车间通讯技术卡位战开打 IEEE 802.11p对决LTE-V2V (上)

作者:Alessio Filippi/Kees Moerman/Vincent Martinez/Andrew Turley/Onn Haran/Ron Toledano;新通讯 2018 年 4 月号 206 期《 技术前瞻 》

车对车通讯(Car-to-car Communication)或称为车间(Vehicle to Vehicle, V2V)通讯现正成为众人极为关注的焦点,因为它有望大幅减少交通事故死亡人数、改善行动力并可达成高度的车辆自动化。

车间通讯的核心是支持关键安全应用,而多年来,汽车对各种物体(V2X)一直选用IEEE 802.11p技术。最近,满足V2X应用的新标准在行动通讯标准化组织第三代合作伙伴计划(3GPP)的支持下正逐步发展,其着重于行动宽带标准化。因为成千上万的道路使用者的安全皆倚赖这些技术的效能,因此对这些技术进行比较非常重要。

IEEE 802.11p日臻成熟 LTE-V2X急起直追

在比较IEEE 802.11p和LTE-V2X时,必须特别留意以下所述的四项重要相关事实。

首先,IEEE 802.11p是现成可用的技术,而LTE-V2X不是。现在市场上已有数家芯片厂商提供采用IEEE 802.11p技术的产品。有些一级厂商已经提供完整的解决方案。相较之下,目前市场上没有任何LTE-V2X的产品,而且可能要再等数年时间才能出现通过测试的完整解决方案。预计未来的V2X 5G版本则需要更长的时日。

第二,路上行驶的车辆中已安装IEEE 802.11p。终端使用者如今可以购买一台配备IEEE 802.11p技术的车辆,例如通用(GM) Cadillac。

第三,目前已发布V2V立法提案通知(NPRM)。清楚指出,美国政府已有明确意向,要让关键安全应用部署经过全面测试、验证且现成可用的IEEE 802.11p技术。

第四,也许不久后即将开始大量部署IEEE 802.11p。全球最大汽车制造商之一福斯(Volkswagen)已公开宣布从2019年起将配备首款搭载IEEE 802.11p技术的车款系列。

另一方面,行动网络社群主张导入V2X应该等待行动网络技术发展妥善并通过测试,且毋须理会为了验证IEEE 802.11p适用于关键安全应用所做的投资和现场测试。行动网络社群更加具体地宣称LTE-V2X提供了许多优势。

其一,LTE-V2X强大的行动网络生态系统,具有提供付费服务的多年经验和全球可用的成熟技术。这是个有效的主张,但它指的是行动网络技术中的娱乐服务。装置与基地台之间的通讯和在动态环境中装置与装置间的通讯有根本的不同。其次,LTE-V2X效能提高双倍。不过,这里会展示在重要的V2V使用案例中,IEEE 802.11p的效能更胜LTE-V2X。

行动网络社群并宣称LTE-V2X增加成本极少。但这是有问题的,因为关键安全应用的支持强烈要求将娱乐用的软硬件分开。因此,LTE-V2X的实体装置可能会与行动网络调制解调器分开。

其另一个主张是,LTE-V2X因为透过3GPP会议上经过妥善测试的机制,持续不断改善技术,所以拥有技术演进发展蓝图以及确保未来适用的技术。虽然这可能是事实,但每隔12至15个月便引进一套更新版的标准,无法保证旧款车辆能够与新款车辆进行通讯,这与建立稳定且通用的国际标准以促成V2X技术成功的需求背道而驰。

建议的LTE-V2X技术是行动网络上行链路技术的一项衍生技术,与现行的LTE系统具有相似性,包括讯框结构、子载波间距、时钟准确性要求以及资源区块的概念。这些属性并不是为了车辆使用案例而设计,反而是从既有的行动网络技术继承而来。因此,LTE-V2X要满足车间通讯的具体应用要求颇为吃力。

