V2X：圓夢(mèng)自動(dòng)駕駛，我們不可不知車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

Vehicle to Everything (V2X)，車聯(lián)萬(wàn)物，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是賦予車輛通信能力，通過(guò)多種通信形式將車輛連接到任何可以與車輛交互的對(duì)象，包括其他車輛、行人、路邊基礎(chǔ)設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)。V2X連接了行人、車輛、道路、云和其他交通要素，允許車輛收集更多信息，并促進(jìn)自主駕駛技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用。此外，V2X還有助于構(gòu)建智能交通系統(tǒng)，開發(fā)新的車輛和交通服務(wù)模式和形式，提高交通效率，節(jié)約資源，減少污染，避免交通事故，改善交通管理。在很大程度上，V2X技術(shù)正在成為決定未來(lái)幾年自動(dòng)駕駛汽車成功的關(guān)鍵因素之一。許多頂級(jí)汽車制造商，包括寶馬、梅賽德斯、路虎、雷諾、大眾等均已加入V2X發(fā)展陣營(yíng)。

什么是V2X技術(shù)？

V2X是新一代無(wú)線電通信技術(shù)，它可以實(shí)現(xiàn)車輛與其環(huán)境要素之間的實(shí)時(shí)通信，如其他車輛、道路基礎(chǔ)設(shè)施、行人、摩托車、騎自行車的人，以及使用道路的任何人或任何其他東西。根據(jù)初始設(shè)計(jì)，這項(xiàng)技術(shù)主要依賴于5.9GHz頻段的專用短程通信建立起可靠的無(wú)線電鏈路。

V2X的主要目標(biāo)是拯救生命，這可以通過(guò)在緊急情況下控制車輛移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。另一個(gè)涉及車輛控制的重要目標(biāo)是通過(guò)改善與周圍車輛的協(xié)調(diào)來(lái)提高交通效率。V2X技術(shù)允許車輛在半徑近1,000米的范圍內(nèi)與其周圍的車輛和基礎(chǔ)設(shè)施交換信息。如果將V2X的交換信息與當(dāng)前ADAS輸入數(shù)據(jù)相結(jié)合，能有效擴(kuò)大實(shí)際可視性并防止事故。

連接的車輛會(huì)交換幾種類型的V2X消息，共享的數(shù)據(jù)包括從位置、速度和方向到任何周圍障礙物等信息。分散環(huán)境信息 (DENM) 允許連接的車輛發(fā)送/接收有關(guān)危險(xiǎn)駕駛行為、事故、危險(xiǎn)天氣條件和交通的警報(bào)。這些警報(bào)可用于確定必要的警告和相關(guān)措施。

根據(jù)V2X數(shù)據(jù)降低速度，可以防止或顯著降低可能發(fā)生事故的嚴(yán)重性。相隔幾百米的車輛可以使用V2X進(jìn)行通信。在駕駛員或其他駕駛輔助傳感器觀察到危險(xiǎn)之前，可以很早就檢測(cè)到危險(xiǎn)情況。在大多數(shù)情況下，不需要急剎車或快速操縱，因?yàn)榇饲暗念A(yù)警讓駕駛員有足夠的時(shí)間減速并稍微改變車輛的行駛路線以規(guī)避潛在的危險(xiǎn)。

創(chuàng)建嵌入式系統(tǒng)安全的四個(gè)步驟

保證嵌入式系統(tǒng)足夠安全絕非易事，目前行業(yè)里尚無(wú)針對(duì)所有嵌入式設(shè)備的通用安全策略。不過(guò)，設(shè)計(jì)人員可以嘗試從以下四個(gè)方面入手去開發(fā)一個(gè)安全可靠的嵌入式系統(tǒng)。

