智能网联汽车V2X技术解读

原创汽车电子与软件 2024-08-07 08:48

TI MCU方案：电动汽车实时控制 如何增强能源基础设施的实时控制？

作者 | 王车车

出品 | 汽车电子与软件

#01

什么是 V2X？

车联网（V2X，Vehicle-to-Everything）是实现车辆与周围的车、人、交通基础设施和网络等全方位连接和通信的新一代信息通信技术。车联网通信包括车与车之间（V2V，Vehicle-to-Vehicle）、车与道路设施之间（V2I，Vehicle-to-Infrastructure）、车与人之间（V2P，Vehicle-toPedestrian）、车与网络之间（V2N，Vehicle-to-Network）等。其中，V2V、V2I 和 V2P 等近程数据交互具有低时延、高可靠等特殊严苛的通信要求。

通过 V2X 将“人、车、路、云”等交通参与要素有机地联系在一起，一方面能够获取更为丰富的感知信息，提高驾驶安全、降低事故发生率，促进智能网联汽车与无人驾驶技术实现；另一方面通过构建智慧交通系统，提升交通效率、改善交通管理、缓解环境污染等。

1.1、V2X 通信的类型

1. V2V (vehicle-to-vehicle)

V2V 指的是车辆之间的数据交换。这项技术让车辆能够分享诸如速度、位置和方向等信息，从而能够检测并避免可能发生的碰撞，协调行驶路线，以及保持安全距离。

通过在车辆之间建立实时连接，V2V 提高了情景感知能力，并有助于预防事故、缓解交通拥堵、节省燃料。V2V 是高级驾驶辅助系统和自动驾驶的核心技术，它让车辆能够根据道路状况做出合理的决策和反应。

2. V2I (vehicle-to-infrastructure)

V2I 让车辆能够与道路上的各种设施元素互动，比如交通信号灯、路牌、以及道路内的传感器。这种互联让车辆能够获取重要的信息，例如交通灯状态、速度限制、道路状况、以及是否有障碍物或施工区。

通过整合这些数据，V2I 通信技术可以协助缓解交通拥堵、优化交通信号灯时序、提高整体交通系统效率。此外，V2I 通信还能为高级驾驶辅助系统和自动驾驶车辆提供有价值的信息输入，有助于实现更安全和更高效的导航。

3. V2P (vehicle-to-pedestrian)

V2P 专注于车辆与行人、骑车人或其他易受伤害的道路使用者之间的互动。这项技术通常依靠行人携带的智能手机、可穿戴设备或其他设备来发送他们的位置和运动数据。配备了 V2P 的车辆可以利用这些信息来发现并避免可能发生的碰撞，保障道路使用者的安全。

例如，在有行人过马路时，具备 V2P 功能的车辆可能会收到提醒，提示驾驶员或自动驾驶系统及时减速或停车。

4. V2N (vehicle-to-network)

V2N 把车辆与更广泛的通信网络，比如移动网络或 Wi-Fi 网络连接起来。这种连接让车辆能够获取实时的交通信息、天气预报、路线建议等，帮助更高效和更安全地出行。

V2N 还可以实现远程诊断和在线更新，让制造商能够检测车辆健康状况，并提供软件升级。此外，V2N 通信通过将车辆数据与公共交通系统和城市基础设施等其他数据源进行整合，来支持智能城市和互联交通生态系统的建设。

#02

V2X的技术路线

2.1、DSRC

在V2X发展的早期阶段，IEEE提出了支持VANET技术的专用短程通信(Dedicated Short Range Communications，DSRC)标准，也被称为IEEE 802.11p。DSRC将5.850～5.925GHz中的75MHz频段作为智能交通系统中专用短程通信的无线电服务，服务目的是为了改善交通安全程度，减少拥堵等。后续，欧盟、日本、新加坡、韩国等相继推出自己的通信标准，但是都是基于美国的DSRC标准派生而来。

DSRC协议栈如图所示。在物理层和MAC层，DSRC使用IEEE 802.11p（IEEE 802.11（WiFi）的改进版）提供车载环境下的无线接入。在协议栈中间位置，DSRC采用一套IEEE 1609工作组定义的标准：1609.4——用于信道切换，1609.3——用于网络服务（包括WAVE短消息协议——WSMP），1609.2——用于安全服务。DSRC还支持在网络和传输层使用IPV6协议，用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）和传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP），以支持接入Internet的需求。

DSRC技术是分散式网络技术，这意味着设备可以在没有接入点的情况下进行通信。它为车辆之间及车辆与基础设施之间的低延迟无线数据通信提供了支持，允许DSRC设备之间的短时间信息交换。这些设备可分为三大类，即行人携带的移动设备、路边单元(Road Side Unit，RSU)和车载单元(On-Board Unit，OBU)，它们都支持美国联邦通信委员会在 5.9 GHz 频段中分配的75 MHz许可频谱。

