一篇文章讀懂V2X系列：標準篇

04-27

為了提升交通系統的安全性和智能化，智能交通系統的概念正逐漸興起。智能交通可以利用新一代的通信網路和數據處理能力，提高現有交通系統的整體效率，降低能量損耗，增加運輸的安全和便捷程度。

近年來智能交通系統的開發將主要集中在智能公路交通系統領域，也就是俗稱的車聯網。其中V2X技術藉助車-車，車與路測基礎設施、車與路人之間的無線通信，實時感知車輛周邊狀況進行及時預警成為當前世界各國解決道路安全問題的一個研究熱點。根據美國交通部提供的數據，V2V技術可幫助預防80%各類交通事故的發生。

在接下來的幾篇文章里，車雲菌將會為大家逐一梳理V2X技術發展過程中面臨的標準之爭、各個產業鏈公司在推動這項技術量產落地過程中付出的努力和成果以及5G通訊技術對V2X應用產生的影響。今天我們主要將目光投向V2X的一些基本概念以及兩大底層通訊技術標準之間的對比和區別。

V2X到底是什麼？

按照中國汽車工業協會對搭載V2X功能汽車的定義來看，它是搭載先進的車載感測器、控制器、執行器等裝置，並融合現代通信與網路技術，實現車與X（人、車、路、後台等）智能信息的交換共享，具備複雜的環境感知、智能決策、協同控制和執行等功能，可實現安全、舒適、節能、高效行駛，並最終可替代人來操作的新一代汽車。

與自動駕駛技術中常用的攝像頭或激光雷達相比，V2X擁有更廣的使用範圍，它具有突破視覺死角和跨越遮擋物的信息獲取能力，同時可以和其他車輛及設施共享實時駕駛狀態信息，還可以通過研判演算法產生預測信息。另外，V2X是唯一不受天氣狀況影響的車用感測技術，無論雨、霧或強光照射都不會影響其正常工作。

此外，在傳統智能汽車信息交換共享和環境感知的功能之外，V2X還強調了「智能決策」、「協同控制和執行」功能，以強大的後台數據分析、決策、調度服務系統為基礎。而且要實現自動駕駛，車輛必須具備有感知系統，像人一樣能夠觀察周圍的環境，所以除了感測器，V2X技術也屬於自動駕駛的一個感知手段。

作為物聯網面嚮應用的一個概念延伸，V2X（Vehicle to Everything）車聯網是對D2D（Device to Device）技術的深入研究過程。它指的是車輛之間，或者汽車與行人、騎行者以及基礎設施之間的通信系統。利用裝載在車輛上的無線射頻識別RFID技術、感測器、攝像頭獲取車輛行駛情況、系統運行狀態及周邊道路環境信息，同時藉助GPS定位獲得車輛位置信息，並通過D2D技術將這些信息進行端對端的傳輸，繼而實現在整個車聯網系統中信息的共享。通過對這些信息的分析處理，及時對駕駛員進行路況彙報與警告，有效避開擁堵路段選擇最佳行駛線路。

V2X車聯網通信主要分為三大類：V2V（Vehicle to Vehicle）、V2I（Vehicle to Infrastructure)和V2P（Vehicle to Pedestrian）。運輸實體，如車輛、路側基礎設施和行人，可以收集處理當地環境的信息（如從其它車輛或感測器設備接收到的信息），以提供更多的智能服務，如碰撞警告或自主駕駛。

V2X兩大技術標準：DSRC與LTE V2X

V2X通信技術目前有DSRC與LTE V2X兩大路線。DSRC發展較早，目前已經非常成熟，不過隨著LTE技術的應用推廣，未來在汽車聯網領域也將有廣闊的市場空間。

率先出擊的DSRC

車用環境無線存取（WAVE）、專用短程通訊（DSRC）是IEEE 802.11p底層通信協議與IEEE 1609系列標準所構成的技術，採用5.9GHz頻段，並具備低傳輸延遲特性，以提供車用環境中短距離通訊服務。IEEE802.11p解決在高速移動環境中數據的可靠低時延傳輸問題、IEEE1609系列規範對V2X通信的系統架構、資源管理、安全機制等進行闡釋。

DSRC是連結車輛與車輛(V2V)、車輛與路側裝置間的RF通用射頻通訊技術，在車用環境中提供公共安全和中短距離通訊服務。各個國家分配的DSRC使用頻段各不相同。1999年，美國聯邦通訊委員會(FCC)於1999年決定將5.9GHz(5.850～5.925GHz)頻段分配給汽車通訊使用。主要目標是使公共安全應用能夠挽救生命並改善交通流量。FCC還允許在本領域提供私人服務來降低部署成本，並鼓勵快速開發和採用DSRC技術和應用。

