汽车网络对服务质量(QoS)的要求体现在延迟、数据传输速率、可靠性和通信距离等方面。近年来,诸如车联网(V2X)等新兴汽车网络应用和用例已经取得了一些成就,它们无疑对上述QoS提出了更加严格的要求。至于自动驾驶汽车,开发人员往往会将目光聚焦在摄像头、雷达和激光雷达(LiDAR)这三种传感器技术上,但车联网这项业已存在的无线技术同样可以为自动驾驶汽车带来显著的附加价值。要实现车联网,就需要在参与交通行为或者与交通行为相关的各种传感器之间建立起高带宽、低延迟的可靠通信,而5G移动网络就能够为车与车(V2V)以及车与基础设施(V2I)通信实现这样的连接。

 

本文将探讨第三代合作伙伴计划(3GPP)打算如何在车联网应用中采用5G技术,以及这一方案相较于现有的专用短程通信(DSRC)或其他蜂窝车联网(C-V2X)方案所具备的显著优势。需要注意的是,“蜂窝车联网”中的“蜂窝”一词其实存在一定的误导性,它在这项应用中并不是指5G这样的蜂窝网络,而是指蜂窝无线电中让双方能够直接通信的基础电子技术。

 

技术变革呼之欲出

从通信技术的角度来看,未来的智能交通系统(ITS)服务已经得到了广泛接受,这一趋势最终将指向自动驾驶,并且需要通过5G车联网等先进通信技术实现车辆高度连接。经过多年研究,并且在学术界和业界的推动下,成熟的5G技术已经投入使用,于是3GPP从第16版标准开始起草了5G车联网标准。

 

接下来,让我们先从车联网的定义谈起。所谓“车联网”(V2X),拆开来看就是“Vehicle to Everything”:车连万物。这项技术是一种双向通信方式,可以在汽车或纯电动车与周围任何可能影响到它的实体之间传输信息。在实现完全自动驾驶之前,车联网应用已经能够对交通安全和便利性产生重要影响。该项技术还有助于减少交通拥堵、降低交通对环境的影响,并让车内的驾驶员和乘客更加舒适。

 

5G联手车联网,车辆和行人的安全将更有保障。当执行紧急任务的车辆驶近时,或者人行横道线上有行人正在穿越时,附近的其他车辆会收到距离和方向信息,并向驾驶员发出提示或直接介入控制。在出于安全需要或发生意外事件时,交通信号灯的时间能够加以控制或延长,从而使驾驶员更容易注意到行人,避免行人突然出现在车流中。当发生交通事故时,附近的车辆会收到事故的位置和距离。此外,校车在行驶中以及停车上下学生时,也可以提示附近车辆小心驾驶或停车避让,为学生提供更进一步的安全保障。

 

蜂窝车联网(C-V2X)是车联网的一个组成部分,可以对摄像头、雷达和激光雷达等视距(LoS)传感器起到补充作用,这对安全驾驶至关重要。此外,蜂窝车联网的传感覆盖范围大于视距传感器,并且为车辆与周围一切事物相互通信建立了基础。2014年,3GPP在第14版标准中启动了蜂窝车联网的标准化研究,采用的是以LTE作为底层技术的方案。该项规范于2017年发布。

 

车联网涉及多种类型的通信,包括车与基础设施(V2I)、车与网络(V2N)、车与车(V2V)、车与行人(V2P)和骑车人等弱势交通参与者,以及车与设备(V2D),对于电动汽车而言还包括车与电网(V2G),如(图1)所示。

 

 

图1:车联网的主要通信类型:车与车(V2V)、车与行人(V2P)、车与基础设施(V2I)以及车与网络(V2N)。车联网传输的安全消息在欧洲为协同感知消息(CAM)与分布式环境通知消息(DENM),在美国为基本安全消息(BSM)(图源:IEEE)

 

与此同时,汽车行业也在寻求可行的方法降低车载单元(OBU)的成本,从而在支持5G车联网的同时维持车价不变或尽可能缩小涨价幅度。

 

5G与车联网的邂逅

有5G加持的车联网,将会变得更加易用、快速、可靠。5G与车联网架构的区别可以总结成如下两点:

 

蜂窝基础设施:5G和其他无线电移动服务一样采用蜂窝基础设施,也就是将整块地域划分成若干个蜂窝小区,它们之间有较大的重叠区域,并由被称为“基站”的天线系统来管理。

 

结构更加灵活:车联网和其他无线服务一样采用更加灵活的结构,通过被称为“热点”的小型天线设备系统,借助强大的合作策略,尽可能地确保连接质量。

 

DSRC与C-V2X:孰优孰劣?

