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罗德施瓦茨V2X解决方案

发布日期:2019-06-21 浏览量:次
目前,汽车市场在全世界快速发展使汽车保有量增加,然而汽车出行在给人们生活带来便利的同时也造成交通事故频频发生、城市交通拥堵、汽车能源消耗增加和环境污染等诸多问题。现有的车载服务系统在网络结构、服务模式以及技术层次上存在很多的改进空间,无法满足日益增长的客观…

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目前,汽车市场在全世界快速发展使汽车保有量增加,然而汽车出行在给人们生活带来便利的同时也造成交通事故频频发生、城市交通拥堵、汽车能源消耗增加和环境污染等诸多问题。现有的车载服务系统在网络结构、服务模式以及技术层次上存在很多的改进空间,无法满足日益增长的客观需求。2010年通用汽车向全世界勾画了基于车联网概念的无交通堵塞、零汽车尾气排放、没有交通事故发生等未来城市交通愿景。

面对这一新兴车联网产业的汽车电子信息技术,特别是世界上的汽车工业强国,正在积极地推进车联网领域的研究与探索。欧盟IST在开展车辆间通信研究CarTalk2000项目已经获得了一些进展;德国较早地取得了车联网领域相关的车载通信系统项目的成功,现在已经开始着手研究NOW(Net-workOnWheels)项目,并取得了一些实质性的进展;日本已完成了车辆间进行通信的协同驾驶系统;美国在车联网的通信协议的研究上也取得了一些突破。与此同时,世界上汽车工业强国的各大汽车制造企业和零部件生产商也投入到了车联网的技术研究与应用之中。

伴随着汽车行驶在线信息采集、CAN总线数据共享传输、车辆远程智能控制以及车与路、车与车、车与城市网络的互相连接等先进技术的不断创新,实现强化车辆行驶安全、缓解城市拥堵压力、提高交通效率和降低汽车能源消耗等问题面的解决正在逐步实现。车联网继物联网后,将在世界上形成支撑汽车产业的巨大新兴产业。

曾经有不少人认为,车联网就是能够在车上连接到网络,获取网络上的信息,其实,这是完全没有意义的的,不然的话只需要手机拿到车上不需要车联网了。就像物联网一样,联网不仅仅是连接到网络,更应该是通过连接到网络,获取”“在使用中所需要的数据,从而达到使这些工具以一种更适合人们期望的方式运行的效果。所以,在车上刷微博,看视频,那不叫车联网,那是车内上网,或者至少这些与交通安全、交通效率无关的都不是车联网的主体。

车联网就应该是为了满足车辆各个环节中的安全、效率、管理、环保以及娱乐需求,单一网络无法满足复杂应用所带来的通信性能需求,必须将不同的通信手段结合起来组件车联网,也即异构通信网络,例如使用DSRC来进行安全应用,RFID进行管理应用,蜂窝网络进行环保应用等。

车联网的概念涉及范围比较广泛,传统的理解是站在信息感知技术的角度,车联网是指车辆上的电子标签通过RFID等无线射频识别技术,实现对车辆的属性、静态和动态信息进行提取和有效利用,并对车辆运行状态进行有效的监管和提供综合性的服务。


随着物联网的发展、自动驾驶技术的发展及汽车行业的改变,车联网也被重新定义,据车联网产业技术创新战略联盟的定义:车联网是以车内网、车际网和车载移动互联网为基础,按照约定的通信协议和数据交互标准,在车与人、车与道路、车与互联网等之间,进行无线通信和信息交换的大系统网络,通过实现对海量数据的过滤清洗,实现对车、人、物、路等状况的实时监控、科学调度和有效管理,进而实现智能化交通管理、智能动态信息服务和车辆智能化控制一体化网络。

根据现阶段车联网的技术发展,结构上看,车联网系统可分为三层,如下图所示:

感知层(车内网或端):汽车的智能传感器,负责采集与获取车辆的智能信息,感知行车状态与环境;是具有车内通信、车间通信、车网通信的泛在通信终端;同时让汽车具备IOV寻址和网络可信标识等能力的设备。

网络层(车际网或管):解决车与车(V2V)、车与路(V2R)、车与网(V2N)、车与人(V2I)等的互联互通,实现车辆自组网及多种异构网络之间的通信与漫游,在功能和性能上保障实时性、可服务性与网络泛在性,同时它是公网与专网的统一体。