就技术而言,在没有网络可以支持相关通讯时,LTE-V2X便面临困境。它必须遵循严格的同步要求,无法正确地从邻近和附近的发射器接收讯息,而且有最大收讯范围的限制。再者,它所建议的资源分配方案无法适当处理大小不同的讯息,其多个用户访问机制既不适合广播消息,也无法处理讯息碰撞的问题。LTE-V2X繁复的设计使得成本更高。

就商业而言,LTE-V2X无法利用汽车内具备的标准LTE调制解调器。因为安全要求和技术需求不同,所以强烈建议LTE-V2X在关键安全领域的应用必须与标准LTE调制解调器在娱乐领域的应用分开。严格的同步要求,可能会大幅增加LTE-V2X硬件的成本。

就策略而言,LTE-V2X可能不是最适合关键安全应用使用的技术,因为它的发展周期快速,与汽车发展周期不符。尽管现有版本尚未经过实地测试,3GPP社群已经开始研发新版本的LTE-V2X。除此之外,也应考虑运用下一代的IEEE 802.11p技术,让使用多个大型实地试验来测试关键安全应用的经验发挥更大效用。

综合以上所述,结论是IEEE 802.11p技术最适合必须在没有网络环境中运作的关键安全应用。若已具备行动网络基础架构,则LTE-V2X是有效的替代方案,而且提供更加成熟的娱乐服务生态体系。

但要达成双赢,必须着眼于每项技术的最大强项并搭配运作,以提供最佳的车间通讯解决方案,让关键安全应用继续部署IEEE 802.11p技术,确保即将上市的LTE-V2X技术可以共存。

V2X发展目标确立 相关技术相互竞逐

自从10年前推出IEEE 802.11p技术以来,V2X便一直选用标准化、经实作且全面测试的IEEE 802.11p技术。最近,满足V2X应用的新标准在行动通讯标准化组织3GPP的支持下正逐步发展,其着重于行动宽带标准化。成千上万的道路使用者的安全皆倚赖这些技术的效能,因此,政策制定者、车辆制造商和更广大的汽车生态体系一定要进行相关比较。

V2X应用减少致命交通事故

搭配运作并共享信息,让交通运输更安全、更环保且更令人愉悦,确实令人难以抗拒。与这个概念相关的技术合称为协同式智能运输系统(Cooperative Intelligent Transportation Systems, C-ITS),有望减少交通壅塞、降低交通运输对环境的影响,以及大幅减少致命性交通事故的数量。

实现C-ITS的主要技术就是无线通信,包含车间通讯、车辆对机器(V2M)通讯、车辆对基础架构(V2I)通讯以及基础架构对车辆(I2V)通讯。这些无线交易统称为车联网(Vehicle-to-everything)或V2X通讯。

V2X技术将支持C-ITS系统许多安全相关以及可能非安全相关的使用案例。它必须在变化极大的环境中,在发射器与接收器之间维持高速又稳定的运作,并支持高速公路、拥挤的市区路口和隧道中安全相关应用的超低延迟。

IEEE 802.11p发展如火如荼

IEEE 802.11p的设计能以最严格的效能规格满足每种V2X应用的要求。在1999年,美国联邦通讯委会员(Federal Communications Commission, FCC)将5.9GHz频段中的75MHz频谱分配给V2X使用。IEEE 802.11p标准在这个范围内运作。

IEEE 802.11p是IEEE 802.11a(Wi-Fi)的延伸,后者是在随意(Ad Hoc)网络模式中运作且不需要基本服务区(BSS),亦即Wi-Fi基地台。它经过优化,适合在有障碍物的行动通讯状态中使用,处理快速切换的多路径反射以及由高达500km/h的相对速度所产生的都卜勒频移效应。典型的直视(Line of Sight, LOS)范围是1公里,但是IEEE 802.11p的主要用途是「让视线拐弯」(Non-line of Sight, NLOS),即所谓的非直视,汽车上没有其他传感器可以做到。已有事实显示,只要使用最尖端的技术,现在市面上的商用现成产品,甚至可以经常到达数公里之远的更大范围。IEEE 802.11p多重访问机制(载波侦听多重存取/碰撞避免通讯协议,即CSMA-CA协议)与分布式壅塞控制(Distributed Congestion Control, DCC)结合后能有效处理高密度使用案例。

