V2X-車用無線通信技術

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關於V2X

V2X,即Vehicle to Everything / vehicle to X,車用無線通信技術,是意向以車輛為中心,與周邊車輛、設備、基站通信,從而獲取即時路況、道路信息、行人信息等一系列交通信息,以提高駕駛安全性、減少擁堵、提高交通效率、提供車載娛樂信息等,是未來智能交通運輸系統的關鍵技術。

圖(一) 車用無線通信技術示意圖

具體來說,我們通常認為V2X技術包含以下幾個類別:

  • 車輛與車輛V2V(Vehicle-to-Vehicle):常見應用如防碰撞安全系統
  • 車輛與基礎設施V2I(Vehicle-to-Infrastructure):交通信號指示與時間提醒
  • 車輛與行人V2P(Vehicle-to-Pedestrian):行人單車安全距離警報
  • 車輛與外部網絡V2N(Vehicle-to-Network):即時地圖,雲端服務等

V2X技術的目的是減少交通事故,提高交通效率,在目前更是助力自動駕駛的重要力量。V2X也是實現自動駕駛的重要手段,能夠彌補攝像頭、雷達等車載傳感器視距不足的缺陷,並且提高車輛在交叉口、惡劣天氣環境等特殊條件下的感知能力。

發展歷程

V2X的起源其實相當早,在國外也經歷了相當長時間的發展,在1999年美國就已經開始了相關方面的研究,分配了5.850-5.925 GHz給智能運輸系統(ITS),從2004年開始,IEEE開始基於802.11系列協議開發車用無線通信系統並提出了DSRC(專用短程通訊,Dedicated Short Range Communications)來命名這項基於802.11的車載無線通信技術,這也就是V2X的第一個技術路線的起源。與此同時,在日本也較早展開了對車聯網技術研究,在1991年, 日本車輛信息與通信系統(VICS)中心正式成立,經過近10年的發展,VICS被認為是世界上最成功的道路交通信息提供系統。

圖(二) 智能運輸系統

 與歐美、日本等國比較,我國起步較晚,在2009年,隨著車聯網技術在國內的發展,V2X也開始在國內發展迅速,在這個過程中,我國在V2X的路徑上沒有選擇著重研究發展DSRC這一技術,而是在伴隨3GPP的發展框架內正式將V2X納入LTE技術,選擇了基於LTE蜂窩網的C-V2X(LTE-V2X)技術。

隨著2020年5G元年的正式到來,因4G-LTE技術設計之初並未充分考慮車聯網技術,隨著智能汽車迅速發展起來,4G-LTE技術就顯得不夠用,因此5G通信在設計之初即將智能汽車的需求考慮進去,V2X將是5G網絡的一部分,5G-V2X有融合LTE-V2X及DSRC的可能,為汽車提供更安全、更高效的運行能力。

圖(三) V2X-車用無線通信技術

在目前,智能汽車開始大規模快速發展,5G網絡的部署逐漸完善,自動駕駛技術已經成為發展的熱點與重點,而V2X更是智能汽車和智能交通的支撐技術之一,也將會迎來更快速的發展。

使用技術

正如之前所說,目前的V2X有以下幾種主要的技術:

DSCR技術

DSRC技術,即車輛短程通信專用技術( Dedicated Short-Range Communications),發展較早,可以追溯至2004 年。當時,IEEE 在其802.11 無線局域網(即Wireless Local Area Networks, WLAN)標準系列下,開始製定新的車載通信標準。這一標準即是IEEE 802.11p。在2007 年左右,IEEE 802.11p 標準已經趨於穩定。而DSRC 所採用的通信標準即是IEEE 802.11p 和1609.x。因此現在,人們將DSRC和相應的下層標準統稱為DSRC。例如,美國聯邦通信委員會提出的車載環境下的無線接入(WAVE)通信協議是目前最為完善的DSRC V2X通信標準之一,已經進行了多次大規模測試及應用。

圖(四) DSRC技術

DSRC具有以下特點:

  • 美國在發展DSRC的初期,為其分配了專屬帶寬:位於5.9GHz 頻帶的一段75MHz 的帶寬(5.850-5.925GHz)被劃為DSRC 專屬的交通安全頻譜。二十多年的發展過程中,國際上DSRC專用短程通信技術曾出現3個主要的工作頻段:800-900MHz、2.4GHz和5.8GHz頻段,;目前我們國家採用的是源於ISO/TC204國際標準化組織智能運輸系統技術委員會(國內編號為SAC/TC268)的5.795-5.815GHz ISM頻段,下行鏈路(D-link)500Kbp,2-AM;上行鏈路(U-link)250Kbp,2-PSK的技術標準。
  • 從覆蓋的距離來看,DSRC是一種相對來說距離較近的通信方式,一般有效通信距離不超過1km。
  • DSRC的平均時延一般小於50ms,因此在安全性相關的場景中更具有實用價值。