应用层(车云网或云):车联网是一个云架构的车辆运行信息平台,它的生态链包含了ITS、物流、客货运、危特车辆、汽修汽配、汽车租赁、企事业车辆管理、汽车制造商、4S店、车管、保险、紧急救援、移动互联网等,是多源海量信息的汇聚,因此需要虚拟化、安全认证、实时交互、海量存储等云计算功能,其应用系统也是围绕车辆的数据汇聚、计算、调度、监控、管理与应用的复合体系。

随着移动互联网、物联网和无线传感器网络技术的广泛应用,车联网日益成为实现未来智能交通及无人驾驶的有效途径之一,是当前全球研究和关注的焦点。通信技术作为车联网的基础,决定着车联网的整体性能,是车联网的关键支撑技术。

V2X技术

V2X,顾名思义就是Vehicle-to-Everything,其希望实现车辆与一切可能影响车辆的实体实现信息交互,目的是减少事故发生,减缓交通拥堵,降低环境污染以及提供其他信息服务。

根据3GPP定义的V2X车联网技术,运用D2D技术以及移动通信技术等,实现面向应用的技术。基于V2X的智能安全辅助驾驶系统,能够实现车辆之间的通信,以及车辆与行人之间的通信。车辆之间利用RFID(射频技术)、传感器、拍照设备等,来获取车辆运行信息,包括位置信息、行车环境信息等,在智能安全辅助驾驶系统架构中实现数据信息分析与处理,进而实时汇报路况,及时发出交通事故警报。

V2X主要包含Vehicle-to-Vehicle(V2V)车与车,Vehicle-to-Infrastructure(V2I)车与交通设施,Vehicle-to-Network(V2N)车与网络以及Vehicle-to-Pedestrian(V2P)车与行人。


与自动驾驶技术中常用的摄像头或激光雷达相比,V2X拥有更广的使用范围,它具有突破视觉死角和跨越遮挡物的信息获取能力,同时可以和其他车辆及设施共享实时驾驶状态信息,还可以通过研判算法产生预测信息。另外,V2X是唯一不受天气状况影响的车用传感技术,无论雨、雾或强光照射都不会影响其正常工作。

车联网中的无线通信技术

汽车电子涉及的无线通信技术比较多,包括:2G3G4G及将来的5G通信、WLANBluetoothGPS/Glonass/Galileo/BeiDouDSRC/LTE-V、车载雷达等,所占用的频率范围非常广泛,从LF频段(20kHz)一直到毫米波EHF(79GHz)频段。

车联网目前还处在不断演进的阶段,各种应用相对独立,从技术的角度而言,现阶段车联网可以建立一种混合式的架构,在这种混合架构中,长距离通信技术,如蜂窝网络2G/3G/4G/5G等,能够为人们提供即时的互联网接入;而短距离通信技术,如DSRCC-V2X等,则能够为安全系统提供实时响应的保障以及为基于位置的信息服务提供有效支持;同时可以融合GNSS技术,对车辆进行精确定位,在一定程度上可以满足车联网的基本应用;射频识别RFID技术则可以为车辆提供身份认证等;车内无线连接用于汽车信息服务。

车联网V2X关键的通信技术DSRCC-V2X

目前,V2X通信技术发展主要是以IEEE802。11p为代表的DSRC通信技术和以蜂窝为基础的C-V2X通信技术。DSRC发展较早,目前已经非常成熟,不过随着LTE技术的发展,在3GPP的推动下,基于4G网络LTE的车联网通信技术LTE-V2X也开始逐渐发展起来,该技术标准会持续演进至基于未来5GNRNR-V2X

DSRC/IEEE802.11p通信

DSRC技术推动力

美国交通局USDOT(US Department of Transportation)基于2004-2008年交通事故分析得出以下结论:使用V2X系统可以降低450万起碰撞事故(占多车碰撞总数的81%),为此USDOT要求OEM厂商最迟在2019年底及以后生产的汽车要安装DSRC设备,支持V2VV2I。至今,美国DSRC技术已经经过10余年的广泛测试,技术相对成熟。

V2X的历史,就必须要首先提到智能交通系统ITS1950-1980年,美国各州广泛兴建州际公路、高速公路,随之出现了新的问题:城市中心交通拥堵、高速碰撞事故造成众多的人员伤亡,同时又增加汽车油耗,降低空气质量。

到了1986年,来自科研机构、交通局等的专家在讨论未来交通法规时认为,未来的交通系统必须要同时要保证安全、解决拥堵并且保护环境。1990年在德克萨斯州的达拉斯市,针对这个问题的研讨达到高潮,与会者提出IVHS,即智能车辆高速系统的概念,这个概念后来发展成了智能交通系统ITS

