用于自主駕駛車輛的 V2X 通信

無人駕駛汽車的發(fā)展拉動(dòng)了對(duì)強(qiáng)大的低延遲無線通信的需求，從而可提供廣泛的功能。為滿足此需求，目前建議采用兩種不同的方法，即 802.11p 和 C-V2X:PC5。

無線通信的應(yīng)用范圍包括車輛到基礎(chǔ)設(shè)施 (V2I)、車輛到車輛 (V2V) 和車輛到行人 (V2P)，統(tǒng)稱為 V2X。

圖 1： 無人駕駛車輛彼此的通信以及與路邊基礎(chǔ)設(shè)施的通信是未來幾年推廣該項(xiàng)技術(shù)的一項(xiàng)關(guān)鍵元素。（來源： 美國交通部）

無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化

標(biāo)準(zhǔn)化也是實(shí)現(xiàn)無線收發(fā)器量產(chǎn)以降低成本的關(guān)鍵問題之一，同時(shí)確保車輛在全球眾多不同的市場(chǎng)都能安全運(yùn)作。這也為兩套技術(shù)提出了一系列問題。

盡管不同的方法看似存在競(jìng)爭，但技術(shù)的應(yīng)用取決于使用案例和特定類型的自主駕駛車輛所需的交互水平。例如，出租車會(huì)直接連接到客戶手機(jī)，相比之下，自主駕駛卡車可能只需要一組更有限的互動(dòng)。

802.11p 是一種更為完善的技術(shù)，它是在 5.9 GHz ISM 公共頻帶運(yùn)行的 2.4 GHz Wi-Fi 技術(shù)的演化型。此頻譜在美國和歐洲已被分配用于數(shù)字短程通信 (DSRC) 鏈路，該鏈路可將來自交通燈和交通管理跨線橋等路邊設(shè)備的數(shù)據(jù)提供給車輛，以及在車輛之間提供一些信息。例如，通過該技術(shù)，可以讓道路中的車輛預(yù)知前方存在問題，以放慢速度避免事故。該基礎(chǔ)設(shè)施的安裝相對(duì)簡單，并且不依賴特定的運(yùn)營商，也不會(huì)帶來基站成本。

信息分為兩個(gè)類別，緊急信息和一般信息。安全信息（例如發(fā)送和接收“緊急電子剎車燈”的功能）是由車輛以廣播模式每 0.1 秒發(fā)送一次的信息，從而以低于 50 ms 的延遲提醒緊急剎車事件。一般信息（例如“交通燈 - 最佳速度建議”）則通過使用定期廣播建議合適的速度，來改善交通流量。

它們必須在高動(dòng)態(tài)環(huán)境中的發(fā)射器和接收器之間以相對(duì)較高的速度運(yùn)作，因此需要在安全相關(guān)的應(yīng)用中支持極低的延遲。它們還需要耐受因交通堵塞導(dǎo)致多輛車輛定期傳送的多條信息。

另一條注意事項(xiàng)是，V2X 信息實(shí)質(zhì)上是局部信息，這意味著它們與附近的接收器關(guān)聯(lián)度最高。例如，“撞車前感應(yīng)警告信息”對(duì)于周邊車輛極其重要，但對(duì)遠(yuǎn)距離的車輛而言則不相干。

圖 2： DSRC 上傳送的信息類型。

最新一代的 5G 蜂窩技術(shù)由 3GPP 標(biāo)準(zhǔn)組設(shè)計(jì)，并且也考慮了上述部分功能。它能使用的頻帶數(shù)量多于 3G 和 4G，并且突出了低延遲特性，因此可以快速將信息發(fā)送到車輛。這是任何智能車輛系統(tǒng)的關(guān)鍵要求。

該基礎(chǔ)設(shè)施的安裝成本更高，可支持?jǐn)?shù)以百萬計(jì)的無人駕駛車輛，但允許車輛直接與乘客和行人的手機(jī)通信，是一種關(guān)鍵的 V2P 技術(shù)。廣播 V2V 協(xié)同感知信息 (CAM) 或基本安全信息 (BSM) 的單個(gè)車輛以 2.5 KB/s 的峰值速度，每月生成約 0.5 GB 的數(shù)據(jù)量。此結(jié)果基于每條信息 256 字節(jié)，每秒 5 條信息，并且每天駕駛四小時(shí)的假設(shè)條件。在接收器端，假設(shè)相關(guān)區(qū)域內(nèi)有 30 輛汽車，則基礎(chǔ)設(shè)施每月必須處理約 16 GB 的數(shù)據(jù)量。

一些芯片設(shè)計(jì)師正在設(shè)法同時(shí)支持兩種 V2X 直接通信技術(shù)。二者的運(yùn)轉(zhuǎn)都無需網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，而是使用 5.9 GHz 頻譜。通過投資由標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)組織（例如汽車工程師協(xié)會(huì) (SAE)、歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì) – 智能交通系統(tǒng) (ETSI-ITS)、電氣與電子工程師協(xié)會(huì) (IEEE) 和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO)）開發(fā)的更高層，物理層 (PHY) 和介質(zhì)訪問層 (MAC) 均可從同一汽車投資中獲益。

DSRC 設(shè)備是自 2007 年建議該標(biāo)準(zhǔn)以來開發(fā)的第三代產(chǎn)品。Wi-Fi 聯(lián)盟的 DSRC 任務(wù)組負(fù)責(zé) DSRC 認(rèn)證，Honda 等公司則設(shè)法讓 DSRC 系統(tǒng)能夠通過直接 Wi-Fi 連接建立到消費(fèi)者智能手機(jī)的鏈路。

