东南大学物联网交通应用研究中心
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V2X技术国际研究趋势分析
2019-09-28 19:42   作者:   来源:焉知自动驾驶 推荐人:李青扬   浏览:283   我要评论
1前言
    V2X作为当前车联网行业的技术热点,不仅能够使车载网络从4G平滑过渡到5G时代,同时也在智能交通系统(ITS)中发挥了重要作用。V2X是自动驾驶、车联网领域的研究重点,得到了多方面的高度关注,如通信行业、交通管理部门、互联网、保险金融行业等。国际上对V2X通信技术和应用的研究领先于国内,相关标准体系比较完善。2015年前后,欧美已由政府和行业组织牵头完成了大规模组网试验和应用测试。国内相关研究起步较晚,需要参考借鉴国际相关领域的发展路径和经验。本文将对V2X所涉及的诸多主要技术领域的国际发展现状进行梳理,并基于所收集到的资料,对发展趋势进行分析。
2 V2X概述
2.1V2X通信及标准
    车用互联通信技术(VehicletoEverything,V2X)是将车辆与一切事物相连接的新一代信息通信技术,能够实现车与车(VehicletoVehicle,V2V)、车与路侧基础设施(VehicletoInfrastructure,V2I)、车与人(VehicletoPedestrian,V2P)、车与云平台(VehicletoNetwork/Cloud,V2N/V2C)等全方位的连接和信息交互。从通信标准体系来看,国际上存在两个阵营,一个是以美国为首的    DSRC(DedicatedShortRangeCommunications)标准阵营,另一个是由华为、高通、爱立信牵头的C-V2X标准阵营。DSRC标准体系的底层通信技术源于WiFi标准体系(IEEE802.11)。早在2010年7月,就已发布首版物理层和数据链路层标准IEEE802.11p,各层标准较为完整。而C-V2X标准体系,则是基于蜂窝网络通信技术构建而成。
2.2 5G与V2X
    5G,即第五代移动通信技术,在各方面的指标都比4G有了大幅提升。IMT-2020(5G)推进组于2015年颁布的《5G概念白皮书》中,对5G的主要技术场景、关键性能指标进行了定义,并明确了相关参数。
表15G关键性能指标
 
    为了最终实现5G在核心网络以及其他相关领域的推广应用,需要多方配合完成专业的部署。5G相关的新技术、新协议由3GPP组织内成员进行研讨,并统一定期发布。每一发布版本(Release)都会有新的协议、标准以及海量技术内容被锁定。此外,也会对先前发布的版本进行修订。
    我们关注的C-V2X,正是5G给出的重要应用场景之一,相关标准也在随着3GPP版本更新而不断完善。在国内,华为、大唐等企业已经在各个试验场,利用基于R14版本的LTE(LongTermEvolution)-V2X产品进行模拟实验。
    随着R15版本的冻结,3GPPV2X也进入了第2阶段(Phase2),即增强型车联网(LTE-eV2X)阶段。但这些都是基于LTE网络的V2X,3GPP的V2X第3阶段(Phase3)开始的NRV2X(如图1所示)才是真正意义上基于5G的C-V2X。

图1 3GPP的C-V2X标准研究进展
    从上图可以看出,R14的LTE-V2X和R15的LTE-eV2X都只是最终的C-V2X的过渡阶段。但很多企业仍然投入了大量资金和人力进行相应的开发工作。主要原因在于,5G网络并不会完全取代LTE网络,LTE和5G网络将在很长一段时间内处于共存状态。即使在5G全面铺开后,LTE网络依然会为用户提供服务。因此,对于C-X2V应用,3GPP为各种场景均提供了有针对性的解决方案。应用场景按不同网络覆盖情况分三类:LTE和5G网络覆盖外区域、只有LTE网络覆盖的区域、LTE和5G同时覆盖的区域。5GNR(NewRadio)按不同网络边界情况分两类:NRLTE切换和NR-NR切换。
2.3 相关技术