1991年,ITS概念成为联合运输效率法案(Intermodal Surface Transportation Efficiency Act,简称ISTEA)的一部分。此外,ISTEA还出资66亿美元用于未来6年的ITS系统的研究及测试。

1992年,USDOTITS的研究中启动了自动高速系统的项目,目的是解放驾驶员的手脚,车辆需要在专门设有磁钉的道路上行驶,这也是历史上第一次实现车辆与高速公路的互联。

在自动高速系统试验之后,1997USDOT启动智能车辆计划,目的是加快防碰撞系统的部署。在智能车辆计划的基础上,USDOT对改善交通拥堵状况和改进电子通信技术提出新的要求。200312月在马德里召开的第十届ITS世界大会上,USDOT宣布在5.9GHz分配75MHz频谱进行DSRC

究,同时提出VII项目,项目目标是使V2VV2I技术在小范围内应用测试。

200612月,USDOT与五大汽车厂商联合测试V2VV2I在防碰撞系统中的作用,并确立新型通信为基础的安全设施,主要包含路边网络RSN和车载设备OBU

只有当道路上有足够多的车辆支持V2V通讯,V2V的作用才能得到充分体现。为此在20148月,NHTSAUSDOT提出FMVSSNo。150法案,法案强制要求新生产的轻型汽车(载客和轻卡)支持V2V通讯功能。

DSRC通信架构

DSRC系统一般由三部分组成:车载单元(On-Board Unit,简称OBU),路侧单元(Road-Side Unit,简称RSU)以及专用短程通信协议。整个通信过程,主要包括车载单元OBU之间的通信(V2V)和车载单元OBU与路侧单元RSU及路边基础设施之间的通信(V2I)OBURSU提供车间与车路间信息的双向传输,RSU再透过光纤或行动网络将交通信息传送至后端平台。由于车间与车路通信应用情境复杂,汽车数量多少、距离与道路气候等都会影响无线网络的通信,通信速度与质量将对路人安全造成极大影响,因此车联网安全应用相关通信网络通常被要求须要具备高移动性与低延迟率,IEEE将安全应用通讯延迟容许范围定在50ms内,最多不超过100ms,允许接收讯息后有足够反应时间。

车载单元OBU车载单元实际上就是汽车通信车载终端,主要由通信处理器、射频收发机、GPS接收机/处理器、汽车CAN总线接口、数据存储器、显示屏等组成。主要是接收、存储、定时更新汽车行驶数据(车速、对方车速、相对车速、行驶方向、对方行驶方向、相对方向、车距、刹车等),向其他车辆或路侧单元发送汽车行驶数据,对行驶状况给出预警显示。

路测单元RSU路侧单元一般是指安装在路口交通设施旁或道路旁边的汽车通信设备,主要由通讯处理器、射频收发机、数据存储

器、交换处理器、通信网关(如需接入其他制式的网络)等组成,一般支持较大容量的信息处理和交换,主要用于交通设施与汽车的通信,交换交通信息(包括交通信号、路况信息等),提示告警等。LTE-V的路侧站还可以通过有线或无线网络与其他站进行数据交换,以及通过光纤等接入交通管理中心或者TSP服务中心。

专用短程通信DSRC

主要采用DSRC/IEEE802.11p通信方式。

DSRC通信协议

DSRC由物理层标准IEEE802.11p又称为WAVE(Wireless Access in Vehicular Environment)及网络层标准IEEE1609所构成,在此基础之上,美国汽车工程师协会SAE规范V2VV2I信息的内容与结构,欧洲相关标准由ETSICT-ITS所规范。IEEE802.11pIEEE802。11标准扩充,DSRC技术产生基于三套标准:

第一个是IEEE1609,标题为车载环境无线接入标准系列(WAVE)”,其定义了网络的架构和流程。

第二个是SAEJ2735SAEJ2945,它们定义了消息包中携带的信息。该数据将包括来自汽车上的传感器的信息,

例如位置,行进方向,速度和刹车信息。

第三个标准是IEEE802.11p,它定义了汽车相关的专用短距离通信”(DSRC)的物理标准。

DSRC通信的协议栈如下图所示,从物理层到应用层顺序组织而成。其中应用层分为安全应用和非安全应用,涉及的网络传输协议有所不同。

DSRC顶层协议栈是基于IEEE1609标准开发的,V2V信息交互是使用轻量WSMP(WAVEShortMessageProtocol)而不是WiFi使用的TCP/IP协议,TCP/IP协议用于V2I和V2N信息交互。DSRC底层、物理层和无线链路控制是基于IEEE802.11p。使用IEEE802.11系列标准的初心是利用WIFI的生态系统,但是WIFI最初设计用于固定通讯设备,后来制定

