2021深圳国际智能交通及交通设施展览会

时间:2021年11月3-5日      地点:深圳国际会展中心(宝安新馆)

一文读懂蜂窝车联网 C-V2X

2020-12-03

V2X,即 vehicle to everything,车联万物。

简单来说,就是赋予车辆通信能力,通过 V2V(车对车)、V2P(车对行人)、V2I(车对基础设施)、V2N(车对网络),让驾乘体验更加舒适,交通环境更加安全,使能未来的自动驾驶。

来源 : Rohde & Schwarz

相信很多开车人都有这样的体会:行驶在一条道路,连续好几个路口都遇到红灯,一路走走停停,不仅浪费时间,而且特别耗油。有时候,明明前方一辆车也没有,却还要傻等红灯变绿。你一定会想,如果交通灯也有眼睛和大脑,那该多好啊!

其实,利用 V2I(车对基础设施)、V2N(车对网络)技术,就可以掌控全局的交通流量,大幅缩减等待时间,从而实现 " 绿灯畅行 "。

再举一个例子,你平时在开车的时候,有没有遇到过突然窜出的行人或者电瓶车,被他们吓个半死?

这个时候,V2P(车对行人)技术就可以派上用场了。它能够在非视距情况下,捕捉周围环境的信息,让我们拥有 " 上帝视角 ",对潜在威胁进行提前准备。

来源 : KEYSIGHT

实际上,我们应该把 V2X 技术理解为高级驾驶辅助系统(ADAS)的一部分。V2X 和其它多种多样的传感器(如摄像头,激光雷达等)相辅相成,共同辅助完成高级别的自动驾驶。

从理论上来说,单车(例如 Google 的自动驾驶汽车)不计成本地堆砌传感器,也能完成自动驾驶。

但是,缺少了 V2X 的自动驾驶汽车,就好像是一座信息孤岛。它没办法有效地和周围车辆或者基础设施进行沟通交流,在感知和决策上存在极大的限制。

▉ 两种方案(DSRC vs C-V2X)对比

目前,国际上有两套主流的 V2X 通信技术规范,它们分别是:

DSRC(专用短距离无线通信):基于 IEEE 802.11p,欧洲的 ITS-G5 同样是基于该物理层技术,我们在这里只讨论 DSRC 即可

C-V2X(蜂窝车联网):基于 3GPP LTE

来源 : KEYSIGHT

DSRC 已经存在很多年了,因为存在一些先天的不足,发展过程并不顺利。相比之下,3GPP 的 C-V2X 有很多优势,所以这几年发展很快。

我们不妨从各个角度来比较一下这两种技术方案:

首先,从技术角度来看。

5GAA(5G 汽车联盟)针对 DSRC 和 C-V2X,在实验室及外场进行了试验对比。结果证实,C-V2X 在很多方面的性能,都要优于 DSRC。比如,C-V2X 支持更远的通信距离、更佳的非视距性能、更强的可靠性、更高的容量和更佳的拥塞控制等。(详细的测试报告请参考文末附件)

来源 : 5GAA 测试报告 P-190033

其次,再从成本和标准化的角度来看。

在这两方面,C-V2X 也有一些显著的优势:

C-V2X 基于蜂窝网络,与目前的 4G 和 5G 网络可以复用,网络覆盖范围广,部署成本较低。相反,基于 802.11p 的 DSRC 技术,在组网时需要新建更大量的路侧单元 RSU,部署成本很高

C-V2X 基于 3GPP 标准,全球范围内具备更佳的兼容性

C-V2X 演进路线非常清晰,且后向兼容(LTE C-V2X NR C-V2X)

来源 : Qualcomm

*后,从政策支持的角度来看。

在这方面,C-V2X 也有后来居上之势:

美国之前一直支持 DSRC,但是*近的态度开始有所转变,偏向 C-V2X。美国联邦通信委员会 FCC *近针对 5.9GHz 的重新分配进行了投票,结果,划了 20MHz 给 C-V2X 专用

欧洲的态度比较纠结,DSRC 和 C-V2X 两种技术都表示支持

中国拥有全球*大的 LTE 网络,综合考虑应用价值、成本、性能、**、政策、产业成熟度等各方面因素,C-V2X 无疑是我国 V2X 技术路线的**。频谱方面,划定了 20MHz 给 C-V2X 专用

▉ C-V2X 的 3GPP 标准化进展

C-V2X 未来能否走向成功,仅靠通信行业的支持是不够的。它还需要来自汽车行业代表的有力支持。

2016 年 9 月,5GAA 联盟成立,截至目前已有一百多名汽车和通信行业代表参与其中,共同推进全球 C-V2X 的开发部署。

针对 C-V2X,3GPP 采取了分阶段迭代的发展策略:

第一阶段,是 LTE-V2X (R14)和 LTE-eV2X (R15),主要是针对 V2X 进行安全增强

第二阶段,是 NR-V2X (R16 及其演进版本), 聚焦自动驾驶场景

来源 : KEYSIGHT

R16 已经支持车辆编队、高级驾驶、外延传感、远程驾驶等场景。

来源 : 3GPP TS 22.186

笔者预计,与 LTE-V2X 类似,NR-V2X 也将经历至少两个版本(甚至更多)的演进和迭代。当前 3GPP 已经启动了 R17 技术标准的研究工作,初步规划了 R17 的主要增强技术,继续对现有版本进行演进。

