V2X无线通信技术及其应用

发布于2022-06-01

什么是V2X?

V2X (Vehicle-to-Everything) 是将车辆与其它一切事物相连接的新一代信息通信技术， 其中V代表车辆， X代表任何与车辆进行信息交互的对象，包括车，行人，交通基础设施和网络。借助于车与车、交通基础设施、行人之间的无线通讯，可以实现车辆与外界的信息交换，实时感知车辆周边状况，并进行及时预警和干预。因此V2X可谓未来智能网联汽车和智能交通的重要支撑技术之一。

V2X主要包括四大类关键技术 ^[1]（如图1所示）：车辆与车辆（V2V)、车辆与基础设施（V2I）、车辆与行人（V2P) 以及车辆与外部网络（V2N）。

图1. V2X关键技术

1) 车辆与车辆（V2V）：实现车辆之间的直接通信，实时获取周围车辆的车速、位置和行车情况等信息；通过车辆分析和预判其它车辆的驾驶行为信息来预防或者减少交通事故的发生， 提升道路行驶安全。

2）车辆与基础设施（V2I）：实现车辆与道路以及路边基础设施的通信，比如可以获取红绿灯、各种道路指示牌信息等。V2I能够帮助实现交通优先权和速度建议、各种预警（路况、闯红灯以及天气等）、停车位和充电桩寻位等应用。

3）车辆与行人（V2P）：实现车辆与弱势道路使用者（包括行人，骑行者等）的用户设备（如手机、平板电脑等）的通信。V2P主要保障弱势道路使用者的安全，提供预警和防护。

4）车辆与外部网络（V2N）：实现车辆与现有互联网相连，使车辆获得互联网的服务能力。主要应用于车辆导航、路径规划、地图更新、车辆远程监控、紧急救援、信息娱乐服务等。

V2X发展现状

V2X技术从20世纪90年代开始得到了广泛和深入的研究。目前主要有两种通信标准体系：专用短程通信DSRC (Dedicated Short Range Communication) 和基于移动蜂窝网络的C-V2X（Cellular Vehicle-to-everything）。

DSRC标准以美国的ASTM/IEEE、欧洲的CEN/TC278和日本的ISO/TC204标准体系为代表。美国交通部长期致力于 DSRC 的试点部署工作, 1999年便将 DSRC 选定为 V2V 通信方案并投入了约 10 亿美元进行开发测试。2011年，“轻型车辆驾驶员接受度诊所”项目评估了用户对 V2V 安全应用的接受程度 ^[2] 。2016年12月，美国高速公路交通管理局发布了V2V通信法规提案，要求从2021年起所有新增轻型车辆必须搭载基于DSRC的V2V技术 ^[3].

随着LTE (Long-Term Evolution) 技术的成熟，C-V2X逐渐成为一门新兴技术。欧洲和亚洲各国建立了各种旨在开发、测试和推进C-V2X技术的合作组织，包括 5G汽车联盟（5GAA）、德国“汽车连接未来一切联盟”、法国“驶向 5G 战略合作”和韩国 5G 汽车应用测试等 ^[4]。中国的V2X技术较国外起步晚，所以到目前为止仍处于技术研发阶段，暂时还未能实现量产。

 V2X通信系统的关键组成

• 信息收集单元

---V2X需要通过各种车载传感器，以及GPS、摄像头和雷达等硬件设备获取车辆状态信息，将硬件设备和通信设备相结合形成车载单元OBU、路侧单元RSU等组件，组件与车辆建立通信连接形成完整的通信网络体系结构。

1）车载单元OBU

OBU是指安装在车辆终端，用于增强驾驶员对行车环境和车辆运行状态的感知，加强驾驶安全的单元。其功能包括车辆运动状态获取、行车环境信息感知、车辆定位信息获取、信息交互、信息处理及管理、安全报警与预警等。

 (2) 路侧单元RSU

RSU是指安装在车道旁边或上方的通信及计算机设备，是V2X系统的重要组成部分。其主要功能是采集当前的道路状况、交通状况等信息并处理后，通过网络与OBU完成实时高速通信，利用车辆自动识别、特定目标检测及图像抓拍等技术辅助驾驶员进行驾驶。

