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LTE-V2X技术对车联网通信的发展及演进性

放大字体  缩小字体 责编:佚名 2021-11-26 03:58:45  来源:网络整理   浏览次数:363

目前,在中国,基于蜂窝网络的车联网通信在政府的大力支持下发展良好。LTE-V2X技术有望在2018-2019年率先在中国实现商用部署。未来LTE-V2X技术将逐步升级为5G V2X技术并长期保持向下兼容,为实现中国智能网联汽车2025目标提供有力支撑。

1 简介

近年来,随着汽车保有量的不断增长,许多城市的道路通行能力已经达到饱和,交通安全、出行效率、环境保护等问题日益突出。在此背景下,汽车智能化、网联化作为解决这些问题的重要途径,受到了业界的高度关注。车联网的诞生和快速发展,带动了汽车行业的变革,同时也改变了人们的生活。车联网已成为实现2025中国智能网联汽车目标的唯一手段(见图1).

在车联网的发展过程中,无线通信技术对车联网通信的发展和演进起到了关键作用。在车载终端快速增多、车载通信需求不断增加的物联网时代,如何满足车载通信在高密度场景下的低时延、高可靠、高传输速率、高容量的需求是当务之急。无线通信网络的关键。挑战。

2 车联网通信的必要性

车联网是一个连接车与万物的网络(V2X:Vehicle to Everything)。它利用车载电子传感装置,将车与路、车、车、车与人、车与互联网实时连接起来,实现信息互联,从而有效、智能地监控、调度和管理汽车、人、事物、道路和地点。它是未来智能汽车、自动驾驶和智能交通系统的基础和关键技术。

高级驾驶员辅助系统(ADAS:Advanced Driver Assistant System)作为车辆智能的自行车智能技术,是车辆智能的初级阶段,属于提高安全性的主动安全技术。ADAS利用安装在车上的各种传感器(摄像头、雷达、激光、超声波等)采集车内外环境数据,识别、检测和跟踪静态和动态物体,使驾驶员能在最快的时间内到达检测可能的危险,从而提高安全性。早期的 ADAS 技术主要使用被动警报。当车辆检测到潜在危险时,会发出警报,提醒驾驶员注意异常的车辆或路况;而最新的ADAS技术实现了主动干预。然而,

(1)ADAS 的感知系统采用毫米波雷达和摄像头,无法实现对全天候、全天候路况的准确感知。由于 ADAS 是自行车智能技术,传感器成本高,工作范围有限,并且还受雨、雪、雾、雾等天气条件的影响,对系统的影响比较大,容易造成系统判断错误,导致安全事故。

(2)ADAS 技术无法涵盖智能交通的基础应用集。欧洲电信标准协会(ETSI:European Telecommunications Standards Institute)在其技术报告 TR 102 638 中定义了智能交通的基础应用集,其中包括 54 Telematics车载信息服务可提供25个信息服务应用,ADAS可提供18个预警辅助驾驶应用,但其余11个关键驾驶辅助功能ADAS无法提供服务,如路口碰撞预警。

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车联网V2X技术可以将车辆的感知范围扩展到数百米,与ADAS系统中的雷达和光学摄像头的检测范围相比,具有很大的优势。将车联网的V2X技术与ADAS系统的各种检测手段相结合,借助融合信息处理技术,可以有效改善行车安全和交通效率等问题。自行车智能化与车联网的有机结合,最终将实现无人驾驶。

3 Telematics 通信场景

车联网主要包括4个应用场景:车对互联网(V2N:Vehicle to Network)、车对车(V2V:Vehicle to Vehicle)、车对路(V2I:Vehicle to Infrastructure)、车对基础设施(V2P: Vehicle to Pedestrian),通过人、车、路的有效协同,达到智能交通的目的。

(1)V2N是目前使用最广泛的车联网场景,其主要功能是通过移动网络将车辆连接到云服务器,使用云服务器提供的导航、娱乐、防盗等应用。

(2)V2V用于车辆之间的双向数据传输。通过V2V,车辆可以实时采集周围车辆的速度、位置、方向和警告信息。主要用于防撞车与车之间的安全系统,通过车与车之间的通讯,可以实现图片、短信、音频、视频等信息的互通功能。

(3)V2I是车辆与道路甚至其他基础设施(如红绿灯、路障等)进行通信的应用。通过V2I系统,车辆可以获取交通灯信号时间、路况等道路管理信息。基于位置的车辆服务信息,主要应用于实时信息服务、车辆运行监控、电子收费管理等。

(4)V2P是指行人使用移动电子设备,如笔记本电脑、智能手机或其他手持设备,与车载电子设备之间的通信。一个重要的应用场景是车辆向道路上的行人发送安全信息或非机动车辆。警告。

