什麼是C-V2X?全面解析C-V2X車聯網技術

2021-01-10 自動駕駛之家

5G時代萬物將互聯,人與人、人與物、物與物可以通過無線網絡進行連接,C-V2X車聯網技術也逐漸成為了主流。

C-V2X means Cellular Vehicle-to-Everything,是基於蜂窩網絡的車用無線通信技術。V2X早期主要是基於DSRC,全稱是dedicated short range communication,專用短距離通信技術。

V2X車聯網通信主要分為三大類:V2V(Vehicle to Vehicle)、V2I(Vehicle to Infrastructure)和V2P(Vehicle to Pedestrian)。

這3種類型的V2X可以使用「合作意識」,為用戶提供更加智能的服務。這意味著運輸實體,如車輛、路邊的基礎設施和行人,可以收集當地環境的信息(如從其它車輛或傳感器設備接收到的信息),在進一步處理和共享這些信息,以提供更多的智能服務,如碰撞警告或自主駕駛。

簡單的說:

V2X就像是給車配了部智慧型手機,可以獲取更多信息,可以和其他「手機」形成互聯,互通信息。同時還可以通過計算來進行智能操作,更好的履行「司機」的義務。

複雜的說:

V2X是對車載傳感器的完善,甚至可以說車載傳感器只是其輔助手段。

與車載傳感器相比,V2X不會因沙塵天氣或者大雨、大霧等不良天氣的影響而弱化自身功能。相反V2X的應用能夠增強對環境的感知能力、降低車載傳感器成本、能使多車信息融合決策。

目前,用於V2X通信的主流技術包括專用短程通信(Dedicated Short Range Communication,DSRC)技術和基於蜂窩移動通信系統的C-V2X(Cellular Vehicle to Everything)技術(包括LTE-V2X和5G NR-V2X)。

DSRC是智能交通系統中最重要的基礎通信協議之一

這項技術是1992年美國材料試驗學會ASTM(American Society for Testing Materials)針對ETC業務而提出來的,後來經過不斷完善,變成了IEEE的車聯網通信技術標準(802.11p)。

它可以實現在特定小區域內(通常為數十米)對高速運動下的移動目標的識別和雙向通信,高速上的ETC專用通道,就是通過DSRC技術實現車輛身份識別,電子扣費,實現不停車、免取卡,實現無人值守車輛順利通過。

但基於Wi-Fi技術的DSRC性能存在局限性——Wi-Fi難以支持高速移動場景,移動速度一旦提高,DSRC信號就開始驟降、可靠性差、時延抖動較大,所以很長一段時間DSRC的性能不穩定,一直處於測試階段。

21世紀後,由於蜂窩移動通信得到了快速的發展,技術水平和行業生態都飛速進步。於是,業界開始研究在蜂窩通信技術(Cellular)基礎上重新設計V2X的構想,C-V2X(基於LTE技術)由此應運而生。

基於移動蜂窩網絡的C-V2X通信技術

就像是手機連入3G/4G一樣。LTE針對車輛應用定義了兩種通信方式:集中式(LTE-V-Cell)和分布式(LTE-V-Direct)。

集中式(LTE-V-Cell)也稱為蜂窩式

需要基站作為控制中心,利用基站作為集中式的控制中心和數據信息轉發中心,由基站完成集中式調度、擁塞控制和幹擾協調等,支持大帶寬、大覆蓋通信,可以顯著提高LTE-V2X的接入和組網效率,保證業務的連續性和可靠性,滿足Telematics應用需求。

分布式(LTE-V-Direct)也稱為直通式

無需基站作為支撐,可以獨立於蜂窩網絡,實現車輛與周邊環境節點低時延、高可靠的直接通信,滿足行車安全需求。未來,LTE-V技術可以平滑向5G進行演進轉換。

可以這麼說,LTE-V是給車聯網量身定製的LTE。

C-V2X技術在未來在汽車聯網領域有廣闊空間

C-V2X的一個重要優勢就是成本效益。

比如,網絡部署方面,由於C-V2X的基礎設施是在蜂窩技術上發展起來的,僅通過改造現有的基站,就可以將C-V2X基礎設施集成進去;終端部署方面,可以延用LTE和5G的生態系統,在一個通信的Tbox裡面把LTE、V2X集成在一起,形成一個統一的連接性的解決方案,部署成本最優。

目前DSRC產業鏈更為成熟,但C-V2X可能後來居上,總體來看政府政策影響極大。智能駕駛和智能交通的融合將催生C-V2X的巨大市場。

在信息傳輸時效和速度的高要求下,需要更加重視信息傳輸過程中的安全穩定性,磐起信科旗下產品AutoTrust V2X及AutoTrust PKI,為車與萬物的安全通信提供認證及加密系統解決方案,通過加密及籤名功能保障車與OBU(車載單元)、RSU(路側單元)之間的安全通信,並利用AutoTrust PKI證書管理系統進行證書頒發及管理,確保證書管理及安全通信無縫銜接。