• 无线接入技术

目前，多种无线接入技术为车辆提供V2X通信所需的无线接口。图2中不同类型的无线接入技术包括移动网络接入、车辆网络接入和短程通信 ^[5]：

• 移动网络接入包括：蜂窝网络 (Cellular)、卫星网络和WiMAX。
• 车辆接入网络包括：DSRC和CALM。
• 短距离通信网络包括：Wi-Fi、蓝牙和ZigBee。

当前支持V2X通信的两种主流无线接入技术是专用短距离通信（DSRC）和 C-V2X。DSRC主要用于5.9 GHz专用频段，该频段已在许多国家专门用于ITS应用；C-V2X则可以在 5.9 GHz专用频段以及蜂窝运营商的其他公众频段中使用。

图2. 各种不同类型的无线网络接入技术 ^[5]

• 路由协议

车辆的运动使得V2X通信网络的拓扑结构频繁而迅速地变化，造成整个通信网络的通信和数据交换变得非常的不稳定。目前的研究重点是如何确保车辆之间的通信可靠而实时 ^[5]。在现有解决方案中，有效的路由协议（主要包括基于策略和基于数据传播的路由协议）是提高V2X通信网络数据传输速度和可靠性的一个关键因素。图3所示为基于策略的路由协议。基于策略的路由协议包括基于位置（Location-Based）、分簇 (Cluster-Based) 或者贪婪算法 (Greedy Routing) 的路由协议。

图3. 基于策略的路由协议

V2X 通信技术路线

利用V2X搭建的车辆网络属于车载自组织网络，该网络具有如下典型特征 [4]：1）网络由车辆自主创建，能不断进行自我配置；2）由于车辆处于高速运动状态，网络属于高度动态拓扑结构，具有不可预测性，而且时间要求严格；3）网络信息交换频繁；4）需要分布式操作机制，且适应多种通信环境等。 针对车载自组织网络的特殊需求，目前主要采用DSRC和C-V2X两条技术路线。DSRC 技术发展历史较长，美国、欧盟和日本形成了完善的标准体系和产业布局；而C-V2X 技术正处于快速发展阶段, 受到了中国、欧盟等国家和地区的高度重视。

• 专用短程通信 (DSRC)

DSRC由物理层标准IEEE 802.11P和网络层标准IEEE1609构成，信息内容和结构由SAEJ2735、SAE2945标准规范构成。DSRC是一种高效的双向半双工中短距离（10m-30m）无线通信技术，可实现高速数据传输，带宽可达3-27Mb/s ^{[6, 7]}, 并能保证通信链路的低延时（毫秒级）和低干扰；能够在车辆高速行驶工况下工作，且能免受雨、雪、雾等极端天气条件的影响。安装了车载单元 (OBU) 的车辆和路边单元 (RSU)，通过DSRC技术可实现 V2V 和V2I通信。DSRC广泛地应用在电子不停车收费、出入控制、车队管理、信息服务等领域，并在车辆识别、驾驶员识别、路网与车辆之间信息交互、车载自组网等方面具备得天独厚的优势。

图4. DSRC协议栈示意图 ^[8]

DSRC已被美国交通部确认为V2V标准，经过10年研发与测试已经定型，并依托IEEE和 SAE两大行业协会制定了完整的标准协议框架，如图4所示。欧盟的协同式智能交通系统和日本的V2X（C-ITS)也是基于DSRC技术。DSRC作为目前最为成熟的V2X通信技术，高通、恩智浦（NXP）、中国大唐电信和台湾Unex等公司都已经推出比较成熟的DSRC产品。