    车辆定位技术已成为V2X应用必需的基础技术,定位精度需求达到了亚米级别。若想基于V2X应用数据融合辅助自动驾驶,则定位精度要求会上升为厘米级。另一方面,复杂环境下的车辆定位需求也随着车辆智能化水平的发展而不断提升。在隧道、地下停车场等室内场景的定位方法已成为技术发展的新方向。如何实现低成本、高可靠性的室内定位,将是面向自动驾驶应用的定位技术急需解决的问题。目前室内定位技术主要有基于图像识别的辅助定位、基于无线通信的分布式定位等。
2.4 V2X应用
    V2X应用可分为三类:驾驶安全类、交通效率类和信息娱乐类。V2X驾驶安全类应用的核心场景,是基于V2X技术向驾驶员进行车辆碰撞预警,提升驾驶员对驾驶环境、其他交通参与者的感知能力,从而减少交通事故的发生。典型的V2X驾驶安全类应用有十字路口碰撞预警、紧急电子刹车灯等,都能有效为驾驶员提供视野之外的危险信息。
    V2X交通效率类应用,则需要与智慧交通基础设施配合完成。路侧智能设备负责收集道路信息,如交通灯状态、限速信息、限行信息、事故占道信息、交通管制信息等,发给附近行驶车辆,驾驶员或智能导航根据实时信息规划出行路线,动态控制车速,从而降低等待焦虑和出行时间,提高出行效率和舒适感。典型的V2X交通效率类应用有交通灯信息提示、车速引导、编队行驶等。
    V2X信息娱乐类应用,可基于通信制式分为两类,基于云端服务的车联网应用(Telematics)和基于近程通信的位置服务(LocationBasedService-LBS)。车联网应用让车辆不再是孤立节点,而成为互联网中的重要一环。相关业务也已得到整车厂、互联网企业的高度重视。LBS主要指基于近程通信技术实现的对周边小范围的信息推送应用,如停车位引导、路侧商务推广等。
3 V2X国外研究进展
3.1欧洲C-V2X研究进展
3.1.1 C-ITS平台以及C-Roads平台
    欧洲的C-V2X应用研究主要由智能交通项目负责推进。合作式智能交通系统(C-ITS)允许道路使用者和交通管理者共享信息,并最终实现更加高效、自动化的交通规划协调。
    C-Roads平台由欧洲国家和道路运营机构在2016年设立,主要用于协调车联网部署和测试。欧盟各成员国制定和分享测试规范,并利用该平台进行互操作测试验证。通过这些联合部署和测试活动,C-Roads平台使得在欧盟范围内构建跨境的C-ITS成为可能。
3.1.2 车联网组织
    2016年9月,欧洲数字经济与社会专员和来自汽车、电信行业的代表,正式宣布成立欧洲汽车电信联盟(EATA)。其主要目标是实现网联化自动驾驶在欧洲区域的部署,并推进相关法律法规落地实施。
    5G汽车协会(5GAA)是一个跨行业的组织,成立于2016年9月。该协会致力于开发、测试和推广基于下一代通信技术的车联网解决方案,加速相关产业的全球商业化和市场化进程。5GAA认为,基于3GPP的蜂窝技术,能够提供比IEEE802.11p更优越的通信性能。同时,该技术有较好的前/后向兼容特性。
3.1.3 欧洲车联网通信标准
    欧洲车联网通信标准由欧洲电信标准协会(ET⁃SI)制定,主要内容包含地理位置路由协议,和支持在5.9GHz频段进行车车通信的接入层协议,即ITS-G5。
3.2  美国V2X研究进展
     美国政府在2015年推出了ITS五年(2015-2019)规划。主题为“改变社会移动方式”,技术目标是“实现网联汽车应用”和“加快自动驾驶”。五年规划定义了六个项目大类,包括加速部署、网联汽车、自动驾驶、新兴能力、互操作和企业数据。
在标准化进程方面,从本世纪初,美国就开展了车联网标准的研究和制订工作。美国采纳了IEEE1609定义的系统架构,在物理层和MAC层上应用了IEEE802.11p协议。该协议利用802.11a的终端之间的直接通信机制,简化了发送数据前的鉴权、关联流程以及数据发送流 程,让车辆能够直接向周边车辆和行人广播相关的安全信息。
    为了推动车车通信技术发展和后续的立法决策,从2012年8月到2013年8月,美国交通部在密歇根州安娜堡东北部主导了基于车车、车路通信技术的“安全试点示范部署”项目。此项测试显示,采用车车通讯技术能够减少80%的非酒精类交通事故。
