DSRC符合V2x部署條件_面向V2x應(yīng)用，802.11p已做好部署準備

V2x通信涉及車輛相互之間以及車輛與基礎(chǔ)設(shè)施之間的數(shù)據(jù)交換；事實證明，這種技術(shù)有助于改善交通安全性，提高交通系統(tǒng)的效率?；贗EEE 802.11p的直接短距離通信(DSRC)技術(shù)已經(jīng)成為所有利益攸關(guān)者開展的眾多標準化、產(chǎn)品開發(fā)和現(xiàn)場實驗活動的主題，其在V2x中的優(yōu)勢由此可見一斑。與蜂窩技術(shù)不同，DSRC目前已符合V2x部署條件，可以滿足V2x技術(shù)最為棘手的用例的需求。

圖1面向汽車的IEEE 802.11p與蜂窩連接通道比較。主要差異是采用802.11p技術(shù)的設(shè)備的直接通信能力?；诜涓C技術(shù)的服務(wù)依賴于網(wǎng)絡(luò)的存在。

1.?前言

車輛共享信息、相互協(xié)作以提高交通的安全性、環(huán)保性和樂趣性，這種想法非常具有吸引力。與該概念相關(guān)的各種技術(shù)統(tǒng)稱為協(xié)作式智能交通系統(tǒng)(C-ITS)，有望緩解交通堵塞，減輕交通對環(huán)境的影響，大幅減少致命交通事故的數(shù)量。僅其對安全的影響一項就值得將C-ITS納入考慮范圍，因為據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)統(tǒng)計，2015年有近125萬人死于交通事故，各國政府為此付出的代價約占GDP的3% [1]。

實現(xiàn)C-ITS的一項關(guān)鍵技術(shù)是無線通信技術(shù)，包括車輛對車輛(V2V)通信、車輛對基礎(chǔ)設(shè)施(V2I)通信和基礎(chǔ)設(shè)施對車輛(I2V)通信（圖2）。這些無線通信統(tǒng)稱為V2x通信。

V2x需要支持ITS系統(tǒng)的諸多安全相關(guān)和非安全相關(guān)用例。附錄中的表一和表二列出了主要用例。

????? 圖2藝術(shù)家眼中具有通信能力的車輛和基礎(chǔ)設(shè)施。車輛可以是汽車、飛機、火車和輪船。中央交通管理系統(tǒng)(CMS)負責管理協(xié)作式智能交通系統(tǒng)(C-ITS)的多個方面。

表一為安全相關(guān)用例，比如收發(fā)“緊急電子剎車燈”消息的能力，車輛以廣播模式每十分之一秒發(fā)送一次該消息，報告緊急剎車行為。表二為非安全相關(guān)用例，比如“交通燈最佳建議速度”消息，該消息旨在通過定期廣播，給出最佳速度建議的方式改善交通流。

為了支持安全相關(guān)和非安全相關(guān)消息，V2x通信中使用的無線技術(shù)需要做到幾件事。它們需要在高度動態(tài)化的環(huán)境中工作，其中，發(fā)射器與接收器之間有著相對較高的速率；需要為安全相關(guān)應(yīng)用提供極低延遲支持（“碰撞前檢測警告消息”為50毫秒，見表一）。它們還需要承受因多個主機定期傳輸多條消息而造成的高負載，以及交通堵塞時存在的高車輛密度問題。另一個考慮因素是，V2x消息具有局域性，也就是說，它們對附近的接收者最為重要。例如，“碰撞前檢測警告消息”對碰撞事故周圍車輛極其重要，卻與遠離現(xiàn)場的車輛無關(guān)。

????? V2x事實上的標準是專用短距離通信(DSRC)無線技術(shù)（基于IEEE 802.11p標準）、美國的1609行車環(huán)境無線接入(WAVE)協(xié)議和歐洲電信標準協(xié)會(ETSI) TC-ITS歐洲標準。美國交通部向國會所交報告[2]的出版證實了這一點，該報告明確地說明了IEEE 802.11p為V2x應(yīng)用帶來的好處。

