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車聯網通訊服務之來龍去脈
 

【作者: Holger Rosier】   2019年11月14日 星期四

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為了爭取實現道路零事故之目標,交通運輸系統中內建的智慧系統需要能夠以最小延遲共用各種交通訊息。人工駕駛員輔助以當今汽車安全系統,已經實現了歷史性的低死亡人數。在2001年至2017年間,歐盟道路死亡人數下降了57.5%。儘管高速公路由於交通事故而導致出現大量交通雍堵和沮喪情緒,但如果計算每天發生的交通事故數量,實際上大多數仍然發生在農村道路和城市地區(分別為55%和37%)。但是,無論駕駛員狀態如何出色,視覺條件差、各種交通方式混合以及不可見障礙等仍然是面臨的主要挑戰。


在世界範圍內,已經研發和推廣了一系列協作式智慧運輸系統(C-ITS)。這些技術的目的是實現感知共用,道路使用者能夠意識到他們可能看不到的道路狀況。顯然,這種技術需要仰仗無線和行動通訊來實現。然而,它還需要考慮其他道路使用者,例如行人和自行車手。此外,並非所有區域都已被現有的無線和行動基礎設施充分覆蓋,那麼C-ITS用戶在這種情形下該如何相互通訊?


利用現有行動技術提高安全性

自2017年以來,已有一系列新功能包括在3GPP-LTE Release 14行動通訊標準中,它們統稱為Cellular-V2X Service(C-V2X),其中描述了支援現有LTE蜂巢網路的技術如何用於C-ITS。相應技術規格小組(TSG)進行的工作確定了三類應用:道路安全、交通效率和其他應用。


透過對這些應用類別的分析有助於理解支援它們的C-V2X之技術要求。例如,道路安全包括了諸如前向防撞警告,或接近緊急車輛之類的用例,這些都需要充分及時的服務,傳輸可靠性和低延遲時間。


交通效率包括綠燈最佳速度諮詢(GLOSA)之類功能,這些對資料傳輸的要求較低。其他潛在應用包括自動泊車,共用可用車位,以及汽車OEM向其客戶提供的獨特服務等,這裡都需要一些功能,以使認證方能夠設置應用伺服器來處理C-V2X資料請求,並對其進行回應。


使用現有LTE蜂巢網路透過車對網路(V2N)與此類應用伺服器進行通訊是很合理的途徑(圖1),為此目的而設計的路側設備(RSU)用於處理交通狀況資料收集,也可以經由車輛到基礎設施服務(V2I)透過LTE共用這些資料。


然而,透過蜂巢網路傳遞資料所固有的延遲對於快速行動的道路使用者而言並不足夠方便。 在隧道或農村地區,LTE覆蓋範圍有限或沒有LTE覆蓋,這種情形特別需要考慮。因此,對於車輛之間(車輛到車輛,V2V)和車輛到行人(V2P)之間的通訊,以及某些V2I應用,必須能夠在沒有蜂巢網路支援情形下完成。此外,與道路安全有關的資料接收和發送不應限於特定的行動網路營運商,透過允許資料傳輸而無需在行動網路運營商註冊,C-V2X能夠實現此目的。



圖1 : LTE V2X定義了四種通訊服務。
圖1 : LTE V2X定義了四種通訊服務。

在3GPP-LTE Release 14中,直接的V2V、V2I和V2P通訊是透過使用PC5介面處理。在沒有任何行動網路基礎設施支援,包括處在蜂巢網路覆蓋範圍內但無網路以及在覆蓋範圍之外情形,此類ad hoc網路仍可能運作。


在C-V2X方案中處理同步

在有網路覆蓋情形,具有C-V2X的車輛在蜂巢網路上進行通訊時,能夠將其時脈與Evolved NodeB (eNB)基礎設施同步(圖2),這對於最小化時分多址(TDMA)和頻分多址(FDMA)系統上的符號間干擾(ISI)至關重要。對於無法瀏覽eNB之情形,網路覆蓋範圍之外的通訊需要其他替代同步機構。



圖2 : 覆蓋範圍之外應用場景中的時脈同步要求C-V2X節點使用其他替代資源,例如間接來自eNB(上方)、GNSS(左下方)或其他C-V2X道路使用者(右下方)。
圖2 : 覆蓋範圍之外應用場景中的時脈同步要求C-V2X節點使用其他替代資源,例如間接來自eNB(上方)、GNSS(左下方)或其他C-V2X道路使用者(右下方)。

在這種情形下,該標準按優先順序提供了幾個同步源。全球導航衛星系統(GNSS)就是這樣其中一個同步源,可以直接透過車輛內部系統使用,也可以透過V2V或V2I連接到車輛,或者使用GNSS進行自身同步等間接方式。間接同步也可以透過連接到eNB的C-V2X設備來實現。如果這種方式失效,車輛可以簡單地彼此同步。


PC5通訊協定和通道

為了維持PC5通訊,定義了兩個協定堆疊。與使用者層面相關的協定堆疊能夠為V2X應用提供一種相互交換使用者資料方法,而控制層面則提供通訊服務,來承載控制資料(圖3)。


