淺談車聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)--V2X

【導(dǎo)讀】筆者前幾日一篇有關(guān)智能網(wǎng)聯(lián)汽車的文章：《從近日北京市長陳吉寧親自乘坐百度Apollo汽車談起》，收到較多反饋和討論，很多朋友對智能網(wǎng)聯(lián)汽車、車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、自動駕駛等表現(xiàn)出了特別的關(guān)注。

在汽車新四化（電動化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化、共享化）的大背景下，車聯(lián)網(wǎng)成為了不可逆轉(zhuǎn)之趨勢?；诖耍疚木歪槍嚶?lián)網(wǎng)的核心技術(shù)--V2X，做進(jìn)一步闡述。

車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展背景國家政策

2020年3月，中共中央政治局常務(wù)委員會召開會議提出，加快5G網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)度，新基建的號角正式吹響

2020年5月，《2020年國務(wù)院政府工作報告》提出，重點支持“兩新一重”（新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，新型城鎮(zhèn)化建設(shè)，交通、水利等重大工程建設(shè)）建設(shè)

行業(yè)需求

汽車正經(jīng)歷新四化的改造大潮，交通從傳統(tǒng)交通向智能交通轉(zhuǎn)變

2020年2月，由發(fā)改委、工信部等11部委聯(lián)合發(fā)布《智能汽車創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略》

2020年10月，國務(wù)院印發(fā)《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》加快推動智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展

V2X概述及發(fā)展路徑V2X（vehicle to everything）：作為智能網(wǎng)聯(lián)汽車中的信息交互關(guān)鍵技術(shù)，主要用于實現(xiàn)車間信息共享與協(xié)同控制的通信保障。

在未來的自動駕駛應(yīng)用中，V2X通信技術(shù)是實現(xiàn)環(huán)境感知的重要技術(shù)之一，與傳統(tǒng)車載激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、攝像頭、超聲波等車載感知設(shè)備優(yōu)勢互補，為自動駕駛汽車提供雷達(dá)無法實現(xiàn)的超視距和復(fù)雜環(huán)境感知能力。

歷史可追溯到2013年：

2013年，時任大唐電信集團副總裁的陳山枝博士在世界電信日大會上首次公開提出了LTE-V2X的概念，并帶領(lǐng)大唐團隊積極推動C-V2X技術(shù)的國際化標(biāo)準(zhǔn)和演進(jìn)

2014年和2015年推動3GPP立項

2016年完成國際化3GPP標(biāo)準(zhǔn)

2017年完成國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化相關(guān)工作，此后一直在推動產(chǎn)業(yè)相關(guān)發(fā)展

在2020年，3GPP完成了基于NR-V2X標(biāo)準(zhǔn)的制定

中美V2X標(biāo)準(zhǔn)走向統(tǒng)一目前，世界上用于V2X通信的主流技術(shù)包括：DSRC和C-V2X。

DSRC（dedicated short range communication）標(biāo)準(zhǔn)由IEEE（美國電氣電子工程師學(xué)會）基于WIFI制定，標(biāo)準(zhǔn)化流程開始于2004年。通過OBU與RSU提供車間與車路間信息的雙向傳輸，RSU再透過光纖或行動網(wǎng)絡(luò)將交通信息傳送至后端智能運輸系統(tǒng)平臺（ITS）。

DSRC系統(tǒng)包含

車載單元（On Board Unit，OBU）

路側(cè)單元（Road Site Unit，RSU）

C-V2X（cellular vehicle to everything）：基于蜂窩移動通信系統(tǒng)的技術(shù)，分為LTE-V2X和5G NR-V2X。

OBU

RSU

UU接口：OBU/RSU與基站之間的接口，實現(xiàn)與移動網(wǎng)絡(luò)通信

PC5接口：C-V2X的底層直連蜂窩通信協(xié)議

2020年11月，美國聯(lián)邦通信委員會正式投票決定將原分配給DSRC（IEEE 802.11p）的5.9GHz頻段70MHz帶寬劃撥給Wi-Fi和C-V2X使用，標(biāo)志著美國正式宣布放棄DSRC（IEEE 802.11p）并轉(zhuǎn)向C-V2X，也標(biāo)志著由我國主推的C-V2X逐漸成為在全球范圍內(nèi)被認(rèn)可的事實行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