4 现有车联网通信技术对比

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目前车联网通信技术分为两大阵营:IEEE 802.11p(用于DSRC专用短程通信的底层无线通信技术)和3GPP C-V2X(基于蜂窝网络)。

4.1 DSRC/IEEE 802.11p

专用短程通信(DSRC:Dedicated Short Range Communications)是一种专用于V2VV2I通信标准的短程无线通信技术。DSRC可以在小范围内实现图像、语音和数据的实时、准确、可靠的双向传输。DSRC的发展比较成熟。欧洲、美国和日本有三大国际DSRC标准,包括美国的ASTM/IEEE,日本的ARIBSD-T75和ARIBTD-T88,以及欧洲的CEN/TC278。

为推动DSRC的标准化和产业化,IEEE于2004年成立了车载无线接入(WAVE)工作组,负责研究美国ASTM制定的5.9 GHz DSRC标准,并升级并对其进行完善,设计制定统一的世界通用的车联网通信标准。2010年7月,WAVE工作组正式发布IEEE 802.11p车联网通信标准,实现了DSRC标准802.11p协议和IEEE 1069/WAVE(车载环境无线接入) ) 一系列标准的融合和演进。

IEEE 802.11p 是IEEE 802.11 标准扩展的通信协议。可支持相邻车辆之间行车安全数据的相互通信和数据交换,符合智能交通系统的相关应用。从技术角度来看,IEEE 802.11p标准针对IEEE 802.11中的特殊车辆环境做了多项改进,比如增强了热点之间的切换,更好地支持移动环境,以及增强的安全性、增强的身份验证等。

IEEE 1609系列标准是为了完善DSRC标准的应用层功能而提出的。它是基于IEEE802.11p标准的高级系列标准,它定义了车辆之间以及车辆与路边基础设施之间的关系。数据交换格式和安全性等。

4.2 3GPP C-V2X

C-V2X(Cellular based V2X)是一种基于移动蜂窝网络的车联网通信技术。基于LTE蜂窝网络的C-V2X称为LTE-V2X。3GPP已于2017年3月完成LTE-V2X标准制定工作,未来基于5G New Radio蜂窝网络的C-V2X称为NR-V2X。

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LTE-V2X系统的空中接口分为两种。一种是Uu接口,需要基站作为控制中心。车辆、基础设施和其他车辆需要向基站传输数据以实现通信;另一种是PC5接口,可以实现车与车之间数据的直接传输(见图2)。LTE-V2X有两种工作场景蜂窝数据应用于,一种是基于蜂窝网络覆盖,此时可以提供通过蜂窝网络Services的Uu接口,实现大带宽、大覆盖的通信,或者通过PC5接口提供服务,实现车辆与周围环境节点的低延迟高可靠直接通信;另一种是独立于蜂窝网络的工作场景,部署在无网络区域通过PC5接口提供车联网道路服务,满足行车安全要求。在蜂窝网络覆盖的场景下,数据传输可以在Uu接口和PC5接口之间灵活无缝切换。

LTE-V2X的Uu接口在LTE的Uu接口基础上进行了专门的增强。例如,优化LTE广播和组播技术,有效支持广播范围小、区域灵活多变的车联网。裁剪以进一步减少延迟。

LTE-V2X的PC5接口基于Release 12 LTE-D2D(Device to Device)进行多方面增强设计,支持车辆动态信息(如位置、速度、行驶方向等)之间的快速交换。车辆和高效的无线资源分配机制,此外,物理层结构得到了增强,以支持更高的移动速度(500km/h)。

4.3 802.11p与LTE-V2X对比

802.11p客观上有先发优势,技术日趋成熟。LTE-V2X作为基于LTE演进的车联网技术,具有诸多后发优势。

(1)技术水平

LTE-V2X在设计过程中充分借鉴了802.11p的经验和不足,在系统容量和覆盖方面具有显着的性能优势。LTE-V2X采用集中控制传输和分布式传输相结合的方式。将V2N、V2I、V2V和V2P结合成一个有机整体的方式。LTE-V2X在底层有更好的链路预算,可以通过更精细的信道设计和资源分配方案获得高可靠、广覆盖、低时延的传输保障。但是802.11p是纯分布式系统,无法达到整体最优。两者在技术层面的具体比较如表1所示。

(2)终端级别

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一方面,LTE-V2X的Telematics模块和V2X通信模块可以共用同一颗芯片,有效降低了芯片的复杂度,从而降低了芯片的成本;另一方面,LTE-V2X进一步丰富了Telematics车载信息服务,让用户更愿意续订Telematics业务;同时,Telematics的渗透率也提升了V2X的渗透率。

