与车联网相关的技术 V2X技术

近几年在汽车行业比较流行的一个词叫“车联网”，什么是车联网呢？根据中国物联网校企联盟的定义，车联网(Internet of Vehicles)是由车辆位置、速度和路线等信息构成的巨大交互网络。通过GPS、RFID、传感器、摄像头图像处理等装置，车辆可以完成自身环境和状态信息的采集;通过互联网技术，所有的车辆可以将自身的各种信息传输汇聚到中央处理器;通过计算机技术，这些大量车辆的信息可以被分析和处理，从而计算出不同车辆的最佳路线、及时汇报路况和安排信号灯周期。

 提到车联网，你或许将其简单的理解为汽车联网，但具体来说车联网指的是通过汽车上集成的GPS定位，RFID识别，传感器、摄像头和图像处理等电子组件，按照约定的通信协议和数据交互标准，在V2V、V2R、V2I之间，进行无线通信和信息交换的大系统网络。V2X对于车联网、自动驾驶安全有十分重要的作用。

V2X与车联网有什么不同

车联网是使用无线通信、传感探测等技术收集车辆、道路、环境等信息，通过车-车(V2V)、车-路(V2R)信息交互和共享，使车和基础设施之间智能协同与配合，从而实现智能交通管理控制、车辆智能化控制和智能动态信息服务的一体化网络。

车联网是物联网技术在智能交通系统领域的延伸。车联网安全应用系统架构包含感知层、通讯层与应用层，感知层包含雷达、光学雷达与影像传感器等，提供车辆收集周边环境信息;通讯层也可称为汽车局域网络(Vehicle Area Network， VAN)，分为车载通讯(in-vehicle communicaTIon)、车外通讯、车间通讯(vehicle to vehicle communicaTIon)与车路通讯(vehicle to road communicaTIon)等四部分。

车联网

 

 

V2X 是指车对外界的信息交换，是一系列车载通讯技术的总称。V2X包含汽车对汽车(V2V)、汽车对路侧设备(V2R)、汽车对基础设施(V2I)、汽车对行人(V2P)、汽车对机车(V2M)及汽车对公交车(V2T)等六大类。目前以V2V的发展最为成熟。

V2X

 

 

V2X 是未来智能交通运输系统的关键技术，它可以通过通讯获得实时路况、道路信息、行人信息等一系列交通信息，提高驾驶安全性、减少拥堵、提高交通效率、提供车载娱乐信息等。基于V2X 技术不仅可以大幅提升交通安全、降低交通事故率，而且可以为自动驾驶、智能交通和车联网创新提供低成本、易实施的技术路线和基础平台。

 

 

V2X车联网之三大应用领域(来源：工业技术研究院)

V2V通信原理及具体应用

V2V作为V2X中发展最为成熟的，重点了解一下V2V的原理及应用也十分必要。V2V通信是为了防止事故发生，通过专设的网络发送车辆位置和速度信息给另外的车辆。依靠技术的实现，驾驶员收到警告后就能降低事故的风险或车辆本身就会采取自治措施，像是制动减速。

V2V通信原理

V2V通信需要一个无线网络，在这个网络上汽车之间互相传送信息，告诉对方自己在做什么，这些信息包括速度、位置、驾驶方向、剎车等。V2V技术使用的是专用短程通信(DSRC)，由类似FCC和ISO的机构设立的标准。有时候它会被描述成WiFi网络，因为可能使用到的一个频率是5.9GHz，这也是WiFi使用的频率。不过更准确地说，DSRC是类WiFi网络，它的覆盖范围最高达300米。

V2V是一种网状网络，网络中的节点(汽车、智能交通灯等)可以发射、捕获并转发信号。网络上5-10个节点的跳跃就能收集一英里外的交通状况。这对多数驾驶者来说都有足够的应对时间。

在发展之初，V2V对驾驶者来说可能只是闪烁的红灯警告，或是指示哪个方向有危险，当然这些都还在概念阶段。现在已经有数千辆测试车了，多数原型车都到了可以自动剎车或转弯来避开危险的水平。交通信号或其它固定设备即为V2I，也就是汽车-基础设施。

关于V2V还有很多其它说法，一些厂商把它叫做Car-to-X，还有“internet of cars”以及“connected car”，目前看来V2V正脱颖而出。

V2V通信的应用

V2V通信被期望能够在车道偏离、自适应巡航控制、盲点侦测、后方停车声波定位、备份照相方面发挥更多的作用，对比当前的OEM预埋系统。因为V2V技术开启了对四周威胁的360度智能感知。V2V通信成为普适计算不断壮大的应用趋势——物联网——的分支部分。

V2V通信和智能交通系统的实现目前还存在三个主要的障碍：汽车厂商对于标准的一致意见，数据隐私安全和项目资金。

V2R

V2R需要分为两种场景，第一种是高速公路，第二种是城市道路。高速公路是第一步，而城市道路需要在其基础上，对城市道路中的增加标识的识别后，实现更复杂的数据判断和数据通信。