中國和美國作為兩個世界上最大的超級經(jīng)濟體，無論是經(jīng)濟總量和活躍度，世界上沒有其他經(jīng)濟體可比擬的。汽車工業(yè)作為一個國家的支柱產(chǎn)業(yè)，體量巨大，影響深遠(yuǎn)，涉及產(chǎn)業(yè)廣泛。在汽車工業(yè)新四化的大背景下，中美兩個超級大國，在V2X技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)上走向統(tǒng)一，加速V2X產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，對整個車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)重大利好。

隨著C-V2X車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)賦能交通和汽車行業(yè)的不斷深入，我國將走出有自身特色的發(fā)展模式，以基于C-V2X的車路協(xié)同發(fā)展模式，支持未來自動駕駛和智能交通發(fā)展。

C-V2X技術(shù)原理蜂窩通信（LTE）與DSRC（IEEE 802.11p），均無法滿足車聯(lián)網(wǎng)（V2X）通信的高可靠與低時延等需求。

“中國智慧”成功地解決了這一世界性難題！

陳山枝博士及大唐研究團隊在2013年5月17日（國際電信日）最早提出LTE-V2X概念與關(guān)鍵技術(shù)，確立了C-V2X的基本系統(tǒng)架構(gòu)、技術(shù)原理和技術(shù)路線，其實現(xiàn)了蜂窩通信和短距直通通信融合創(chuàng)新，在蜂窩通信基礎(chǔ)上，引入終端直通通信特性，支持車-車、車-路的直接通信，很好適應(yīng)車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用低時延、高可靠傳輸要求。

隨后，大唐、華為等中國企業(yè)在2015年開始牽頭在全球主流通信標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP中積極推動LTE-V2X標(biāo)準(zhǔn)化工作。

蜂窩通信與直通通信融合的C-V2X包含了兩種通信模式：

蜂窩方式（LTE-V-cell）：

終端和基站之間通過Uu接口通信，由基站作為集中式的控制中心和數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)發(fā)中心，完成集中式無線資源調(diào)度、擁塞控制和干擾協(xié)調(diào)

直通通信模式（LTE-V-direct）：

車、人、路之間通過PC5接口實現(xiàn)短距離直連通信，解決車聯(lián)網(wǎng)中終端間低時延、高可靠傳輸?shù)膯栴}

這兩種通信模式共同支持車聯(lián)網(wǎng)多樣化的應(yīng)用需求，直通方式可支持在沒有蜂窩基站覆蓋的場景下工作。

通過增加V2X應(yīng)用層與接入層間的適配層，實現(xiàn)通信模式智能選擇，支持業(yè)務(wù)分流控制、無線傳輸控制、業(yè)務(wù)質(zhì)量管理、連接控制管理等功能。

蜂窩通信（Uu）和直通通信（PC5）兩種模式優(yōu)勢互補，通過合理分配系統(tǒng)負(fù)荷，自適應(yīng)快速實現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)高可靠和連續(xù)通信——Uu接口基于4G/5G頻段支持時延不敏感業(yè)務(wù)（如地圖下載、信息娛樂等），PC5接口基于ITS專用頻段支持低時延、高可靠業(yè)務(wù)（如V2V、V2I、V2P等道路安全業(yè)務(wù)）。