IEEE 802.11p在設(shè)計上從一開始就明確要以最嚴格的性能指標滿足V2x應(yīng)用的所有需求。1999年，美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)在5.9 GHz區(qū)域為V2x留出了75 MHz的帶寬，此為IEEE 802.11p標準的工作頻段。該標準于2009年獲得批準，此后，業(yè)界進行了一些現(xiàn)場試驗。包括Autotalks、恩智浦半導(dǎo)體和Renesas在內(nèi)的多家半導(dǎo)體公司還設(shè)計并測試了符合802.11p標準的產(chǎn)品。

IEEE 802.11p已做好部署準備，并且日益受到青睞。ETSI組織了四次ITS“插拔測試”，最近一次于2015年3月在荷蘭赫爾蒙德市進行[3]，第一次在2011年11月進行。另外還進行了廣泛的現(xiàn)場試驗，具體有美國的“安全駕駛員”項目[4]、歐洲的“駕駛C2X”項目[5]、法國的Score@F項目[6]和德國的simTD項目[7]；在ITS走廊項目[6]中，荷蘭、德國和奧地利的基礎(chǔ)設(shè)施組織對V2I專用802.11p標準和C-ITS中央系統(tǒng)技術(shù)的成熟度進行了評估。這些現(xiàn)場試驗反映了過去10年為驗證802.11p技術(shù)而進行的大量投資。旨在解決同一應(yīng)用需求的任何其他技術(shù)都需要重新進行所有這些試驗。

美國基于收集到的證據(jù)作出決定認為，IEEE 802.11p技術(shù)能大量減少道路上的碰撞事故，并且預(yù)計將于2016年第二季度強制在安全相關(guān)用例中采用802.11p技術(shù)[2]。美國交通部在2015年的一份預(yù)先通知中表達其意向[8]。一家美國汽車制造商已決定在交通部頒布命令之前，在其產(chǎn)品中采用802.11p技術(shù)[10]。

2016年，在美國頒布命令之后，802.11p技術(shù)市場有望大幅擴張。以下兩個因素進一步增進了這一勢頭：越來越多的證據(jù)有力地證明了V2x的安全優(yōu)勢；市場逐漸意識到，替代解決方案（包括蜂窩技術(shù)）遠未達到市場推廣要求，–甚至尚未形成技術(shù)規(guī)格。

2.?V2V專用蜂窩技術(shù)仍然遠離現(xiàn)實

C-ITS系統(tǒng)通常只指定其應(yīng)用需求，不會指定具體的技術(shù)。目前，除802.11p之外，還有多種技術(shù)以支持V2x用例需求為目標。其中有蜂窩類技術(shù)，包括3G、LTE和LTE-A [11-13]。

全球每天有數(shù)十億人在使用蜂窩技術(shù)（圖3），該技術(shù)顯然是我們時代最成功的無線標準。蜂窩技術(shù)規(guī)格由第三代合作伙伴項目(3GPP)定義。如今被認為是寬帶蜂窩技術(shù)且稱為4G或LTE的技術(shù)可以追溯到2009年的第8版3GPP標準。由于蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施部署十分廣泛，因此，其升級需要時間。整體而言，第8版的大規(guī)模部署需要大約6年時間。
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圖3 全球移動用戶數(shù)。

鑒于蜂窩技術(shù)在全球取得的成功以及其在全球的普及性，將蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施和蜂窩用戶設(shè)備(UE)用于V2x應(yīng)用的可能性極具吸引力。然而，當前版本的蜂窩技術(shù)只能滿足基本的V2x用例需求，缺少對低延遲和高移動用例的支持。這些是與安全相關(guān)用例密切相關(guān)的要素。

