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C-ITS: LTE-V2X与ETSI ITS-G5比较
C-ITS: LTE-V2X与ETSI ITS-G5比较

【作者: Andrew Turley等人】2018年05月15日 星期二

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协作智慧运输系统(C-ITS)将允许道路消费者和交通管理人员分享资讯,协助减少道路死亡。这将通过车辆之间以及车辆与运输基础设施之间的数位连通性来实现,称为V2X(车辆到车辆和车辆对基础设施)通讯。支援安全关键应用是V2X通讯的核心。ITS Directive 2010/40/EU 是其基础立法,规范ITS连贯和交互操作导入。该指令规定每辆车辆都应能够与任何其他车辆或路边设备进行通讯。



图1 :  支援安全关键应用是V2X通讯的核心。(source:YATZU!)
图1 : 支援安全关键应用是V2X通讯的核心。(source:YATZU!)

互通性、向後相容性和成熟度被确定为核心原则。基於Wi-Fi的V2X 技术,ETSI ITSG5/IEEE802.11p,已经测试了10年,并准备部署。最近,一个新的标准定址V2X应用程式已经开始在3GPP的保护伞下发展,重点是行动宽频标准化。由於数以百万计的道路消费者的安全将取决於这些技术的性能,所以在就绪性、相容性和范围方面进行比较是很重要的。


就绪性

ETSI ITS-G5(基於IEEE 802.11p)是通用Wi-Fi标准的延伸,在动态汽车环境中进行了改进和优化。


ETSI ITS-G5定义於2004年发布,并经历了一个彻底的标准化过程。这包括广泛的现场测试(从2008年开始与德国sim1与400辆车现场测试)和多供应商互通性测试(自2011年开始进行ETSI??头测试)汽车级系统已让OEM和Tier-1供应商进行广泛的测试和验证若干年的时间,这是绝对关键的安全相关产品。相比之下,LTE-V2X是手机4G/LTE一个相对新的扩展。3GPP在三年前才开始Rel-14规范定义,在时间压力下,以赶上欧盟C-ROADS和美国NPRM活动创造的11p势头。因此,某些关键特性不成熟,只会在接下来的Rel-15规范部分纠正(计画在2018年第三季完成)。下面列出了当前已知缺陷,需要在 Rel-15 中进行修复:


· 如在3GPP RAN1 RAN1 contribution所解释的,由於反覆使用LTE上行链路Uplink与其侧边链路(Sidelink)设计所造成的通道交织/速率匹配模式问题,将会严重影响侧边链路资料通道(PSSCH)在RB/模组化编码组合达28.3%。解决方案未来与Rel-15不相容。


· 由於侧边链路最多只有9个数据符号、在LTE上行链路中则有12个数据符号,需要采用TBS scaling技术重新设计Rel-15的传输层大小表列。解决方案未来与Rel-15不相容。


· LTE-V2X Rel-14 Mode-4的延迟时间太长,部分原因是物理层20-100ms的延迟选择视窗。在 3GPP里仍在讨论如何在Rel-15减少此视窗。这将造成与Rel-14不相容。


· 半双工问题: 由於有多个使用者访问方案,使用者将错过并发传输的安全资讯。这情况并不会发生在ETSI ITS-G5,因为ETSI ITS-G5有「交谈前先倾听」的原则。在Rel-14中,通过重新传输信号(HARQ),这一效应可能会减轻,代价可以互联的汽车数量减半。这个问题在Rel-15仍无法解决,只能等到5G NR。


· 从蜂窝带(通常在2或3 GHz 区域)中进行15赫的载波间距不适合於5.9 GHz波段。这导致LTE-V2X 对频率偏移非常敏感。在5G NR中,3GPP计画「解锁」子载波间距,使其可根据部署进行配置。


还缺乏实际的现场测试。大多数提出的LTE-V2X资料是基於数值类比的,这意味着,最好的是,该规范是不成熟的(例如降低效率),或者更糟糕的是,可能无法实现减少道路死亡所需的目标安全应用。此外,LTE-V2X技术的发展(Rel-14,Rel-15,...)实际上会引入不同的性能等级,这意味着LTE Rel-15汽车将比Rel-14汽车更安全。这将导致客户/使用者间的不公平情况。另外应指出的是,即使LTE-V2X Rel-14规格已经完成,定义部署设定档(这是区域/国家特定的),仍然需要进行,并可能需要多年考虑优化上层叁数的复杂性(通道、HARQ、分配方案政策的数量,每个专案都涉及非常具体和狭窄的部署类型(公路与拥挤地区等)。ETSI ITS-G5没有这个问题,因为它是设计於自然地以应付各种情况。


相容性

由於ETSI ITS-G5已经作过非常多的实地测试,在这些年的发展日趋成熟,在可预见的未来没有必要进行重大修订。目前正在进行非正式讨论,以确定是否需要扩展更高的资料因应额外服务。