该频谱分为七个10 MHz 信道，低端有一个 5 MHz 保护频带。在几百米的短距离范围内，DSRC网络中的每辆车能够在每秒多次发送和接收自己与周围车辆的信息，例如位置、速度和加速度等。通过使用这些消息，接收方能够计算出每个相邻车辆的轨迹，将这些轨迹与其当前的预测轨迹进行比较，然后推断出是否有任何相邻车辆存在碰撞风险。除了车对车通信，在DSRC网络中，车辆还可以通过安全消息和其他类型的消息与RSU进行通信。例如，通过RSU，车辆可以了解下一个十字路口的信号状态与潜在的危险(冰、洪水、紧急车辆等)。

目前国际上主要选用IEEE 802.11p协议作为DSRC的接入协议，符合车联网系统中的相关应用需求。但由于使用DSRC技术必须在路边建设大量基础设施，使其部署成本大大提高，商业模式也不明朗，因此自2010年标准发布以来至今没有实现大规模商用。技术上来说，DSRC还存在以下问题：基于载波侦听多点接入与碰撞避免（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA/CA）技术，存在隐藏节点问题，在节点数量密集时容易发生碰撞拥塞，网络性能（时延、可靠性）急剧下降；车载环境下难以准确、及时估计及有效跟踪信道；缺少时域交织，难以抵抗深衰落；多信道工作的相邻频带泄露；覆盖/连通性较差。

2.2、C-V2X

基于蜂窝网（Cellular）的车载通信技术（C-V2X）是3GPP（Third Generation Partnership Project，第三代合作伙伴项目组织）的通信技术，目前包括LTE-V2X及技术演进后的5G V2X。

3GPP 的 C-V2X 标准化工作主要分为 3 个阶段：

第 1 阶段是基于长期演进（Long Term Evolution，LTE）技术满足 LTE-V2X 的基本业务需求，对应 LTE Rel-14 版本；

第 2 阶段是基于 LTE 技术满足部分 5G+V2X 增强业务需求（LTE-eV2X），对应 LTE Rel-15 版本；

第 3 阶段是基于 5G 新空口（5G+NR）技术实现全部或大部分 5G V2X 增强业务需求，对应 5G+NR Rel-16 和 Rel-17 版本。

基于蜂窝的车联网架构主要由终端、接入层、网络层及应用层组成。首先，终端包括车辆用户、蜂窝用户及路边单元等。其次，位于接入层的基站是所有终端设备的控制节点，能够对用户的切换、资源分配、资源调度、功率控制等资源管理方面进行控制。最后，网络层负责将接收到的信息发送给应用层。应用层对数据进行处理后，根据不同的业务需求为终端提供包括出行安全保障、娱乐媒体在内的一系列服务。

C-V2X车联网架构

随着高性能的LTE全面商用，相较于DSRC，LTE-V的最大好处在于能够重复使用现有的蜂窝基础建设和频谱资源，LTE网络基础建设已经存在，电信运营商不需要布建专用的路侧设备以及提供专用频谱，同时其设备可以和手机使用同一类型的单一LTE晶片组，能为车厂大大降低整合成本。LTE可以更好地支持长距离信息传递、高速移动节点、稀疏交通场景以及复杂的传输环境。此外，不同于802.11p自组织组网方式，LTE采用中心组网或者中心辅助下的组网方式，通过基站的参与更加有利于保证V2X的通信质量，解决802.11p可靠性低的问题。

DSRC和LTE-V的区别

#03

V2X政策法规

目前，美国汽车工程师协会（Society of Automotive Engineers，SAE）正在全力推进 C-V2X 技术委员会工作，相关示范应用活动规模展开。欧盟委员会通过建立合作智能交通系统平台（C-ITS，Cooperative-Intelligent Transport Systems platform）推进欧盟国家的车联网部署，促进整个欧盟范围内的投资和监管框架的融合。为协调部署和测试活动，欧盟国家和道路运营管理机构建立 C-Roads 平台（C-Road platform），共同制定和分享技术规范，并进行跨站点的互操作测试验证。欧盟车联网网络安全有关法规也计划在 2022 年开始实施。

亚洲范围，日本政府重视自动驾驶汽车和车联网的发展，于 2021年 3 月 15 日公布了名为《面向实现和普及自动驾驶的措施报告与方案》，目标是 2025 年在 40 个地点实现多种区域、多样化车辆的无人自动驾驶服务（L4 级）。韩国制定长期车联网发展规划（Long-termICV development plan up to 2040），其目标是在全国范围内实现智能道路交通系统，通过连接车、路和人，实现高度自动化和交通资源利用最大化。新加坡制定 2022“新城”计划（2022 new city plan），规划 2022 年在全国范围进行自动驾驶的部署。

国外车联网相关的重要政策

国内标准方面，中国通信标准化协会（China Communications Standards Association，CCSA）围绕互联互通和基础支撑，体系化布局并完成了C-V2X总体架构、空中接口、网络层与消息层、多接入边缘计算、安全等相关的标准化工作。