為了突出進一步發(fā)展蜂窩技術(shù)以支持V2x的必要性以及C-ITS的優(yōu)勢，3GPP成立了一個V2x研究小組，以推動C-ITS技術(shù)的發(fā)展。在3GPP評估支持所有V2x用例所需要的新能力并達成一致意見之后，就會出現(xiàn)一個發(fā)展期，業(yè)界也會加大投入以實現(xiàn)這些能力。在此基礎(chǔ)上，一旦有新的3GPP標準可以部署，則會再出現(xiàn)一段時間的延遲，因為要升級基礎(chǔ)設(shè)施以支持這些新的能力?，F(xiàn)實地說，可能需要多年時間，蜂窩技術(shù)才能完全滿足V2x通信的所有需求（圖5）。

面向非安全相關(guān)用例的蜂窩技術(shù)：V2I/I2V

目前來看，蜂窩技術(shù)非常適合附錄中表二所列非安全相關(guān)用例?？傮w上，這些是V2I和I2V通信中涉及到基礎(chǔ)設(shè)施的用例，其中，內(nèi)容源于云或在云端處理。

第8版LTE只需少量改動或者無需改動，即可涵蓋多數(shù)這些用例，因為它提供了必要的性能和帶寬。但不清楚的是，LTE網(wǎng)絡(luò)在超擁堵和某些運營商漫游條件下將擁有什么樣的性能。例如，交通管理消息對高度擁堵的城市環(huán)境至關(guān)重要。作為管理高度擁堵問題的一個選項，可以考慮采用點對多點接口，比如，即將發(fā)布的第9版LTE-A中定義的演進多媒體廣播/多播服務(wù)(eMBMS)。然而，eMBMS設(shè)計用于支持靜態(tài)情景，比如人群在體育館觀看足球賽的情況。換言之，該接口可以有效管理面向一群人的通信，前提是他們基本保持靜止；但在處理大量進出車輛時，無法達到效率需求。

類似地，如何管理移動網(wǎng)絡(luò)運營商(MNO)之間的切換、如何管理應(yīng)用服務(wù)提供商之間的合作，以及其他應(yīng)用的數(shù)據(jù)流量可能對I2V應(yīng)用造成哪些影響，這些都并不清楚。還有一個問題是，作為一種用例，I2V應(yīng)用這個案例是否足以證明為實現(xiàn)上述目標部署eMBMS而進行投資的合理性。目前，已經(jīng)部署的多播/廣播解決方案非常少，因為基礎(chǔ)設(shè)施和用戶設(shè)備升級的成本非常高。

可以考慮的另一個辦法是在具有不同安全需求的領(lǐng)域采用蜂窩調(diào)制解調(diào)器。LTE調(diào)制解調(diào)器需要支持實現(xiàn)車輛主動控制所需的各種安全認證。例如，如果用從基礎(chǔ)設(shè)施傳到搭載有高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)的車輛的限速消息來設(shè)定汽車的巡航控制，則調(diào)制解調(diào)器就需要滿足相關(guān)汽車安全完整性等級(ASIL)的要求，而這會增加調(diào)制解調(diào)器硬件的成本。

鑒于全球手機用戶市場的當前規(guī)模已達約80億用戶，而汽車市場每年只售出約1億輛車，因此，調(diào)制解調(diào)器行業(yè)可能看不到支持特定汽車要求的必要性。在蜂窩連接方面，汽車工業(yè)一向發(fā)展緩慢，部分原因在于，汽車一直都不是蜂窩工業(yè)的發(fā)展重點。

面向安全相關(guān)用例的蜂窩技術(shù)：V2V

在I2V和V2I通信中，面向非安全相關(guān)用例的蜂窩技術(shù)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)不如安全相關(guān)問題和V2V通信面臨的挑戰(zhàn)嚴峻。