LTE-V2X Rel-15不会向後相容Rel-14提供的所有服务。同样的,5G NR技术亦不会向後相容LTE-V2X Rel-15 nor Rel-14。如前一节所示,其原因之一是为了纠正缺陷而在几个叁数设计的结构变化。其他原因包括Rel-15中集成的改进,它们与Rel-14不向後相容,如不透明传输分集方案(STBC或SFBC)以及64 QAM调制。因此,Rel-14设备将无法解码 Rel-15 传输(PSSCH),它们只能看到未修改的调度分配(PSCCH)。


这意味着,只要它依赖於以前版本的服务,LTE-V2X布署将始终必须采用标准的旧式版本。不幸的是,对於基本安全资讯来说,尤其如此。基本安全资讯是采用Rel-14标准所推出的第一批服务之一。由於安全消息的广播性质,没有办法知道遗留设备是否在附近。相反的,您将始终必须退回到Rel-14版本(包容其缺陷和低效率)。只有更新的服务才能使用Rel-15和它所拥有的改进性能。


范围比较

ETSI ITS-G5利用选择的技术以符合高机动性。例如,尽管使用「古板」卷积编码器似??是一个劣势,但它提供了使用「涡轮编解码器」类似方案动态调整每个符号的通道估计的可能性,以遵循典型的移动中场景里不断变化的通道特性。这项计画没有在正常的Wi-Fi系统中执行,在2011年已经被描述和实施布署。在LTE-V2X中使用的最新的区块编码解码器(如 LDPC)不能以高速速度提供相同的性能,因为它们只能针对每个区块解码,不能对每个符号解码。


结合上述通道接入机制的特性,ETSI ITS-G5技术还能够在长距离的结合下处理高机动性。在OEM现场测试中也确认了扩展范围。例如,在Traffic Technology Today专访中提到「在高速挑战中,V2V-enabled奥迪车配备了NXP RoadLINK晶片组,以相对速度达到310 mph (500公里/小时),跨距离超过1.2英里(2km)。此类比范围性能如图2(红虚线)所示,是基於 NXP DSRC 晶片组的实际测量性能,并给出了500公尺(90% PRR)的最隹数据,同时LTE-V2X仅能达到240公尺。



图2 :  V2V-enabled奥迪车配备NXP RoadLINK晶片组效能进行高速挑战。
图2 : V2V-enabled奥迪车配备NXP RoadLINK晶片组效能进行高速挑战。

图2比较「路径到 5G」的模拟结果和我们自行模拟的结果,基於实际测量NXP DSRC晶片组的性能。先进的ITS-G5性能比LTE-V2X好得多。场景为高速公路(6车道,其中3条车道每2公里计算,车到达道路底端後,往相反方向??转,模拟真实交通的机动性)以4个数据包的交通装载与190个位元组,1 Mbps资料率。传输功率设置在20 dbm,3 dBi增益用於传输和接收,接收机灵敏度为-95 dbm。通道设置双斜率路径损耗,采用Nakagami 模型。


其他对於LTE-V2X的问题

缺少一个明确定义的LTE-V2X通讯设定档(鉴於LTE的多种配置可能性),不切实际的定时要求,对於可支援的汽车数量的不确定性,以及延迟性的限制,都是额外是还没有解决的其他悬而未决的问题。这些情况也反映出LTE-V2X与ETSI ITS-G5的不同成熟度水准。


结论

如上文各节所述,可以得出结论,LTE-V2X目前反而使V2X通讯技术倒退。LTE-V2X(基於 Rel-14)还没有准备好,也没有像LTE-V2X利益攸关方建议的那样带来巨大的收益和改进。


上述的比较进一步说明LTE-V2X的不成熟性、未经测试的和未经验证的技术状态,以及在未来LTE-V2X版本中缺乏真正的向後相容性,特别是与安全关键用途有关。


ITS Directive 2010/40/EU的向後相容、互通性和成熟性定义为其规范和部署的关键原则,以及发布标准的授权。这显然不是在LTE-V2X下发生,或在一般行动产业内的准则。我们认为,减少道路死亡和增加道路安全的最隹途径是一种混合通讯方法,让两种通讯技术共同合作:


· ETSI ITS-G5在分配给V2X应用程式的5.9 GHz频谱中提供安全资讯;


· LTE-V2X为更多与基础设施相关的服务提供I2V资讯,如分配给行动产业的3.2-3.8 GHz 频谱中的通讯管理资讯。


这一观点得到了大多数汽车工业和道路基础设施行业的认同,例如在最近美国交通部的US-DOT & FCC公布的「安全联盟」公开信当中即获得认可。


(作者Andrew Turley、Kees Moerman、Alessio Filippi、Vincent Martinez任职於恩智浦半导体公司)


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