V2X,顾名思义就是vehicle-to-everything,其希望实现车辆与一切可能影响车辆的实体实现信息交互,目的是减少事故发生,减缓交通拥堵,降低环境污染以及提供其他信息服务。

V2X主要包含vehicle-to-vehicle (V2V), vehicle-to-infrastructure (V2I), vehicle-to-network (V2N)以及vehicle-to-pedestrian (V2P)。

001ednc20171018 V2X分类图解

V2X早期主要是基于DSRC,全称是dedicated short range communication,专用短距离通信技术。DSRC在美国已经经过多年开发测试,后期随着蜂窝移动通信技术发展才出现了C-V2X(Cellular V2X,即以蜂窝通信技术为基础的V2X)技术。

002ednc20171018 DSRC和C-V2X介绍

V2X技术进化史

(1)DSRC技术进化史

美国交通局USDOT基于2004 - 2008年交通事故分析得出以下结论:使用V2X系统可以降低450万起碰撞事故(占多车碰撞总数的81%),为此USDOT要求OEM厂商最迟在2019年底及以后生产的汽车要安装DSRC设备,支持V2V和V2I。至今,美国DSRC技术已经经过10余年的广泛测试,技术相对成熟。

讲V2X的历史,就必须要首先提到智能交通系统ITS。1950 - 1980年,美国各州广泛兴建州际公路、高速公路,随之出现了新的问题:城市中心交通拥堵、高速碰撞事故造成众多的人员伤亡,同时又增加汽车油耗,拉低空气质量。

到了1986年,来自科研机构、交通局等的专家在讨论未来交通法规时认为,未来的交通系统必须要同时要保证安全、解决拥堵并且保护环境。1990年在德克萨斯州的达拉斯市,针对这个问题的研讨达到高潮,与会者提出IVHS,即智能车辆高速系统的概念,这个概念后来发展成了智能交通系统ITS。

1991年,ITS概念成为联合运输效率法案(Intermodal Surface Transportation Efficiency Act,简称ISTEA)的一部分。此外,ISTEA还出资66亿美元用于未来6年的ITS系统的研究及测试。

1992年,USDOT在ITS的研究中启动了Automated Highway System自动高速系统的项目,目的是解放驾驶员的手脚,车辆需要在专门设有磁钉的道路上行驶,这也是历史上第一次实现车辆与高速公路的互联。

在自动高速系统试验之后,1997年USDOT启动Intelligent Vehicle Initiative智能车辆计划,目的是加快防碰撞系统的部署。在智能车辆计划的基础上,USDOT对改善交通拥堵状况和改进电子通信技术提出新的要求。2003年12月在马德里召开的第十届ITS世界大会上,USDOT宣布在5.9GHz分配75MHz频谱进行DSRC研究,同时提出VII项目,项目目标是使V2V和V2I技术在小范围内应用测试。

2006年12月,USDOT与五大汽车厂商联合测试V2V和V2I在防碰撞系统中的作用,并确立新型以通信为基础的安全设施,主要包含路边网络roadside network和车载设备on-board vehicle equipment。

只有当道路上有足够多的车辆支持V2V通讯,V2V的作用才能得到充分体现。为此在2014年8月,NHTSA和USDOT提出FMVSS No.150法案,法案强制要求新生产的轻型汽车(载客和轻卡)支持V2V通讯功能。2015年6月25日,美国众议院就此事举行听证会,NHTSA以及其他利益相关方再次就V2X案件进行辩护。

DSRC技术的产生基于三套标准:

第一个是IEEE 1609,标题为“车载环境无线接入标准系列(WAVE)”,其定义了网络的架构和流程。

第二个是SAE J2735和SAE J2945,它们定义了消息包中携带的信息。该数据将包括来自汽车上的传感器的信息,例如位置,行进方向,速度和刹车信息。

第三个标准是IEEE 802.11p,它定义了汽车相关的“专用短距离通信”(DSRC)的物理标准。

DSRC顶层协议栈是基于IEEE 1609标准开发的,V2V信息交互是使用轻量WSMP(WAVE Short Message Protocol)而不是WIFI使用的TCP/IP协议,TCP/IP协议用于V2I和V2N信息交互。DSRC底层、物理层和无线链路控制是基于IEEE 802.11p。使用IEEE 802.11系列标准的初心是利用WIFI的生态系统,但是WIFI最初设计用于固定通讯设备,后来制定IEEE 802.11p支持移动通讯设备。

(2)C-V2X技术进化史

随着蜂窝通信技术的发展,蜂窝通信扮演的角色越来越重要,现在蜂窝通信技术已经从单纯的传递声音变成向传递音频、数据转变,也从Person-to-Person向Machine-to-Machine变革,V2X技术就是M2M变革的一项应用。

C-V2X是由3GPP(3rd Generation Partnership Project)定义的基于蜂窝通信的V2X技术,它包含基于LTE以及未来5G的V2X系统,是DSRC技术的有力补充。它借助已存在的LTE网络设施来实现V2V、V2N、V2I的信息交互,这项技术最吸引人的地方是它能紧跟变革,适应于更复杂的安全应用场景,满足低延迟、高可靠性和满足带宽要求。