美國的DSRC頻譜和頻道

美國5.9GHz DSRC的頻段規劃，以10MHz頻寬為單位，將75MHz頻寬劃分成七個頻道，並由低頻至高頻分別給予172、174、175、178、180、182與184頻道編號。如下圖所示，頻道178為控制頻道(CCH)，剩餘的六個頻道為服務頻道(SCH)，其包含兩個公共安全專用服務頻道(頻道172為車輛與車輛間公共安全專用服務頻道，頻道184為交叉路口公共安全專用服務頻道)、兩個中距離公共安全、私用共享服務頻道(頻道174與176)，以及兩個短距離公共安全/私用共享服務頻道(頻道180與182)。

全球DSRC的頻譜分配情況

WAVE/DSRC所表示的即是IEEE 802.11p與IEEE 1609系列標準所構成的DSRC技術，與其他DSRC技術相較，具有低傳輸延遲(0.0002秒)、高傳輸距離(1，000公尺)與高傳輸速度(27Mbit/s)等特性。在車輛行駛過程中，駕駛者需要對周圍環境的變化做出快速判斷，為了提高駕駛安全性，減少交通事故的發生，車輛間的通信時延顯得尤為重要。

WAVE/DSRC技術底層採用IEEE 802.11p標準，上層則採用IEEE 1609系列標準。對應至開放系統互連參考模型(OSI Reference Model)，IEEE 802.11p標準制定實體(PHY)層與資料鏈結層中的媒介存取控制層(MAC )的通訊協定，而媒介存取控制層中的多頻道運作(Multi-Channel Operation)至應用層之通訊協定則由IEEE 1609各個子標準所規範制定。

WAVE_DSRC系統的標準架構圖

這裡需要指出的是，IEEE 1609.2標準規範WAVE/DSRC系統中所使用的安全訊息格式和處理程序，包括安全WAVE管理訊息機制與安全應用訊息機制，同時也描述支援核心安全所需的管理功能。 WAVE/DSRC應用中的安全問題往往是最值得關注的，這些應用所提供的服務都必須具有抵禦竊聽、偽造、修改與重送攻擊的能力。

後來者居上的LTE V2X

早在3G時代，國際通信業界已經聯合整車廠開展了基於移動通信網路的V2V/V2I試驗項目。啟動於2006年的CoCar項目，參與公司包括愛立信、沃達豐、MAN Trucks、大眾等，演示了在高速行駛的車輛之間通過沃達豐的3G蜂窩網路傳送關鍵安全告警消息的應用，當時做到了端到端時延低於500ms。之後愛立信、沃達豐、寶馬、福特又啟動了CoCarX基於LTE網路的緊急消息應用性能評估，端到端系統時延在100ms以下。歐盟於2012年資助了LTEBE-IT項目，開展LTE演進協議在ITS中的應用研究。

LTE V2X針對車輛應用定義了兩種通信方式：集中式（LTE-V-Cell）和分散式（LTE-V-Direct）。集中式也稱為蜂窩式，需要基站作為控制中心，集中式定義車輛與路側通信單元以及基站設備的通信方式；分散式也稱為直通式，無需基站作為支撐，在一些文獻中也表示為LTE-Direct（LTE-D）及LTE D2D（Device-to-Device），分散式定義車輛之間的通信方式。

LTE V2X的兩種通信方式

相比DSRC技術，LTE V2X可以解決前者在離路覆蓋、盈利模式、容量及安全等各方面存在的問題。它的部署相對容易，頻譜帶寬分配靈活，傳輸可靠，覆蓋廣而且隨著3GPP持續演進，可支持未來ITS業務需求。然而，LTE V2X的缺點也同樣突出：標準尚在制定過程中，技術成熟度較低，面向車車主動安全與智能駕駛的服務性能還需要充分的測試驗證。

2014年9月，LG向3GPP提交了LTE在V2X通信應用的規範草案。同年12月，愛立信提交了增強LTE D2D相近服務的規範草案。2015年2月和6月，3GPP的SA1和RAN1工作組分別設立了專題「LTE對V2X服務支持的研究」和「基於LTE網路技術的V2X可行性服務研究」，標誌著LTE V2X技術標準化研究的正式啟動。

3GPP在2016年9月已經完成了對其首份蜂窩車聯網技術標準的制定工作，並在3GPP RAN會議上將其納入到LTE Release 14中。它主要聚焦於V2V（車到車通信），是基於LTE Release 12及LTE Release 13所規範的鄰近通信技術中的D2D（終端設備間直接通信），但是引入了一種新的D2D介面——PC5。作為3GPP V2V WI的一部分，PC5介面主要用於解決高速（最高250公里/小時）及高節點密度（成千上萬個節點）環境下的蜂窩車聯網通信問題。最新消息是，3GPP關於所有LTE V2X的標準R14，其中包括應用層、網路層、接入層所有的標準體系都已經完備，預計2019年前後啟動商用，現在只等在國內標準的落地。

國內主導LTE V2X發展的是高通與華為，但大唐電信早在2012-2013年期間就提出了LTE-V解決方案的概念並在積極扮演著推手的作用。華為、樂金電子（LGE）與中國本地電信設備製造商CATT並共同主導了3GPP研究，中國通信標準化協會已經在中國針對LTE V2X推出了工作項目。