蜂窩網(wǎng)絡(luò)（若有）可用于V2V通信。汽車產(chǎn)生消息，網(wǎng)絡(luò)接收消息，然后再把消息轉(zhuǎn)發(fā)給所有其他汽車。假設(shè)蜂窩網(wǎng)絡(luò)完全覆蓋所有道路沿線（情況并非如此），蜂窩服務(wù)需要提供超高數(shù)據(jù)帶寬并實現(xiàn)超低延遲。但現(xiàn)實情況是，當今的蜂窩網(wǎng)絡(luò)并不能提供這一性能水平。

有些V2V用例要求在車輛之間連續(xù)進行信息交換（0.1至20 Hz），其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)太多，單播LTE網(wǎng)絡(luò)根本無法處理，詳見附錄中的表三。據(jù)美國交通部ITS聯(lián)合項目辦公室，如果以歐盟標準廣播V2V協(xié)同感知消息(CAM)，或以美國標準廣播基本安全消息(BSM)，僅一輛汽車一個月就會產(chǎn)生約0.5 Gb的數(shù)據(jù)，峰值速率達2.5 Kb/s。這相當于每條消息256字節(jié)，每秒要發(fā)5條消息，每天行駛4小時。在接收器端，假設(shè)目標區(qū)域有30輛汽車（或者最多300輛），則基礎(chǔ)設(shè)施每個月需要處理約16 GB數(shù)據(jù)（峰值為750 KB/s）[4]。

一直以來，蜂窩網(wǎng)絡(luò)都需要大量帶寬，每個3GPP版本都會提高帶寬要求。另外，更多的數(shù)據(jù)也意味著更多的商機，因為移動網(wǎng)絡(luò)運營商是基于資源用量收費的($/b/s/Hz)。理論上，應(yīng)該免費支持V2V流量，這意味著，移動網(wǎng)絡(luò)運營商需要開發(fā)替代業(yè)務(wù)模式，以證明為增量V2x流量進行投資的合理性。運用eMBMS協(xié)議（已經(jīng)是第8版的部分內(nèi)容）雖能緩解問題，但正如前面討論的那樣，這類協(xié)議并未得到廣泛部署。

有些V2V用例并不要求高帶寬，其中包括基于事件廣播分散化環(huán)境通知消息(DENM)。雖然蜂窩網(wǎng)絡(luò)能支持這些用例，但問題在于，這些消息要求超低延遲。如果未提前將資源分配給V2x服務(wù)，蜂窩系統(tǒng)雖然支持低延遲，但并非所有條件下均能如此，比如跨越多個移動運營商、跨境，甚至跨基站時。最關(guān)鍵的用例——碰撞前警告消息，其延遲要求為50毫秒——尤為如此。

利用蜂窩技術(shù)支持V2V用例的另一種方式是在蜂窩系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)直接通信技術(shù)。事實上，這正是3GPP V2x研究小組的重點工作。他們提出的方法以設(shè)備對設(shè)備(D2D)通信協(xié)議為基礎(chǔ)，該協(xié)議是第12版的一部分，但并不適合V2V用例。D2D協(xié)議依賴于已將必要資源分配給用戶的蜂窩網(wǎng)絡(luò)。例如，如果附近的兩個用戶想共享一個文件，網(wǎng)絡(luò)就會告知終端，可以使用哪些時間頻率資源進行直接通信（圖4）。網(wǎng)絡(luò)初始化通信，并管理本地D2D傳輸產(chǎn)生的干擾。這種方法不適用于在網(wǎng)絡(luò)未覆蓋時也要滿足要求的V2V用例。

圖4 蜂窩設(shè)備到設(shè)備通信技術(shù)與IEEE 802.11p在V2V中的應(yīng)用比較。在采用蜂窩技術(shù)時，網(wǎng)絡(luò)全權(quán)控制直接通信，確保了對網(wǎng)絡(luò)干擾的有效管理。在采用IEEE 802.11p技術(shù)時，通過隨機訪問協(xié)議廣播消息，可以確?？焖賹嵤﹤鬏?，但是會降低無線資源的效率。

