标准之争,DSRC和LTE-V什么人将胜出?

联网汽车(Connected
Car)为近年各国探讨智能交通的热门研究主题之一,其发展目的是要打造出更安全、智能并兼顾环保的交通运输工具。

为了提升交通系统的安全性和智能化,智能交通系统的概念正逐渐兴起。智能交通可以利用新一代的通信网络和数据处理能力,提高现有交通系统的整体效率,降低能量损耗,增加运输的安全和便捷程度。

2016年9月,3GPP第73次会议在美国新奥尔良召开,其中LTE-V的V2V标准在Release14中正式冻结,根据3GPP最近发布的计划,2017年3月完成V2X的其他核心协议。作为最有前景的车联网载体,LTE-V在时延、传输速率、可靠性、部署成本方面具有明显优势。而DSRC标准经过十多年的磨合,已经准备就绪。我们不难相信,未来车联网在V2X的标准方面必将出现DSRC和LTE-V相争的局面。

在所有建设联网汽车的所需条件中,连结性(Connectivity)为其实现的重要要素之一。联网汽车可通过车与车(Vehicleto
Vehicle)、车与路侧单元(Vehicle to Roadside
Unit)如交通号志、车与智能型手机或其他装置的相互沟通链接,提供驾驶更多便利性功能,同时使汽车在行驶的旅程中能增添安全性。

近年来智能交通系统的开发将主要集中在智能公路交通系统领域,也就是俗称的车联网。其中V2X技术借助车-车,车与路测基础设施、车与路人之间的无线通信,实时感知车辆周边状况进行及时预警成为当前世界各国解决道路安全问题的一个研究热点。根据美国交通部提供的数据,V2V技术可帮助预防80%各类交通事故的发生。

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联网汽车的连结性应用,大致可分为以下三种:

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为什么要谈V2X标准?

首先,车联网就是车与一切事物相联的网络(V2X,Vehicle to
Everything),通过车载自组网及多种异构网络之间的互联,从而实现车与车(V2V,Vehicle
to Vehicle)、车与道路基础设施(V2I,Vehicle to
Infrastructure)、车与行人(V2P,Vehicle to
Pedestrians)、车与云端(V2C,Vehicle to Cloud
)以及车与家(V2H,Vehicle to
Home)之间的互联互通。要实现车与一切事物之间的互联互通,必定要探讨通讯的介质以及通讯的标准。

在过去的十多年时间,国际上几大标准化组织都开展了制定DSRC标准的工作,其中以美国ASTM/IEEE,欧洲CEN/TC278标准体系和日本的ISO/TC204为代表。我国交通部ITS中心向交通部无线电管理委员会提出将5.8Ghz频段分配给智能运输系统技术领域的短程通信(包括ETC收费系统)。由于涉及领域之多,影响面之大,无论是北美、欧盟以及日本这些发达国家,还是我国,V2V标准的尚处于推广阶段,还未实现大规模的商用。随着汽车工业的不断发展,无论是从道路交通安全、道路拥堵、尾气排放的大交通角度,还是从消费者的需求角度,V2X的标准及推广刻不容缓。

车与车之间通信的目的,就是通过车道偏移报警、车道保持辅助、防碰撞报警等ADAS方面的功能提高道路交通的安全性。因此,ADAS是车联网的基础。目前有很多企业不断地推出ADAS等主动安全方面的技术,但是没有考虑到车与车之间的通信。如果没有ADAS,车辆之间的通信就没有意义,如果没有实现车与车之间的通信,那么ADAS可用性必将大打折扣,并且无法提升社会效益。最有效的方式是,每台车具备ADAS功能,每台车都实现联网,只有具备这两个条件,一旦某一车辆发现前方有障碍物、前面道路异常或者车辆需要并线的时候,那么前车可以方便地提醒后车及两侧后方车辆,才可以保证附近所有车辆的行车安全。

ADAS可以有不同的标准,但车与车之间的通信必须有统一的标准,这样才能保证车与车之间的正常通信。现阶段所探讨的车联网仅为狭义的车联网,也就是Telematics,对于车联网的研究与应用仅实现了车与云端的互联互通,算不上车联网,真正的车联网可以实现车与车、车与路、车与行人以及车与互联网等一切事物的互联互通,通过人、车、路的有效协同,从而实现智能交通的目的。要实现车与一切事物的互联网互通,就必须要有统一的标准,这就是V2V标准的重要性。

目前也有企业致力于无人驾驶的研究,如果没有确定车与车之间的通信标准,无人驾驶终将是一句空话

1、车与车(V2V)的连结

在接下来的几篇文章里,车云菌将会为大家逐一梳理V2X技术发展过程中面临的标准之争、各个产业链公司在推动这项技术量产落地过程中付出的努力和成果以及5G通讯技术对V2X应用产生的影响。今天我们主要将目光投向V2X的一些基本概念以及两大底层通讯技术标准之间的对比和区别。