兩種技術(shù)都需要新一代的天線來處理來自 Taoglas 等供應(yīng)商的 5.9 GHz 鏈路。

圖 3： 連接行人與無人駕駛車輛是未來無線系統(tǒng)的一大關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

用于無人駕駛汽車的 5G 系統(tǒng)

領(lǐng)先的汽車制造商、芯片制造商和手機(jī)運(yùn)營商已建立 5G 汽車協(xié)會(huì)，負(fù)責(zé)開發(fā)、測(cè)試和推廣用于無人駕駛汽車的 5G 系統(tǒng)，并且開始著手建立汽車專用標(biāo)準(zhǔn)以及加快商業(yè)開發(fā)。

此蜂窩-V2X (C-V2X) 在 3GPP 版本 14 中定義為 LTE V2X。一項(xiàng)額外的元素是遠(yuǎn)程車輛到網(wǎng)絡(luò) (V2N) 連接規(guī)范，利用這類連接可以在端到端解決方案中包含和打包云服務(wù)。這可以通過現(xiàn)有的 4G 蜂窩甚至 3G 數(shù)據(jù)模塊（例如 Sierra Wireless 提供的解決方案）來實(shí)現(xiàn)，但 5GAA 著眼于如何將其與 5G 系統(tǒng)集成，以適應(yīng)未來應(yīng)用。

C-V2X： PC5802.11pC-V2X： PC5 優(yōu)勢(shì)同步同步異步頻譜效率。同步可實(shí)現(xiàn)時(shí)分多路復(fù)用 (TDM) 并降低通道訪問開銷?？畿囕v的資源多路復(fù)用可實(shí)現(xiàn)頻分多路復(fù)用 (FDM) 和時(shí)分多路復(fù)用 (TDM)僅 TDM利用頻分多路復(fù)用可實(shí)現(xiàn)更高的鏈路預(yù)算，從而擴(kuò)大通信距離，或在相同的距離內(nèi)提供更穩(wěn)定的性能。通道編碼增強(qiáng)型卷積通過增強(qiáng)型代碼獲得的編碼增益，從而擴(kuò)大通信距離，或在相同的距離提供更穩(wěn)定的性能。重傳混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求 (HARQ)無 HARQ可擴(kuò)大通信距離，或在相同的距離提供更穩(wěn)定的性能。波形SC-FDMOFDM可使用相同的功率放大器實(shí)現(xiàn)更高的發(fā)射功率?？蓴U(kuò)大通信距離，或在相同的距離提供更穩(wěn)定的性能。資源選擇半靜態(tài)傳輸，基于相對(duì)能量進(jìn)行選擇。帶防撞功能的載波監(jiān)聽多路存取 (CSMA-CA)通過選擇近乎“最佳”的資源來優(yōu)化資源選擇，且不產(chǎn)生爭用開銷。相比之下，802.11p 協(xié)議選擇第一個(gè)“合格”資源，并且需要爭用開銷。

圖 4： 用于無人駕駛車輛的 5G 蜂窩技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。（來源： 5GAA）

歐盟預(yù)期將于 2018 年推出 5G 服務(wù)，并于 2020 年前進(jìn)行大規(guī)模商用推廣。這可能會(huì)影響最新的無人駕駛汽車計(jì)劃，該計(jì)劃將于 2018 年和 2019 年啟動(dòng)上路，屆時(shí)沒有可用的基礎(chǔ)設(shè)施。將于 2019 年世界無線電通信大會(huì) (WRC-19) 協(xié)定的可用于 5G 的頻帶也可能發(fā)生變化，屆時(shí)可能包括 5.9 GHz 頻帶，也可能包括高于 6 GHz 的頻帶。這些 5G 系統(tǒng)在整個(gè)歐洲的試用中已經(jīng)嶄露頭角。

在瑞典斯德哥爾摩和愛沙尼亞塔林進(jìn)行的真實(shí)戶外 5G 試驗(yàn)采用了 15 GHz 頻帶中的 800 MHz 頻譜。試驗(yàn)期間實(shí)現(xiàn)了每用戶 15 GB/s 的峰值速度和低于 3 毫秒的延遲。這是當(dāng)前的 4G 技術(shù)可實(shí)現(xiàn)的最高速度的 40 倍，并且制造商計(jì)劃于 2018 年推出商用 5G 服務(wù)。與此同時(shí)，在法國的測(cè)試設(shè)備也展示了以超過 10 GB/s 的峰值速度進(jìn)行的無線通信。

一些試驗(yàn)還展示了 5G 連接在無人駕駛汽車上的其他應(yīng)用。在日本，5G 網(wǎng)絡(luò)連接使用 10 GB/s 的數(shù)據(jù)速率將汽車周圍的高清攝像頭的高分辨率圖像傳回到遠(yuǎn)程中心。這樣一來，遠(yuǎn)程操作者便可監(jiān)視車輛并協(xié)助乘客。

圖 5： 5G 技術(shù)在無人駕駛汽車中的應(yīng)用。（來源： 5GAA）

總結(jié)

汽車系統(tǒng)開發(fā)人員的爭論點(diǎn)是 802.11p 當(dāng)前已經(jīng)面市。在最近六年里，ETSI 組織了四次“插接測(cè)試”活動(dòng)，這讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員確信各種車輛都能連接到基礎(chǔ)設(shè)施。而且，隨著越來越多無人駕駛汽車的推出，車輛和路邊裝置中的收發(fā)器數(shù)量還會(huì)增加，從而拉低成本。