2020年11月,美国联邦通信委员会(FCC)正式投票决定将5.9GHz频段划拨给Wi-Fi和C-V2X(Cellular Vehicle-to-Everything,基于蜂窝网络的车联网通信技术)使用,这标志着美国正式放弃DSRC并转向C-V2X,我国主推的C-V2X成为全球车联网唯一标准。

 

 

全球车联网唯一标准C-V2X 不过,智慧城市和自动驾驶的车还并没有走到一起,通信、安全和功耗问题仍有待解决。为此,不仅是中国,欧美国家也都在思考智慧的路和智能的车如何发展的问题。 

 

1、中国先声夺人

按照C-V2X标准化工作规划,结合新品研发周期及上市时间,预计中国到2022年将具备大规模部署C-V2X的基础。此前,示范区、先导区的试点示范工作已陆续展开。随着C-V2X部署工作落地,首先将带来芯片、模组、终端设备、管理平台、安全认证等的海量需求,同时实施能力较强的交通信息化厂商也将直接受益。

 

C-V2X的进展在很大程度上与体制有关。中国政府非常积极地投资建设基础设施,计划在90%的高速公路上安装V2X技术设施,中国正在成为这一领域的领军者。欧洲和日本会紧随其后。由于没人指望美国政府为这样的事情买单,而是希望私营部门能够加快步伐,美国的步伐将落后于前者。

 

近年来,北美通信标准802.11p(DSRC,专用短程通信)和C-V2X之间的争论一直在继续。FCC早在20多年前就将DSRC指定为其业务的技术标准,但DSRC并没有得到实际部署,这一关键的中频频谱已基本闲置了几十年。为此,FCC开始从DSRC转向了C-V2X,以加速其服务的实际部署,从而提高汽车安全性。 

 

2、5G是必由之路

政治体制将对V2V(Vehicle to Vehicle,车对车)和C-V2X的实现起到一定作用,因此,美国不同于欧洲,也与中国截然不同。

 

目前,一些创新型的美国城市正试图通过一些早期部署,邀请自动驾驶车辆进入其区域。德国的大众GTI曾搭载DSRC,而通用汽车几年来一直提供4G功能,但其使用量相当有限。它并没有用来传送更新软件,而只是帮助进不了车的车主开锁。

 

C-V2X与完全自动驾驶车辆的发展紧密耦合,技术上的共同点是5G。3GPP在5G中实现了一些特定功能,使其在汽车领域更加有用,包括提高可靠性和带宽,还增加了一些优先级。例如,车后座上有人在播放电影,也能够优先处理数据,这有助于安全应用。

 

C-V2X使用5G进行通信,如为自动驾驶规划路线。许多主机厂已经承诺将V2X部署在远程通信控制单元(TCU)中。基础设施侧的路边单元与路灯或停车场通信的设备也在使用5G无线电。 

 

 

C-V2X利用5G通信 C-V2X基础设施的部署取决于支持性法规、重大投资和自动驾驶车辆关键技术的开发。随着汽车自动驾驶水平的提高,越来越多的国家开始参与在现实中测试C-V2X应用的试点项目。许多美国主机厂已承诺在新车型中支持这一功能。密歇根州成立了未来出行办公室,负责所有出行相关举措(包括基础设施)的战略协调;旧金山、亚特兰大、科罗拉多、匹兹堡等地也推出了自动驾驶汽车和C-V2X的试点项目。

 

同样,在欧洲,C-V2X测试正在许多国家进行。私营公司和欧盟C-Roads项目等倡议给予了广泛支持。5G就绪测试也正在进行,以期待5G在该地区的广泛推广。 

 

3、车路协同还不够

智慧城市规划者和主机厂正在努力解决C-V2X面对的各种问题,但两者的工作节奏和技术往往截然不同——尽管这两个世界需要沟通才能发挥作用。

 

在城市地区优化交通对于减少能源消耗和事故,让应急车辆尽快通过至关重要。但是,实现这些目标非常复杂,需要将通信、安全和功率技术结合在一起,这些技术需要落实在道路、交通信号、建筑物和其他结构中,才能实现车辆与车辆及基础设施的通信。

 

C-V2X使用蜂窝协议在车辆和障碍物(如其他车辆、骑自行车的人、行人和道路工人)之间实现直接通信,并接收来自路边发射器的安全信息。

 

不管C-V2X是什么,它都将大大增强自动驾驶汽车的能力,因为它具有近距离进行信息交换的功能。除了C-V2X,没有任何传感器可以看到十字路口周围的情况。

 

到目前为止,自动驾驶的发展一直以车辆为中心或以监管为中心。但如果你的车里有C-V2X,即使能与城市对话,也不能与其他车辆通信,因为市场渗透率还很低。因此,汽车方面必须跟进才行。这是安全方面的考量。

 

此外,汽车通过智能交通信号与交叉口通信也可以提高出行效率,在这方面不需要大规模的市场渗透。另一个例子是紧急服务车辆和急救人员,如果他们可以自己拨入C-V2X,就可以一路绿灯,并对整条道路进行“管控”,而不只是在近场。这是无线广域网和短程网结合的应用。这种反应相当迅速,而且好处立竿见影。

 

智慧城市不是一组相关的静态基础设施,而是动态的功能集合,因此任何道路使用者都是智慧城市的一部分,包括行人和车辆。

 