PHY在無線電頻段47上的5.9 GHz頻率,利用10MHz或20MHz頻寬在側鏈(sidelink)上傳輸資料,全球監管機構已將其免於C-ITS通訊許可。在中國,只有C-V2X技術才被允許,而歐洲在技術上保持中立。在美國,已經向FCC提交了申請,要求允許C-V2X在專用短程通訊(DSRC)目前使用的頻譜中運作。


媒體存取控制(MAC)層處理資料分組調度和資源選擇。該層中的分組資料過濾可確保僅將用於此特定V2X設備的協定資料傳送到上層。混合自動重發請求(HARQ)協定也在此處實現。


無線鏈路控制(RLC)層處理服務資料按順序傳送,以及它們的分段和重組。最後,分組資料彙聚協定(PDCP)子層將3GPP無線瀏覽協定層與C-ITS應用相關協定層分開。對非IP資料支援對於支援C-ITS應用至關重要,並且從Release 14開始已經含括在其中。


控制層面中的另一個層,即無線資源控制(RRC)子層,用來處理廣播通訊服務,它們負責管理通訊,配置協定服務並調整無線電參數。


透過使用稱之為區域的概念,車輛的緯度和經度訊息用於確保接收到的無線電訊號保持在可接受範圍內,以避免可能出現飽和,即所謂遠近效應,並提高了訊號與干擾和雜訊比(SINR),足以對無線電訊號進行解碼。



圖3 : 使用者層面(上方)和控制層面(下方)中的協定堆疊。
圖3 : 使用者層面(上方)和控制層面(下方)中的協定堆疊。

MAC子層向RLC子層提供了兩個邏輯通訊通道,用於C-V2X通訊。第一個是邊連結廣播控制通道(SBCCH),用於處理控制層面消息。第二個是邊連結業務通道(STCH),用於處理使用者層面消息,這些映射到兩個傳輸通道。側鏈廣播通道(SL-BCH)攜帶高層控制資料並映射到SBCCH。對於使用者資料,側鏈共用通道(SL-SCH)映射到STCH。


由於附近還可能有其他C-V2X設備,以自動資源選擇模式(稱為傳輸模式4,TM4)運作可能會導致設備受到干擾。為了解決這個問題,SL-SCH利用HARQ進行最多一次使用者資料的重傳。這種能力不適用於攜帶SL-BCH的控制資料。


在PHY處,這些傳輸層進一步映射到物理通道,其中SL-SCH映射到物理側鏈路共用通道(PSSCH),而SL-BCH映射到物理側鏈路廣播通道(PSBCH)。與控制層面處理時間和頻率資源配置相關聯的控制訊息在物理側鏈控制通道上傳輸,這些控制訊息透過使用牢固的正交相移鍵控(QPSK)傳輸,相比之下,PSSCH上的使用者資料則使用QPSK和16階正交幅度調變(16QAM)。



圖4 : 1ms PC5子幀使用四個段用於解調參考符號,能夠有效應對Doppler頻移帶來的挑戰。
圖4 : 1ms PC5子幀使用四個段用於解調參考符號,能夠有效應對Doppler頻移帶來的挑戰。

PC5通訊還採用LTE的常規1ms子幀架構,每個子幀有14個單載波頻分多址(SC-FDMA)符號,其中四個被分配給解調參考符號(DMRS)(圖4)。這些彌補了C-V2X通訊中預期出現的Doppler頻移帶來的挑戰。


面向未來的V2X測試處理

由於C-V2X和C-ITS通訊協定以及與道路安全相關應用之複雜性,再加上行動V2X節點面臨的環境因素,在各種條件下進行仔細的測試對於確保相容、可交互操作解決方案至關重要。 R&S?CMW500等現有LTE技術測試和量測解決方案是C-V2X測試之理想選擇(圖5),這款寬頻無線電測試儀能夠支援從靜態協定一致性到動態條件下操作的所有測試,例如衰減和訊號反射影響等等。它還支援從3GPP LTE-V2X無線電訪問協定到中國、歐洲和美國等區域性C-ITS應用完整堆疊,這也是全球認證論壇(GCF)批准之首個C-V2X測試解決方案。可以使用R&S?SMBV100B訊號產生器來模擬GNSS,其中軟體API允許使用自行開發和協力廠商工具將這些硬體測試工具整合到範圍廣泛的自動化測試環境,都可以執行測試套件或長期測試。



圖5 : CMW500和SMBV100B組合是V2X應用之理想測試平臺。
圖5 : CMW500和SMBV100B組合是V2X應用之理想測試平臺。

在可預見將來,用於基本安全應用的直接C-V2X PC5(稱為第一階段)將仰仗LTE Release 14進行通訊,尤其是在網路覆蓋範圍之外的情形。在C-V2X推出第二階段,Release 15將包含LTE增強型V2X(eV2X)。Release 15計畫於2019年發佈,將增加對協作感知等C-ITS應用支援。作為3GPP Release 16一部分,預計在第三階段將對5G新無線電(NR)概念的支援進行標準化,這對於開發特定應用的汽車工程師而言,現有測試和量測投資將能夠在未來幾年內繼續滿足他們的需求。


(本文作者Holger Rosier為Rohde & Schwarz公司技術經理)


參考文獻

[1] http://www.europarl.europa.eu/news/en/headlines/society/20190410STO36615/road-fatality-statistics-in-the-eu-infographic


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