一是評(píng)估潛在的威脅和漏洞。具體操作包括：分析產(chǎn)品的生命周期，評(píng)估開發(fā)商、硬件制造商、軟件供應(yīng)商、電信運(yùn)營(yíng)商、用戶和任何相關(guān)方對(duì)最終產(chǎn)品安全的影響，確定所有可能的軟件和物理攻擊點(diǎn)及其發(fā)生的可能性，制定有安全要求的技術(shù)規(guī)范。

二是根據(jù)需求設(shè)計(jì)可靠的軟件體系架構(gòu)。充分利用中間件和虛擬化技術(shù)，進(jìn)行組件劃分，還應(yīng)允許在共享平臺(tái)上運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)。

三是選擇工具和組件。為嵌入式系統(tǒng)選擇的軟件開發(fā)平臺(tái)其安全性至關(guān)重要，它必須符合國(guó)際或地區(qū)安全標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)硬件的選擇亦是如此，從制造商和分銷商處購(gòu)買的所有電路板、傳感器和外圍設(shè)備都應(yīng)符合解決方案所需的安全標(biāo)準(zhǔn)。

四是進(jìn)行安全測(cè)試。嵌入式系統(tǒng)中硬件和軟件組件的安全測(cè)試不應(yīng)被忽視，要作為必選項(xiàng)獨(dú)立于系統(tǒng)其他測(cè)試功能。

V2X體系結(jié)構(gòu)

V2X技術(shù)有多種通信形式，包括V2V (車輛到車輛) 和V2I (車輛到基礎(chǔ)設(shè)施) 、V2P (車輛到行人) 、V2C (車輛到云) 等技術(shù)。

V2V (車輛到車輛)：V2V使得車輛之間能夠無(wú)線交換有關(guān)其速度、位置和行駛方向的數(shù)據(jù)，其目標(biāo)是通過(guò)預(yù)測(cè)潛在的碰撞來(lái)緩解道路擁堵，減少交通事故。V2V還可用于提醒周圍車輛緊急制動(dòng)、危險(xiǎn)交通狀況和天氣狀況等。

V2P (車輛對(duì)行人)：世界衛(wèi)生組織報(bào)告稱，全世界每年有近27萬(wàn)行人死于交通事故。V2P技術(shù)有可能大幅減少這一數(shù)字。此外，能智能手機(jī)和其他智能設(shè)備上的V2P技術(shù)還能幫助行人與車輛交換有用的數(shù)據(jù)。除了分享位置信息，行人的設(shè)備還可以警告司機(jī)，比如他們需要更多的時(shí)間過(guò)街。這項(xiàng)技術(shù)對(duì)老人和兒童將起到一定的保護(hù)作用，是一個(gè)很實(shí)用的功能。

V2I (車輛到基礎(chǔ)設(shè)施)：V2I是一種智能通信技術(shù)，它允許車輛與道路基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行通信。這是一項(xiàng)世界性的技術(shù)，旨在幫助智慧城市的實(shí)現(xiàn)，使全球道路更加安全。V2X的路邊單元 (RSU) 還用于警告車輛有關(guān)道路狀況，比如道路施工情況，以便他們可以安全減速和變換車道，避免突然制動(dòng)帶來(lái)的潛在危險(xiǎn)。據(jù)公開的數(shù)據(jù)，數(shù)千臺(tái)配備V2X設(shè)備和攝像頭的路邊單元已經(jīng)在美國(guó)、歐洲和亞洲使用，美國(guó)25多個(gè)州和20多個(gè)歐盟成員國(guó)已經(jīng)啟動(dòng)了基礎(chǔ)設(shè)施部署項(xiàng)目。

V2C (車輛到云)：V2C的目標(biāo)是使車輛能夠與云進(jìn)行通信。事實(shí)上，車輛使用V2C技術(shù)來(lái)訪問信息娛樂和其他領(lǐng)域的車內(nèi)服務(wù)，能有效提高駕駛效率和樂趣。