来源 : 3GPP 官网

▉ C-V2X 的关键技术

首先从架构的角度看。非漫游场景下,5G 支持 V2X 的架构如下图所示:


来源 : 3GPP TS 23.287

笔者认为,MEC 将会是 V2X 很重要的一个关注点(并没有在架构图中直接画出)。

根据 Intel 的研究报告,2020 年,一辆自动驾驶汽车每天将使用 4000GB 的数据。相比之下,一个互联网用户每天使用的数据大约是 1.5GB。车辆和道路的数量庞大且复杂,加之传感器数量的增加,由此会带来的大数据处理和存储的难题。

MEC 是解决这一难题的有效手段。借助 MEC 技术,很多服务可以部署到更加靠近车辆和道路等数据源的地方,节省网络资源并降低延迟。

接下来,我们从接口的角度看。

常常有人会问:" 在没有网络覆盖的条件下,C-V2X 如何工作?"

前面的架构图告诉我们,即使是在没有 4G/5G 网络覆盖的环境下,C-V2X 还是可以利用 PC5 接口进行彼此通信的。

Uu 接口主要是用来实现时延不敏感业务,进行信息共享和提前预测。

PC5 接口主要是用来实现低时延的业务,提高非视距条件下的可靠性。

来源 : Qualcomm

PC5 接口进一步区分为两种工作模式:

模式 3:借助基站,通过控制信令接口 Uu 实现 V2V 数据的调度和接口管理。在这种情况下,采用动态的方式进行资源的调度,车车间采用 PC5 接口通信。

模式 4:V2V 数据调度和接口的管理是基于车车间的分布算法实现。

来源 : Rohde & Schwarz

再从协议栈的角度来看。

基于 PC5 接口的协议栈,如下所示(基于 Uu 接口的协议栈和传统的 5G 协议栈一样,这里不再赘述):

来源 : Qualcomm

3GPP 定义了其中的 PHY 和 MAC 层,完全重用 DSRC 既有的高层协议规范(它们由 SAT 和 IEEE 制定)。这就意味着,用户从 DSRC 迁移到 C-V2X 的成本会相对较低。

*后,我们来简单了解一下*新的 NR-V2X 在物理层和协议层方面做了哪些提升(3GPP TR 38.885 的第 5、6 章节有较为详细的描述。备注 : 协议规范中通常使用 Sidelink 这个词来描述 PC5 所承担的具体功能 , 简称 SL),这里仅针对 PC5 的提升方面进行简要说明:

概念上提出了点对点播、组播的概念,之前 PC5 只支持广播

物理层处理方面,SL 的 PSSCH、PSCCH 的资源分配上更规整,便于实现(如下图所示),此外 SL 支持开环功率控制(OLPC)

同步方面,SL 可以使用 S-PSS, S-SSS 完成同步

协议层方面,明确定义 SL 通信有三种模式 : RRC 连接模式(RRC_CONNECTED)、空闲模式(RRC_IDLE)和未激活模式(NR 情况下)(RRC_INACTIVE)。在空闲或未激活模式下 UE 的 SL 通信是通过 SIB 消息里的小区配置信息来完成的。

▉ 结语

目前,全球的 C-V2X 试验案例正在不断增加。

围绕 C-V2X 的通信芯片、模组、终端、整车制造、测试验证、运营服务、高精度定位和地图服务等上下游厂商,都在积极进行布局,希望抢占市场先机。

行业普遍认为,基于 C-V2X 的车联网,很可能成为 5G 时代*先成功的垂直行业应用场景。

来源 : IMT-2020 推进组 C-V2X 白皮书

在我们国家,政府层面非常鼓励包括 C-V2X 在内的车联网技术的发展。工信部、发改委、交通部、公安部、科技部等部委及地方政府,都针对性给出了一些明确的政策支持。

据不完全统计,目前全国已经拥有超过 30 个测试示范区,其中包括上海、北京 - 河北、重庆、无锡(先导区)、杭州 - 桐乡、浙江、武汉、长春、广州、长沙、西安、成都、泰兴、襄阳等 16 个***示范区。

这些示范区涵盖了无人驾驶和 V2X 测试场景建设、LTE-V2X/5G 车联网应用、智慧交通技术应用等功能,提供了涉及安全、效率、信息服务、新能源汽车应用以及通信能力等的测试内容。

虽然车联网技术正在飞速发展,我们也仍需意识到,车联网*终目标的实现(包括自动驾驶的落地),是一个漫长的过程。除了技术和资金之外,还涉及到法律和伦理的问题。更重要的是,它是否能获得*终用户的信任和认可,被用户接受。

行业曾经指出,自动驾驶将分为若干个过程,逐步实现:

第一个阶段:辅助驾驶安全和提高交通效率

第二个阶段:在封闭园区的(商用车)的自动驾驶

第三个阶段:在开放道路的(乘用车)的自动驾驶

来源 : 5GAA 白皮书

总而言之,路漫漫其修远兮,C-V2X 将上下而求索。


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