IEEE802。11p支持移动通讯设备。

由于车辆的快速移动性,车辆与路边的网络基础设施所组成的通信链路也都是临时性的,即只在很短的时间之内存在。所以这个链路必须在极短的时间建立连接,发送数据。而IEEE802.11技术中的那些繁琐的连接认证过程耗时过长,难以使用在车联网。为此,IEEE1609填补了高层协议的空白,形成一套完整的协议栈。IEEE1609包括4个子协议,其中IEEE1609.1定义了资源管理,将远端的应用层与当前的车辆联系起来;IEEE1609.2为应用层和管理信息提供安全服务;IEEE1609.3IEEE802.11p的网络层;总体上,IEEE1609.4可处理多信道通信。

DSRC频段规划

DSRC是连结车辆与车辆(V2V)、车辆与路侧装置间的RF通用射频通信技术,在车用环境中提供公共安全和中短距离通讯服务。各个国家分配的DSRC使用频段各不相同。1999年,美国联邦通讯委员会(FCC)1999年决定将5.9GHz(5.8505。925GHz)频段分配给汽车通讯使用。主要目标是使公共安全应用能够挽救生命并改善交通流量。FCC还允许在本领域提供私人服务来降低部署成本,并鼓励快速开发和采用DSRC技术和应用。

美国5.9GHzDSRC的频段规划,以10MHz频宽为单位,将75MHz频宽划分成七个频道,并由低频至高频分别给予172174175178180182184频道编号。如下图所示,频道178为控制频道(CCH),剩余的六个频道为服务频道(SCH),其包含两个公共安全专用服务频道(频道172为车辆与车辆间公共安全专用服务频道,频道184为交叉路口公共安全专用服务频道)、两个中距离公共安全、私用共享服务频道(频道174176),以及两个短距离公共安全/私用共享服务频道(频道180182)

欧洲为DSRC划分了专用频道5855-5925MHz,其中30MHz用于主动安全应用;日本则选择将755.5-764.5MHz作为智能交通系统的专用通信频段。

DSRC物理层

802.11p760MHz频段中,支持传输距离小于300米,大致可达180米左右,传输速率低于18Mbit/s,使用5。9GHz频段通信时,传输距离最远可达1000米,以频道带宽10MHz为单位,传输速率最高为27Mbit/s,允许在车速260km/h下进行车与车之间以及车与道路设备之间的信息传输。其美国、欧洲和日本在IEEE802.11p上采用的空口技术,如下图所示:

Japan     UAS Europe

Standard/Committee    ITS-Forum     IEEE802.11p/1609.x       CEN/ETSIEN302663

Frequency range   755-765MHz  5850-5925MHz     5855-5925MHz

No. of Channels    One10MHzchannel      Seven 10MHz channels (Two20

MHzchannelsformedbycombining10MHzchannels) Seven10MHzchannels

Modulation    OFDM

Data rate per channel   3-18Mbit/s     3-27Mbit/s     3-27Mbit/s

Output power       20 dBm (Antenna input)      23-33 dBm (EIRP)  23-33 dBm (EIRP)

Communication    One direction multicasting service (broad cast without ACK)  One direction multicasting service, One to Multi communication,Simplexcommunication(broadcastwithoutACK,multicast,unicastwithACK)

Upper protocol     ARIBSTD-T109      WAVE(IEEE1609)/TCP/IP      ETSIEN302

665(incl. e.g. Geo Networking)TCP/UDP/IP

Japan           UAS              Europe

Standard/ Committee

ITS-Forum

IEEE802.11p/ 1609。x

CEN/ETSI EN302 663

Frequency range

755-765 MHz

5850 -5925 MHz

5855-5925 MHz

No. of Channels

One 10 MHz channel

Seven 10 MHz channels (Two 20

MHz channels formed by combining 10 MHz channels)

Seven 10 MHz channels

Modulation

OFDM

Data rate per channel

3-18 Mbit/s

3-27 Mbit/s

3-27 Mbit/s

Output power

20 dBm (Antenna input)

23-33 dBm (EIRP)

23-33 dBm (EIRP)

Communication

One direction multicasting service (broadcast without ACK)

One direction multicasting service,One to Multi communication, Simplex communication (broadcast without ACK,multicast, unicast with ACK)

Upper protocol

ARIB STD-T109

WAVE (IEEE 1609)/TCP/IP

ETSI EN 302

665(incl.e.g. GeoNetworking) TCP/UDP/IP

802。11p物理层架构与802.11a大致相同,采用OFDM调制技术,且52个子载波可支持正交振幅调变QAM、相位移键调变PSK等调制技术,同时搭配向前错误校正技术(Forward Error CorrectionFEC),减少信息重新传输所发生的延迟情况,能够因应在高速移动下信息传递的实时性。

