V2I車對基礎(chǔ)設(shè)施)、V2N車對網(wǎng)絡(luò)),讓駕乘體驗(yàn)更加舒適,交通環(huán)境更加安全,使能未來的自動(dòng)駕駛。

相信很多開車人都有這樣的體會:行駛在一條道路,連續(xù)好幾個(gè)路口都遇到紅燈,一路走走停停,不僅浪費(fèi)時(shí)間,而且特別耗油。有時(shí)候,明明前方一輛車也沒有,卻還要傻等紅燈變綠。你一定會想,如果交通燈也有眼睛和大腦,那該多好??!

其實(shí),利用V2I車對基礎(chǔ)設(shè)施、V2N車對網(wǎng)絡(luò)技術(shù),就可以掌控全局的交通流量,大幅縮減等待時(shí)間,從而實(shí)現(xiàn)“綠燈暢行”。

再舉一個(gè)例子,你平時(shí)在開車的時(shí)候,有沒有遇到過突然竄出的行人或者電瓶車,被他們嚇個(gè)半死?

這個(gè)時(shí)候,V2P車對行人技術(shù)就可以派上用場了。它能夠在非視距情況下,捕捉周圍環(huán)境的信息,讓我們擁有“上帝視角”,對潛在威脅進(jìn)行提前準(zhǔn)備。


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實(shí)際上,我們應(yīng)該把V2X技術(shù)理解為高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)的一部分。V2X和其它多種多樣的傳感器(如攝像頭,激光雷達(dá)等)相輔相成,共同輔助完成高級別的自動(dòng)駕駛。

從理論上來說,單車(例如Google的自動(dòng)駕駛汽車)不計(jì)成本地堆砌傳感器,也能完成自動(dòng)駕駛。

但是,缺少了V2X的自動(dòng)駕駛汽車,就好像是一座信息孤島。它沒辦法有效地和周圍車輛或者基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行溝通交流,在感知和決策上存在極大的限制。


▉ 兩種方案(DSRC vs C-V2X)對比


目前,國際上有兩套主流的V2X通信技術(shù)規(guī)范,它們分別是:

  • DSRC(專用短距離無線通信):基于IEEE 802.11p,歐洲的ITS-G5同樣是基于該物理層技術(shù),我們在這里只討論DSRC即可

  • C-V2X(蜂窩車聯(lián)網(wǎng)):基于3GPP LTE



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DSRC已經(jīng)存在很多年了,因?yàn)?span style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 100%; overflow-wrap: break-word !important;">存在一些先天的不足,發(fā)展過程并不順利。相比之下,3GPP的C-V2X有很多優(yōu)勢,所以這幾年發(fā)展很快。

我們不妨從各個(gè)角度來比較一下這兩種技術(shù)方案:
首先,從技術(shù)角度來看。
5GAA(5G汽車聯(lián)盟)針對DSRC和C-V2X,在實(shí)驗(yàn)室及外場進(jìn)行了試驗(yàn)對比。結(jié)果證實(shí),C-V2X在很多方面的性能,都要優(yōu)于DSRC。比如,C-V2X支持更遠(yuǎn)的通信距離、更佳的非視距性能、更強(qiáng)的可靠性、更高的容量和更佳的擁塞控制等。(詳細(xì)的測試報(bào)告請參考文末附件)

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其次,再從成本和標(biāo)準(zhǔn)化的角度來看。
在這兩方面,C-V2X也有一些顯著的優(yōu)勢:


  • C-V2X基于蜂窩網(wǎng)絡(luò),與目前的4G和5G網(wǎng)絡(luò)可以復(fù)用,網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣,部署成本較低。相反,基于802.11p的DSRC技術(shù),在組網(wǎng)時(shí)需要新建更大量的路側(cè)單元RSU,部署成本很高

  • C-V2X基于3GPP標(biāo)準(zhǔn),全球范圍內(nèi)具備更佳的兼容性

  • C-V2X演進(jìn)路線非常清晰,且后向兼容(LTE C-V2X  NR C-V2X)