在10多年前便展开标准化工作,在2009年最终草案获得批准后,便一直进行广泛的测试与验证。首个大型实地测试simTD项目在2009年启动,包含了超过100台车辆。此后完成了商用IEEE 802.11p产品的数十种其他实地试验,同时仍有许多试验在持续进行。执行中的最大型IEEE 802.11p试验计划由美国运输部(USDOT)资助(在怀俄明州、坦帕市和纽约市),包含执行各式应用的超过1万台车辆以及4,500万美元以上的投资,巨额投资可确保这项技术的质量与可靠度。

数家半导体公司已设计出符合汽车产业规格且遵循IEEE 802.11p标准的产品,并且通过测试。各家厂商提供非常多种软硬件产品,形成一个丰富的生态体系。市场上已有数款车型配备IEEE 802.11p技术,而其他厂商则计划在不久后推出,例如通用的Cadillac CTS配备IEEE 802.11p、丰田(Toyota)在日本已推出将近100,000台配备IEEE 802.11p的汽车,以及福斯采用IEEE 802.11p技术来支持V2X应用。

USDOT宣称,根据收集到的证据,IEEE 802.11p技术可大幅减少道路碰撞事故的数量。专家预期USDOT将会针对安全相关的使用案例,逐渐强制所有新款的小型车采用IEEE 802.11p。

LTE-V2X新技术异军突起

LTE-V2X是相对较新的技术(2015年首次成为讨论主题),也是3GPP Rel-12装置对装置(D2D)功能的延伸,其本身是使用LTE上行传输及上行频谱资源以用于装置间的直接通讯。基本安全V2V功能首次出现在LTE Rel-14的规格中。

LTE-V2X的设计考虑到多种部署情境,所以有下列的要求。首先,它在eNB(基地台)的讯号范围内或范围外运作。Rel-14的LTE-V2X以PC5接口为基础,允许用户直接互相广播消息,无论在网络讯号范围内或外。在行动网络覆盖范围内的运作,能够运用同步网络的所有优点,由一系列的基地台进行中央协调、排程和管理。

不过,应该注意到在许多情境下这种设定将无法运作,例如在讯号欠佳的郊外地区,以及有许多交递作业的高速公路和快速用户。LTE-V2X技术必须能够在讯号范围以外保持可靠运作。

LTE-V2X除了上述的要求外,其他要求还包括:在专用的未授权载波上或是在已授权的频谱中独立运作,以及强化D2D空中接口功能,以支持低延迟、高密度和高速。

为满足更高的要求,Rel-14 LTE-V2X引进新的Sidelink传输模式(传输模式3和4),请参阅表1。上述模式与Rel- 12 D2D模式(TM 1和2)不同,它让速度更快和全新的分布式频道存取能够进行低延迟传输且有更好的支持。

尽管近年来业界贡献努力与心血致力于标准化,LTE-V2X标准尚未成熟,而且许多技术主题仍在讨论阶段,于是促成了在上次无线存取网络(RAN)会议中所同意的重大标准变更。与V2X相关的维护变更请求(CR)数量非常大,因此要选定一套功能,到达交互运作能力的测试阶段,冻结软硬件架构并开始生产,对芯片制造商而言相当困难。

汽车制造商也可能质疑有效效能以及对关键安全使用案例的支持。到现在为止,实务上仍不清楚LTE Rel-14标准在现实生活的效能如何。
适用于关键安全应用的关联性最大且挑战性最高的LTE-V2X操作模式是Sidelink Transmission Mode 4,可被视为一种随意模式。与IEEE 802.11p技术比较时将以这个模式为主。

LTE-V2V Mode 4/IEEE 802.11p互别苗头

IEEE 802.11p和LTE-V2X皆使用著名的正交分频多任务(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)作为调变技巧,就是在等距的子载波上传输一个区块的数据。不过,如表2所显示,它们选择非常不同的参数。

