车联网进化的驱动力 5G为 V2X 应用带来优势

由于车联网（V2X）等新兴车载网络应用需要，对于延迟、数据速率、可靠性和通讯距离提出严格服务质量要求，以及V2X 应用正在过渡到基于5G，与当下专用短距离通讯方法相较，带来的一些关键特性和功能缺失，本文将讨论在自动驾驶系统中使用 5G为 V2X 应用带来的主要优势。

车联网（V2X）技术是车辆运输之未来。透过道路上车辆之间通讯（V2V）以及车辆与路灯和人行横道等交通基础设施（V2I）之间进行通讯，将大大增强汽车安全功能并缓解交通壅堵。V2X可使用5G在汽车、行人和交通摄影镜头/传感器之间传输讯号，让驾驶更加安全、更加方便。

接下来，本文将讨论在 V2X 应用中 5G 如何提供新功能的五种方式，5G会比当前车载专用短程通讯（DSRC）系统提供更好的链接性和更低延迟。


技术进化即将到来


 
图1 : C-V2X能够透过非视线方式感知来补充摄影镜头、雷达和激光雷达等传感器不足，这是实现安全自动驾驶之关键因素。（source：metamorworks/Shutterstock.com）

透过接收有关驶近紧急车辆（包括距离和方向信息）以及学校/行人信道的讯息，V2X 和 5G能够达成增强道路安全之目的。当孩子们即将过马路时，校车能够通知附近车辆避让，而当在繁忙街道上出现阻塞车道时，送货卡车可以让周围地区知道。有关交通壅堵讯息将实时传递，相关道路事故或交通壅堵警告会在发生后几秒钟内传输。行人甚至可以透过手机接收到附近有关车辆行驶不正常或以不安全速度行驶警告，当一辆超速行驶车辆闯红灯后穿过十字路口时，行人会在踏上马路之前听到响亮警报。

蜂巢式C-V2X（C-V2X）是 V2X 的一个子集，能够透过非视线（LoS）方式感知来补充摄影镜头、雷达和激光雷达等传感器不足，这是实现安全自动驾驶之关键因素。C-V2X 还将提供比 LoS 传感器更大覆盖范围，并且是车辆与其他链接设备进行通讯基础。

除了 V2X，5G 还将支持车对基础设施（V2I）、车对网络（V2N）、车对车（V2V）、车对行人（V2P）以及骑行者等弱势道路使用者、用于电动车功率传输的车辆到设备（V2D）和车辆到电网（V2G）通讯。



 
图2 : 重要C-V2X 用例：车对车（V2V）、车对行人（V2P）、车对基础设施（V2I）和车对网络（V2N）通讯。

透过 DSRC 和 C-V2X 提高安全性
自动驾驶车辆采用两种高速通讯协议来保障车辆安全：DSRC 和 C-V2X，这两种协议以极高速率运作，并以低延迟进行高频数据交换。DSRC工作在5850～5925MHz频段，数据速率为6～26Mbps； C-V2x 具有接收速率 26Mbps（RX）和最大26Mbps（TX）发射速率。 DSRC 和 C-V2X 无线电可以没有连结，但它们在收听其他讯号同时，能够广播车辆位置、速度和加速度等。


在所有距离内进行安全可靠通讯
透过推进车辆编队、进阶驾驶、扩展传感器和遥控驾驶等基于 C-V2X 应用，5G为行业 C-V2X 带来侧链通讯技术（sidelinking）。由于在紧急驾驶情况下需要紧急制动和规避碰撞，因此要求严格的低延迟和高可靠性。C-V2X最短传输延迟不超过4ms，并且可能更快，具体取决于实施方式。

短程通讯导致的大部分流量，尤其是在 V2X 部署第一阶段，将主要是每辆车定期广播消息，以传达其状态和运动。

在交通密集区域，可用信道资源会使该区域饱和，并增加数据报丢失，从而可能危及驾驶员。可透过拥塞控制算法来检查并定义某些参数，以在这些条件达到临界水平之前进行修改。C-V2X侧链通讯是第一个在物理层引入距离作为维度的无线系统，可为 LoS和非LoS方案提供统一通讯距离。

V2X通讯之安全/隐私
基于 LTE的V2X通讯使用高容量、大小区覆盖范围和广泛部署基础设施，来支持用于安全和非安全应用的各种类型车载通讯服务。3GPP和Qualcomm等机构已经为基于 5G的 V2X 服务制定了路线图。