在C-V2X融合应用标准方面，在国家制造强国建设领导小组车联网产业发展专委会指导下，工信部、公安部、交通运输部、国家标准化管理委员会联合组织制定并发布《国家车联网产业标准体系建设指南》（以下简称“建设指南”）及各分册，促进C-V2X技术标准在汽车、交通、公安等跨行业领域的应用推广。

中国车联网相关的重要政策

#04

V2X商业化应用

产业化推进方面，由欧美主流车企、全球主流电信运营商及通信芯片厂商发起的 5G 汽车联盟（5GAA），近些年一直致力于推动 CV2X 技术在全球的产业化落地（现阶段是 LTE-V2X）。该联盟成员覆盖全球主要车企、电信运营商、芯片供应商、汽车电子企业、电信设备商及信息服务企业等，我国主要的通信设备制造商及电信运营商也是其成员，目前成员已达一百三十余家。

全球车联网产业布局

C-V2X 产业链从狭义上来说主要包括通信芯片、通信模组、车载终端与路侧设备、测试认证以及运营服务等环节，这其中包括了芯片厂商、设备厂商、主机厂、方案商、电信运营商等众多参与方。此外，若考虑到完整的 C-V2X 应用实现，还需要若干产业支撑环节，主要包括科研院所、标准组织、投资机构以及关联的技术与产业。

目前，我国车联网产业化进程逐步加快，产业链上下游企业已经围绕 LTE-V2X 形成包括通信芯片、通信模组、终端设备、测试与认证、CA（Certificate Authority，认证中心）安全、应用与平台、整车制造、高精度定位及地图服务等为主导的完整产业生态。

V2X 产业地图

以华为车路协同解决方案为例，华为充分利用云、IOT、AI、5G等数字化技术，以端云协同的方式提供服务，实现人-车-路-云高效协同：

V2X Server部署在云端，具备设备管理、设备标定、算法管理、拓扑管理、地图管理、事件管理、数据管理等功能，并结合高精地图服务、智慧交通系统等，实现全时空交通运营与管理。V2X-Edge部署在边缘计算节点，与V2X Server配套使用，结合摄像头、雷达的能力，完成道路事件的感知和分析。

华为车路协同解决方案架构

#05

V2X技术的优势与挑战

5.1、优势

C-V2X通过将人、车、路、网、云等交通参与要素有机结合，一方面为行人和骑车人等低能见度道路使用者和周围环境提供更多通信机会；另一方面支撑车辆获得比单车感知更多的信息，促进车路协同应用的大规模落地。同时，单车智能往往对传感器要求很高，实现自动驾驶成本高，而C-V2X可提供辅助手段，如RSU等设备可有效传递远距离消息，降低传感器成本。其它优势包括：

提高道路安全性：V2X 通信能够通过提供其他车辆、行人和路况的实时信息，帮助预防事故。这让驾驶员能够做出更合理的决策，也让高级驾驶辅助系统的性能更加出色。

提升交通效率：V2X 通过与交通设施和其他车辆交换信息，可以优化交通流量、缓解拥堵、提升交通效率。这可以带来更短的出行时间，更低的燃油消耗，以及更少的排放。

增强情景感知能力：V2X 技术可以为驾驶员提供更强的情景感知能力，提醒他们注意可能看不见的危险，如盲区内的车辆，低能见度情况下的行人，或即将发生的交通堵塞。

支持自动驾驶车辆：V2X 通信是自动驾驶技术的重要组成部分，让无人驾驶汽车能够在复杂的交通环境中安全地行驶，并与其他道路使用者安全地互动。

促进智慧城市建设：V2X 通过把车辆与城市设施和网络连接起来，可以在建设智慧城市中发挥重要作用，实现对交通、公共运输和城市规划的更好管理。

5.2、挑战

标准化：V2X 面临的一个主要挑战是没有统一的通信协议和频率标准。目前还在争论应该采用哪种技术（比如 DSRC、C-V2X）来实现 V2X ，而形成共识是实现广泛应用和互操作性的关键。

安全和隐私：保证 V2X 通信的安全和隐私非常重要，因为黑客有可能利用漏洞来制造事故或窃取敏感数据。必须采用强大的加密和认证机制来防止 V2X 系统遭受网络攻击。

基础设施投资：要大范围推广 V2X 技术，需要在基础设施方面进行大规模投资，例如升级交通信号灯、部署路边单元、整合传感器系统。这可能成为采用该技术的障碍，尤其是对于财政状况紧张的市政和交通部门而言。
法规和法律问题：随着 V2X 技术越来越普及，它带来了各种法规和法律问题，比如发生事故时的责任归属，数据所有权，以及对保险的影响。政策制定者需要解决这些问题，以确保顺利过渡到由 V2X 支持的交通系统。

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