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最后,從政策支持的角度來看。
在這方面,C-V2X也有后來居上之勢:


  • 美國之前一直支持DSRC,但是最近的態(tài)度開始有所轉(zhuǎn)變,偏向C-V2X。美國聯(lián)邦通信委員會FCC最近針對5.9GHz的重新分配進(jìn)行了投票,結(jié)果,劃了20MHz給C-V2X專用

  • 歐洲的態(tài)度比較糾結(jié),DSRC和C-V2X兩種技術(shù)都表示支持

  • 中國擁有全球最大的LTE網(wǎng)絡(luò),綜合考慮應(yīng)用價(jià)值、成本、性能、專利、政策、產(chǎn)業(yè)成熟度等各方面因素,C-V2X無疑是我國V2X技術(shù)路線的首選。頻譜方面,劃定了20MHz給C-V2X專用



▉ C-V2X的3GPP標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展

C-V2X未來能否走向成功,僅靠通信行業(yè)的支持是不夠的。它還需要來自汽車行業(yè)代表的有力支持。
2016年9月,5GAA聯(lián)盟成立,截至目前已有一百多名汽車和通信行業(yè)代表參與其中,共同推進(jìn)全球C-V2X的開發(fā)部署。
針對C-V2X,3GPP采取了分階段迭代的發(fā)展策略:


  • 第一階段,是LTE-V2X (R14)和LTE-eV2X (R15),主要是針對V2X進(jìn)行安全增強(qiáng)

  • 第二階段,是NR-V2X (R16及其演進(jìn)版本), 聚焦自動(dòng)駕駛場景


R16已經(jīng)支持車輛編隊(duì)、高級駕駛、外延傳感、遠(yuǎn)程駕駛等場景。

筆者預(yù)計(jì),與LTE-V2X類似,NR-V2X也將經(jīng)歷至少兩個(gè)版本(甚至更多)的演進(jìn)和迭代。當(dāng)前3GPP已經(jīng)啟動(dòng)了R17技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究工作,初步規(guī)劃了R17的主要增強(qiáng)技術(shù),繼續(xù)對現(xiàn)有版本進(jìn)行演進(jìn)。
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▉ C-V2X的關(guān)鍵技術(shù)

首先從架構(gòu)的角度看。非漫游場景下,5G支持V2X的架構(gòu)如下圖所示:
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筆者認(rèn)為,MEC將會是V2X很重要的一個(gè)關(guān)注點(diǎn)(并沒有在架構(gòu)圖中直接畫出)。
根據(jù)Intel的研究報(bào)告,2020年,一輛自動(dòng)駕駛汽車每天將使用4000GB的數(shù)據(jù)。相比之下,一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)用戶每天使用的數(shù)據(jù)大約是1.5GB。車輛和道路的數(shù)量龐大且復(fù)雜,加之傳感器數(shù)量的增加,由此會帶來的大數(shù)據(jù)處理和存儲的難題。
MEC是解決這一難題的有效手段。借助MEC技術(shù),很多服務(wù)可以部署到更加靠近車輛和道路等數(shù)據(jù)源的地方,節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源并降低延遲。
接下來,我們從接口的角度看。
常常有人會問:“在沒有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的條件下,C-V2X如何工作?”
前面的架構(gòu)圖告訴我們,即使是在沒有4G/5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的環(huán)境下,C-V2X還是可以利用PC5接口進(jìn)行彼此通信的。

Uu接口主要是用來實(shí)現(xiàn)時(shí)延不敏感業(yè)務(wù),進(jìn)行信息共享和提前預(yù)測。

PC5接口主要是用來實(shí)現(xiàn)低時(shí)延的業(yè)務(wù),提高非視距條件下的可靠性。

PC5接口進(jìn)一步區(qū)分為兩種工作模式:

  • 模式3:借助基站,通過控制信令接口Uu實(shí)現(xiàn)V2V數(shù)據(jù)的調(diào)度和接口管理。在這種情況下,采用動(dòng)態(tài)的方式進(jìn)行資源的調(diào)度,車車間采用PC5接口通信。

