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IEEE802.11p与LTE-V2V谁会抢先?

LTE-V2V模式和IEEE802.11p的比较

成本因素分析

4 成熟性和未来展望

4.1取样汽车周期

汽车市场的发展步伐与蜂窝市场有很大的不同。一部移动手机通常三年就要更换了,而一辆汽车可能要用15到30年,并且要求在这个时间跨度内可靠的工作。因此技术必须成熟,且经过全面的验证。发生故障时的召回具有严重的后果,因为召回一辆汽车与召回一部智能手机所造成的影响是不同的。 基于这个理由,在可靠性、寿命和工作条件等方面对汽车元器件提出了广泛的质量措施,以确保低的淘汰率(一般小于1ppm)。这些措施不仅涵盖设计周期,还涵盖了测试和认证。

由于V2X在(半)自动驾驶中是必不可少的,我们希望它至少经认证能用在ASIL-B或更高安全等级的系统中,能与AEC-Q100(基于故障机制的应力测试认证)、IEC62132(EMC免疫)和ISO26262(功能性安全认证)平起平坐。网络安全是安全性技术的另外一个重要方面。整个系统应该是安全的,并且有两个子模块(HSM和网关)应该得到认证。在时间和设备方面的相关投资会超出蜂窝消费产品投资的正常范围。设计方法是不同的:蜂窝移动通信行业愿意作出这类投资吗?

4.2 未来发展和后向兼容问题

4.2.1 LTE-V2X

在总结Rel-14 LTE-V2X(“阶段1”) 8的同时,3GPP已经在研究LTE-V2X Rel-15(“阶段2”)的未来增强特性,该版本有望作为2018年12月规范的一部分发布。Rel-15增强版覆盖的主要目标有9:

•载波汇聚(多达8个PC5载波)

•64-QAM技术

•研究缩短传输时间间隔(<1 ms)的好处和可行性

•研究传送分集的好处和可行性

这些目标并不是用来解决本文提出的根本性挑战。

在Rel-15中引入新的增强功能的主要问题之一是处理V2X消息的后向和前向兼容性。如果3GPP规范不能满足这个要求,就没有推出Rel-14 V2X的积极性了,因为大家知道Rel-14是一种到达尽头的技术。然而,这种要求离满足还有很大距离,因为Rel-15技术性规范还没有准备好。

4.2.2 IEEE802.11p

IEEE组织正在持续发展和改进802.11“WiFi”无线局域网系列标准。所有的WiFi系列规范(“a”, “ac”, “n”, “p”等待)都收集在一个文档中。这样的文档就是正式的IEEE 802.11标准,最新版发布于2016年10。

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我们可以发现,在V2X瞄准的应用方面,IEEE比3GPP大约领先8年的时间。第一个版本(“802.11p”)从2010年就开始进行了广泛的测试,对V2X来说如今已经是一种非常安全、成熟且可靠的技术。

在丰富经验的基础上,人们还在继续改进802.11p标准。新版本目前命名为“802.11px”[18]。改进的地方包括使用最新的802.11“n”和“ac”技术,比如用于信道编码的低密度奇偶检验(LDPC)、MIMO/天线分集以及改进的OFDM导频版图等。

为了充分利用过去十年来所有的发展和现场试验成果,802.11p用户很可能后向兼容802.11px,因为它一直兼容其它802.11系列标准。如此看来,802.11px自然而然会是802.11p标准的子集。这将确保两种技术之间的平滑过渡,同时在802.11px推出之后仍能保持802.11p标准的强大吸引力。

4.3 蜂窝技术的推广进程回顾

从过去历代蜂窝技术的推广进程来看,在与新的蜂窝技术推出相关的时间表方面,从第一个技术性报告规范发布到真正批量部署通常要花5到6年的时间[4]。举例来说,LTE从第一版规范发布(2007年10月发布版本8.0)到达到1亿以上用户(2012年底)就用了5到6年的时间。

我们记得至今为止(2017年6月),Rel-14 V2X规范还没有完全固定下来,仍然在进行技术性修正,因此很让人疑惑基于LTE的V2X究竟何时才能被认为技术上面成熟、可以被广泛采纳并可以大批量部署,这可能未来还需多年才能最终确定。

LTE-V2X仍旧在持续变化。本文仅根据当前已经发布的内容,涉及到的某些问题可能在未来找到解决的方法,但这些基于未来方案的假设也意味着LTE-V2X技术的落地需要被继续推迟。

对于基于LTE技术的LTE-V2X而言, 未来还将受到新发布的5G新无线技术(NR)的严重威胁。今天,3GPP正在推进第一版5G NR尽快发布。5G将为V2X提出另外一种解决方案(V2X阶段3,或eV2X),但这种解决方案只能在第二版5G NR下实现。因此汽车行业可能没有意愿去采用一种我们已经知道很快要被5G淘汰的技术(LTE Rel-14)。

4.4 混合方案

混合方法可以整合每种技术的优点而产生一个更为完整更有希望的解决方案。例如IEEE802.11p在安全消息方面比LTE-V2X更强。另一方面,蜂窝网络可以在车辆之间以及车辆与云端之间提供更长距离的连接。