D2D可在無網(wǎng)絡(luò)時正常工作，但僅允許在緊急情況下這樣做，并且僅受一種超慢設(shè)備發(fā)現(xiàn)協(xié)議支持。為了使D2D配置適合V2V通信，3GPP V2x研究小組發(fā)現(xiàn)了一些基本挑戰(zhàn)，需要改變信號結(jié)構(gòu)（如額外試驗，以更好地估算通道），甚至需要重新討論最合適的調(diào)制模式（如SC-FDM或OFDM）。有點奇怪，但也并不十分出乎意料，3GPP V2x研究小組作出的技術(shù)選擇與802.11p標準的選擇類似。這些關(guān)鍵變化會帶來新的硬件解決方案，而這些解決方案的開發(fā)則需要時間和成本。

所有蜂窩類V2x服務(wù)都需要應(yīng)用服務(wù)提供商(ASP)的積極合作，以便最大限度地實現(xiàn)協(xié)同數(shù)據(jù)共享的好處。從商業(yè)角度來看，應(yīng)用服務(wù)提供商需要定義新的合作模式，并且這些模式只會非常緩慢地發(fā)展?；?02.11p的V2x服務(wù)不要求進行這類合作，因為消息已經(jīng)標準化，并且是用明碼發(fā)出的。

V2x專用蜂窩技術(shù)發(fā)展時間表

可以肯定的是，蜂窩技術(shù)界會找到V2x的技術(shù)解決方案，因為3GPP在技術(shù)領(lǐng)域擁有輝煌業(yè)績。實際上，問題不是行不行，而是何時可行，因為還有大量工作要做。

圖5 IEEE 802.11p與蜂窩技術(shù)在支持V2V用例方面的時間表。當前和未來的LTE版本會越來越高效地支持V2V。然而，只有LTE-V2x專為正確處理V2V用例而設(shè)計，并將于2023年左右做好大規(guī)模部署準備。

可以預(yù)計，對V2x用例的支持將成為3GPP標準的一部分，最早見于第14版和15版，這兩個版本很可能在2017年底定稿。然后，需要更多時間–可能是多年–該技術(shù)才能得到全面應(yīng)用。過去，如前所述，大規(guī)模基礎(chǔ)設(shè)施升級需要6年時間才能完成。以此為依據(jù)，面向LTE-A的V2x服務(wù)要到2023年左右才會出現(xiàn)，這還是樂觀估計（圖5）。

更現(xiàn)實的情況是，V2x將納入第16版及以后的版本，這些版本被稱為5G（圖6）。目前，5G還是一個非常寬泛的概念。其最有意思的一個方面是，其具有異質(zhì)性，通過一種傘形技術(shù)把多種不一樣的通信通道鏈接起來。V2x很可能成為5G生態(tài)系統(tǒng)的一部分，由完全重新設(shè)計的硬件來支持架構(gòu)上的變化。

在已存在成熟參與者的領(lǐng)域里，這會使蜂窩技術(shù)成為一個新的競爭對手。

有人可能會認為，等待蜂窩類技術(shù)是值得的，因為可以重復(fù)利用汽車中的現(xiàn)有通信通道。然而，如上所述，V2x在硬件方面的需求有很大差異，很可能需要獨立的解決方案。另外，V2x用例有可能成為3GPP體系的一部分，但很可能不會成為面向手機的大眾市場硅芯片的一部分。

安全是另一個要考慮的方面。目前的蜂窩系統(tǒng)利用手機中的用戶識別模塊(SIM)進行網(wǎng)絡(luò)驗證。網(wǎng)絡(luò)識別SIM卡，并基于識別結(jié)果提供安全連接。SIM可能對網(wǎng)絡(luò)輔助型V2x通信有效，但如果沒有網(wǎng)絡(luò)，則需要實施某種其他安全機制。802.11p定義了這類安全機制，3GPP可能會采取類似的方法，但目前尚未正式處理這個問題。