现如今,为提高车辆安全性而制定的高速通信协议有DSRC和蜂窝物联网两种,它们都具有传输速度非常快、数据交换频率高和延迟低的特点。

 

DSRC在5850MHz至5925MHz频段的数据传输速率为6Mbps至26Mbps;蜂窝车联网的接收速率和最大发送速率为26Mbps。两者都工作在5.9GHz频段,都采用相同的用例和相同的消息集(SAE J2735和J2945),也都使用数字签名来确保消息提供者的安全性和可信度。DSRC和蜂窝车联网都无需在传输数据前先建立连接,但它们始终都在广播车辆的位置、加速度和速度,同时监听其他车辆发出的信号。

 

这两项技术采用了不同的无线标准。DSRC采用的是WAVE IEEE(802.11p),蜂窝车联网则采用和手机一样的长期演进(LTE)技术。美国FCC已于2020年11月将5.9GHz频段分配给Wi-Fi和C-V2X。

 

DSRC和蜂窝车联网之间无法互通,它们在各个方面也表现出了不同的特性。DSRC的传输距离大约为300m,而蜂窝物联网的延迟更低,传输距离比前者长20%至30%,在有障碍物的情况下,性能也明显好于DSRC,因而蜂窝物联网的整体性能显著优于DSRC,但对于关键性的安全应用而言,DSRC的传输距离和可靠性依然是足够的。

 

蜂窝车联网侧链路

3GPP第16版标准通过5G NR在蜂窝车联网中引入了侧链路,促成了跟车行驶、高级驾驶、扩展传感器和远程驾驶等蜂窝车联网新应用。在危急的驾驶场景中,紧急制动和碰撞避让是家常便饭,此时必须严格保证车联网的低延迟和高可靠性,而蜂窝车联网的最小传输延迟不大于4ms,在具体实现中还可以做到更低。可靠性则是一个很难量化的特性,但在3GPP过往的每一个新版标准中,都会新增一批性能和安全方面的改进,从而提升可靠性。日后的新版标准依然会在改善安全性和可靠性的路上继续走下去。

 

车联网得到部署后,车辆会定期通过广播消息传达其状态和移动情况,届时这类消息将占据短程通信中的绝大部分,尤其是在部署的第一阶段。

 

在交通流量非常大的区域,可用信道资源可能会饱和,导致数据包丢失的情况增多,这会对驾驶员和乘客的安全构成威胁。对此,研究人员需要研究并制定拥塞控制算法,以便在某些条件达到临界水平之前修改这些参数。不过,他们并没有直接从特定的算法出发,而是先对比了Wi-Fi标准方法(IEEE 802.11p)与蜂窝标准方法(3GPP第14版标准中作为蜂窝车联网的一部分定义的侧链路LTE车联网)。

 

蜂窝车联网通信技术由3GPP开发,可以实现车辆用户设备(VUE)之间通过侧链路(也叫PC5接口)直接通信。蜂窝车联网侧链路是第一个在物理层引入距离作为维度的无线系统,可以让视距设备和非视距设备在差异很大的无线电环境中实现统一的通信范围。

 

蜂窝车联网从第14版标准开始包含两种通信模式:直接模式(PC5),可用于最直接以及对延迟最敏感的通信;以及网络模式(称为Uu),也就是将用户设备连接到UMTS地面无线接入网,通过现有的蜂窝网络进行广播式通信。
PC5模式支持两种方式:

 

在Mode-3(调度)方式下:侧链路资源分配是在eNodeB的监督下进行的,需要蜂窝基础设施支持无线电资源管理。

 

在Mode-4(自主)方式下:车辆自行进行分布式的资源分配和干扰处置,不涉及蜂窝基础设施(自然也可以在没有蜂窝网络覆盖的区域中正常使用)。

 

车联网通信中的安全和隐私问题

基于LTE的车联网通信采用高容量、大蜂窝覆盖范围和广泛部署的基础设施,以支持安全相关和非安全相关应用的各类车辆通信服务。3GPP和高通等技术组织已经制定了基于5G的车联网服务路线图。

 

3GPP所定义的“安全”主要包括保密性、完整性、真实性和抗重放攻击。

 

面对新的隐私和安全挑战,包括面向群体的自主跟车行驶的安全移动性管理、可靠的协同驾驶、高效并且注重隐私保护的车辆大数据共享和处理等,我们还需要在5G车辆网络中进行更多的研究。

 

在汽车安全性和安全保障的可能解决方案中,针对任何网络攻击,全面采用双密钥密码系统是一种可行的方案。

 

车联网应用依赖于连续、详细的位置信息,这可能会导致隐私问题。对私家车而言,位置痕迹将揭示驾驶员的行动和活动轨迹,况且驾驶员还未必就是车辆的所有者。简而言之,发送和传播车联网用户的位置信息,可能会对车主和司机产生隐私问题。

 