(3)行业水平

首先,可以借助成熟的LTE网络和产业链,通过升级现有的LTE网络基站设备来部署LTE-V2X。无需铺设大量基础设施通信模块,行业更容易快速发展。GSA的最新报告[6]显示,截至2017年1月底,全球运营商签署了764个LTE网络合同,覆盖196个国家,其中581个已商用。成熟的LTE生态系统吸引了电信运营商、通信设备制造商和汽车企业基于现有LTE网络和技术支持车联网通信,因此LTE-V2X成为自然选择。其次,LTE-V2X是运营商新增连接(汽车、自行车、摩托车、行人、等等。)。基于LTE-V2X,运营商可以自然而然地参与到车联网产业中,提供最核心竞争力的车联网相关服务,如连接、数据、服务等。此外,LTE-V2X是中国领先的车联网技术,有利于国内企业规避专利风险,有利于发挥中国影响力,向其他国家拓展。

综上所述,802.11p虽然具有先发优势,技术和产业相对成熟,但仅支持车路直通。从智能交通的长远发展来看,以LTE-V2X为代表的C-V2X技术已经实现了直连和蜂窝模式的融合,未来可以平滑演进到5G,其应用前景将是更亮。

5 5G车联网通信

作为智能驾驶的最终形式,自动驾驶汽车技术依靠通信、人工智能、视觉计算、雷达、监控设备和全球定位系统的协同作用,让计算机在无需人工操作的情况下自动安全地操作车辆。未来蜂窝数据应用于,车辆在自动驾驶和车联网通信过程中,需要进行海量、实时的数据交互。自动驾驶汽车和车联网通信的实现还需要网络将汽车导航信息、位置信息以及汽车各种传感器的数据实时传输到云端或其他车载终端。这需要更高的网络带宽和更低的网络延迟。

与目前的车联网通信技术相比,5G系统的关键能力指标有了很大的提升。5G网络传输时延可达毫秒级,满足车联网严苛要求,保障车辆高速行驶安全;5G峰值速率可达10~20Gbit/s,连接密度可达100万/km2。可以满足未来车联网环境下车与人、交通基础设施的通信需求。

目前,5G V2X处于确定业务场景和需求的阶段。3GPP需求组(SA1)已经基本完成了5G V2X业务场景和需求的讨论,在技术报告TR 22.886中,25个5G V2X业务场景分为4组(见图3),具体包括:

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●车辆排(Vehicles Platoonning):车辆排使车辆形成动态编队一起行驶。编队内所有车辆从编队领队处获取信息进行编队管理。该管理信息使车辆能够以比正常行驶更协调的方式向同一方向行驶(编队中车辆之间的间隔仅为2~5m)。

●扩展传感器:扩展传感器实现车辆与车辆之间、车辆与路边单位之间、车辆与行人之间、车辆与V2X服务器之间的本地传感器信息和实时视频图像信息的交换。车辆可以获得额外的环境感知能力,更全面地了解周围环境。

●高级驾驶:高级驾驶用于支持半自动或全自动驾驶。每辆车通过自己的传感器获得的感知数据和自己的驾驶意图与周围的车辆共享,从而支持多辆车之间的行驶轨迹的同步和协调。

●远程驾驶:远程驾驶可以通过远程驾驶员或车联网应用服务器来控制车辆的行驶。适用于乘客无法自行驾驶或远程车辆处于危险环境等特殊场景。高可靠性和低延迟的通信是远程驾驶的主要要求。

3GPP需求组从无线通信的角度定义了5G V2X业务场景的相应需求,如表2所示。

如何在高密度车载场景下满足5G V2X通信的低时延、高可靠、高传输速率、大容量需求,是5G车联网通信网络面临的挑战,也是5G车联网的重点研究工作. 在2017年3月的3GPP RAN第75次全体会议上,确定从2017年第三季度开始研究5G V2X的可用频谱、信道模型和评估假设,预计将启动5G新空口研究2018年基于V2X通信技术,预计2020年左右完成标准工作。

7 展望

尽管车联网通信标准化工作已基本完成,但车联网仍处于试验推广阶段​​,由于涉及领域多、影响大,尚未实现规模商用。随着汽车行业的不断发展,无论是从道路交通安全、道路拥堵、尾气排放,还是从消费者需求的角度来看,车联网通信的实际商用都需要尽快提上日程尽可能。

总体来看,在中国,基于蜂窝网络的车联网通信在政府的大力支持下发展良好。LTE-V2X技术有望在2018-2019年率先在中国实现商用部署。未来LTE-V2X技术将逐步升级为5G V2X技术并长期保持向下兼容,为实现中国智能网联汽车2025目标提供有力支撑。

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