2015年初,3GPP正式启动基于C-V2X的技术需求和标准化研究,2015年初3GPP需求工作组开展了C-V2X需求研究,于2016年3月完成结项;2016年初3GPP 架构工作组启动C-V2X 架构研究,于2016年底完成标准化。

在C-V2X研究方面,3GPP无线技术工作组于2015年7月启动SI立项,于2016年6月完成结项;2015年12月,针对车车直连V2X标准项目“基于LTE PC5接口的V2V”启动立项,并于2016年9月完成标准化;2016年6月针对车路/车人等V2X 标准项目“基于LTE的V2X业务”启动立项,于2017年3月顺利完成项目研究。

2016年9月,在LTE标准化机构3GPP第73次会议上,C-V2X的V2V标准在Release14中正式冻结,这标志着3GPP完成了LTE -V第一阶段的标准,即基于终端直通(D2D)模式的车车通信(V2V)标准化,通过深入研究引入了更优化的物理层解调参考信号、资源调度、干扰协调等技术。

另外,2017年4月在法国巴黎举行的ISO TC 204 第49次全会上,中国提出的C-V2X标准立项申请获得通过,确定C-V2X成为ISO ITS系统的候选技术。在2017年9月完成第二阶段C-V2X标准发布,包括基于蜂窝网的V2V通信(V2V)和车路通信(V2I)、车人通信(V2P)等。

003ednc20171018 C-V2X技术详细图解

3GPP 提出的 C-V2X 技术标准在快速走向产业化,我国企业在 3GPP 中主导了部分C-V2X标准的制定及后续演进技术的研究。

大唐基于自主研发的芯片级解决方案,于 2016 年11 月发布了 C-V2X 车载终端和路侧通信测试设备,计划 2017 年底发布基于 3GPP R14C-V2X 的预商用通信模组,商用芯片研发计划已纳入日程;

华为在2016 推出支持 C-V2X 的车载终端原型机,计划 2018 年上半年提供C-V2X 测试芯片; 

2017 年 9 月 1 日,高通宣布 C-V2X 商用芯片组于2018 年下半年出样;

国际通信企业爱立信、英特尔、诺基亚等也在积极推动 C-V2X 芯片和设备产业化;

奥迪、丰田、上汽、长安、东风等车企纷纷联合通信企业开展 C-V2X 技术测试。

同时,我国于2015 年启动了基于 C-V2X 技术的车联网频谱研究, 2016 年 11 月工业和信息化部正式划分 5905-5925MHz 用于 C-V2X 技术试验,并通过北京-保定、重庆、浙江、吉林、湖北、上海、无锡等车联网示范区开展测试和实验验证,试验第一阶段计划于 2017 年底前完成。

根据目前产业发展状况,C-V2X有望于2018年实现规模试点或试商用。

V2X技术的未来

2017年,美国、加拿大市场上凯迪拉克CTS将会是首先量产的具备V2V通信功能的汽车。根据通用汽车的预测,当一个区域内25%的车辆配备V2V技术后,V2V将比较有效地发挥作用。按照美国目前的车辆报废周期和报废率,这将可能需要5年左右的时间。汽车制造商认识到,要实现这一目标,政府需要出台相关的法律。NHTSA和USDOT持续支持,美国汽车厂商的不断跟进,基于DSRC技术的V2V将会在美国短期内出现一家独大的情况,其他发达国家汽车市场肯定也会持续跟进。

004ednc20171018 CTS V2X技术

而2017年,3GPP于2017年宣布了第一套使用与IEEE 802.11p不同的无线电技术的V2I和V2V通信的C-V2X物理层标准。DSRC有美国和欧盟撑腰,但是3GPP实力也不容小觑,华为、爱立信、英特尔、诺基亚等也在积极推动C-V2X 芯片和设备产业化,奥迪、丰田等车企纷纷联合通信企业开展C-V2X 技术测试。C-V2X 在产业化进程方面与DSRC的差距逐渐减少。

基于802.11p的DSRC技术的组网需要新建大量路侧单元roadside unit,这种类基站设备的新建成本较大,其硬件产品成本也比较高昂。而C-V2X直接利用现有蜂窝网络,使用现有基站和频段,组网成本明显降低。由于随着蜂窝通信技术的发展,我国在LTE布局多年,网络覆盖全国大部分地区,是全球最大的LTE市场,5G通信将2020年开始商用,所以在中国市场我更看好C-V2X。

未来全球V2X市场可能会出现DSRC或C-V2X技术一家独大的情况,也可能同时存在DSRC和C-V2X。如果是一家独大的情况,我个人更倾向认为C-V2X会独领风骚,从技术持续迭代性、可靠性和信号传输迟滞性等来说有较大优势。

如果同时存在的话,我倾向认为在某一国家或地区会以其中一项技术为主导,具体以哪一种为主导与当时政府、通信供应商、汽车厂商等都有很大的关系,就像目前各国发展不同的3G技术一样(CDMA/WCDMA/TD-SCDMA),汽车也可能像多模手机一样支持两种V2X技术。

未来随着通信技术也是不断发展的,也可能会出现一种新的车载通信协议,也许技术更先进,同时取代C-V2X和DSRC技术。

(本文作者为国内某大型车企技术中心智能驾驶运动控制工程师,作者笔名康斯坦丁一世。)

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