Parameters    20MHz

Bandwidth     10MHz

Bandwidth     5MHz

Bandwidth

Bitrate(Mbit/s)       6,9,12,18,24,   3,4.5,6,9,12,    1.5,2.25,3,4.5,

       36,48,54  18,24,27  6,9,12,13.5

Modulation mode BPSK,QPSK,16QAM,

64QAM   BPSK,QPSK,16QAM,64QAM BPSK,QPSK,16QAM,64QAM

Code rate      1/2,2/3,3/4     1/2,2/3,3/4     1/2,2/3,3/4

Number of subcarriers 52    52    52

Symbol duration   4μs  8μs  16μs

Guard time    0。8μs      1。6μs      3。2μs

FFT period     3.2μs      6.4μs      12.8μs

Preamble duration 6μs  32μs       64μs

Subcarrier spacing 312.5kHz 156.25kHz      78.125kHz

Parameters

20 MHz

Bandwidth

10 MHz

Bandwidth

5 MHz

Bandwidth

Bit rate (Mbit/s)

6, 9, 12, 18, 24,

3, 4.5, 6, 9, 12,

1.5, 2.25, 3, 4.5,

36, 48, 54

18, 24, 27

6, 9, 12, 13。5

Modulation mode

BPSK, QPSK, 16QAM,

64QAM

BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM

BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM

Code rate

1/2, 2/3, 3/4

1/2, 2/3, 3/4

1/2, 2/3, 3/4

Number of subcarriers

52

52

52

Symbol duration

4 μs

8 μs

16 μs

Guard time

0.8 μs

1.6 μs

3.2 μs

FFT period

3.2 μs

6.4 μs

12.8 μs

Preamble duration

6 μs

32 μs

64 μs

Subcarrier spacing

312.5 kHz

156.25 kHz

78.125 kHz

DSRC衰落场景车联网通信很关键的一点就是要验证在汽车移动过程当中的通信有效性,汽车在移动过程就会有多普勒平移和衰落。802.11p在标准当中其实定义了五种不同的无线信道模型,针对汽车通信领域的,如下:

衰落场景1:乡村的视距(很空旷的地方可以直接看到对方车辆)

衰落场景2:城市近车距(周围有楼房、有建筑物,同时也能够看到前方车辆)

衰落场景3:十字路口的非视距(十字路口要左拐、右拐,看不到对方的车)

衰落场景4:高速公路上面的视距,高速公路上面体现了车速移动速率非常快

衰落场景5:高速公路上面的非视距,有一些阻挡、遮挡


802.11p在无线信道模型领域规定了五种不同的信道模型。不同的信道模型,在移动过程当中,通常都是符合瑞利分布的。

C-V2X通信

C-V2X技术推动力车联网所采用的技术需支持多场景的业务需求,需要满足行车安全和交通效率。对于车辆主动安全,其通信要求满足如

下两个条件:

1)低时延,安全信息的传达必须具有最高优先级

2)高可靠性,不允许安全数据包的丢失,支持不间断访问求,及时切换和无缝连接。LTE应用于车辆主动安全局限性明显。LTE设计模式和机制是面向人与人(H2H)通信,可支持传统车联网业务,但应用于基于V2X通信的车辆主动安全局限性明显

1)要保证低时延,车载终端需采用永远在线的通信方式,浪费大量网络资源

2)堵车等小范围聚集大量节点场景下,并发、频繁的实时数据交互,对空口信道造成压力,导致信道拥堵

3)车辆节点的高移动性引起切换丢包问题,难保证可靠的通信链路和较低的通信时延

4)每个车辆节点需频繁发送数据,蜂窝负载压力大

4G如火如荼的建设潮中,LTE-AdvancedPro(4.5G)席卷而来,峰值速率和吞吐量的技术潜力已得到充分发挥,4.5G的发展重心转向物联网、车联网。LTE-V2X3GPP针对车联网的第一个专有通信协议,为LTE-A国际标准三大研究方向之一。20152月和6月,3GPPSA1#69次会议开始了R14LTE-VSI“基于LTEV2X业务需求的课题研究,标志着3GPPLTE-V的标准化研究工作正式启动大唐基于自主研发的芯片级解决方案,于201611月发布了C-V2X车载终端和路侧通信测试设备,计划2017年底发布基于3GPPR14C-V2X的预商用通信模组,商用芯片研发计划已纳入日程:

