車聯(lián)網(wǎng)V2X通信技術(shù)淺析與應(yīng)用(中)

◆文/江蘇 高惠民

(接2020年第3期)

④LTE-V2X通信方式

LTE-V2X系統(tǒng)的通信方式采用了“廣域集中式蜂窩通信”(LTE-V-Cell蜂窩)和“短程分布式直通通信”(LTE-VDirect直通)兩種技術(shù)方案。分別對(duì)應(yīng)LTE-Uu(UTRAN-UE，接入網(wǎng)-用戶終端)和PC5(ProSeDirectCommunication，ProSe直接通信)接口。廣域集中式蜂窩通信(Uu接口)技術(shù)是基于現(xiàn)有蜂窩技術(shù)的擴(kuò)展，主要承載傳統(tǒng)的車聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程業(yè)務(wù)，滿足終端與V2X應(yīng)用服務(wù)器間大數(shù)據(jù)量傳輸要求，如圖12所示。

圖12 基于Uu接口的V2V和V2I通信

短程分布式直通通信( PC5 接口) 技術(shù)引入LTED2D(Device-to-Device，端-端)，繞過RSU進(jìn)行V2V、V2I直接通信，主要承載了車輛主動(dòng)安全業(yè)務(wù)，圖13所示。因此LTE-V-Direct具有低時(shí)延、通信容量大和無(wú)需網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(基站或路邊設(shè)施)即可工作的優(yōu)點(diǎn)。上述通信方式的多樣性，不僅減少了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，而且還提高了系統(tǒng)通信的低時(shí)延性和高可靠性，也降低了網(wǎng)絡(luò)部署和維護(hù)成本。

⑤LTE-V2X安全認(rèn)證技術(shù)

涉及交通時(shí)，其安全重要性不言而喻。由于車輛是一個(gè)高速移動(dòng)的物體，LTE-V2X系統(tǒng)需要提供安全機(jī)制來保障使用者的信息安全，預(yù)防非法及偽裝終端設(shè)備進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。對(duì)車輛間的高速認(rèn)證和安全數(shù)據(jù)傳輸也提出了極高的要求，包括身份認(rèn)證管理、異常用戶檢測(cè)、個(gè)人隱私保護(hù)、安全機(jī)制的更新、信息加密等。目前在傳統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中經(jīng)常采用集中式管理機(jī)制，具有的安全性較高，但對(duì)于龐大的車輛管理數(shù)量來說，同時(shí)也會(huì)造成時(shí)延的問題；而分布式管理機(jī)制相對(duì)較靈活，作為集中式的補(bǔ)充對(duì)LTEV2X系統(tǒng)來說是個(gè)可行的解決方法。

⑥LTE-V2X工作場(chǎng)景

如圖14所示為L(zhǎng)TE-V2X技術(shù)的典型工作場(chǎng)景。

圖14 LTE—V2X典型工作場(chǎng)景

圖14(a)中，車輛通過基站或路側(cè)單元獲得與遠(yuǎn)端ITS(智能交通系統(tǒng))服務(wù)器的IP地址接入；圖(b)中，車輛通過不同的基站或路側(cè)單元，進(jìn)而通過云平臺(tái)，獲得分發(fā)的遠(yuǎn)距離車輛的信息；圖(c)中，車輛間直接交互與道路安全相關(guān)的低時(shí)延安全業(yè)務(wù)信息；圖(d)為非視距(notlineofsight，NLOS)場(chǎng)景，車輛在十字路口由于建筑物的遮擋不能直接交互低時(shí)延安全業(yè)務(wù)，此時(shí)可以通過基站或路側(cè)設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)，獲得車輛間的道路安全信息。在上述場(chǎng)景中，圖(c)可采用LTE-V-direct模式進(jìn)行通信，其他場(chǎng)景可采用LTE-V-cell模式進(jìn)行通信。圖15所示是LTE-V2X技術(shù)在智能網(wǎng)聯(lián)汽車上的應(yīng)用框圖。

圖15 LTE—V2X通信技術(shù)在智能網(wǎng)聯(lián)汽車上的應(yīng)用框圖

⑦5G-V2X技術(shù)

與LTE-V2X相比，5-V2X將支持更加多樣化的場(chǎng)景，融合多種無(wú)線接入方式，并充分利用低頻和高頻等頻譜資源。同時(shí)，5G還將滿足網(wǎng)絡(luò)靈活部署和高效運(yùn)營(yíng)維護(hù)的需求，大幅提升頻譜效率、能源效率和成本效率，實(shí)現(xiàn)車載移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的可持續(xù)發(fā)展。基于5G新空口的V2X可以提供高吞吐量、寬帶載波支持、超低時(shí)延和高可靠性，從而支持眾多面向自動(dòng)駕駛的技術(shù)需求。5-V2X業(yè)務(wù)場(chǎng)景具體包括：

車輛編隊(duì)：車輛編隊(duì)使車輛形成動(dòng)態(tài)編隊(duì)一起行駛。編隊(duì)中的所有車輛從編隊(duì)頭車獲取信息來管理這個(gè)編隊(duì)，這些管理信息能夠以比正常行駛更接近(編隊(duì)車輛之間間隔僅2～5m)、更協(xié)調(diào)的方式同向行駛。

傳感器擴(kuò)展：擴(kuò)展傳感器使車輛之間、車與路側(cè)單元之間、車與行人之間以及車與V2X服務(wù)器之間可以交互本地傳感器信息和實(shí)時(shí)視頻圖像信息等，車輛可以獲得額外的環(huán)境感知能力，更全面了解周邊環(huán)境。