许多其他车联网应用都涉及车辆之间的通信,可以对现有的转弯辅助和紧急制动警告起到补充作用,并且有助于更全面地得知交叉路口的具体情况。通过将Waze(一款用户社区驱动的导航App)提出的概念加以扩展,可以实现对速度的控制或建议以便缓解交通拥堵,以及在GPS地图上实时更新车道关闭和公路建设等活动。现今不少车辆还支持通过OTA进行的软件更新,涵盖从地图更新、错误修复、安全更新等,这一功能也必须依赖某种形式的车联网。

 

车联网安全消息中可以包含美国标准定义的基本安全消息(BSM),或者欧洲标准定义的协同感知消息(CAM)和分布式环境通知消息(DENM)。

 

BSM包含位置、速度和加速度信息,每秒最多传输10次。该消息系统还使车辆接收单元能够预测碰撞并警告驾驶员。

 

车联网消息保护和安全性

V2X和V2I通信需要强大的安全性,以保护消息不被欺诈或误导使用,否则可能会导致安全和隐私问题。另一种安全方法是使用公钥证书对消息进行签名,用于防止未经授权方干扰数据交换,并安全地对通信进行匿名化。

 

公钥基础设施(PKI)包含用于创建、管理、使用、保存和撤销数字安全证书的策略和过程,可用于安全地传输电子信息。与仅通过密码进行身份验证相比,PKI采用了更加严格的身份确认。

 

5G NR意图分享

意图或轨迹分享可通过在高级路径规划中提供更高水平的可预测性和交通效率来使自动驾驶得到进一步增强。
5G NR将通过以下方面来实现意图分享:

 

高吞吐量:5G可以提供所需的高数据速率,如在1公里范围内高于100Mbps。

 

高可靠性:5G可以确保轨迹信息准确、及时地分享。

 

低延迟:借助5G的低延迟能力,轨迹信息可以在数毫秒内实现分享。

 

蜂窝车联网在拥挤公路场景中的表现

5G汽车协会(5GAA)在《车联网功能和性能测试报告》(V2X Functional and Performance Test Report)中对车联网的性能和功能进行了测试,其中对蜂窝车联网技术在实验室环境下进行了高度拥堵场景的测试。即使在如此拥堵的场景下,蜂窝车联网的延迟依然未超出为这一场景设置的100ms容许延迟量,表现非常出色。

 

在一系列实验室和现场测试中,研究人员发现:

 

20MHz CH183上:

蜂窝车联网通信与10MHz CH184上相同的BSM类信息具有同等的可靠性(数据包接收率与距离之比)。

 

在1.4公里以内:

视距(LoS)条件下,CH183上的高负荷蜂窝车联网传输对CH172上的DSRC基本安全传输的影响可以忽略不计。

 

在1公里以内:

LoS条件下,CH183上的高负荷蜂窝车联网传输对CH180上的V2I和I2V传输的影响可以忽略不计。

 

为支持5GAA为蜂窝车联网部署向美国联邦通信委员会(FCC)新提出的豁免申请,福特和高通两家公司还进行了额外的现场测试,表明了蜂窝车联网可以实现完全可接受的性能,尤其是在LoS条件下。

 

根据5GAA网站所述,蜂窝车联网已经做好在商用芯片组上部署的准备,可以在2020年或2021年内开始在全球范围内进行车载部署。他们将与相关的标准制订组织(SDO)合作,推动5G车联网的需求落地,从而打造成功的车联网生态系统。

 

结论

FCC通过对5.9GHz频段的调整,完全改变了美国的车辆通信协同式智能交通系统 (C-ITS)市场。

 

汽车行业必须在狭窄的频谱上开拓前进方向,因而需要采用蜂窝车联网技术,而非已经广泛运用的专用短程通信(DSRC)技术。这项变化为车联网的发展铺平了道路,消除了互相竞争的技术带来的不确定性。

 

车联网和5G正迅速成为汽车制造商不可或缺的技术,因为这项技术正努力使完全自主汽车技术在未来几年内实现商业化。福特将于2021年在中国推出蜂窝车联网汽车,并且预计从2022年开始将该技术应用到其在美国销售的所有汽车上。5GAA将与相关的SDO合作,推动5G车联网的需求落地,从而打造成功的车联网生态系统。

 

金融服务公司IHS Markit于2021年1月在其网站上发布了关于2021年5G、蜂窝车联网和汽车互联的分析报告。

 

根据Market Watch发布的:关于C-V2X研究的新闻报道

“随着智能交通基础设施得到越来越多的应用,V2I通信领域预计在预测期内将以超过12%的复合年增长率增长。智能交通基础设施涉及智能交通信号灯和智能监控摄像头,它们与车辆通信,以提供有关交通和道路状况的信息。”

 

还有更多激动人心的汽车新技术正在赶来的路上,它们将极大地改变我们驾驶汽车的方式,让开车成为一件更美好的事情。