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下世代车联网技术应用趋势
整合多方资讯 兼顾驾驶安全及体验

【作者: 曾蕙如】2018年04月16日 星期一

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由於科技及经济的快速成长,人类对拥有车的需求更为强烈,同时也造成安全、壅塞、污染等全球面临的行车环境三大议题,迫使各国政府机构及汽车产业积极投入车联网技术的开发,以共同迈向洁净、安全及舒适/便捷之行车环境新愿景。


车联网(Internet of Vehicles, IoV)把人、车、路、云端平台串联在一起,其运作原理是让车辆彼此能够「沟通」,并以服务创新模式导向,藉由汽车将人、车、油、货、客、路况等无缝连结,更可进一步进行大数据的管理和运用。针对欧美车联网政策发展近况方面,欧盟政府於2016年11月在比利时布鲁塞尔宣布C-ITS Strategy正式启动,此策略为欧盟正式迈向cooperative, connected and automated mobility的初始里程碑,为2019年欧盟道路车辆能彼此并与交通基础设施通讯,运用ETSI(European Telecommunications Standards Institute) ITS G5与Cellular通讯技术,并结合C-ROADS与C-ITS Platform成果,预计於2018年将C-ITS服务纳入欧盟层级之法规框架(legal framework)。


美国方面,2016年12月美国交通部发布NPRM法规制定通知,将立法强制新小型车辆具备V2V通讯技术,并附上法规影响评估报告,其中预估2023年出厂轻型车辆V2V通讯技术普及率将达到100%。此外,美国交通部於2015年至2020年进行WAVE 1与WAVE 2两阶段之Connected Vehicles Pilot Deployment (CVPD)试炼场域建置计画,并已於2015年9月宣布CVPD WAVE1计画获补助城市,包括New York City、Tampa,以及Wyoming。美国州公路及运输协会(AASHTO)於2016年12月启动国家级Signal Phase & Timing (SPaT) Challenge,采用DSRC技术,目标为2020年境内50州每个州至少有20个SPaT智慧时相路囗,并发布SPaT Implementation Guidance,鼓励各州投入智慧时相路囗建置,目前California, Arizona, Utah, Michigan, Pennsylvania, Virginia等州已完成SPaT建置。


车间通讯技术及应用

为达到有效的交通事故预防与安全警示以提高车辆行驶的安全性,车间通讯环境对於资讯传递延迟时间的要求特别严苛,因此V2X通讯技术因应而生。美国联邦通讯委员会(FCC)於1999年决定将5.9GHz (5.850-5.925GHz)频段分配予汽车通讯使用。图1为美国5.9GHz DSRC的频段规划,其以10MHz频宽为单位,将75MHz频宽划分成7个频道,频道178为控制频道(CCH),其馀6个频道为服务频道(SCH),其包含2个公共安全专用服务频道(频道172为车与车间公共安全专用服务频道,频道184为交叉路囗公共安全专用服务频道),2个中距离公共安全/私用共享服务频道(频道174与176),以及2个短距离公共安全/私用共享服务频道(频道180与182)。



图1 : 美国5.9GHz DSRC频段规划(source:IEEE 802.11 WAVE SG)
图1 : 美国5.9GHz DSRC频段规划(source:IEEE 802.11 WAVE SG)

美国材料试验学会(ASTM)於2003年将新版标准E2213-03送交FCC,经同意後成为北美地区DSRC标准。此外ASTM亦将该标准推往电机电子工程师协会(IEEE)以促成IEEE 802.11p标准的诞生,而此标准已於2012年整合至IEEE 802.11标准中。


美国交通部所规范之V2X应用可叁考图2,其中许多高优先权安全性应用之通讯范围与延迟时间需求,大部份所要求之延迟时间低於0.1秒,而碰撞前感测应用则更进一步要求其低於0.02秒。相较於现有的蓝牙(Bluetooth)、无线区域网路(WLAN)、蜂巢式通讯系统(Cellular System)、无线都会网路(WMAN)、卫星通讯等无线通讯技术,WAVE/DSRC具有低传输延迟(0.002秒)、高传输距离(1000公尺)与高传输速度(27Mbps)等特性,不但能够符合上述行车环境安全性应用之需求,更因而被视为车间通讯的最隹无线传输技术,使用於提供安全与非安全性的行车服务应用。



图2 : V2X应用 (source:U.S. DOT)
图2 : V2X应用 (source:U.S. DOT)

