基于5G的V2X技術發展趨勢

5G是實現未來汽車愿景的重要源動力技術，而包括汽車對汽車（V2V）、汽車對基礎設施（V2I）、汽車對互聯網（V2N）和汽車對行人（V2P）在內的V2X的發展對真正實現全場景自動駕駛，提高自動駕駛安全性至關重要。因此，基于5G的V2X智能發展是汽車行業最具價值的研究方向。

1 基于5G的V2X優化系統[1]

通過V2X通信合作的車輛的好處很多：

1）它們可以實現更安全的行駛；

2）改善高速公路、交叉路口和停車場的容量；

3）實現無縫的端到端移動性。

此外，在非視距條件下，V2X通信是唯一能夠通過幾乎瞬時交換車輛動力學來實現安全行為的技術。

下一代車輛V2X通信系統的最終目標是有效利用可用的道路實現無故障協作自動駕駛。為實現這一目標，通信系統需要啟用各種用例，而每個用例都有一組特定的要求。分析主要用例類別以及它們的要求，并將其與當前可用的通信技術的功能進行比較，確定出他們之間的差距，并進行可能縮小差距的5G V2X系統設計。因此，提出了如圖1所示的5G V2X無線接入網絡的架構，其中融合了多種通信技術，包括在厘米和毫米波段的蜂窩網絡、IEEE 802.11p和車載可見光通信。該系統可實現所有用例類別，最終實現無事故連接自動駕駛。

圖1 異構Multi-RAT網絡架構下的V2X通信系統[1]

LTE-V2X是已完成的第一套V2X通信的蜂窩標準，在原有的標準基礎上，未來的5G V2X蜂窩系統將通過圖1所示的三種不同范例提供支持V2X通信的主要無線接口：

（1）Cellular V2X；

（2）Cellular-assisted V2V；

（3）Cellular-unassisted V2V。

系統中采用毫米波通信一方面對于V2I通信，可以在車輛和附近基站之間建立短期高數據速率連接，以交換對延遲不敏感的數據；另一方面對于定向V2V通信，可用于支持特定用例。

車載可見光通信（VVLC）能夠在單個通信系統中實現照明、通信和定位。VVLC中車輛前燈和尾燈中的發光二極管用于傳輸信息，而光電二極管或相機用作接收器。VVLC適用于精確的戶外道路和室內停車定位，并作為RF V2X通信的支持（即通過多通信傳感器融合實現容錯行為）。此外結合衛星定位系統技術還可以實現一些關鍵的V2X用例。

顯然，未來5G系統的發展對提供超低延遲、高可靠性的通信具有重要意義，并推動車聯網的智能發展。

2 V2X撤銷協議的形式化分析[2]

現有車載網絡（V2X）安全性的研究已經形成了一系列安全機制和協議，解決了安全性和隱私問題。但這些安全性分析在很大程度上是非正式的，而正式分析可用于揭示缺陷，并最終在協議中提供更高級別的保證。

本文探討了Rewire協議的兩個版本Rewire Plain和R-token，該協議代表了在V2X架構中提出的撤銷協議技術現狀，而目前尚未在車輛中部署撤銷協議。重點介紹了對V2X安全機制的特定要素的形式分析，即通過使其憑證無效來撤銷V2X系統中的惡意或行為不當的車輛。即使在車輛定期更改其假名的情況下，也需要以不可鏈接的方式執行此撤銷以實現車輛隱私。

圖2 O-token撤銷協議[2]

圖3 高級V2X撤銷協議場景[2]

從正式建模中獲得啟發，對Rewire協議進行改進，開發出一種如圖2所示的新的協議Obscure Token（O-token），其包含一個額外用于簽名的非對稱密鑰對，增加在消息交換中用于可驗證撤銷的假名，要求汽車上的可信設備參與撤銷協議，并且在完成時可以信任擦除汽車可能具有的所有假名。如圖3案例場景所示，即使車輛改變了假名，O-token協議也允許撤銷，并允許RA驗證車輛發送的已刪除其假名的信息。

在上述分析中，目前大多專注于功能正確性和身份驗證，新的協議要求汽車上的可靠設備可以被信任以擦除汽車可能具有的所有假名。然而，這是否是汽車的正確信任模型仍然存在爭議。未來更需要考慮推廣正確性分析以便可以證明更一般的屬性。

3 V2I網絡的信息傳遞功能[3]

現代智能交通系統（ITS）是基于不同設備（固定或移動）之間的數據采集和信息交換而形成的，一方面隨著信息來源數量的增加，對信息收集、處理和分發提出了新的挑戰；另一個方面又需考慮數據安全性，尤其是對于車輛協作安全應用。本文旨在研究具有最適用于不同短距離通信技術的特定非關鍵ITS應用，重點是V2I類車載通信中的藍牙和ZigBee適用性。如圖4，通過一個通用ITS應用程序的案例研究，確定在V2I場景中發送消息的典型長度；并進行通信技術測試，如圖5所示，在特定環境中對使用配備BT消息設備的兩輛車進行現場測量。