LTE-V2X已继承大多数的LTE机制,适合集中式(即非随意)和同步网络,这类网络具有功率控制、同步调整的功能,且以低速到中速运作。如同以下所述,它比较不适合随意通讯模式,而且在数个重要的V2X使用案例运作失败。

同步要求严苛

相较于IEEE 802.11p,LTE-V2X更容易受到频率错误和定时错误的影响。频率同步不准确,则残余的频率错误会导致载波间干扰(ICI)。在LTE-V2X中,OFDM子载波的距离比在IEEE 802.11p中更靠近十倍,所以相同的绝对频率错误在LTE-V2X中的影响远大于在IEEE 802.11p中的影响。结果是LTE-V2X效能受限,而相同的绝对频率错误制造大出一百倍的干扰功率。表3将上述数据量化为IEEE 802.11p和LTE-V2X的时间与频率准确度要求。

观察发现,两大差异很显著。第一,LTE-V2X要求非常严苛;第二,LTE-V2X要求与使用者的同步来源有关。当使用者有不同的同步来源,例如锁定不同的基地台,便不再保留该要求,所以当车辆之间相互通讯时便会影响效能。

LTE-V2X用户倚赖全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)的讯号来满足同步要求。然而,这种做法带来其他难题。例如,GNSS讯号事实上并不是随时可用,或是在诸如隧道、地下停车场和都市峡谷之类的地点,讯号并不稳定。

在没有GNSS讯号时,要在必要的准确度界限内保持同步,取决于使用者本机振荡器的漂移。准确度越高,如同紧密子载波间距所要求者,则成本越高。在缺乏可靠的GNSS讯号或是完全没有GNSS讯号的情况下,用户必须选择同步的替代来源,便会影响通讯的可靠度。

IEEE 802.11p运作并不倚赖GNSS讯号。IEEE 1609.4也必须使用GNSS讯号,但只是用来切换至另一个频道,即时间和频率准确度较低。

高速状态比较

行进中车辆的传输会发生都卜勒频移,可以被视为额外的频率错误(除了同步错误以外)。在高速状态下,这些都卜勒频移可能比同步错误大两倍甚至四倍(随着车辆的相对速度增加)并占支配地位。

如图1所示,LTE-V2X的符元持续时间是IEEE 802.11p的十倍,因此可侦测的都卜勒频移最大数有了上限,因此也限制了速度的上限(除了追踪快速变化的频道外)。

图1 IEEE 802.11p(上)以及LTE-V2X(下)的OFDM符元,依比例显示。

图1 IEEE 802.11p(上)以及LTE-V2X(下)的OFDM符元,依比例显示。

事实上,在3GPP模拟结果中,已在内部发现这个缺失,在超过140km/h的速度时,便无法可靠地侦测到讯息而且效能极差。3GPP试图克服问题,但是引进复合式处理方法却发现不够健全,或是减少调变与编码机制(MCS)却无法解决问题。他们并不接受改变试验符元样式或是缩短符元持续时间的建议,到最后LTE-V2X便受到140km/h以下速度的严格限制。

在另一方面,IEEE 802.11p受益于极短的符元持续时间以及选择一个符元试验样式,如此便不会在高速状态中对效能产生任何限制。而且,虽然LTE-V2X受限在140km/h的速度下运作,IEEE 802.11p却能在250km/h以上的速度下依然维持出色效能。

远近问题考虑

对于用户从两个以上功率等级不同的发射器接收讯息的情境,LTE-V2X特别容易受到影响,即远近问题(图2)。即使是两个邻近的发射器,当其中一个遭阻挡时,也可能发生功率差异。IEEE 802.11p允许每个OFDM符元进行单一使用者传输,以及接收器可以用最好的方法个别为每位使用者设定其参数,如自动增益控制器(AGC)、时间偏移估计和频率偏移估计,因为符元并未共享。