高速路上的V2R相对来说比较容易。首先是标识明确，没有人行道，红绿灯，行人等复杂路况因素的影响，只需要识别高速路中与车辆行驶和高速公路出入口标识等就可以了。其次高精地图已经提前布局高速路。高精地图能够精确到厘米级，对于车辆的路线规划和自动驾驶有着的很大的帮助。有了高精地图的支撑，V2R的交互就会相对变少，处理起来更加方便。最后，就是尽快实现V2V也能够助力V2R的快速开发。因为每一辆车都可以共享采集到的道路信息，并将这个信息传递到云端，促进道路信息的合理化和完善化。

而对于城市道路来说，需要处理的信息就要更多一些，这也就要求车辆采集的信息更多，处理能力更强，同时对于V2I和V2P都有关联，是实现自动驾驶的实现的最困难的障碍。可能专有的交通路线或者是公共交通才是未来人类出行的主要方式，是值得探讨和深度调研的。

 

 

V2R现在通过毫米波雷达和摄像头进行开发的方案很多，再辅助高精地图和云端支持，只要实现V2V，半自动驾驶和自动驾驶在高速公路上实现并不遥远。

V2I

V2I中的I不是指电信基础设施，而是指车辆行驶过程中遇到的所有基础设施。这包括红绿灯，公交站，电线杆，大楼，立交桥，隧道等等一切人类的建筑设施。

V2I通信功能具体将采用车载智能交通运输系统的760MHz频段，使用该频段可以在不影响车载传感器的情况下实现基础实施与车辆之间相互通信功能，从而获取得到必要的关键信息。在交叉路口能见度较差时，V2I通信系统就可以接收到红绿灯的信息，并通过V2V和V2P系统，接收到车辆和行人的信息，汇总提交给车脑(AB)系统，车脑通过车载操作系统(AOS)分析处理，控制汽车继续行驶还是继续等待。

 

 

V2P

V2P是与每个人息息相关的技术，而且也不仅仅是技术的问题，还会上升到国家、社会、隐私、道德层面，因而变得非常难以实现。在网络中搜到的资料，也巧妙而随意的一笔带过。

事实上，V2P并没有想象中那么复杂。毕竟，如今人手一部手机的时代已经来临。无论是手机，尤其是可穿戴设备，都可以客串本文中提到的P模块，实现和车辆中V模块的交互通信。

那么P模块应该使用什么呢?笔者认为LTE-V中的LTE-V-Cell是实现V2I的有效工具，因为所有P(活动的人，人只有活动才有意义)都是需要随时移动的，搭载一个长距离随时可以互联的模块才能够保证车辆能随时接收到。车辆再辅以摄像头，雷达传感器等识别技术，便能够有效的实现V2P。

V2X的标准之争

目前主要有专用短程通信技术标准(DSRC)与研制中的基于 4.5G/5G 的 LTE-V 技术标准在性能上符合需求，V2X的主流通信标准之争将在这两者之间展开。当前智能交通系统 ITS 正处在第三阶段，5G 标准在 LTE-V 的基础上，为满足未来自动驾驶的需求，性能指标会更进一步提升。

 

 

DSRC技术概要

DSRC由物理层标准IEEE 802.11p又称为WAVE(Wireless Access in Vehicular Environment)及网络层标准IEEE 1609所构成，在此基础之上，美国汽车工程师协会(Society of AutomoTIve Engineers，SAE)规范V2V与V2I信息的内容与结构，欧洲相关标准由ETSI CT-ITS所规范。IEEE802.11p由IEEE 802.11标准扩充，专门应用于车用环境的无线通信技术，支持915MHz与5.9 GHz。

802.11p物理层架构与802.11a大致相同，采用正交多频分工(Orthogonal Frequency-division Multiplexing，OFDM)调变技术，且52个子载波可支持正交振幅调变(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)、相位移键调变(Phase-shift keying，PSK)等调变技术，同时搭配向前错误校正技术(Forward Error Correction，FEC)，减少信息重新传输所发生的延迟情况，能够因应在高速移动下信息传递的实时性。

802.11p在915MHz频段中，支持传输距离小于300公尺，传输速率低于0.5 Mbit/s，使用5.9GHz频段通讯时，传输距离最远可达1，000公尺，以频道带宽10 MHz为单位，传输速率最高为27 Mbit/s，允许在车速260km/h下进行车与车之间以及车与道路设备之间的信息传输。

DSRC系统包含车载装置(On Board Unit，OBU)与路侧装置(Road Site Unit，RSU)两项重要组件，透过OBU与RSU提供车间与车路间信息的双向传输，RSU再透过光纤或行动网络将交通信息传送至后端平台(图1)。由于车间与车路通讯应用情境复杂，汽车数量多寡、距离与道路气候等都会影响无线网络的通讯，通讯速度与质量将对用路人安全造成极大影响，因此车联网安全应用相关通讯网络通常被要求须要具备高移动性与低延迟率，IEEE将安全应用通讯延迟容许范围定在50ms内，最多不超过100ms，允许接收讯息后有足够反应时间。