DSRC与LTE-V的特点及现状

DSRC(Dedicated Short Range
Communications)即专用短程通信技术,DSRC是一种高效的无线通信技术,提供高速的数据传输,并保证通信链路的低延时和低干扰。安装了车载单元的车辆和路边单元,通过DSRC专用短程通信技术可实现车辆间通信和车辆与路边基础设施通信。DSRC是ITS标准体系框架中的重要组成部分,是整个智能交通服务系统的基础。DSRC可以实现在特定小区域内对高速运动下的移动目标的识别和双向通信,DSRC可实时传输图像、语音和数据信息,实现V2I、V2V及V2P的双向通信,DSRC广泛地应用在ETC不停车收费、出入控制、车队管理、信息服务等领域,并在车辆识别、驾驶员识别、路网与车辆之间信息交互、车载自组网等方面具备得天独厚的优势。

DSRC已被美国交通部确认为V2V标准,经过10年研发与测试已经定型。2015年9月,美国交通部拨出4200万美元在美国三个地方开展安全测试,预计到2017年将试装1万辆。这三个地方包括纽约,怀俄明州,Tampa
Bay。通用2016年上市的卡迪拉克CTS将装备V2X。欧盟的协同式智能交通系统和日本的V2X也是基于DSRC技术。

LTE-V技术被认为是实现车联网的重要基石,受到智能交通ITS领域人士看重。LTE-V是基于4.5G网络,以LTE蜂窝网络作为V2X的基础,面向未来5G的重点研究方向,是车联网的专有协议,面向车联网应用场景,实现车与车、车与路侧设施、车与人、车与网络的互联和数据传输,统称V2X,其中核心是V2V的互联。

为应对车辆主动安全、行车效率、车载娱乐多场景业务需求,LTE-V采用“广域蜂窝式(LTE-V-Cell)+短程直通式通信(LTE-V-Direct)”,前者基于现有蜂窝技术的扩展,主要承载传统的车联网业务;后者引入LTE
D2D(Device-to-Device),LTE-D具备能寻找500公尺内数以千计设备以及服务的能力,因此能让两个以上最接近的LTE-D设备在网内通信,能为LTE
V2X提供良好的基础,实现V2V、V2I直接通信,承载车辆主动安全业务,主要满足终端安全低时延、高可靠的要求。

通过车辆间相互沟通协助,以防止交通事故的发生,进而减少车祸伤亡。

V2X到底是什么?

DSRC与LTE-V标准之争

由于5.9GHz的DSRC在中国会有潜在干扰的问题,中国需要一个不同的
V2X解决方案,CCSA已经在中国针对LTE V2X推出了工作项目(Work
Item),而华为已经开始布局推广。LTE
V2X的最大好处在于能重复使用现有的蜂窝基础建设与频谱,运营商不需要布建专用的路侧设备(road
side unit,RSU)以及提供专用频谱。

目前,华为与高通两大蜂窝技术供应商,正积极藉由提出一个新的LTE标准──LTE
V2X──
抢攻统称为“V2X”的车辆对车辆与车辆对基础设施商机;此举正与目前汽车技术供应商花了十年以上时间开发与测试才终于实现、也是专为V2X应用所打造的专用短距离通信(Dedicated
Short-Range Communications,DSRC)正面交战。

由于DSRC基本上是Wi-Fi技术,所以理论上,LTE可以比DSRC提供更好的服务质量,并且DSRC面临着部署的一些问题,其性能无法被保证,但目前DSRC标准已经准备就绪,而LTE
V2X仍在研究阶段,因此,未来还LTE-V还有一些不确定因素。

未来,谁将主导V2X标准,华为和高通将引领车联网时代?我们拭目以待!

2、车与路侧(V2R)、基础建设(V2I)的连结

按照中国汽车工业协会对搭载V2X功能汽车的定义来看,它是搭载先进的车载传感器、控制器、执行器等装置,并融合现代通信与网络技术,实现车与X(人、车、路、后台等)智能信息的交换共享,具备复杂的环境感知、智能决策、协同控制和执行等功能,可实现安全、舒适、节能、高效行驶,并最终可替代人来操作的新一代汽车。

可提供车主实时性与区域性的路况信息,促进旅程便捷快速。

与自动驾驶技术中常用的摄像头或激光雷达相比,V2X拥有更广的使用范围,它具有突破视觉死角和跨越遮挡物的信息获取能力,同时可以和其他车辆及设施共享实时驾驶状态信息,还可以通过研判算法产生预测信息。另外,V2X是唯一不受天气状况影响的车用传感技术,无论雨、雾或强光照射都不会影响其正常工作。

3、车与其他智能型装置/系统的链接

此外,在传统智能汽车信息交换共享和环境感知的功能之外,V2X还强调了“智能决策”、“协同控制和执行”功能,以强大的后台数据分析、决策、调度服务系统为基础。而且要实现自动驾驶,车辆必须具备有感知系统,像人一样能够观察周围的环境,所以除了传感器,V2X技术也属于自动驾驶的一个感知手段。