C-V2X技術

3GPP在2017年發布的第14版本(Release 14)的LTE技術明確支持V2X,這就意味著V2X迎來了第二條技術路線。基於LTE蜂窩技術的V2X被稱為C-V2X,既Cellular V2X,由於當前的C-V2X技術是基於LTE的,因此又被稱為LTE-V2X。而3GPP的第16版本(Release 16)支持基於5G技術的V2X,因此屆時將被稱為5G-V2X或者NR-V2X。按照3GPP的時間表(如下圖),Release16的製定將在2020年下半年完成。

圖(五) Release 16-5G-V2X

為什麼會演進出不同於DSRC的C-V2X技術呢?基於Wi-Fi技術的DSRC性能存在局限性——Wi-Fi難以支持高速移動場景,移動速度一旦提高,DSRC信號就開始驟降、可靠性差、時延抖動較大,所以很長一段時間DSRC的性能不穩定,一直處於測試階段。此外,DSRC在實際部署中有效工作距離一般為幾十米,如果需要全境覆蓋,那麼需要部署的RSU設備的數量就相當之多,從經濟成本還是部署難度來講都是難以實現的。

因此,隨著蜂窩網的逐步發展與LTE技術的演進,業界開始研究在蜂窩通信技術(Cellular)基礎上重新設計V2X的構想,C-V2X(基於LTE技術)由此應運而生。就目前而言,主要有兩種通信模式存在:集中式(LTE-V-Cell)和分佈式(LTE-V-Direct)。

圖(六) LTE-V:基於TD-LTE的ITS系統解決方案

  1. 集中式(LTE-V-Cell)也稱為蜂窩式通信或網絡通信模式

需要基站作為控制中心,利用基站作為集中式的控制中心和數據信息轉發中心,使用網絡運營商提供的頻段,由基站完成集中式調度、擁塞控制和乾擾協調等,支持大帶寬、大覆蓋通信,可以顯著提高LTE-V2X的接入和組網效率,保證業務的連續性和可靠性,滿足Telematics(遠程信息處理)應用需求。

2. 分佈式(LTE-V-Direct)也稱為直接通信模式

無需基站作為支撐,可以獨立於蜂窩網絡,實現車輛與周邊環境節點低時延、高可靠的直接通信,滿足行車安全需求。基於“萬物互聯”的物聯網思想也為未來平滑向5G進行演進轉換提供渠道,保證向後兼容性。

我們對通信模式進行整理與歸納,對其進行對比:

內容集中式(LTE-V-Cell)通信分佈式(LTE-V-Direct)通信
時延較低
eNodeB接口PC5接口Uu接口
頻段在ITS頻段實現V2V , V2I,V2P在網絡運營商提供的頻段實現V2N
網絡連接網絡獨立需連接網絡
範圍短距離(<1km)長距離(>1km)

總結來說,由於C-V2X的基礎設施是在蜂窩技術上發展起來的,僅通過改造現有的基站,就可以將C-V2X基礎設施集成進去;終端部署方面,可以延用LTE和5G的生態系統,在一個通信模塊內裡面把LTE、V2X集成在一起,形成一個統一的連接性的解決方案,部署成本較DSRC更優。

5G-V2X

 5G-V2X是5G通信的V2X標準,也稱作NR-V2X,因4G-LTE技術設計之初並未充分考慮車聯網技術,隨著智能汽車迅速發展起來,4G-LTE技術就顯得不夠用,因此5G通信在設計之初即將智能汽車的需求考慮進去,V2X將是5G網絡的一部分,5G-V2X有融合LTE-V2X及DSRC的可能,為汽車提供更安全、更高效的運行能力。

圖(七) 5G-V2X

DSRC V2X和LTE V2X互有長短,各有千秋,這兩種通信技術各有優點,前者是基於十幾年的研究,最終形成標準統一的,具有可靠穩定性的技術;後者在覆蓋範圍、感知距離、承接數量、短時延以及後續更新演進具有優勢,而NR-V2X在一定程度上是二者的融合與延續,目前大力發展的高級駕駛輔助(ADAS)與自動駕駛都將依託於NR-V2X的能力,隨著相關標準的逐步完善,其研發進度也正在逐步加快。

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