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車聯網進化的驅動力
5G為 V2X 應用帶來優勢

【作者: 貿澤電子】   2022年03月17日 星期四

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由於車聯網(V2X)等新興車載網路應用需要,對於延遲、資料速率、可靠性和通訊距離提出嚴格服務品質要求,以及V2X 應用正在過渡到基於5G,與當下專用短距離通訊方法相較,帶來的一些關鍵特性和功能缺失,本文將討論在自動駕駛系統中使用 5G為 V2X 應用帶來的主要優勢。



車聯網(V2X)技術是車輛運輸之未來。透過道路上車輛之間通訊(V2V)以及車輛與路燈和人行橫道等交通基礎設施(V2I)之間進行通訊,將大大增強汽車安全功能並緩解交通壅堵。V2X可使用5G在汽車、行人和交通攝影鏡頭/感測器之間傳輸訊號,讓駕駛更加安全、更加方便。


接下來,本文將討論在 V2X 應用中 5G 如何提供新功能的五種方式,5G會比當前車載專用短程通訊(DSRC)系統提供更好的連結性和更低延遲。


技術進化即將到來


圖1 :  C-V2X能夠透過非視線方式感知來補充攝影鏡頭、雷達和雷射雷達等感測器不足,這是實現安全自動駕駛之關鍵因素。(source:metamorworks/Shutterstock.com)
圖1 : C-V2X能夠透過非視線方式感知來補充攝影鏡頭、雷達和雷射雷達等感測器不足,這是實現安全自動駕駛之關鍵因素。(source:metamorworks/Shutterstock.com)

透過接收有關駛近緊急車輛(包括距離和方向資訊)以及學校/行人通道的訊息,V2X 和 5G能夠達成增強道路安全之目的。當孩子們即將過馬路時,校車能夠通知附近車輛避讓,而當在繁忙街道上出現阻塞車道時,送貨卡車可以讓周圍地區知道。有關交通壅堵訊息將即時傳遞,相關道路事故或交通壅堵警告會在發生後幾秒鐘內傳輸。行人甚至可以透過手機接收到附近有關車輛行駛不正常或以不安全速度行駛警告,當一輛超速行駛車輛闖紅燈後穿過十字路口時,行人會在踏上馬路之前聽到響亮警報。


蜂巢式C-V2X(C-V2X)是 V2X 的一個子集,能夠透過非視線(LoS)方式感知來補充攝影鏡頭、雷達和雷射雷達等感測器不足,這是實現安全自動駕駛之關鍵因素。C-V2X 還將提供比 LoS 感測器更大覆蓋範圍,並且是車輛與其他連結設備進行通訊基礎。


除了 V2X,5G 還將支援車對基礎設施(V2I)、車對網路(V2N)、車對車(V2V)、車對行人(V2P)以及騎行者等弱勢道路使用者、用於電動車功率傳輸的車輛到設備(V2D)和車輛到電網(V2G)通訊。



圖2 : 重要C-V2X 用例:車對車(V2V)、車對行人(V2P)、車對基礎設施(V2I)和車對網路(V2N)通訊。
圖2 : 重要C-V2X 用例:車對車(V2V)、車對行人(V2P)、車對基礎設施(V2I)和車對網路(V2N)通訊。

透過 DSRC 和 C-V2X 提高安全性

自動駕駛車輛採用兩種高速通訊協定來保障車輛安全:DSRC 和 C-V2X,這兩種協定以極高速率運作,並以低延遲進行高頻資料交換。DSRC工作在5850~5925MHz頻段,資料速率為6~26Mbps; C-V2x 具有接收速率 26Mbps(RX)和最大26Mbps(TX)發射速率。 DSRC 和 C-V2X 無線電可以沒有連結,但它們在收聽其他訊號同時,能夠廣播車輛位置、速度和加速度等。


在所有距離內進行安全可靠通訊

透過推進車輛編隊、進階駕駛、擴展感測器和遙控駕駛等基於 C-V2X 應用,5G為行業 C-V2X 帶來側鏈通訊技術(sidelinking)。由於在緊急駕駛情況下需要緊急制動和規避碰撞,因此要求嚴格的低延遲和高可靠性。C-V2X最短傳輸延遲不超過4ms,並且可能更快,具體取決於實施方式。


短程通訊導致的大部分流量,尤其是在 V2X 部署第一階段,將主要是每輛車定期廣播消息,以傳達其狀態和運動。


在交通密集區域,可用通道資源會使該區域飽和,並增加資料包丟失,從而可能危及駕駛員。可透過擁塞控制演算法來檢查並定義某些參數,以在這些條件達到臨界水準之前進行修改。C-V2X側鏈通訊是第一個在實體層引入距離作為維度的無線系統,可為 LoS和非LoS方案提供統一通訊距離。