串连其他用户系统,提供实时不间断的服务,让乘车环境与旅程更为安全舒适。

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目前配置车联网的新车数量逐渐增加,但多数应用服务仅是与车厂的后台系统取得联系以寻求帮助,或是在驾驶过程中提供导航和各种语音服务;但若涉及到更高层次,如与安全驾驶有关的应用功能则尚不多见。

作为物联网面向应用的一个概念延伸,V2X(Vehicle to
Everything)车联网是对D2D(Device to
Device)技术的深入研究过程。它指的是车辆之间,或者汽车与行人、骑行者以及基础设施之间的通信系统。利用装载在车辆上的无线射频识别RFID技术、传感器、摄像头获取车辆行驶情况、系统运行状态及周边道路环境信息,同时借助GPS定位获得车辆位置信息,并通过D2D技术将这些信息进行端对端的传输,继而实现在整个车联网系统中信息的共享。通过对这些信息的分析处理,及时对驾驶员进行路况汇报与警告,有效避开拥堵路段选择最佳行驶线路。

WAVE/DSRC将成新车标准配备

V2X车联网通信主要分为三大类:V2V(Vehicle to Vehicle)、V2I(Vehicle to
Infrastructure)和V2P(Vehicle to
Pedestrian)。运输实体,如车辆、路侧基础设施和行人,可以收集处理当地环境的信息(如从其它车辆或传感器设备接收到的信息),以提供更多的智能服务,如碰撞警告或自主驾驶。

有关车与车之间的沟通,美国计划采取汽车专用短距离通讯(Dedicated Short
Range
Communications,DSRC)技术来实现。NHTSA虽然未明确表示将采用何种DSRC通讯技术,但就美国先前的研究开发与场域测试来看,其将采用的DSRC通讯技术应该是5.9GHz车用环境无线存取(WAVE)/DSRC,包含IEEE1609相关协议与IEEE802.11p的技术。

V2X两大技术标准:DSRC与LTE V2X

DSRC的有效通讯距离为数百米,车辆通过DSRC以每秒十次的频率,向路上其他车辆发送位置、车速、方向等信息;当车辆接收到其他车辆所发出的信号,在必要时(例如马路转角有其他车辆驶出,或前方车辆突然紧急煞车、变换车道)车内装置会以闪烁信号、语音提醒或是座椅、方向盘震动等方式提醒驾驶人注意(图1)。

V2X通信技术目前有DSRC与LTE
V2X两大路线。DSRC发展较早,目前已经非常成熟,不过随着LTE技术的应用推广,未来在汽车联网领域也将有广阔的市场空间。

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率先出击的DSRC

图1 车机通过DSRC,可提供驾驶人安全警示信息

车用环境无线存取(WAVE)、专用短程通讯(DSRC)是IEEE
802.11p底层通信协议与IEEE
1609系列标准所构成的技术,采用5.9GHz频段,并具备低传输延迟特性,以提供车用环境中短距离通讯服务。IEEE802.11p解决在高速移动环境中数据的可靠低时延传输问题、IEEE1609系列规范对V2X通信的系统架构、资源管理、安全机制等进行阐释。

为此,通用汽车(GM)已为汽车座椅震动技术申请了专利,福特(Ford)也研发出方向盘震动技术,以配合将可能强制安装的车辆互连通讯系统。

DSRC是连结车辆与车辆(V2V)、车辆与路侧装置间的RF通用射频通讯技术,在车用环境中提供公共安全和中短距离通讯服务。各个国家分配的DSRC使用频段各不相同。1999年,美国联邦通讯委员会(FCC)于1999年决定将5.9GHz(5.850~5.925GHz)频段分配给汽车通讯使用。主要目标是使公共安全应用能够挽救生命并改善交通流量。FCC还允许在本领域提供私人服务来降低部署成本,并鼓励快速开发和采用DSRC技术和应用。

此外,若交通管理号志等公路设施采用DSRC通讯技术,同样也能与路上的车辆对话,告知车辆驾驶人相关路况(如前方道路壅塞、施工、路面坑洞等信息),以便驾驶人提前改道或注意。

图片 5美国的DSRC频谱和频道

DSRC建立自动驾驶基础

美国5.9GHz
DSRC的频段规划,以10MHz频宽为单位,将75MHz频宽划分成七个频道,并由低频至高频分别给予172、174、175、178、180、182与184频道编号。如下图所示,频道178为控制频道(CCH),剩余的六个频道为服务频道(SCH),其包含两个公共安全专用服务频道(频道172为车辆与车辆间公共安全专用服务频道,频道184为交叉路口公共安全专用服务频道)、两个中距离公共安全、私用共享服务频道(频道174与176),以及两个短距离公共安全/私用共享服务频道(频道180与182)。

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