虽然C-V2X和自动驾驶都在开发,但其实现时间表可能有很大不同。即使是使用激光雷达的车辆来到十字路口,也不意味着它就是L4或L5自动驾驶车辆,很可能只是L2。事实上,利用C-V2X,很多车辆都可以提供较高级别的驾驶能力,而且不会像L4或L5那样昂贵。

 

商用车辆有可能是车路协同落地的最佳场景,虽然基础设施有所不同。这些设施将部署在交通走廊中,第一个用例是解决“最后一公里”的站点到站点运输,尤其是在高度城市化的地区。

 

至于车辆本身,C-V2X概念如何在车内发挥作用仍有待研究。不过,从数据处理的角度看,无论在哪里,功耗都是一个棘手的考虑因素。特别是在纯电动汽车中,需要在能耗和性能之间进行权衡。

 

此外,现成的处理器不适合电动汽车或基础设施设备。尽管在技术上可以将现成的硬件用在基础设施(如路边标志)中,运行完全相同的算法来进行目标检测和分类,但在功耗方面是行不通的。

 

一个例子是高峰时段的十字路口,路侧单元(RSU)会检测到更多的物体,但处理起来计算需求巨大。人们希望所有的计算能力都能从太阳能电池板上获得,但现实无法实现,因为太阳能电池板必须有足球场那么大。回到车辆,它必须运行人工智能推理算法,需要大量训练,同样有许多处理工作。所有这些都消耗大量能量。这意味着现成硬件组件的想法不切实际,尤其是价格也不菲。

 

可以肯定的是,能够相互交流的智能汽车及其环境为更安全的道路、更高效的旅行和更好的驾驶体验开辟了可能性,但推广需要时间。

 

V2I(车辆基础设施互联系统)和更广泛的V2X需要在车外支持智能基础设施。虽然试点项目已经有了,但我们仍处于了解现有技术的要求和能力的早期阶段。预计大规模采用至少还要五年或更长时间。 

 

4、安全是严峻挑战

关于基础设施,如果有人在电线杆上贴上假标志,车辆将作何反应?这样的攻击模式不是没有发生过。特斯拉Autopilot系统就曾多次被无线电波、声和光成功“骗过”,或开始减速,或刹车、转弯,这是不是很危险?

 

车路协同的最大挑战也是安全。首先必须确保与车辆通信的汽车是一辆值得信赖的汽车,而不是一些黑客发送的试图干扰车主反应的假信号。这涉及到汽车相互验证的公钥加密,一辆汽车会从周围所有汽车收到上百个信号,它们来自大众、梅赛德斯、通用汽车等的实际汽车。为了做到这一点,车辆需要一个信任的根,以确保没有人可以全面查看你的加密处理,以及在处理它们时的加密操作。

 

现代汽车更像是带轮子的电脑,而不是汽车。除了V2X环境的通信外,车辆内部必须有安全措施。这是因为一辆典型汽车里有50到100个电脑控制单元,可以处理各种各样的事情——转向、巡航控制、娱乐、仪表、刹车灯,等等。汽车中的70%组件是由供应商提供给主机厂的,而非后者自己制造。如何确保每一个组件都没有恶意注入的东西?

 

长期以来,CAN总线一直是车内通信网络,由于成本原因,通常不包括任何安全性。并不是因为主机厂不需要,而是因为汽车利润微薄。因此,现在的方法是将安全性放在电子控制单元(ECU)中,因为每个ECU的处理器中都有一个计算机。由于无法保护处理器之间的网络,因此在处理器相互通信时,都要相互验证。

 

通信的数据也需要保护,比如加密,确保没有人能窃取信息。还要确保所有信息都是签名的或真实的。这意味着,在车联网环境中,发给另一辆车、一栋建筑、一个标志或基础设施的信息确实是我的信息,而不是路边一个拿着带天线的笔记本电脑的人发出的假冒信息。说起来很简单,但所有问题都非常具体和分散,以至于密钥管理犹如一团乱麻。

 

由于车辆是一个实际的设备,这些安全功能需要存储在硬件级别。所以把所有的东西都放到真正的芯片上非常重要。这就是信任根真正重要的地方,这些密钥需要安全地存储在某个地方。信任根提供了一个很好的框架,在相同的环境中更新它们也很重要。同时,还要确保系统的复杂性不会太高,这对于车联网应用来说尤为重要。

 

虽然5G为车辆与各种基础设施连接提供了更大带宽,但当今的人工智能和边缘计算技术的发展使数据量和所需的验证大幅增加。确保这些通信安全可靠进行的复杂性出人意料。形式验证(Formal Verification)将在验证为智能通信提供动力的IC(集成电路)方面发挥关键作用。它不仅可确保设计按预期运行,还有助于消除安全漏洞。

 

5、相辅相成的搭档

智慧城市和智能汽车的好处显而易见,两者都在进步,尽管推广起来都有难度。随着时间的推移,C-V2X的价值会越来越高,最大的挑战是迈出第一步,就像群体免疫。如果在一个十字路口,大多数汽车都具有这种能力,就可以有更多的安全。

 

有朝一日,C-V2X安全性的好处尽人皆知,有更多主机厂参与其中,使之成为一个标准功能。当你想买一辆车时,也会考虑有没有C-V2X。要做到这一点,还有很多工作要做。