目前还缺少定义IEEE802.11p和蜂窝之间互连工作的标准化活动。在3GPP中增加这项工作有助于引入双方的最强项,提高蜂窝连接向汽车中的渗透率。

5GAA建议将独立的10MHz信道分配给这两种技术[4]。然而,LTE-V2X发射机会使IEEE802.11p接收机致盲,反之亦然。

另外,5GAA建议(在申请使用5.9GHz的ITS专用频段的申请书中提到)将产生危险的先例,因为其它新技术可能利用这种理由申请频段资源而不考虑对现有安全关键网络所带来的标准碎片化负面影响。

两种技术应该以积极主动的方式共存,比如通过定义一种通用的方式访问可用资源。由于IEEE802.11p已经在市场中得到部署,因此LTE-V2X可以简单地部署与IEEE802.11p相同的MAC,即基于CSMA-CA协议的MAC。

5 本文小结

目前推荐的LTE-V2X是蜂窝技术满足安全关键要求的重要一步,但它还没有达到IEEE802.11p的性能等级,IEEE802.11p在未来多年仍将是作为在道路上挽救生命的关键通信技术的唯一选择。

对适用于V2X应用的IEEE802.11p和LTE-V2X的详细技术性观察进一步确认了它们的互补特性。

在有网络的情况下,LTE-V2X可以利用蜂窝领域中多年的创新成果为V2I和I2V服务提供有效的替代方案。IEEE802.11p也覆盖V2I和I2V,但效率较低些。

在没有网络的情况下,由于需要保持与LTE中相同的符号结构和相似的帧结构,LTE-V2X会有很大的问题。IEEE802.11p在鲁棒性和效率方面表现更好。

安全关键和挽救生命的应用仍然是汽车到汽车通信的核心部分,因此它必须能够在缺少网络的情况下有效的工作。

参考文献

[1] National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA), Department of Transportation (DOT), Federal Motor Vehicle Safety Standards; V2V Communications, Notice of Proposed Rulemaking (NPRM), Docket No. NHTSA-2016-0126, IN 2127-AL55 https://www.nhtsa.gov/press-releases/us-dot-advances-deployment- connected-vehicle-technology-prevent-hundreds-thousands

[2] 5G Automotive Association, The Case for Cellular V2X for Safety and Cooperative Driving, http://5gaa.org/ pdfs/5GAA-whitepaper-23-Nov-2016.pdf

[3] Coexistence of C-V2X and 802.11p at 5.9 GHz, POSITION PAPER | 12 June 2017 http://5gaa.org/pdfs/5GAA_ News_neu.pdf

[4] A. Filippi et al. Why 802.11p beats LTE and 5G for V2x, April 2016, in http://www.eenewsautomotive.com/ design-center/why-80211p-beats-lte-and-5g-v2x

[5] NHTSA (National Highway Traffic Safety Administration), Vehicle-to-Vehicle Communications: Readiness of V2V Technology for Application; DOT HS 812 014 page xviii

[6] Qualcomm, The path to 5G: Cellular Vehicle-to-Everything (C-V2X), https://www.qualcomm.com/documents/ path-5g-cellular-vehicle-everything-c-v2x

[7] Math, C. Belagal, Li, H., Heemstra de Groot, S.M. and Niemegeers, I.G.M.M., V2X application-reliability analysis of data-rate and message-rate congestion control algorithms, 2017 IEEE Communications Letters, 21(6), 1285-1288.

[8] simTD project Deliverable 5.5 - Part B-3: Technical Assessment, http://www.simtd.de/index.dhtml/enEN/ index.html,

[9] Connected Vehicle Safety Pilot, http://www.its.dot.gov/safety_pilot/

[10] DRIVE C2X - Accelerate cooperative mobility, http://www.drive-c2x.eu/project

[11] SCORE@F (Système Coopératif Routier Expérimental @ France), https://project.inria.fr/scoref/en/

[12] Cooperative ITS Corridor, https://itscorridor.mett.nl/English/Project+details/default.aspx

[13] Connected Vehicle Pilot Deployment Program, www.its.dot.gov/pilots/

[14] Status of the Dedicated Short-Range Communications Technology and Applications, Report to Congress www.its.dot.gov/index.htm , Final Report—July 2015 FHWA-JPO-15-218

[15] 3GPP, Initial Cellular V2X standard completed, http://www.3gpp.org/news-events/3gpp-news/1798-v2x_r14

[16] Ye Li, L.J. Cimini, Bounds on the interchannel interference of OFDM time-varying impairments, in IEEE Transactions on Communications, vol 49, pp: 401-404, 2001

[17] Vehicle Safety Communications – Applications (VSC-A) Final Report: Appendix Volume 1 System Design and Objective Test, https://www.nhtsa.gov/sites/nhtsa.dot.gov/files/811492b.pdf , Table 7-2, page C-2-54

[18] NPRM commenting, by CAR 2 CAR Communication Consortium, Appendix 7.1 Evolution towards IEEE 802.11px.

[19] 3GPP RAN meeting document R1-163029, DM-RS Enhancements for V2V PSCCH and PSSCH,Qualcomm Incorporated

[20] 3GPP RAN meeting document R1-162538, Evaluation of DMRS enhancement for V2V with high Doppler,Nokia, Alcatel-Lucent Shanghai Bell

[21] 3GPP RAN meeting document R1-161183, WF on support of the increased subcarrier spacing for V2V communication, Intel, ITRI

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