V2X通訊之安全/隱私

基於 LTE的V2X通訊使用高容量、大社區覆蓋範圍和廣泛部署基礎設施,來支援用於安全和非安全應用的各種類型車載通訊服務。3GPP和Qualcomm等機構已經為基於 5G的 V2X 服務制定了路線圖。


3GPP中定義的安全,主要包括機密性、完整性、真實性和抗重播攻擊能力。新的隱私和安全挑戰,例如面向群體的自動佇列安全移動管理、可靠協作駕駛、高效和保護隱私的車輛大資料共用和處理等,將需要進一步研究。


V2X 應用仰仗於連續、詳細位置資訊,這可能會導致隱私問題。在私人車輛中,位置跟蹤將會顯示出駕駛員(可能是也可能不是車主)所處位置變化和活動;發送和傳播 V2X 使用者位置訊息,可能會給車主和租車人/借車人帶來隱私問題。


其他 V2X 應用包括車輛之間通訊、增強現有方法以幫助提供左轉或右轉輔助、緊急制動警告以及改善十字路口態勢感知等。擴展 Waze概念,它可以控制或建議車速調整以解決交通壅堵問題,並在GPS 地圖上對於車道關閉和高速公路建設活動等情況進行即時更新。V2X 對於實現汽車中大量軟體驅動系統無線(OTA)更新至關重要,這些包括從地圖更新到錯誤修復再到安全更新等軟體應用。


V2X訊息保護/安全性

V2X 通訊需要強大安全性來保護消息免受欺詐或誤導性使用,從而避免導致安全和隱私問題。另一種安全方法是使用公開金鑰證書對消息進行簽名,以防止未經授權的各方對資料傳輸進行干擾,並安全地對通訊實施假名化。


公鑰基礎建設(PKI)包含一些用於創建、管理、使用、保存和撤銷數位安全證書的策略和程式。 PKI 允許安全地傳輸電子訊息,並且不僅僅是以密碼作為身份驗證,還需要更嚴格身份確認。


為實現強大 V2X 性能進行測試

對於預測各種現實世界場景中V2X 通訊之性能,其重要性怎麼強調都不為過。由於駕駛員、乘客和行人安全極其重要,因此需要在部署前進行測試。實驗室測試是證明重要假設和測試意外情況的關鍵第一階段。作為此類測試之一,5GAA 汽車協會在 V2X 功能和性能測試報告中運作 V2X 性能和功能測試,其中僅 C-V2X 技術會在實驗室環境中針對高度擁擠場景進行測試,即便在這種擁擠場景中,C-V2X 延遲仍然受到為該場景設置的100ms延遲限制。


這些測試中一些主要關注點,包括:


‧ 20MHz CH183中的C-V2X通訊與10MHz CH184中同樣BSM類消息傳輸具有相同可靠性(資料包接收率針對距離)。


‧ CH183中C-V2X高負荷傳輸對CH172中DSRC基本安全傳輸之影響,在LoS條件下,遠達1.4km距離時可忽略不計。


‧ CH183中C-V2X高負載傳輸對CH178中V2I和I2V傳輸影響,在LoS條件下,遠達1.4km距離時可以忽略不計。


‧ CH183中C-V2X高負載傳輸對CH180 中V2I和I2V傳輸影響,在LoS條件下,遠達1km距離時可以忽略不計。


Ford和Qualcomm還進行了進一步外場測試,以支援最新5G汽車協會(5GAA)向美國聯邦通訊委員會提出的C-V2X部署豁免申請。C-V2X表現良好,尤其是在視線(LoS)條件下。


按照5GAA計畫,C-V2X被認為已準備好與商用晶片組一起部署,也被視為車載全球部署準備就緒。5GAA 將與相關標準制定組織(SDO)合作,推動5G V2X需求,以創建成功V2X生態系統。


結論

我們可以看到V2X巨大市場潛力,但它仍處在起步階段,而且在成熟之前,我們可能無法充分享受這項技術許多好處。大多數交通系統尚不相容 V2X,但伴隨V2X系統變得越來越普遍,交通系統將能夠根據需要調整交通訊號燈時間以緩解交通壅堵,這如同高速公路如何使用流量控制燈(通常帶計時器)以避免出現大壅堵。


車聯網連結技術可能會在未來 20 年左右取得長足進步,許多新車型會使用某種形式 V2X 技術,尤其是豪華車型。大多數原來豪華車的設施(例如真皮座椅、天窗、巡航控制)當下已經在所有價位汽車中變得很普遍。預計 V2X 連結將成為具備自動駕駛系統(ADS)車輛的一項關鍵能力,該自動駕駛系統會評估環境中潛在危險,然後做出相應回應。ADS 掌握周圍環境有關資訊越多,就能夠做出更好的決策,5G 將使從手機到交通訊號燈再到車載導航系統的連結,成為交通之未來。


(本文由貿澤電子提供;作者為Steve Taranovich、Alex Plumer)


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