图2 远近问题:接收两个同时的讯号

图2 远近问题:接收两个同时的讯号

LTE-V2X允许使用者在相同的OFDM符元中共享资源(图3),但是接收器只会根据单一结合型讯号设定AGC增益。因此,LTE-V2X接收器在讯号强大的讯息存在下会无法侦测到讯号微弱的讯息。但讯号微弱的讯息重要性,可能高于讯号强大的讯息。例如,从车辆的发射器接收到的讯号强大的讯息可能与安全决策较少关联,而从不断接近的发射器接收到讯号微弱的讯息可能带来真正的危险。

图3 IEEE 802.11p和LTE-V2X的讯框架构,含资源分配的范例,有两名用户传输一则192字节的CAM讯息,有QPSK和二分之一编码率。请注意LTE-V2X个案中的符元共享。

图3 IEEE 802.11p和LTE-V2X的讯框架构,含资源分配的范例,有两名用户传输一则192字节的CAM讯息,有QPSK和二分之一编码率。请注意LTE-V2X个案中的符元共享。

为解决远近问题,LTE-V2X引进地理分区的概念。其中包括建立一个隔离空间,让不同地点的使用者根据其绝对地理位置从特定的时间-频率组合选择传输用的资源。这个解决方案肯定很有趣,但必须经过实地验证,评估使用者分布不均匀及迅速改变位置的影响。

最大范围比较

比较V2X技术可以采用在类似条件下在户外测试的真实效能为依据,IEEE 802.11p已在数个实地试验中证明可达成极大的通讯范围,在高速公路的状况中亦可达到数公里的范围。

不幸地,LTE-V2X实地试验尚无法提供作为比较使用。但是LTE-V2X同步概念限制用户之间的通讯范围,这个现象反映在指派给循环前缀(Cyclic Prefix, CP)的不同角色上(表4)。

在同步系统如LTE-V2X中,所有用户的讯号抵达接收器时必须按时间排列,避免连续的OFDM符元之间发生符元间干扰。在实务上,这是无法达成的,因为不同发射器之间的讯号传播时间并不相等,或是因为每位使用者对本身发射所使用的定时参照亦不相等。其中一例是当用户在讯号范围内且使用eNB作为定时参照时(在GNSS不可靠的情况下)。在这个情况下,每位使用者的传输定时以本身的下行定时参照为依据。

当然,有些使用者站在eNB邻近(传播延迟短),有些则位于较远的地方。邻近的使用者比远方的使用者更早开始传输,而位在邻近使用者旁边的RX使用者也会依此设定本身的接收时间间隔。远方用户的传输会在来回通讯传播延迟之后到达RX。如果远方发射器距离太远,它的抵达时间会远远超过接收时间间隔,然后RX端将无法侦测到讯息(图4)。

图4 循环前缀距离的影响

图4 循环前缀距离的影响

如图4所示,通讯范围有限制,超出界限外的接收器便无法侦测远方用户的讯息。表5总结LTE-V2X可到达的最大范围。在VSC-A(Vehicle Safety Communications-Applications) Final Report: Appendix Volume 1 System Design and Objective Test文件中定义的Do-No-Pass-Warning讯息有些个案无法满足NPRM要求。

留意资源分配

现实的V2X流量模式的特点是封包大小可变动。一组讯息例如(由ETSI指定的)CAM和(由SAE所指定的)基本安全讯息(BSM)是定期产生的,通常是每100毫秒(ms),其中包括车辆状态信息,例如地理位置、速度、行驶方向和其他相关信息。

有时候,这类讯息上会附加一台车辆以及一组路径预测或最近行驶路径历史纪录点。点的数量取决于路况,但是由于每个点利用大约10个字节来描述,这类附加信息可能轻易地就额外占用酬载中数十个字节。讯息大小不同的另一例子与安全性有关:对BSM而言,每隔500毫秒才传送一次完整的安全认证,让默认讯息大小额外增加100字节。

IEEE 802.11p的资源分配机制可以轻松支持可变动的封包大小。用户一旦占用频道,它会解析一个OFDM符元来自行决定传输的持续时间(即8毫秒),以便据此让酬载传输时间更短/更长。

而在LTE-V2X中,使用者用半永久性的方式保留资源,亦即还不知道准确的封包大小。在还未能决定应用层酬载大小时预先保留资源,可能会造成资源大小过度分配(效率不彰)或是分配不足(需要更密集的编码,降低该讯息侦测到的概率)。