2016年11月，工信部無線電管理委員會批複5905-5925 MHz總共20MHz用於LTE-V直連技術試驗驗證。批複明確指出，這20MHz頻譜作為試驗頻譜僅用於LTE V2X直連技術的試驗驗證，其中包括功能性測試和不同無線電應用間兼容性試驗研究。在第二階段實驗中，工信部先後明確了3.5G、4.9G頻段中的各200M頻率，屬於5G技術研發試驗。這個頻譜有可能在2018年中確定下來，這對整個LTE V2X的產業化是重要的時間節點。

2017年9月中旬，中國智能網聯汽車產業創新聯盟正式發布《合作式智能交通系統車用通信系統應用層及應用數據交互標準》。該標準屬於中國汽車工程學會的團體標準，是國內第一個針對V2X應用層的團體標準，為國內各車企及後裝V2X產品提供了一個獨立於底層通信技術的、面向V2X應用的數據交換標準及介面，以便在統一的規範下進行V2X應用的開發、測試，對V2X大規模路試和產業化具有良好的推動效應。

根據中國汽車工程學會，車用通信系統通常可以分為系統應用、應用層、傳輸層、網路層、數據鏈路層和物理層，該V2X標準主要關注應用層及應用層與上下相鄰兩層的數據交互介面。該標準從應用定義、主要場景、系統基本原理、通信方式、基本性能要求和數據交互需求六個方面，已經制定出了17個應用的具體要求，包括通信頻率、類型、最大時延、通信距離以及定位精度，詳見下表。

《合作式智能交通系統車用通信系統應用層及應用數據交互標準》定義的17項應用

從表中可以看出，目前的一期應用主要是提供預警功能，相當於是將此前ADAS的預警範圍利用V2X的方式進行了擴大。因為目前國內在通信技術上未有規定，國際標準中也針對不同通信技術各有要求，因而標準支持LTE V2X、DSRC、5G三種通訊技術，針對高時延低頻率類應用，還額外支持4G通信。

目前上海汽車城已按照該標準對國家智能網聯(上海)試點示範區封閉測試區和科普體驗區的V2X系統進行了軟體升級。現已在覆蓋封閉測試區的8套V2X路測系統，覆蓋科普體驗區的10套V2X路測系統以及10輛實驗車上部署了支持該標準的V2X應用軟體，傳輸數據內容包括BSM、MAP、SPAT、RSI和RSM五類消息，實現了前向碰撞預警、交叉路口碰撞預警、緊急剎車預警、異常車輛提醒、限速預警、弱勢交通參與者碰撞預警、車內標牌、綠波車速引導、信號燈優先控制等二十餘類V2X應用。

而11月6日，在位於上海科技創新港路周圍的一段公共道路上，通用聯合上海國際汽車城和上海淞泓智能汽車有限公司演示了車輛與基礎設施（V2I）通信應用，來自通用汽車的測試車輛成功獲取了道路交叉口的紅綠燈狀態和倒計時信息。

除上海汽車城之外，工信部又先後推動在杭州、北京、重慶成立「智能汽車與智慧交通產業創新示範區」，基於LTE-V/5G的通信環境建設，支撐開展智能駕駛、智慧交通相關示範應用。目前國內通信設備廠商已有基於LTE-V架構的原型樣機，可進行車路協同實景演示。

LTE-V標準制定路線圖

DSRC與LTE V2X對比

DSRC相比V2X已經有成熟的標準和良好的網路穩定性，但LTE V2X作為後起之秀，正有逐步取代並超越DSRC的趨勢。在可用性方面，DSRC具有不依賴網路基礎設施（比如安全性管理和互聯網接入等功能）和自組網的良好特性，所以基於DSRC標準的V2X網路穩定性強，不會由於傳輸瓶頸和單點故障的原因導致整個系統無法工作。

而在不包含ProSe功能的LTE版本中，LTE V2X需要依賴基礎網路設施，在R12以後的版本中，由於LTE加入了ProSe功能後，LTE V2X功能支持在線和離線兩種模式，互聯網連接不在是必備選項了。另一方面由於DSRC使用的是不經過協調的信道接入策略，這種策略無法滿足未來V2X對確定性時延的需求，同時DSRC的可靠性和容量，較LTE V2X也要差一些。未來隨著無人駕駛和互聯網汽車的出現，汽車與互聯網相連，將成為一種常態。由於LTE-V是基於運營商網路建設的，所以LTE V2X後續的發展潛力很大。

車雲小結

《合作式智能交通系統車用通信系統應用層及應用數據交互標準》的出台，使得V2X的應用程序可以在不同的通信技術條件下運行，例如DSRC，4G-LTE，LTE-V2X和5G，為V2X產業化落地提供堅實的基礎。但是V2X技術要發揮作用，除了選擇什麼樣的標準之外，還涉及到政府的推動作用，個人認為如果不強制要求安裝的話，可能實際效果並不會很好，這樣一來，附加成本的攀升也會導致消費者對這項新技術的排斥。因此政府在V2X頻譜，蜂窩網路部署等方面的規劃對於整個V2X產業鏈的產品和服務開發有著十分重要的影響。