C-V2X的應用

車聯網具有大量的運用場景,如今有一些已經運用到現實的交通中,還有一些人們正在討論與研究。車聯網可應用在道路安全服務、自動停車系統、緊急車輛讓行、自動跟車等方面。車聯網的應用不僅保證了道路交通安全,還可以為車主提供便利。

道路安全服務

道路安全服務是指車輛利用與路邊基礎設施通過V2I信息實現信息的發收與共享,將車輛周邊的環境信息(交通事故、道路擁堵情況等)在一定區域內實現共享,以幫助駕駛員了解周邊道路交通情況,對危險路段提高警惕,避免不必要的事故,該服務主要應用於近距離危險警告,特別是在大霧、大雨等特殊天氣環境下,這種應用的作用更加明顯。

自動停車系統

在大型商場、飯店等區域有著大量的停車位,但由於停車管理效率不高,駕駛員往往很難在第一時間找到車位。APS(自動停車系統)包含一個資料庫提供實時信息,包括車輛在市區的停車位,街上或在公共停車場的停車位信息。幫助連接的車輛實時保持資料庫信息,同時這也支持通過智慧型手機訪問。APS允許司機儲備一個可用的停車位,通過導航應用程式引導車輛進入停車位,並使用免提支付停車,大大提高了停車效率。

緊急車輛讓行

如今在現實道路交通中,警車、救護車等特殊車輛是通過鳴警笛向周圍車輛發出緊急信號。雖然這在一定程度上也能起到緊急車輛讓行的效果,不過使用這種方式並不能達到最佳讓行效果,因為周邊車輛的駕駛員僅僅知道緊急車輛的存在,但不能確定緊急車輛的所在位置與行駛方向,進而也就無法做出一致性的讓行行為。但是這種缺點在車聯網的應用中得到了完美的解決。在車聯網應用場景中,當緊急車輛存在時,周圍車輛將收到緊急救援信息,同時為周邊車輛規劃出一條合理的避讓線路,加快緊急車輛的通行。

自動跟車服務

如今在各大城市上下班高峰期,由於道路上的車輛過多,導致車輛的行駛速度緩慢,在此場景中,自動跟車系統的作用便得到充分發揮。自動跟車系統使車輛自動跟隨前方車輛向前行駛,通過對前車速度、轉向等控制信息實現本車的半自動操作,同時通過距離信息自動保持與前車間的安全距離,在安全駕駛的前提下,保證了駕駛員適當的休息,避免疲勞駕駛。

隨著汽車電子產品的發展以及通信技術的不斷完善,車聯網將在更多的領域為我們提供更高質量的服務。

C-V2X當前遇到的難題

網絡覆蓋問題

與D2D技術相似,在V2X場景中,也存在著網絡覆蓋場景與無網絡覆蓋場景,無論車輛處於哪種場景中,都應當支持V2X服務安全應用程式。在網絡覆蓋場景中,V2X車輛用戶距離基站較近,服務質量較高,通信質量也較好,而對於無網絡覆蓋的通信場景,由於無法復用網絡資源,在高密度V2V情況下,服務質量可能會有所下降。

頻譜資源問題

如今,隨著無線通信技術不斷發展,對於頻譜資源的需求將逐漸增多。然而在有限的頻譜空間內如何提高頻譜利用率都將是一項新技術所需要考慮的問題。在服務小區內,V2X用戶將與LTE用戶共享所有資源,此時就存在著兩種情況:一是V2X用戶與LTE用戶分配相互正交的頻譜資源,二是V2X用戶與LTE用戶分配相同的頻譜資源。

當V2X用戶與LTE用戶分配相互正交的頻譜資源時,V2X用戶間的相互通信將不會對原有的LTE網絡造成幹擾。若V2X用戶與LTE用戶分配相同的頻譜資源時,D2D通信將會對原有的LTE網絡造成一定的幹擾。因此需要對V2X用戶所需的頻譜問題進行進一步的研究,使頻譜資源得到充分的利用。

車輛移動性問題

在V2X通信場景中,由於車輛處於高速移動狀態,對於所在位置信息具有更加精確的要求。同時高速移動狀態下,車輛在場景切換與服務小區切換將變得更加頻繁,通信服務質量也會受到相應的降低。因此在移動性問題也將是限制車聯網的一大因素,不過鑑於信息科技的發展,對於這些硬體上的問題將會得到很好的解決。

國內C-V2X產業政策及發展趨勢

1.政策和產業環境逐漸成熟,C-V2X發展進入快車道。

在頂層設計方面,2018年11月,車聯網產業發展專項委員會第二次會議在雄安召開,會議指出要強化產業鏈協同創新,加快基礎設施升級改造,把LTE-V2X、5G等通信網絡部署和智能交通、交通管理信息化協同推進。

2018年12月,工信部發布指導性文件《車聯網(智能網聯汽車)產業發展行動計劃》,分兩階段推動車聯網跨行業融合,促進規模化商業應用,實現「人-車-路-雲」高度協同。

2018年11月,工信部發布了《車聯網(智能網聯汽車)直連通信使用5905-5925MHz頻段的頻率管理規定(暫行)》,確定了基於LTE-V2X技術的車聯網(智能網聯汽車)直連通信的工作頻段及使用要求。