国际车间通讯标准制定趋势

IEEE 1609标准制定趋势

美规车间通讯技术底层采用IEEE 802.11p标准,而上层则采用IEEE 1609系列标准。图3为IEEE 1609标准架构图,对应至开放系统互连叁考模型,IEEE 802.11p标准制定实体层(PHY)与资料链结层中的媒介存取控制层(MAC)之通讯协定,而媒介存取控制层中的多频道运作至应用层之通讯协定则由IEEE 1609各个子标准所规范制定。


子标准介绍


(1) IEEE 1609.0 (Architecture):描述WAVE/DSRC架构与提供多通道WAVE/DSRC装置於移动车载环境的服务。


(2) IEEE 1609.2 (Security Services):定义WAVE装置使用的安全讯息封包格式及其处理程序,包含WAVE管理讯息与应用讯息的安全保护方式,其亦描述必要的管理功能以提供核心安全性功能,并搭配美国交通部所推动的安全凭证管理系统。


(3) IEEE 1609.3(Networking Services):定义WAVE装置管理与资料服务,并建立WAVE短讯协定(WAVE Short Message Protocol, WSMP)。同时,IEEE 1609.3可向後相容传统网际网路之通讯协定,如IP、UDP及TCP等现行网路服务常用的通讯协定。


(4) IEEE 1609.4(Multi-channel Operation):描述多通道无线电运作、WAVE模式、媒体存取控制及实体层,包含控制通道与服务通道区间时间的运作、优先存取的叁数,以及通道切换的规范及管理服务。


(5) IEEE 1609.6(Remote Management Services):归类於应用层,提供可相互操作服务以管理WAVE装置。其主要描述一远端管理服务,包含WAVE装置的识别服务,并采用IEEE 1609.3标准定义之WAVE管理服务及WSMP识别服务。


(6) IEEE 1609.11(Over-the-Air Electronic Payment Exchange Protocol for Intelligent Transport Systems):具体描述付款与身分确认所需的电子付款服务层及配置,并描述WAVE/DSRC应用的付款传送机制。此标准并未完整定义电子付款服务之应用层协定,其主要功能为定义介接ISO组织所订立的电子付款应用层标准与IEEE 1609.3的功能介面与必要资讯转换处理。


(7) IEEE 1609.12 (Identifier Allocations):描述IEEE 1609系列标准中所使用的提供服务识别值定义。其列出现行WAVE系统中ID分配之规范,及目前已分配使用的ID值。



图3 : IEEE 1609标准架构
图3 : IEEE 1609标准架构

ETSI TC-ITS标准制定趋势

欧洲方面,欧洲电信标准组织(European Telecommunications Standard Institute, ETSI)为EC(European Commission)官方认可的欧洲标准发展组织,ETSI TC-ITS以发展智慧型运输架构相关标准为主要目的,其标准制定架构如图4所示,ETSI TC-ITS由5个WG组成,各个WG简述如下:


(1) WG1(Application Requirements and Services):规范ITS中基础应用之需求与服务,并制定Applications与Facilities两层之通讯协定。


(2) WG2(Architecture and Cross Layer):发展适合所有ITS之通讯架构与跨层管理协定,并扮演欧洲ITS通讯架构之协调者角色。


(3) WG3(Transport and Network):规范Networking和Transport两层之协定,并利用车载网路特有之地理位置资讯特性,发展制定GeoNetworking及IPv6相关协定。


(4) WG4(Media and Medium related):规范MAC和PHY两层相关之标准,其将欧洲ITS使用的频谱划分为ITS-G5A、ITS-G5B与ITS-G5C三个部分,并兼顾其中的相容性。


(5) WG5(Security):制定ITS相关的安全性议题,笔者自2014年4月担任WG5??主席职务迄今,协助规划与推动ETSI ITS通讯安全标准制定方向,负责TR 102 893 TVRA安全标准制定,此草案为车载安全通讯标准制定之基准,规范车载环境中威胁、弱点与风险分析,该草案已於2017年3月正式出版,并推动恶意行为侦测(Misbehavior Detection)新工作项目TR 103 460成立,并为此工作项目之负责人。


欧洲标准化委员会(European Committee for Standardization, CEN)与ETSI於2014年2月ETSI ITS Workshop宣布协同式智慧型运输系统(C-ITS)第一版标准正式发布,其主要依据2009年欧盟指令(Mandate M/453),希??满足不同制造商所生产之设备能彼此与道路系统通讯之需求,达到day-one application布建之成熟度,而目前ETSI目前正着手制定第二版标准,主要涵盖更多使用案例,包括自动跟车、协同式可适应性巡航控制(C-ACC),以及弱势道路使用者(VRU)等。