V2X主要包含：

車-車通信V2V---vehicle-to-vehicle

車-路通信V2I---vehicle-to-infrastructure

車-網(wǎng)通信V2N---vehicle-to-network

車-人通信V2P---vehicle-to-pedestrian

V2V車--車通信：

V2V的工作原理如下圖：

V2I車--路側(cè)設(shè)備通信：

V2I的工作原理如下圖：

基于V2X技術(shù)的軟件通用流程：

應(yīng)用軟件“棧”視圖：

下面，我們就V2X技術(shù)的軟件通用流程，作詳細(xì)解釋。

數(shù)據(jù)采集流程：

數(shù)據(jù)處理：

如何處理十字路口的碰撞預(yù)警？

計算本車到遠(yuǎn)車的方向角

通過比較本車朝向與方向角判斷遠(yuǎn)車在本車前方

兩車朝向必然成一定角度

兩車朝向的延長線的交點為疑似碰撞點

兩車到達(dá)碰撞點的時間差滿足設(shè)定值

基于C-V2X的車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈C-V2X產(chǎn)業(yè)鏈上下游分為：

通信芯片商

華為、大唐等可提供支持LTE-V2X的通信芯片

通信模組商

華為、大唐、高通、移遠(yuǎn)、芯訊通等可提供基于LTE-V2X的芯片模組

硬件終端商

華為、大唐、金溢、星云互聯(lián)、東軟、萬集等廠商可提供基于LTE-V2X的OBU、RSU硬件設(shè)備，以及相應(yīng)的軟件協(xié)議棧

測試驗證廠商

中國信通院、中汽中心、上機檢、中國汽研、上海國際汽車城等科研和檢測機構(gòu)開展C-V2X通信、應(yīng)用相關(guān)測試驗證工作

奇虎科技、華大電子等安全企業(yè)開展C-V2X安全研究與應(yīng)用驗證

運營服務(wù)商

國內(nèi)三大電信運營商均大力推進(jìn)C-V2X業(yè)務(wù)驗證示范

百度、阿里、騰訊等互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)進(jìn)軍車聯(lián)網(wǎng)，加速C-V2X應(yīng)用落地

高精度定位和地圖

北斗、高德、百度、四維圖新等企業(yè)致力于高精度定位的研究，為V2X行業(yè)提供高精度定位和地圖服務(wù)

車路協(xié)同與自動駕駛風(fēng)雨同舟談到車路協(xié)同對于自動駕駛的意義，我們首先看看當(dāng)前自動駕駛的瓶頸：

信息感知能力差，成本高

自動駕駛采用的傳感器都是類視覺傳感器，在感知距離、感受視野、分辨率等因素上互相制約

多傳感器融合加大軟件算法復(fù)雜度

在高速自動駕駛中，傳感器能力有限

“鬼探頭”挑戰(zhàn)懸而未決

高車流量交通環(huán)境應(yīng)變能力差

車輛密度的提升，環(huán)境越來越復(fù)雜，自動駕駛車輛容易陷入寸步難行的窘境（比如當(dāng)下的擁堵自動跟隨功能）

針對以上自動駕駛的當(dāng)前問題，車路協(xié)同能做些什么？

車車協(xié)同（V2V）增強信息感知能力

RSU“站得高、看得全”，合理布設(shè)傳感器位置，消除盲區(qū)

RSU位置固定，有足夠的先驗信息可以用來輔助感知，提升感知準(zhǔn)確性

RSU通過先進(jìn)的通信技術(shù)組合成泛在感知網(wǎng)，提升車輛感知范圍

車路線協(xié)商機制

數(shù)字化，有非常高的抗干擾性，可以無損傳遞到車內(nèi)

提供兩車協(xié)同、多車協(xié)同和車隊協(xié)同

基礎(chǔ)設(shè)施改造，分?jǐn)偟矫颗_車的成本低

當(dāng)下車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)面臨的挑戰(zhàn)與機遇單車智能“瓶頸”凸顯

長尾問題日益顯著

投入了10%的資源、精力和時間，已解決了90%的問題；但剩下的10%的長尾安全問題，卻可能需要投入90%的資源、精力和時間才能解決掉

單車智能造成信息孤島，車路協(xié)同有限

缺乏超視距感知能力，易受天氣和光線的影響

缺乏上帝視角關(guān)于路況全局的信息，“鬼探頭”問題棘手

軟件算法低時延和高可靠有待提高

C-V2X+ADAS融合勢在必行

車車協(xié)同（V2V）增強信息感知能力，構(gòu)建泛在感知網(wǎng)絡(luò)