V2X技術(shù)是決定未來(lái)幾年自動(dòng)駕駛汽車成功的關(guān)鍵因素之一。這項(xiàng)技術(shù)正在迅速崛起，并將有可能克服ADAS系統(tǒng) (高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)) 的局限性，同時(shí)確保道路安全，并通過(guò)緩解交通擁堵來(lái)減少能源/燃油消耗。奧迪美國(guó)是首家宣布通過(guò)V2X技術(shù)擴(kuò)展交通信號(hào)燈信息的制造商，該技術(shù)包括綠燈優(yōu)化速度咨詢 (GLOSA) 系統(tǒng)，為奧迪駕駛員提供速度建議，以幫助他們趕上綠燈。

V2X發(fā)展路線圖

V2X的應(yīng)用進(jìn)程將分階段推出，稱為“Day1”、“Day2”和“Day3”。其中，Day1 V2X提供救生情景感知；Day2 V2X應(yīng)用程序可以利用其他車輛共享的傳感器數(shù)據(jù)；Day3 V2X應(yīng)用程序主要提供車輛之間協(xié)商的方式，以提高道路的使用效率和安全性。為了簡(jiǎn)化V2X的引入，早期的Day1實(shí)施只會(huì)提醒駕駛員，而不會(huì)控制車輛。

從一個(gè)V2X部署階段轉(zhuǎn)移到下一個(gè)階段，例如從Day1到Day2，將受到多個(gè)因素的制約。

一是下一代通信標(biāo)準(zhǔn)的可用性：V2X每一個(gè)階段的用例均需要高可靠性和極高級(jí)別的通信吞吐量，因此，應(yīng)首選先進(jìn)的新通信標(biāo)準(zhǔn)3GPP C-V2X Rel.16或IEEE 802.11bd。這些標(biāo)準(zhǔn)正在制定中，幾年后產(chǎn)品將實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

二是自動(dòng)車輛 (AV) 的普及程度：AV將在V2X上更可靠地運(yùn)行，尤其是在具有豐富數(shù)據(jù)的可靠目標(biāo)檢測(cè)、交通燈指示、道路使用者之間的協(xié)調(diào)以及檢測(cè)障礙物的能力方面。高度自動(dòng)化車輛的普及率越高，V2X Day2 / Day3部署的需求就越高。

對(duì)V2X的發(fā)展，市場(chǎng)預(yù)期是這樣的：Day1的服務(wù)從2019年開始大規(guī)模部署；Day2的服務(wù)部署計(jì)劃在2024年底開始；Day3預(yù)計(jì)將在2028年。

V2X中的兩種無(wú)線接入技術(shù)

目前，有兩種無(wú)線技術(shù)通過(guò)相互補(bǔ)充用以滿足V2X服務(wù)的關(guān)鍵需求。這兩種技術(shù)分別是C-V2X和DSRC/ITS-G5，它們?cè)谠S可和非許可兩個(gè)不同頻段上運(yùn)行。

DSRC/ITS-G5

DSRC是由IEEE制定并且有主要車輛制造商支持的標(biāo)準(zhǔn)，它的標(biāo)準(zhǔn)化流程可以追溯至2004年，IEEE在802.11無(wú)線局域網(wǎng) (WLAN) 標(biāo)準(zhǔn)系列下制定了新的車載通信標(biāo)準(zhǔn)，即IEEE 802.11p，直至2007年左右，IEEE 802.11p標(biāo)準(zhǔn)才趨于穩(wěn)定。接下來(lái)，IEEE又著手制定了1609.x系列標(biāo)準(zhǔn)，用作V2X的安全性框架。與此同時(shí)，美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì) (SAE) 從汽車工業(yè)的需求出發(fā)，開始制定關(guān)于V2V應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)，并將其稱為DSRC，采用的通信標(biāo)準(zhǔn)即是IEEE 802.11p和1609.x。區(qū)別于其他常見的WiFi、藍(lán)牙等通信協(xié)議，位于5.9GHz頻帶的一段75MHz帶寬被劃為DSRC的專屬頻譜。