3GPP中定义的安全，主要包括机密性、完整性、真实性和抗回放攻击能力。新的隐私和安全挑战，例如面向群体的自动队列安全移动管理、可靠协作驾驶、高效和保护隐私的车辆大数据共享和处理等，将需要进一步研究。

V2X 应用仰仗于连续、详细位置信息，这可能会导致隐私问题。在私人车辆中，位置跟踪将会显示出驾驶员（可能是也可能不是车主）所处位置变化和活动；发送和传播 V2X 用户位置讯息，可能会给车主和租车人/借车人带来隐私问题。

其他 V2X 应用包括车辆之间通讯、增强现有方法以帮助提供左转或右转辅助、紧急制动警告以及改善十字路口态势感知等。扩展 Waze概念，它可以控制或建议车速调整以解决交通壅堵问题，并在GPS 地图上对于车道关闭和高速公路建设活动等情况进行实时更新。V2X 对于实现汽车中大量软件驱动系统无线（OTA）更新至关重要，这些包括从地图更新到错误修复再到安全更新等软件应用。


V2X讯息保护/安全性
V2X 通讯需要强大安全性来保护消息免受欺诈或误导性使用，从而避免导致安全和隐私问题。另一种安全方法是使用公钥证书对消息进行签名，以防止未经授权的各方对数据传输进行干扰，并安全地对通讯实施假名化。

公钥基础建设（PKI）包含一些用于创建、管理、使用、保存和撤销数字安全证书的策略和程序。 PKI 允许安全地传输电子讯息，并且不仅仅是以密码作为身份验证，还需要更严格身份确认。


为实现强大 V2X 性能进行测试
对于预测各种现实世界场景中V2X 通讯之性能，其重要性怎么强调都不为过。由于驾驶员、乘客和行人安全极其重要，因此需要在部署前进行测试。实验室测试是证明重要假设和测试意外情况的关键第一阶段。作为此类测试之一，5GAA 汽车协会在 V2X 功能和性能测试报告中运作 V2X 性能和功能测试，其中仅 C-V2X 技术会在实验室环境中针对高度拥挤场景进行测试，即便在这种拥挤场景中，C-V2X 延迟仍然受到为该场景设置的100ms延迟限制。

这些测试中一些主要关注点，包括：

‧ 20MHz CH183中的C-V2X通讯与10MHz CH184中同样BSM类消息传输具有相同可靠性（数据报接收率针对距离）。
‧ CH183中C-V2X高负荷传输对CH172中DSRC基本安全传输之影响，在LoS条件下，远达1.4km距离时可忽略不计。
‧ CH183中C-V2X高负载传输对CH178中V2I和I2V传输影响，在LoS条件下，远达1.4km距离时可以忽略不计。
‧ CH183中C-V2X高负载传输对CH180 中V2I和I2V传输影响，在LoS条件下，远达1km距离时可以忽略不计。

Ford和Qualcomm还进行了进一步外场测试，以支持最新5G汽车协会（5GAA）向美国联邦通讯委员会提出的C-V2X部署豁免申请。C-V2X表现良好，尤其是在视线（LoS）条件下。

按照5GAA计划，C-V2X被认为已准备好与商用芯片组一起部署，也被视为车载全球部署准备就绪。5GAA 将与相关标准制定组织（SDO）合作，推动5G V2X需求，以创建成功V2X生态系统。


结论
我们可以看到V2X巨大市场潜力，但它仍处在起步阶段，而且在成熟之前，我们可能无法充分享受这项技术许多好处。大多数交通系统尚不兼容 V2X，但伴随V2X系统变得越来越普遍，交通系统将能够根据需要调整交通讯号灯时间以缓解交通壅堵，这如同高速公路如何使用流量控制灯（通常带定时器）以避免出现大壅堵。

车联网连结技术可能会在未来 20 年左右取得长足进步，许多新车型会使用某种形式 V2X 技术，尤其是豪华车型。大多数原来豪华车的设施（例如真皮座椅、天窗、巡航控制）当下已经在所有价位汽车中变得很普遍。预计 V2X 链接将成为具备自动驾驶系统（ADS）车辆的一项关键能力，该自动驾驶系统会评估环境中潜在危险，然后做出相应响应。ADS 掌握周围环境有关信息越多，就能够做出更好的决策，5G 将使从手机到交通讯号灯再到车载导航系统的链接，成为交通之未来。