在工業和信息化部無線電管理局指導下,海南省無線電監督管理局、天津市工業和信息化局分別向中國鐵塔股份有限公司海南省分公司和天津市馬可尼信息技術有限公司頒發5905MHz~5925MHz頻段車聯網(智能網聯汽車)試驗頻率使用許可。

在標準體系建設方面,我國已基本建設完成LTE-V2X標準體系和核心標準規範,包括總體技術、空中接口、安全以及網絡層與應用消息層等各個部分。

為加強跨行業標準協同,全國汽車標準化技術委員會、全國智能運輸系統標準化技術委員會、全國通信標準化技術委員會和全國道路交通管理標準化技術委員會共同籤署了《關於加強汽車、智能交通、通信及交通管理C-V2X標準合作的框架協議》。

在測試驗證方面,目前全國多地積極開展C-V2X應用示範並逐步推廣商用,覆蓋測試園區、開放道路、高速公路等多種環境。

中國信通院、中汽中心、上機檢測等測試機構已建立實驗室測試環境,對外提供V2X應用功能、通信性能、協議一致性等測試服務;各示範區、行業聯盟紛紛組織外場測試,驗證外場環境下V2X應用的功能,LTE-V2X「三跨」互聯互通應用示範活動組織20餘家企業單位,實現了世界首例跨通信模組、跨終端、跨整車的互聯互通。

2.跨行業融合創新生態體系初步形成,C-V2X產業鏈主體日益豐富。

C-V2X產業鏈主要包括通信晶片、通信模組、軟硬體設備、整車製造、平臺與運營、安全與測試驗證、高精度定位和地圖服務、科研機構及其他,包括了晶片廠商、設備廠商、主機廠、方案商、電信運營商、地圖供應商等眾多參與方。此外,科研院所、投資機構以及關聯的技術與產業組織對於C-V2X應用落地實現起到了關鍵的支撐作用。

在晶片模組方面,大唐、華為、高通、移遠、芯訊通等企業已對外提供基於LTE-V2X的晶片模組。

在軟硬體設備方面,華為、大唐、金溢、星雲互聯、東軟、萬集等廠商已經可以提供基於LTE-V2X的OBU、RSU硬體設備,以及相應的軟體協議棧。

在整車製造方面,上汽、一汽、福特、通用、吉利等主機廠逐步開發V2X相關產品,大力推動新車的聯網功能。2019年3月26日,福特宣布首款C-V2X車型2021年量產。

在平臺與運營方面,國內三大電信運營商均大力推進C-V2X業務驗證示範;百度、阿里、騰訊、滴滴等網際網路企業進軍車聯網,加速C-V2X應用落地;北京、無錫、上海、重慶、長沙等示範區已建立C-V2X運營服務平臺。

在安全與測試驗證方面,中國信通院、中汽中心、上機檢、中國汽研、上海國際汽車城等科研和檢測機構已開展C-V2X通信、應用相關測試驗證工作;奇虎科技等信息安全企業、華大電子等安全晶片企業紛紛開展C-V2X安全研究與應用驗證。

在高精度定位和地圖服務方面,北鬥星通、高德、百度、四維圖新等企業均致力於高精度定位的研究,並為V2X行業提供高精度定位和地圖服務。此外,高校及科研機構在基礎研究領域發揮理論支撐、技術演進等重要作用,投融資機構加大C-V2X相關企業孵化,共同支撐C-V2X產業快速發展。

2019年,中國信通院、IMT-2020(5G)推進組C-V2X工作組將組織跨行業力量繼續推進大規模測試驗證、測試評估體系建設、商業模式研究等工作,並重點解決安全、多接入邊緣計算(MEC)融合C-V2X、特定工況V2X應用等車聯網產業化關鍵問題。

完善V2X安全解決方案和核心技術標準,開展V2X通信安全示範驗證,解決設備的身份認證問題;以MEC與C-V2X融合的典型應用為切入點,構建基於MEC的車路協同「端到端」解決方案,並開展應用驗證與演示環境建設;將開展露天礦區、港口等特定工況下的自動駕駛、V2X應用的研究,形成完善的解決方案,V2X落地應用示範。

截止到2019年9月,全球車聯網領域專利申請累計114587件,美國佔30%居首,中國25%居第二位。但在關鍵的C-V2X車聯網通信技術專利方面,中國的專利申請量佔比達到52%,成為C-V2X技術最大的專利原創國家和布局目標國家。

目前,放眼全球智能網聯汽車市場,以移動通信為基礎的車聯網技術C-V2X正快速建立生態系,集電信、零組件、整車等業者之力快速導入商用化,3GPP於2017年宣布了第一套使用與IEEE 802.11p不同的無線電技術的V2I和V2V通信的C-V2X物理層標準,華為、愛立信、英特爾、諾基亞等也在積極推動C-V2X 晶片和設備產業化,奧迪、豐田等車企紛紛聯合通信企業開展C-V2X技術測試。

目前車聯網通信標準,主要形成了 DSRC 和 C-V2X兩大陣營,隨著技術法規的落地,誰會最終成為行業主流或被淘汰,我們只能讓時間去解答了。

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