C-V2X

C-V2X (蜂窩V2X) 是基于3GPP全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的通信技術(shù)，基于4G/5G等蜂窩網(wǎng)通信技術(shù)演進(jìn)形成的車用無(wú)線通信技術(shù)，包含LTE-V2X和5G-V2X。

在過(guò)去幾年中，DSRC是唯一可用的V2X技術(shù)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的多次大規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，基于DSRC的V2X于2015年在日本投入生產(chǎn)，并于2017年在美國(guó)選定車型投入生產(chǎn)。2019年，大眾發(fā)布了基于DSRC的高爾夫8，也是該公司市場(chǎng)上第一款使用V2X的汽車。在美國(guó)，數(shù)以千計(jì)的RSU裝備了DSRC V2X。在此過(guò)程中，中國(guó)則力推C-V2X的部署。目前，有關(guān)DSRC和C-V2X這兩項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展以及應(yīng)用場(chǎng)景的討論仍在繼續(xù)。

在V2X的部署上，歐洲走在了行業(yè)的前列?；?a href="http://wenjunhu.com/tags/wi-fi/" target="_blank">Wi-Fi的DSRC技術(shù)，繼大眾高爾夫8推出之后，大眾汽車ID.electric系列也配備了基于DSRC的V2X技術(shù)，這是V2X在全球量產(chǎn)汽車中的極大規(guī)模實(shí)施。在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面，奧地利高速公路運(yùn)營(yíng)商ASFINAG已開始在全國(guó)范圍內(nèi)的高速公路上安裝DSRC V2X技術(shù)。

V2X產(chǎn)品及用例

作為“綠色交通”創(chuàng)新項(xiàng)目的一部分，德國(guó)漢堡港務(wù)局與恩智浦 (NXP)、西門子 (Siemens) 等企業(yè)合作，利用NXP V2X技術(shù)改善繁忙港區(qū)的交通流量，V2X路側(cè)單元 (RSU) 已經(jīng)安裝到當(dāng)?shù)氐慕煌?a target="_blank">控制器上。自2021年初起，陸續(xù)有150輛卡車配備了以V2X技術(shù)為特色的車載單元 (OBU) 。RSU和OBU之間的雙向通信使裝有OBU的卡車司機(jī)能夠在交通路口請(qǐng)求優(yōu)先權(quán)，并且RSU向OBU發(fā)送速度建議信息和下一個(gè)路口綠燈的倒計(jì)時(shí)。這些V2X部署均是通過(guò)NXP的RoadLINK V2X產(chǎn)品系列實(shí)現(xiàn)的。采用的芯片組是單芯片V2X調(diào)制解調(diào)器SAF5400和完全認(rèn)證的硬件安全元件SXF1800，符合通用標(biāo)準(zhǔn)EAL4+和FIPS 140-2 3級(jí)。

NXP RoadLINK SAF5400/V110是第二代V2X解決方案，支持歐洲、北美和韓國(guó)定義的全球DSRC標(biāo)準(zhǔn)，提供高性能橢圓曲線數(shù)字簽名算法 (ECDSA) 驗(yàn)證引擎、MRC天線分集和遠(yuǎn)程天線控制。帶有軟件定義無(wú)線電 (SDR) 處理器的SAF5300/SAF5400收發(fā)器為V2V和V2I應(yīng)用提供了系統(tǒng)解決方案，覆蓋了世界各地的V2X應(yīng)用，具有高質(zhì)量的通信性能和AEC-Q100二級(jí)資質(zhì)。收發(fā)機(jī)上集成了RFCMOS芯片，與基帶處理器相結(jié)合，執(zhí)行數(shù)字調(diào)制 (PHY) 和媒體訪問控制 (MAC) 處理。

RoadLink方案中采用的SAF5400芯片是一款適用于V2X應(yīng)用的汽車認(rèn)證單芯片DSRC調(diào)制解調(diào)器，每秒接收和驗(yàn)證多達(dá)2,000條消息，基于軟件定義的高 RX/TX質(zhì)量，為傳輸和接收的消息提供更好的保障。此外，SAF5400采用球柵陣列 (LFBGA249) 封裝，占據(jù)很小的PCB空間，非常適用于多層PCB。