圖4 用于動態稱重和車輛分類設置中的短距離通信分析的通用設置[3]

圖5 測試平臺[3]

測試結果表明，ZigBee技術適用于更長的通信距離，消息交換穩定性不受距離影響。而藍牙技術消息交換時間的變化很大程度上取決于通信設備之間的距離。由于ZigBee PHY層延遲低于藍牙技術，ZigBee技術足以滿足ITS延遲容錯應用中的短距離通信支持。通過在ITS中使用ZigBee，典型的動態稱重、收費和車輛識別可以在簡單的軟件應用的能耗、成本和利用方面取得顯著的經濟效益。

通過有效使用信息可以增強道路交通安全性并減少環境污染，故以有效的無線通信設施作為基礎，車載網絡將為智能交通、環保交通、道路安全（碰撞檢測及避免，合作駕駛）和車載互聯網接入等各種應用開辟道路。

4 5G V2I網絡的自適應信道預測、波束形成和調度設計[4]

5G網絡一個重要用例是車輛到基礎設施（V2I）的通信。由于5G基站（BS）一般具有多個天線，因此需采用波束成形來將其輻射模式引導至期望的車輛設備（VE）。此外，由于大多數無線標準采用OFDM系統，每個VE可以使用一個或多個子載波。本文提出了5G V2I通信的自適應信道預測，波束形成和調度的聯合設計。

多用戶系統的傳輸方案具有采樣周期Ts和最大延遲擴展Td的信道。假設BS和每個VE分別配備有N個天線和1個天線。對于這些設置，多徑CIR抽頭L的數量近似為第k個VE與第n個BS天線之間的多徑系數表示為：

建立上述系統和信道模型后，在沒有訓練信號和信道脈沖響應（CIR）模型的情況下設計信道預測算法。首先，利用自適應遞歸最小二乘（RLS）技術來預測來自過去和當前塊接收信號的下一個塊CIR（一個塊可以具有一個或多個OFDM符號）；然后，共同設計用于每個子載波的波束成形和VE調度，以通過利用預測的CIR來最大化上行鏈路信道平均和速率；最后，通過數值模擬證明所提出的信道預測和調度算法優于現有信道預測和調度算法的優越性。

5 未來聯網車輛融合算法的V2V通信、LiDAR系統和定位傳感器[5]

汽車行業正在從傳統駕駛轉向自動駕駛，這種改變的基本原理是車輛和其他類型的交通對象（例如交通燈）之間的數據通信和交換。了解近距離內所有交通對象的基本情況可以確保高級駕駛員輔助系統（ADAS）的更精確反應。因此，車輛到車輛（V2V）技術有助于提高交通安全性。本文描述了基于商用車載單元（OBU）的V2V通信的研究。特別指出了通信技術與高精度定位共存的重要性，對V2X通信，Li?DAR技術和GNSS定位系統進行了基礎研究和評估。

圖6 使用V2V技術進行相對定位[5]

使用V2X通信，提出并實現了交通對象之間相對定位的方法。如圖6所示，基于IEEE 802.11p標準（ETSI ITS-G5）發送和接收數據，其中包括位置、運動矢量和車輛配置等基本參數以確保相對定位。

圖7 城區Velodyne VLP 16感知示意圖[5]

對于精確的對象定位，測距系統（LiDAR）可提供最佳精度的高分辨率，360°LiDAR系統投入運行可記錄下交叉情況。圖7中Velodyne VLP 16同時處理兩個目標，紅色汽車配備有LiDAR，盡管LiDAR安裝在1.8 m的高度，仍被城區物體大面積遮擋。因此，橙色汽車基于在大約25 m的距離內由一個水平產生的點進行分類。

圖8 （a）高度城區測試軌跡（b）試車道部分軌跡[5]

為了改善自我車輛的絕對位置，進行了如圖8所示的具有RTK功能的GNSS模塊的研究。對于定位部件，在通信單元上已經集成的GPS模塊旁邊使用附加硬件。u-blox的NEO-M8P模塊，利用一個模塊作為基站，一個作為流動站的差分全球定位系統（DGPS）原理，適用于高性能定位；支持實時動態（RTK）服務，可提供厘米級精度。使用基站發送校正數據，顯著提高了流動站位置的準確性。

結論：上述三個獨立系統為未來的研究工作提供了巨大的潛力。通過傳感器融合可將系統組合優化發揮更大的作用，特別是V2X信息與LiDAR數據的融合可提供很大的潛能。通信、傳感器融合算法和完整性考慮因素的相互作用構成了自動駕駛的基礎，融合不同的傳感器信息提高了ADAS的精度和可靠性。