路側(cè)前期投入比較大，商業(yè)模式尚不清晰

各級政府以及高速業(yè)主單位，敢于嘗試創(chuàng)新，有勇氣，有魄力

需要國家頂層設(shè)計規(guī)劃，各部委協(xié)同互動

消除信息共享鴻溝，管理部門、企業(yè)等收集的信息如何通過公共平臺共享

安全風(fēng)險與威脅不容忽視

保證功能安全，避免隨機性故障和環(huán)境影響造成的安全風(fēng)險

保證網(wǎng)絡(luò)安全，避免被人為利用造成的安全風(fēng)險

車載網(wǎng)絡(luò)安全無法量化設(shè)計與驗證度量

保險行業(yè)不敢為智能網(wǎng)聯(lián)汽車提供保險服務(wù)

全天候、全場景乘用車無人駕駛道路坎坷

NR-V2X關(guān)鍵技術(shù)仍需驗證

芯片模組等尚不具備商用能力

算力匱乏

帶寬需求有待研究

頻譜規(guī)劃有待確定

法律法規(guī)尚未明確

車聯(lián)網(wǎng)低時延高可靠的演進(jìn)

由輔助駕駛--------》自動駕駛

C-V2X產(chǎn)業(yè)界的典型案例：

可以用于城市、高速、封閉園區(qū)等場景

華為C-V2X解決方案：

紅綠燈信號機的對接

高精定位

高精地圖動態(tài)圖層

豐富的路側(cè)感知能力

在云端，華為的解決方案已經(jīng)跟六家V2X平臺進(jìn)行過對接

在路側(cè)，信號機跟十幾家知名廠商進(jìn)行過對接，雷達(dá)跟四家廠商進(jìn)行過對接，T-Box跟十家以上的廠商進(jìn)行過對接

中國信科基于C-V2X的研究起步較早

大唐高鴻是中國信科集團旗下發(fā)展車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的骨干載體，從2012年即開展我國核心知識產(chǎn)權(quán)的C-V2X（LTE-V2X和NR-V2X）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究、產(chǎn)品開發(fā)和市場推廣工作

其產(chǎn)品涵蓋基于集團自研芯片的車規(guī)級模組、車載終端（OBU）、路側(cè)設(shè)備（RSU）、路側(cè)多傳感器融合感知站等硬件產(chǎn)品，以及基于自研模組的LTE-V SDK開發(fā)包，ITS協(xié)議棧、LTE-V-APP、CA安全驗證平臺、云控平臺等軟件產(chǎn)品和方案

基于智慧高速、城市道路、智慧園區(qū)、智慧出行、智慧礦山、智慧隧道等解決方案已在不同應(yīng)用場景下完成部署，具有豐富成熟的落地項目經(jīng)驗

對車聯(lián)網(wǎng)未來展望和建議積極推進(jìn)LTE-V2X技術(shù)將向5G V2X演進(jìn)，解決5G新空口（5G new radio，5G NR）的兼容性問題

大力推動C-V2X+ADAS深度融合，從單車智能走向網(wǎng)聯(lián)智能

大力發(fā)展半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，軟件定義汽車，不能讓芯片依然“卡脖子”

大力發(fā)展高精度定位和地圖服務(wù)

政策要有所突破，通過政策和法規(guī)進(jìn)行受控共享開放，推進(jìn)商業(yè)模式的創(chuàng)新，推進(jìn)路網(wǎng)運營商的形成

促進(jìn)出行服務(wù)行業(yè)提供變革、保險行業(yè)商業(yè)創(chuàng)新

大膽創(chuàng)新，小心求證、我們有理由相信，基于車路協(xié)同的自動駕駛有望成為我國繼高鐵之后，實現(xiàn)由交通大國走向交通強國的又一張新名片

編輯：jq