华为在2016推出支持C-V2X的车载终端原型机,计划2018年上半年提供C-V2X测试芯片;

201791日,高通宣布C-V2X商用芯片组于2018年下半年出样;

J国际通信企业爱立信、英特尔、诺基亚等也积极推动

C-V2X芯片和设备产业化;

奥迪、丰田、上汽、长安、东风等车企纷纷联合通信企业开展C-V2X技术测试。

同时,我国于2015年启动了基于C-V2X技术的车联网频谱研究,201611月工业和信息化部正式划分5905-5925MHz用于C-V2X技术试验,并通过北京-保定、重庆、浙江、吉林、湖北、上海、无锡等车联网示范区开展测试和实验验证,试验第一阶段已于2017年底前完成。中国智能交通部门联盟CITS和中国汽车工程师协会CSAE定义40ITS用例:

2016年多于40个组织开始开发ITS应用层

20179月份发布应用层规范

根据目前产业发展状况,C-V2X有望于2018年实现规模试点或试商用。

C-V2X标准演进过程20149月,LG3GPP提交了LTEV2X的通信应用的规范草案。随后Ericsson提交了增强LTED2D接近服务的规范草案。2015年,3GPP的设立LTEforV2X研究专题并纳入Release14,标志着LTE-V技术标准研究正式启动。C-V2X标准的演进如下图所示:

广东快乐十分 C-V2X是由3GPP(3rdGenerationPartnershipProject)定义的基于蜂窝通信的V2X技术,它包含基于LTE网络的LTE-V2X以及未来5G网络的NR-V2X系统,是DSRC技术的有力补充。它借助已存在的LTE网络设施来实现V2V、V2N、V2I、V2P的信息交互,这项技术最吸引人的地方是它能紧跟变革,适应于更复杂的安全应用场景,满足低延迟、高可靠性和满足带宽要求。

LTE-V是我国具有自主知识产权的V2X技术,华为、大唐为3GPPLTE-V标准化研究工作的主导方,是LTE-V标准化过程中SI(StudyItem)WI(WorkItem)的主要报告起草人。

技术需求和标准化方面:2015年初,3GPP正式启动基于C-V2X的技术需求和标准化研究,2015年初3GPP需求工作组开展了C-V2X需求研究,3GPP无线技术工作组于20157月启动SI立项,于20166月完成结项;2016年初3GPP架构工作组启动C-V2X架构研究,于2016年底完成标准化。

5GAA及标准演进20169月,电信行业与汽车行业的全球跨行业产业联盟—5G汽车通信技术联盟5GAA(5GAutomotiveAssociation)成立,联盟的使命在于研发、实验和推动智能车联、智慧交通等万物互联所需的通信解决方案和应用,包括相关的标准化推进、商业机会挖掘,以及全球市场的拓展。5GAA发起方包括奥迪、宝马和戴姆勒以及五家电信通讯公司爱立信、华为、英特尔、诺基亚、高通。目前已经有多家机构加盟该组织,已涵盖主要车企、运营商与设备商成员超过60。各公

司将在车联网通信解决方案的开发、测试、促进销售方面展开合作,并支持标准化,加快商用化和向全球市场推广。


LTE-V2X通信原理D2D是基于蜂窝网络的端到端通信技术,距离较近的终端可不经基站中转而直接通信,D2D设备的接入认证、频带资源分配调度、通信时间和功率等则由基站进行控制。D2D通信中,每个终端都是一个网络节点,本质是一种自组网(AdHoc),具有低时延、邻近发现和支持高速移动等特性,应用于车联网车辆安全领域有先天优势。

车辆向基站提出D2D通信请求,基站接收后传输至MMEMME进行身份认证后,建立通信链路并分配传输IP地址,将用户的通信方式切换到D2D,实现信息共享、发现、广播、交换。在非基站覆盖场景下,亦可进行D2D通信,达到暂时的安全保护,但支持的车辆容量相对较小,效率不如基站覆盖场景下高。

因此,3GPP20166月发布的LTE-V架构规范(TR23.785)中,给出了LTE-V2X的通信架构。在V2VV2IV2P之间将支持点对点、点对多点的短距离设备直接通信的增强PC5接口;同时V2X的终端支持移动通信网络空中Uu接口,满足广域通信需求。


LTE-V2X一般由三部分组成:车载单元OBU、路测单元RSU、行人、基站eNB、云服务器等。

LTE-V2X针对车联网应用场景,定义了两种通信方式:集中式(LTE-V-Cell)和分布式(LTE-V-Direct)。其中,LTE-V-Cell也称广域蜂窝式,LTE-V-Direct也称短程直通式,分别对应3GPP标准中的基于Uu接口和PC5接口中的网络架构。3GPP定义了三种LTE-V2X工作场景:

应用场景1:仅PC5接口通信

应用场景2:仅Uu接口


需要基站作为控制中心,车辆与基础设施、其他车辆之间需要通过将数据在基站进行中转来实现通信,支持大带宽、大覆盖通信,满足Telematics应用需求。LTE-V2XUu接口在LTEUu接口基础上进行了针对性的增强,例如优化了LTE广播多播技术来有效支持车联网这种广播范围小且区域灵活可变的业务,对控制信道进行裁剪以便进一步降低延迟。其需要达到的性能指标如下:


可独立于蜂窝网络,引入LTED2D通信方式,实现V2VV2I低时延、高可靠的直接通信,满足行车安全需求。PC5接口定义了车辆之间的直接通信方式,其信道、参考信号和资源处理将会与以往工作模式有所不同。在无网络部署的区域通过PC5接口提供车联网道路服务,满足行车安全需求。在有蜂窝网络覆盖的场景下,数据传输可以在Uu接口和PC5接口之间进行灵活的无缝切换。PC5接口在3GPPR12版本上进行了多方面的增强,支持车辆之间的车辆动态信息(例如位置、速度、行驶方向等)的快速交换和高效的无线资源分配机制。

201512月,3GPP发布LTE-V的正式需求规范(TR

22。185),确定的LTE-V2V(部分适用于V2I)具体需求指标为:

1)最大时延在100ms以内,面向V2V防撞场景为20ms

2)典型覆盖范围:4s响应距离以内;

3)典型数据包大小50-400字节,最数据包大小1200字节以内;

4)最大发送频率为10Hz,即每秒十次;

5)最大支持相对车速为250km/h

LTE峰值速率上行50Mbps,下行100Mbps,控制面时延

100ms,支持车速120-350km/h,覆盖范围几百米至1km。相比LTELTE-V-Cell峰值速率大幅提升,时延更短,支持更高的移动性。LTE-V-Cell传输带宽最高可扩展至100MHz,峰值速率上行500Mbps,下行1Gbps,时延用户面时延≤10ms,控制面时延≤50ms,支持车速500km/h,覆盖范围与LTE类似。

应用场景3:同时支持PC5接口和Uu接口


LTE-V2X通信频段

(1)单载波场景

3GPPTR36。785定义了LTE-V2X的通信频段PC5接口协议,仅用于V2V通信,主要采用E-UTRA47专用载波频段,信道带宽有10MHz20MHz两种情况。如:

(2)多载波带间共存场景

根据规范,LTE-V2X的多载波带间共存有E-UTRA47/3/7/8/39/41总共6个频段

传输模式TM3借助基站eNB,通过控制信令接口Uu实现V2V数据的调度和接口管理。在这种情况下,采用动态的方式进行资源的调度,车车间采用PC5接口通信。利用全球导航卫星系统(GNSS)进行时间同步。

传输模式TM4V2V数据的调度和接口的管理是基于车车间的分布算法实现。另外,资源的分配依赖地理信息的新机制-Zones。利用全球导航卫星系统(GNSS)进行时间同步。

在上述的6个频段中,针对多载波频段共存的应用,都需要和47号频段共存,如下图所示:

RFID技术

RFID(RadioFrequencyIdentification)技术又称电子标签、无线射频识别,是一种无线通信技术,可通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据。车作为车联网中的信息节点,要实现与路、站场的信息交互,必须要有一个身份标识,而RFID技术是目前解决该问题最为成熟和经济的手段。在车辆上安装电子标签,可以实现道路、桥梁、停车场自动收费,结合道路上安装的RFID天线可以实现动态交通信息采集,如车辆的流量、流速等。目前国内应用最为广泛的是道桥和站场的自动收费,如广东高速联网收费系统、武汉路桥ETC收费系统,以及在建的武汉智能停车综合管理系统,都是以射频识别技术为基础的。

RFID系统主要由三部分组成,如下图所示:


其中,各个部分的功能如下:

标签(Tag):由IC芯片及一些耦合元件组成,标签含有内置天线,用于和射频天线间进行通信阅读器(Reader,也叫读写器):读取电子标签信息的设备。许多阅读器还带有附加的接口RS232RS485等与外部计算机(上位机主系统)连接,进行数据交换计算机:进行数据管理

蜂窝通信技术

车联网作为未来智能交通系统和自动驾驶的关键技术,可以全程监控每辆车和每条道路,进而改善交通效率,提高交通安全,提供更加愉悦的乘车体验。车联网的实现需要车辆之间频繁及时可靠的信息交互,因此选定合适的无线通信技术则显得极为重要。