  • 模式4:V2V數(shù)據(jù)調(diào)度和接口的管理是基于車車間的分布算法實(shí)現(xiàn)。



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再從協(xié)議棧的角度來看。
基于PC5接口的協(xié)議棧,如下所示(基于Uu接口的協(xié)議棧和傳統(tǒng)的5G協(xié)議棧一樣,這里不再贅述)

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3GPP定義了其中的PHY和MAC層,完全重用DSRC既有的高層協(xié)議規(guī)范(它們由SAT和IEEE制定)。這就意味著,用戶從DSRC遷移到C-V2X的成本會相對較低。

最后,我們來簡單了解一下最新的NR-V2X在物理層和協(xié)議層方面做了哪些提升(3GPP TR 38.885的第5、6章節(jié)有較為詳細(xì)的描述。備注:協(xié)議規(guī)范中通常使用Sidelink這個(gè)詞來描述PC5所承擔(dān)的具體功能,簡稱SL),這里僅針對PC5的提升方面進(jìn)行簡要說明:

  • 概念上提出了點(diǎn)對點(diǎn)播、組播的概念,之前PC5只支持廣播

  • 物理層處理方面,SL的PSSCH、PSCCH 的資源分配上更規(guī)整,便于實(shí)現(xiàn)(如下圖所示),此外SL支持開環(huán)功率控制(OLPC)



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  • 同步方面,SL可以使用 S-PSS, S-SSS 完成同步

  • 協(xié)議層方面,明確定義SL 通信有三種模式: RRC連接模式(RRC_CONNECTED)、空閑模式(RRC_IDLE)和未激活模式(NR情況下)(RRC_INACTIVE)。在空閑或未激活模式下UE的SL通信是通過SIB 消息里的小區(qū)配置信息來完成的。


▉ 結(jié)語

目前,全球的C-V2X試驗(yàn)案例正在不斷增加。
圍繞C-V2X的通信芯片、模組、終端、整車制造、測試驗(yàn)證、運(yùn)營服務(wù)、高精度定位和地圖服務(wù)等上下游廠商,都在積極進(jìn)行布局,希望搶占市場先機(jī)。
行業(yè)普遍認(rèn)為,基于C-V2X的車聯(lián)網(wǎng),很可能成為5G時(shí)代最先成功的垂直行業(yè)應(yīng)用場景。
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在我們國家,政府層面非常鼓勵(lì)包括C-V2X在內(nèi)的車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。工信部、發(fā)改委、交通部、公安部、科技部等部委及地方政府,都針對性給出了一些明確的政策支持。
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),目前全國已經(jīng)擁有超過30個(gè)測試示范區(qū),其中包括上海、北京-河北、重慶、無錫(先導(dǎo)區(qū))、杭州-桐鄉(xiāng)、浙江、武漢、長春、廣州、長沙、西安、成都、泰興、襄陽等16個(gè)國家級示范區(qū)。
這些示范區(qū)涵蓋了無人駕駛和V2X測試場景建設(shè)、LTE-V2X/5G車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、智慧交通技術(shù)應(yīng)用等功能,提供了涉及安全、效率、信息服務(wù)、新能源汽車應(yīng)用以及通信能力等的測試內(nèi)容。
雖然車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正在飛速發(fā)展,我們也仍需意識到,車聯(lián)網(wǎng)最終目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)(包括自動(dòng)駕駛的落地),是一個(gè)漫長的過程。除了技術(shù)和資金之外,還涉及到法律和倫理的問題。更重要的是,它是否能獲得最終用戶的信任和認(rèn)可,被用戶接受。
行業(yè)曾經(jīng)指出,自動(dòng)駕駛將分為若干個(gè)過程,逐步實(shí)現(xiàn):
第一個(gè)階段:輔助駕駛安全和提高交通效率
第二個(gè)階段:在封閉園區(qū)的(商用車)的自動(dòng)駕駛
第三個(gè)階段:在開放道路的(乘用車)的自動(dòng)駕駛


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