图4 : ETSI TC-ITS标准制定架构(source:ETSI EN 302 665)
图4 : ETSI TC-ITS标准制定架构(source:ETSI EN 302 665)

3GPP V2X标准制定趋势

3GPP(3rd Generation Partnership Project)为主要制定蜂巢式电信网路科技,包含无线接取技术、核心传输网路以及服务能力,从编码技术、加密技术以及服务品质保证等议题皆提供完整定义与系统规范。3GPP下有4个技术规范委员会,分别为RAN、SA、CT与GERAN。


自2015年2月,SA委员会下的第1工作群,简称为SA1,其专责定义服务规范委员会,开始定义与讨论LTE支援V2X服务应用的议题,目前SA1已完成V2X於LTE服务中相关的需求定义,制订22项使用案例,分属为车对车、车对路侧、车对网路,以及与车对行人,SA2也陆续完成定义服务架构与网路存取的规范讨论,包含2项群组识别码与PC5介面规格制定、3G WCDMA、4G LTE、5G NR终端设备的近端通讯之规格制定。


ISO TC 204标准制定趋势

ISO(International Organization for Standardization)是由世界各国国家标准制定机构代表与工商业厂商所成立的国际标准组织制定机构,目前共有161个国家会员,其中由119个full members,39个correspondent members,以及3个subscriber members组成。ITS相关的TC204於1992年成立,负责路运中有关资讯、通讯与控制的标准制定,并涵盖ITS的相关应用,如旅行资讯、交通管理、大众运输、商业运输、紧急服务与商业服务等,目前ISO TC 204 WG14标准组织已开始进行自动驾驶相关标准制定(图5),包括自动代客停车系统、低速自动驾驶车辆,以及自动卡车列队行驶系统等。



图5 : ISO TC 204 WG14标准发展蓝图(source:ISO TC 204 WG14会议)
图5 : ISO TC 204 WG14标准发展蓝图(source:ISO TC 204 WG14会议)

车间通讯产品研发与建置现况

随着车间通讯标准的制定,各家厂商陆续开发出符合欧美规标准的车载设备与路侧设备。例如工研院车载通讯组件(ITRI WAVE/DSRC Communications Units, IWCU)是为提供智慧型运输系统及提升道路安全性而发展出的一套整合型无线通讯通道系统,符合美规标准IEEE 802.11p/1609、欧规ETSI与SAE J2735的产品。


基於上述车载通讯组件,工研院最新研发iRoadSafe智慧道路安全警示系统(图7),为国际首套V2X系统解决方案,不但符合美国V2V Mandate应用趋势,更创新结合路侧通讯、路侧感测与路侧看板,克服V2V装机普及率问题,提供所有用路人车V2V完整安全警示能力,目前已於全台多处建置示范场域。



图6 : 工研院iRoadSafe智慧道路安全警示系统架构图(source:ITRI)
图6 : 工研院iRoadSafe智慧道路安全警示系统架构图(source:ITRI)

结论

欧盟宣布C-ITS Strategy启动与美国发布NPRM法规制定通知,加上各大车厂如Toyota、Mercedes Benz、Volkswagens、Honda及Ford等皆已投入大量资讯进行技术研发与设备车辆整装测试,台湾的ICT产业具备良好的切入机会,未来人、车、路与环境的终端设备、服务中心、服务设施、路侧设备等将透过异质网路无缝整合,使分散的资讯得以融合,促使用车人与车辆及周遭环境的互动。未来整合多方资讯,同时兼顾驾驶安全及使用者体验,将成为下世代车联网V2X技术发展之一大挑战。


(本文作者曾蕙如为台湾资通产业标准协会TC8工作组组长暨工研院资通所车载资通讯与控制系统组车载资通讯系统设计与验证部??经理)


车联网与自动驾驶委员会组织简介



图7
图7

针对车联网通讯产业标准推动方面,台湾资通产业标准协会於2016年11月10日正式成立车联网与自动驾驶委员会,此委员会主要为针对次世代智慧交通以及车联网所带动的V2X与自动驾驶发展,制定与国际接轨的产业共通标准,强化产业上下游的整合,以提升整体产业竞争力,後续将导入国际V2X通讯标准作为国内车联网通讯产业标准制定之依据。


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