圖3：SAF5400 芯片方框圖

DSRC和C-V2X源于不同的技術(shù)，源于WiFi的DSRC，在部署上可以借用現(xiàn)有的ETC資源和基礎(chǔ)設(shè)施，易于推廣，但也存在著傳輸可靠性和速率低、傳輸范圍小、傳輸時(shí)延較大，以及通信傳輸穿透性不強(qiáng)等問題。源于LTE的C-V2X，尤其是5G的大規(guī)模商用，獨(dú)有的高傳輸可靠性、百兆級(jí)傳輸速率，理論可達(dá)1,000米的傳輸范圍，低至1-3毫秒的傳輸時(shí)延等技術(shù)，使其在V2X應(yīng)用市場(chǎng)大有后來(lái)居上的趨勢(shì)。然而，對(duì)于任何移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，提供100%的蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋率都是一個(gè)非常困難的挑戰(zhàn)。對(duì)于聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)駕駛而言，無(wú)線電覆蓋漏洞將帶來(lái)更糟糕的后果。ADI公司的RadioVerse方案為C-V2X提供了無(wú)線電增強(qiáng)功能，即便在沒有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的情況下也可以工作。

ADRV9026是RadioVerse組合在雙波段軟件無(wú)線電 (SDR) 方面的產(chǎn)品之一，是一個(gè)單芯片、高集成度射頻IC。它有四個(gè)發(fā)射和四個(gè)接收通道，可以獨(dú)立編程和控制。通過(guò)使用先進(jìn)的本地振蕩器結(jié)構(gòu)，ADRV9026可以在6GHz以下的多個(gè)頻段同時(shí)發(fā)射和接收。圖4顯示了使用單個(gè)射頻IC ADRV9026在不同頻帶或不同無(wú)線接入中并發(fā)傳輸和接收的示例。

圖4：ADRV9026能夠在多個(gè)頻段同時(shí)傳輸和接收

V2X前景展望

目前，世界各地的許多V2X試驗(yàn)都在進(jìn)行中，美國(guó)、中國(guó)和諸多歐盟成員國(guó)都在積極部署與V2X基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)的項(xiàng)目。支持V2X的汽車制造商有奧迪、寶馬、戴姆勒、福特、路虎、雷諾、特斯拉和豐田等國(guó)際知名企業(yè)。除此之外，一大批的半導(dǎo)體企業(yè)也在全力布局V2X產(chǎn)業(yè)，NXP、ADI、高通、博世、Intel均已開發(fā)并推出了因此相應(yīng)的V2X智能交通產(chǎn)品。也許，V2X這項(xiàng)技術(shù)將在未來(lái)十年內(nèi)遍布世界的每個(gè)角落。

根據(jù)Industry Research預(yù)測(cè)，2022-2028年期間，在汽車市場(chǎng)，全球V2X規(guī)模預(yù)計(jì)將從2021年的18.65億美元增長(zhǎng)到2028年的193億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率 (CAGR) 達(dá)到38%。Markets and Markets Research則預(yù)計(jì)，到2027年，V2X技術(shù)的普及率將達(dá)到60%左右。從主要參與者來(lái)看，美國(guó)有望成為全球領(lǐng)導(dǎo)者，北美將是2017年至2025年期間最大的V2X市場(chǎng)，其次是歐盟國(guó)家。到2025年，僅V2X網(wǎng)絡(luò)安全這一項(xiàng)就會(huì)有3.65億美元的市場(chǎng)。盡管在今天看來(lái)V2X可能是一種新興技術(shù)，但不久之后，它將成為大多數(shù)基礎(chǔ)設(shè)施計(jì)劃中的固定設(shè)備。

審核編輯：郭婷