在美國，國家公路交通安全管理局(NHSTA)提出了隱私問題。在基于網(wǎng)絡(luò)的解決方案中，用戶數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆贫?。運營商需要提供相應(yīng)的機制來保護云端的用戶數(shù)據(jù)，并且可能最重要的是，用戶需要接受并信任這些機制。對每個人來說，隱私都是一個日益嚴峻的問題，因此，可以預(yù)計，基于云的系統(tǒng)會受到強烈的反對。在基于IEEE 802.11p的解決方案中，消息不會傳輸?shù)皆贫耍绱?，就可以更加方便地解決隱私相關(guān)問題。

蜂窩網(wǎng)絡(luò)在全球范圍內(nèi)已經(jīng)部署到位，這一事實經(jīng)常被作為在V2x解決方案中采用蜂窩技術(shù)的一個理由。其主要論點是，既然已經(jīng)有了蜂窩網(wǎng)絡(luò)，則沒有必要為802.11p投資并部署一套新的基礎(chǔ)設(shè)施。但是，如前所述，將現(xiàn)有的蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施用于V2x并不像表面上那樣簡單，因為今天的基礎(chǔ)設(shè)施并不具備支持眾多V2x用例的能力，此類用例需要在高移動性或高擁堵條件下實現(xiàn)超低延遲。

需要注意的是，基于802.11p的技術(shù)（表現(xiàn)為路邊單元(RSU)）可以部署在大部分現(xiàn)有道路基礎(chǔ)設(shè)施中，包括交通燈和交通信號。與需要新基站塔來擴容的蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施不同，802.11p基礎(chǔ)設(shè)施可以利用現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，從近期和長期部署來看，這樣可以節(jié)省大量成本。從系統(tǒng)需求角度來看，在十字路口采用路邊單元是合乎情理的。信號相位和配時控制器與路邊單元相配合，可實現(xiàn)多種安全、移動和交通效率應(yīng)用。十字路口是采取“行動”的地方。

對于802.11p，需要注意的另一個方面是，全球已經(jīng)為基于802.11p的V2x服務(wù)分配了頻譜。如前所述，5.9 GHz區(qū)包括為基于802.11p的V2x服務(wù)留出的75 MHz帶寬。這是802.11p最寶貴的一項資產(chǎn)。各國、各州、汽車制造商和基礎(chǔ)設(shè)施提供商只需證明其遵循這些標準，就可以利用5.9 GHz區(qū)了。無需訂閱、漫游協(xié)議等。如今，隨著消費者活動的不斷增多以及物聯(lián)網(wǎng)的擴張，蜂窩服務(wù)提供商已經(jīng)面臨多種帶寬問題，可能難以滿足V2x的技術(shù)和業(yè)務(wù)需求。

第8版LTE可能已經(jīng)成為車輛的一部分，但還需要很長時間–可能8年或以上–所需蜂窩標準（即LTE-A和5G）才能全面支持所有安全相關(guān)和非安全相關(guān)的V2x用例。相反，經(jīng)過現(xiàn)實檢驗且符合相關(guān)標準的802.11p解決方案已經(jīng)萬事俱備，可以隨時在全球范圍內(nèi)大規(guī)模部署。采用802.11p意味著可以更快享有V2x用例的種種好處。

恩智浦、Cohda Wireless和西門子相信，802.11p是當今部署V2x應(yīng)用的最佳選擇，因為該技術(shù)已經(jīng)整裝待發(fā)。但我們也發(fā)現(xiàn)，有必要擴大其兼容性。我們目前秉持共存理念，以提高802.11p與LTE-A/5G的兼容性，甚至在考慮把二者融合起來，形成一種異質(zhì)車輛網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，充分發(fā)揮–802.11p對安全相關(guān)用例的支持能力以及LTE-A/5G對非安全相關(guān)用例的支持能力。