各国对DSRC技术的频谱分配情况如表1所示：

尽管DSRC技术得到了广泛的实际验证和应用，也存在一定的局限性 ^[9]：

1) DSRC采用载波监听多路访问协议，在高密度的交通情况下可能会出现数据包译码失败；

2) DSRC的最大传输功率和传输范围有限，不适用于需要长距离通信或合力反应时间的应用场景；

3) DSRC属于视距传输技术，障碍物较多的城市工况对其应用构成挑战；

4) 基于DSRC技术的V2I系统需要完善的交通基础设施，因此对专用基础设施的依赖性很大。

• 基于蜂窝网络的C-V2X

针对DSRC技术可能存在的问题，通信产业提出了C-V2X解决方案 [10,11]，即基于蜂窝网络通信技术的车用无线通信技术，包含LTE-V2X和5G-V2X。从技术演进的角度讲，LTE-V2X支持向5G-V2X平滑演进。C-V2X是一项利用和提高现有的长期演进技术LTE特点及网络要素的信息技术，是第三代合作伙伴计划（3GPP） Realease-14规范的一部分，该初始标准侧重于V2V通信，并逐渐增强对其他V2X操作场景的支持。目前3GPP组织已经完成了LTE-V2X的业务需求、网络架构、无线接入技术和V2V/V2X业务方面的研究和标准化，并将LTE-V2X标准立项申请提交到国际标准化组织。2018年11月针对智能交通系统中的LTE-V2X应用ISO/DIS17515-3标准已经进入最终的国际标准草案阶段。

相比于DSRC技术，C-V2X具有独有的优势和特点 [10]。首先，C-V2X物理层采用频分复用技术，提高了链路预算增益，能比DSRC提供更长的预警时间和2倍的通信范围；其次，利用移动网络供应商的基础设施，C-V2X能够提供稳健的通信平台，增强数据安全性和保密性，并能通过边缘计算保证时间要求；此外，C-V2X具有更好的非视距感知能力。

V2X无线通信技术的应用

V2X无线通信技术的主要应用聚焦在提升交通/道路安全、提高交通效率和提供信息服务三个方面 ^{[5, 11,12, 13]} 。

• 交通/道路安全

V2X能够实现车辆与车辆或者路侧基础设施之间实时通信，实现超视距、低时延、高可靠的道路环境实时状况感知、分析和决策，在可能发生危险或碰撞的情况下, 提前警告，从而实现车辆的行驶安全。V2X在提升交通/道路安全方面的典型应用 ^[11] 有：1）前向碰撞预警；2）交叉路口碰撞预警；3）左转辅助；4）盲区预警/变道辅助；5）逆向超车碰撞预警；6）紧急制动预警；7）异常车辆提醒；8）车辆失控预警；9）道路危险状况提示；10）限速预警；11）闯红灯预警；12）弱势交通参与者预警。

• 交通效率

--V2X在提高交通效率方面起着重要作用。面向交通效率改善的应用包括交通预测和资源调度，及时准确的交通预测对于提高车辆通行效率至关重要 ^[5]，因为它能够为司机和路线规划者提供准确的导航、调度和流量控制，而这正是智能交通系统的基础。

-------基于V2X通信，经过改造的交通信号灯或者电子标志标识等基础设施可以将交通管理与指示信息通过路侧单元RSU告知车辆，实现诱导通行、车速引导等出行效率提升的应用。典型的 V2X 交通效率类应用包括前方拥堵提醒、红绿灯信号播报和车速引导、特殊车辆路口优先通行等。

• 信息服务

-------V2X 信息服务类典型应用包括突发恶劣天气预警、车内电子标牌、自动停车引导、车辆远程诊断以及车辆近场支付等。以车辆近场支付为例 ^[13]，车辆通过V2X通信技术与路侧单元发生信息交互，间接向银行金融机构发送支付指令，再经过人脸识别或指纹识别验证，进行货币支付与资金转移的操作，从而实现车载支付功能。

-------V2X面临的挑战及未来发展趋势

• V2X面临的挑战

-------尽管V2X已经取得了长足的进步，但远未能大规模普及应用，其中涉及技术、商业模式以及法律法规等多方面的挑战。目前，实现V2X的DSRC和C-V2X两种技术路线引发了激烈的争论，由于其各有优劣，最佳技术路线尚无定论。有专家提出两种技术共存互补的方案^[14]， 但是共享频谱的方案受到DSRC支持者的质疑，同时车辆网络的特点对频谱共享后的移动出行管理、网络选择机制和切换策略等构成相当的技术挑战。此外，技术路线的不确定性使各国政府对V2X应用的法规制订和普及建设持谨慎态度。美国交通部的立法明确要求车辆必须搭载基于DSRC的V2V技术，得到了美国和日本车企及其供应商的支持；但是电信产业以及多数欧洲汽车制造商支持C-V2X方案或者要求法规中立、由市场决定技术路线。