车联网无线通信技术主要依赖两种技术:短距离无线通信和远距离的移动通信。前者主要是RFIDWiFi等短距离通信技术,专门针对车辆运动特性和时延敏感特性制定,在车辆密度适当的环境下可以提供可靠的安全信息传输服务,可以通过无线射频设备感知识别对象目标,并获取数据。而后者主要是2G/3G/4G/5G等蜂窝移动通信技术,目前车联网主要采用4G/5G蜂窝网。随着大数据、云计算、无线通信技术的快速发展,为车联网的具体服务应用提供了坚实的网络支撑。

蜂窝通信在车联网中扮演的作用,主要有如下几种情况:

V2X信息的传递和共享

智能车路协同发展,离不开蜂窝网络通信

结合MiFiMobileWiFi)等设备,通过蜂窝网络连接,实现车内WiFi无线上网

蜂窝移动通信技术的不断演进,可以满足车联网高密度、高复杂性的应用场景

GNSS卫星导航技术

GNSS定位系统是车载导航定位系统的关键技术,车载GNSS导航定位系统的应用由于车联网市场、无人驾驶的出现,车载导航的需求也在不断增加,正在全球迅速发展。车载GNSS导航定位系统的功能将会越来越完善,精度越来越高,从最初的标准定位SPS需求,发展到现在的高精度定位PPS需求。

差分定位接收机DGNSSDifferentialGNSS。利用设置在坐标已知的点(基准站)上的GNSS接收机测定GPS测量定位误差,用以提高在一定范围内其它GNSS接收机(流动站)测量定位精度的方法。

载波相位动态实时接收机RTKReal-TimeKinematic。是实时处理两个测量站载波相位观测量的差分方法,将基准站采集的载波相位发给用户接收机,进行求差解算坐标。这是一种新的常用的GNSS测量方法,以前的静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度,而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法,它采用了载波相位动态实时差分方法,是GNSS应用的重大里程碑。本身上是差分定位接收机,只是校正数据通过移动网络或私有网络实时传输到GNSS用户,而不像普通的差分定位接收机是通过将校正数据拷贝到测量接收机里面,一般RTK接收机具备载波相位测距功能。

GNSS卫星导航技术在车联网中的应用,除了基本的车载导航应用外,主要提供位置信息、速度信息和时间信息,还会涉及高精度卫星导航定位PPS。其高精度导航定位的主要应用场景如下:

位置信息为实现车联网业务的提供重要参考,位置信息越准确,车联网业务可靠性越高。因此,高精度定位PPS

实现车联网业务的关键技术之一

对于自动驾驶的实现路径,LiDAR、毫米波雷达、摄像头、高精度地图这几类传感器可互相弥补短板,在可靠性方面实现互补。但这种组合依然有其不可预测的盲区,这时需要高精度卫星导航定位;在自动驾驶系统使用的传感器中,GNSS是所有传感器中唯一能输出绝对时间、位置和速度的传感器,而且价格相对较低

汽车中的WLAN无线通信

WLAN无线通信涉及的标准比较多,包括IEEE802.11a/b/g/nIEEE802.11ac/ad等,涉及的频率范围主要有2。4GHz频段和5GHz频段:

2.4GHz频段信道划分

14个信道,相邻信道间隔为5MHz(特例:信道14是特别针对日本所定义,与信道13的间隔为13MHz)。信号带宽:22MHz,整个频段中只有三个互不重叠的物理信道。

汽车中的Bluetooth无线通信

蓝牙Bluetooth,是一种工作在免费的ISM频段的短距离无线通信技术,在各种设备之间实现灵活、安全、低成本、低功耗的语音和数据通信。它采用自适应跳频技术,可以和多种无线通信共存于ISM频段。

系统工作于2.4GHzISM频段:2400-2483.5MHz,采用40个射频信道,这些射频信道的中心频率按2402+k×2MHz(k=039)规则运行。如下图所示:

2。4GHz无线技术,是一种短距离无线传输技术,2.4GHz是全世界公开通用使用的无线频段,在2.4GHz频段下工作可以获得更大的使用范围和更强的抗干扰能力,目前广泛应用于家用及商用领域。

5GHz频段信道划分

总共涉及5.155.25GHz5.255.35GHz5.7255。825

GHz三个频段,共300MHz的射频信道,其中两个相邻WLAN物理信道中心频率相距20MHz,信道带宽:16。6MHz。每个工作信道与相邻信道都不重叠,不产生干扰。

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