    在V2X的认证方面,美国目前已经有一套完备的认证体系,由USDoT与OmniAir、Danlaw、7Layers合作提出,用于支持试验示范项目。目前国家在考虑将对V2X的认证从政府管理转成产业行为(由OmniAir运行)。目前通信层的测试规范已经完备,后续OmniAir将对具体执行实验室进行认证,并控制一致性证书以及认证logo的使用。此外,OmniAir正在考虑与5GAA在上层通信认证方面进行合作(底层由GCF或者其他实体进行认证)。认证主要包含协议/消息一致性、性能需求和终端之间的互通性三大类内容。
3.3日本V2X研究进展
    日本政府很重视自动驾驶汽车和车联网的发展,在政策、标准等方面为其提供了良好的平台。日本政府于2016年发布了高速公路自动驾驶和无人驾驶的实施路线报告书,明确指出计划2020年在部分地区实现自动驾驶功能。除了政府的支持,日本工业界对车联网的发展也积极进行推进,在技术评估、测试等方面已经形成跨行业合作的态势。日本智能交通系统信息交流论坛也在组织进行802.11p和LTE-V2X的技术性能评估。
    2015年10月,日本首相在国际论坛的演讲中提到,2020年东京将要实现车辆的自动驾驶。这标志着东京奥运会自动驾驶技术实用化方针的明确。为此,日本启动了名为SIP(战略性创新创造方案)的项目。其中,自动驾驶,即SIP-adus是它的核心之一。SIP-adus,又被称为InnovationofAutomatedDrivingforUni⁃versalServices,是由日本政府牵头推进的自动驾驶技术研发和应用项目。内容包括:自动驾驶系统所需的技术、动态地图以及高精度地图、网络安全、人机交互等。在此之上,日本计划建立基于实用化的ART(智能轨道快运系统)和ITS(智能交通系统)以及测试用的FOT(场地操作测试)系统。
3.4 韩国V2X研究进展
    韩国在智能交通领域的终极发展目标,是在全国范围内实现智能道路交通系统,即通过连接车、路和人,实现高度的自动化和交通资源利用最大化。目前的发展规划,是在2040年之前建成连接路与一切交通功能实体(CoRE)的智能交通系统。韩国在建项目均计划采用WAVE作为主要的车辆通信技术。随着5G标准的推进和完善,韩国也在考虑利用5G蜂窝通信系统高速率和低时延的特点,进一步提高车辆通信的性能,即以LTE和5G蜂窝通信技术作为WAVE的补充。
4  DSRC与C-V2X之争
    上述国家虽然都已在进行不同阶段的V2X研究测试,但主要应用的都是基于DSRC标准开发的系统,使用C-V2X的系统或产品进行测试的项目还比较少。高通联合福特、奥迪等公司在华盛顿特区举行了C-V2X的互操作实验。
    我国大唐电信公司也在这方面进行了前瞻性探索,联合福特公司在京津高速公路上进行了车车通信的研究。测试场景中,双方车辆分别以80km/h、100km/h、120km/h的速度行驶,持续发送信息直到对方车辆无法接收到任何数据。图2是大唐电信公司的分析结果。
 
图2京津高速LTE-V2X与DSRC实验结果对比
    从测试结果可以看出,采用C-V2X通信制式的车辆,全程的数据包误差率(PER,PacketErrorRate)都低于采用DSRC制式通信的车辆。可知,基于第一阶段(R14)的产品性能优于DSRC的通信性能。另外,DSRC技术的发展演进路线尚不明朗,应对未来出行需求的策略也不够清晰。但基于LTE的C-V2X技术已由通信、汽车等多个行业的主流联盟在积极推进发展,显然,C-V2X技术具备了平滑演进到5G的条件,其行业投入、生态建设和市场应用可以预期。
5 结束语
    由以上分析可知,国际上各项V2X技术都尚未实现大规模商用。DSRC在欧美迟迟不能落地,一方面受制于DSRC技术的局限性,另一方面则是由V2X应用的特殊性决定的。车辆、道路和其他交通参与者都需要增加具有V2X通信功能的设备,才能实现互联互通。这需要多方的联合工作,科研院所、整车厂、芯片设备供应商、交通管理部门,以及普通用户,都需要积极应对V2X推广所带来的产业变革。

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