无论何种方式,IEEE 802.11p简单的资源分配机制能够更有效处理可变动的酬载大小。

实行半双工

如图3所示,在LTE中,两位使用者可能使用不同的频率资源以相同的OFDM符元传输。在一个特定时刻,当他们的无线电以半双工模式运作时,一位使用者可以发射或接收。因此,两位用户即使位置很接近也不会接收到对方的讯息,并可能错过关键安全决策的必要信息。此外,他们也必须等候其中一方或两者选择要传输的新资源。

3GPP使用重复传输的方法暂时解决了这个问题,让在首次传输中使用相同子讯框的两位使用者在第二次传输时会使用不同的子讯框。从系统的观点着眼,这个解决方案增加延迟、占用半数的网络容量,而且造成资源分析的冲突,因而缩减通讯范围。

考虑物理层效率

LTE波形和讯框格式的繁复设计在单一使用者的情况下会变成占用更多资源,如表6所述。

容量比较

V2X是专供高流量密度使用。容量定义在特定区域内所有车辆不必争夺相同资源而能进行通讯的能力,因为争夺资源最终会造成通讯范围缩减和增加延迟。IEEE 802.11p和LTE-V2X在相等的条件下拥有类似的容量和范围。

表7显示LTE-V2X和IEEE 802.11p的容量是类似的,而且指定的10MHz频道在1毫秒中可以容纳大约两则讯息。

解决讯息碰撞

在道路的特定区段将会有多位使用者,每一位在固定的时间间隔内传输讯息。IEEE 802.11p导入CSMA-CA通讯协议,在启用新的传输前先检查无线频道是否被使用,藉此解决可能发生的碰撞。而LTE-V2X没有同等的机制,若是发生碰撞,将不会侦测到。两位使用者可能使用相同的资源区块进行传输,在重新选择之前,资源会以半永久性分配的方式保留下来供数次传输使用。因此两位使用者的数次传输皆会遗失。

LTE-V2X针对两位使用者的重新选择活动定时加入某些程度的随机分派来解决这个问题,但无法彻底解决碰撞的风险。

例如,两台车辆可能接近一个路口。一旦进入通讯范围,IEEE 802.11p将确保运作无任何碰撞而且必要时会发出警告。而LTE-V2X并不是这样的情况,它可能会遗失重要的时间。

网络安全防护
ISO26262所定义的道路车辆功能安全认证提供验证和确认措施的要求,确保达成充分和合理的安全等级。风险和危害分析会衡量对生命的潜在威胁来决定汽车安全完整性等级(Automotive Safety Integrity Level, ASIL)。由于V2X可能正控制车辆,例如在队列行驶应用中,假定V2X必须遵从ISO26262标准及ASIL B级。达到ASIL B级必须付出更多成本,强烈建议将非关键安全领域与关键安全领域分开,软硬件皆然。

若是系统的非关键安全部分未被区隔,它亦应包含在ISO26262认证中,如此一来,要达成目标会变得极为困难且昂贵。而且,将领域区隔开来,便能提供更强大的必要保护来防范潜在的网络攻击(图5)。硬件和软件清楚分开,意味着无法纯粹地再利用标准LTE调制解调器来涵盖LTE-V2X的应用空间。

图5 区隔关键安全与非关键安全领域,让功能安全与网络安全受惠。

图5 区隔关键安全与非关键安全领域,让功能安全与网络安全受惠。

LTE-V2X解决方案因为极为复杂,其成本也必然比IEEE 802.11p解决方案更高。采用LTE-V2X来处理关键安全应用,会变得更加昂贵。
说明至此,下集文章将接续从成本因素、成熟度及未来展望等面向来探讨IEEE 802.11p与LTE-V2V两者技术的优劣与差异。

(本文作者Alessio Filippi、Kees Moerman、Vincent Martinez、Andrew Turley皆任职于恩智浦,Onn Haran、Ron Toledano任职于Autotalks)

文章来源: 新通讯