先進(jìn)駕駛：先進(jìn)駕駛用于支持半自動(dòng)或全自動(dòng)駕駛。每個(gè)車輛把通過自身傳感器獲得的感知數(shù)據(jù)以及自身的駕駛意圖分享給周圍車輛，從而支持多個(gè)車輛之間同步和協(xié)調(diào)其行駛軌跡。

駕駛：遠(yuǎn)程駕駛使遠(yuǎn)程司機(jī)或車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)器遙控車輛的行駛，適應(yīng)于車主不能自己駕車或遠(yuǎn)程車輛處于危險(xiǎn)環(huán)境中等特殊場(chǎng)景。高可靠性和低延遲通信是遠(yuǎn)程駕駛的主要要求。5GV2X業(yè)務(wù)場(chǎng)景對(duì)通信的需求，具體如表1所示。

表1 5GV2X業(yè)務(wù)場(chǎng)景對(duì)通信的需求

⑧C-V2X與DSRC(IEEE802.11p)的比較

作為車聯(lián)網(wǎng)的V 2 X 無(wú)線通信技術(shù)，雖然D S R C(IEEE802.11p)有先發(fā)優(yōu)勢(shì)，但是C-V2X以蜂窩技術(shù)作為基礎(chǔ)，通過增強(qiáng)的接入層，應(yīng)對(duì)當(dāng)前和未來智能交通系統(tǒng)的應(yīng)用。尤其C-V2X的多種通信模式，可以利用現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施提供大容量的數(shù)據(jù)傳輸和低時(shí)延的廣域通信，這樣就為交通道路安全借助強(qiáng)大的云端處理能力和邊緣計(jì)算的保駕護(hù)航途徑。例如C-V2X在性能改進(jìn)上的體現(xiàn)，通過仿真比較了汽車分別采用LTE-V2X和DSRC時(shí)的最大容許剎車反應(yīng)距離/時(shí)間(即汽車感知到前方危險(xiǎn)后司機(jī)擁有的反應(yīng)距離/時(shí)間)。如圖16所示結(jié)果顯示，相比于DSRC，LTE-V2X技術(shù)能夠讓司機(jī)在更遠(yuǎn)距離的位置感知危險(xiǎn)并開始剎車，也就是司機(jī)擁有更長(zhǎng)的剎車反應(yīng)時(shí)間。圖中例子是汽車以140km/h速度行駛的時(shí)候，采用LTE-V2X的汽車比采用DSRC技術(shù)的汽車擁有額外的5.9s(9.2s～3.3s)來決定是否剎車。

圖16 C-V2X和DSRC(IEEE802.11p)傳輸距離比較

此外，C-V2X的直接通信技術(shù)在ITS頻譜(5.9GHz)下操作，以確保直接安全通信的匿名性和蜂網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域外的直通需求。從產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程而言，C-V2X正在逐步縮小與DSRC(IEEE802.11p)之間的差距。尤其在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護(hù)方面，盡管DSRC可利用現(xiàn)有的Wi-Fi基礎(chǔ)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)布局，由于Wi-Fi接入點(diǎn)未達(dá)到蜂窩網(wǎng)絡(luò)的廣覆蓋和高業(yè)務(wù)質(zhì)量，不僅DSRC的新建路側(cè)單元需要大量投資進(jìn)行部署，而且DSRCV2X通信安全相關(guān)設(shè)備、安全機(jī)制維護(hù)需要新投入資金。而C-V2X可以利用現(xiàn)有LTE商用網(wǎng)絡(luò)中的基站等安全設(shè)備進(jìn)行升級(jí)擴(kuò)展，支持安全證書的更新以及路側(cè)單元的日常維護(hù)。

另外，目前國(guó)內(nèi)在DSRC系列技術(shù)和產(chǎn)業(yè)方面缺乏核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。而基于我國(guó)自主研發(fā)的4GTD-LTE移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，C-V2X技術(shù)擁有核心自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，可以打破國(guó)外產(chǎn)業(yè)在V2X通信技術(shù)壟斷，減少在知識(shí)產(chǎn)權(quán)方面的限制。整個(gè)C-V2X預(yù)期發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)如圖17所示。

(3)車云網(wǎng)

車云網(wǎng)也稱車載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)。它是以車為移動(dòng)終端，通過遠(yuǎn)距離無(wú)線通信(Telematics)技術(shù)構(gòu)建的車與互聯(lián)網(wǎng)之間的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)車與服務(wù)信息在車載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)上傳輸，如圖18所示。車載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)是先通過短距離通信技術(shù)在車內(nèi)建立無(wú)線個(gè)域網(wǎng)或無(wú)線局域網(wǎng)，再通過4G或5G技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)連接。

四、車聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用

1.車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用分類

圖17 LTE—V2X發(fā)展預(yù)期

圖18 車載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)組成

便捷、安全和環(huán)保是車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的核心價(jià)值。車聯(lián)網(wǎng)通過對(duì)多樣化信息的融合，可以面向不同用戶開發(fā)個(gè)性化的應(yīng)用，為出行者提供更加便捷的交通服務(wù)，為車輛駕駛員提供智能化的安全服務(wù)和控制，為交通管理部門提供節(jié)能環(huán)保的交通服務(wù)和控制。表2列出了車聯(lián)網(wǎng)基本的應(yīng)用內(nèi)容。

表2 V2X基本應(yīng)用集(續(xù))

表3反映了車聯(lián)網(wǎng)在交通運(yùn)輸、汽車、IT、金融保險(xiǎn)等幾個(gè)領(lǐng)域的主要應(yīng)用，可以看出，車聯(lián)網(wǎng)對(duì)提高行業(yè)效能，深耕服務(wù)品質(zhì)，推動(dòng)建立便捷、安全、環(huán)境友好型社會(huì)，有著重要意義。

表3 車聯(lián)網(wǎng)在各領(lǐng)域的應(yīng)用