• 未来发展趋势

-------1) 5G与V2X

DRSC技术发展比较成熟，但通信范围受限、对基础设施依赖强并且缺乏技术演进路线。另外一方面，C-V2X技术尚处于起步阶段，还不能满足严格的车辆通信安全要求，仅适用于非安全相关的应用。未来5G 技术 ^[15] 将充分考虑车辆安全的应用需求,有潜力提供高吞吐量、宽带载波支撑、超低延迟和高可靠性的通信服务, 从而真正满足智能汽车的核心诉求。发展与5G技术兼容性更佳的C-V2X技术更加符合长远利益。

2）提高V2X的智能化水平

智能化的V2X通信系统能够提高车辆安全性，舒适性以及能源效率 ^[5]。 以机器学习算法为基础的智能算法能够取代传统的算法来增强V2X通信系统的智能化水平。比如图神经网络GNN和增强学习算法RL可以用来提高V2I和V2V链路之间共享资源的有效分配。

3）与智能座舱的融合

智能座舱是智能化的驾乘空间，为用户/乘客提供更加丰富的车载信息娱乐服务以及更加智能化的车内人机交互体验。V2X无线通信技术能够使得车与外界进行互联，能够为智能座舱提供多层次的信息 (实时路况，导航，无线通信等) 。V2X和智能座舱（比如车载信息娱乐系统）的深度融合，将能够进一步提升人机交互的智能化和用户的驾乘体验，有着广阔的商业应用前景。

目前，尽管V2X无线通信技术已有相关的标准体系并且相关解决方案已经成型，但是大规模应用仍需时日。综合各方面考虑，未来发展与5G技术兼容的C-V2X技术方案将会极大地推动V2X技术的普及。

参考文献

[1] https://corporatefinanceinstitute.com/resources/knowledge/other/vehicle-to-everything-v2x/

[2] Lukuc M., Light vehicle driver acceptance clinics preliminary results. Washington DC: National Highway Traffic Safety Administration, 2012.

[3] National Highway Traffic Safety Administration. Federal motor vehicle safety standards; V2V communications.

https://www.federalregister.gov/documents/2017/01/12/2016-31059/federal-motor-vehicle-safety-standards-v2v-communications

[4] 刘宗巍，匡旭，赵福全，V2X关键技术应用与发展综述。电讯技术，2019.

[5] Xia Z., Wu J., Wu L., et al. A comprehensive survey of the key technologies and challenges surrounding vehicular ad hoc networks.  ACM Transactions on Intelligent Systems and Technology, 2021.

[6] U. S. Department of Transportation. DSRC: the future of safer driving [EB/ OL].

[7] http://c-its.org.cn/Uploads/ueditor/file/20211230/61cd2b3a1abab.pdf

[8] Chekkouri A. S., Ezzouhairi, A., & Pierre, S. Connected vehicles in an intelligent transport system. Vehicular communications and networks. Woodhead Publishing.

[9] Machardy Z., Khan A., Obana K., et al. V2X access technologies: regulation, research, and remaining challenges.  IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2018.

[10] Kousaridas A., Medina D., Ayaz S., et al. Recent advances in 3GPP networks for vehicular communication. 2017 IEEE Conference on Standards for Communications and Networking (CSCN).

[11] 中国信息通信研究院，车联网白皮书 (C-V2X分册), 2019.

http://www.caict.ac.cn/kxyj/qwfb/bps/201912/P020191226516585677051.pdf

[12] 方箭,冯大权,段海军,郑灿健,钱恭斌. V2X通信研究概述. 电信科学, 2019.

[13]合作式智能运输系统 车用通信系统应用层及应用数据交互标准.  中国汽车工程学会.

https://static1.tianyancha.com/czd_file/standard/fb2983ee72c8fe457480a95e1c6845e7.pdf

[14] Abboud K.,Omar H. A.,ZHUANG W. Interworking of DSRC and cellular network technologies for V2X communications: a survey. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2016.

[15] The case for cellular V2X for safety and cooperative driving.  5G Automotive Association,  2016.

https://5gaa.org/wp-content/uploads/2017/10/5GAA-whitepaper-23-Nov-2016.pdf

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