 

 

图1　DSRC技术包含车载单元与路侧单元，可以支持车与车之间和车与路侧设备的双向数据传输。

LTV-V技术概要

车间与车路间的通讯技术除DSRC外，华为、高通(Qualcomm)等网通厂商积极推动以LTE网络为基础的LTE V2X技术，3GPP自2015年底将LTE-V技术纳入Release 14标准制定，目前于SA WG1内进行相关服务之研究及讨论。

德国电信亦宣布将与华为、丰田(Toyota)及奥迪(Audi)汽车合作，在因哥尔斯塔特高速公路的测试场域上进行LTE-V技术实证。德国电信将在LTE基地台上设置华为供应的LTE-V硬件，Toyota及Audi车载LTE-V装置同样由华为提供。中国政府也看好LTE应用于车联网环境中，由中国信息通信研究院主导成立LTE-V核心工作组，在中国通讯标准化协会与3GPP架构下推动LTE-V的标准化与商业化发展。

在3GPP架构下，与V2X相关技术标准包含多媒体广播群播(Multimedia Broadcast Multicast Service，MBMS)与LTE Direct通讯。利用MBMS技术可同时对大量装置广播如公共警示等紧急讯息，LTE Direct通讯部分，3GPP于2011年展开相关研究，并正式将其纳入Release 12的标准制定，LTE Direct可自动搜寻邻近上千台装置，能够让处于LTE讯号覆盖范围内外之车辆、路侧装置等在不透过基地台情形下相互沟通(图2)。

 

 

图2　LTE-V可以再细分为LTE-V Cell(集中式)与LTE-V-Direct(分布式)两种不同通讯模式。前者需由基地台提供服务，后者则类似DSRC，可实现直接联机。

3GPP于TS 22.185文件中描述LTE-V应用情境与传输要求，LTE-V应用情境包含LTE网络范围内及范围外的V2V、车对基础建设/网络(V2I/N)及车对行人(V2P)等。传输部分须达到支持最大相对速度280km/h、绝对速度160km/h的高速移动，以及V2V环境下延迟速度低于100ms等要求。

LTE-V的实际运作可分为LTE覆盖范围外的V2X通讯，单一营运商透过基地台管理的V2X通讯以及多营运商透过基地台管理的V2X通讯等。3GPP认为，在多营运商提供V2X服务的情境下，讯息传递有三种情形需被考虑：

第一，特定区域内仅有一家营运商有基地台，该营运商与其他营运商分享基地台提供包含V2X等多种服务;

第二，特定区域内仅有一家营运商拥有V2X频段，该营运商分享基地台给其他营运商限定提供V2X服务;

第三，特定区域内有2家营运商都拥有基地台，V2X服务器分配V2X讯息给2家营运商的网络。终端应能够接收不同营运商之V2X讯息，避免漏接重要信息。

DSRC、LTE标准对比

在标准进程与导入方面，DSRC发展较成熟，美国、欧洲等国家已提出相关标准规格，LTE-V目前已在3GPP进入标准制定流程，但至少需到2017年Release 14中才会完成，在布建上DSRC由于需要安装新的路侧设备，将增加导入成本与时间，LTE-V则能够整合既有的基地台装置，不需要大量布建新基础建设，可缩短导入时间，两者之间互有优势。

DSRC关键指标：支持车速 200km/h，反应时间 100ms，数据传输速率平均 12Mbps(最大27Mbps)，传输范围 1km。根据美国交通运输部的报告，违反交通信号灯指示的时延要求是小于100ms;车辆防碰撞指示的时延要求是小于20ms。

LTE-V-Cell 关键指标：传输带宽最高可扩展至100MHz，峰值速率上行500Mbps，下行1Gbps，时延用户面时延≤10ms，控制面时延≤50ms，支持车速 500km/h，覆盖范围与 LTE 范围类似。LTE-V-Direct 目前还没有详细的技术指标，据悉 LTE-D 具备能寻找 500 公尺内数以千计装臵以及服务的能力，因此能让两个以上最接近的 LTE-D 装臵在网内通讯。

总结

车间与车路间通讯技术可协助提升车辆安全，也是未来自动驾驶车辆的关键技术之一，DSRC与LTE-V都利用车载装置间以及车辆与路侧装置间进行信息交换，达到实时信息传递，提供驾驶者判断或车辆自动控制，两者在技术上都必须达到一定传输要求来实现车辆安全应用。

目前 DSRC 产业链更为成熟，但 LTE-V/5G 可能后来居上，总体来看政府政策影响极大。智能驾驶和智能交通融合将催生 V2X 的巨大市场，正如 NB-IOT 在物联网低频低速率数据场景下的应用，我们中长期看好 LTE-V/5G 在车联网 V2X 领域的发展潜力。