用于自主驾驶车辆的 V2X 通信

无人驾驶汽车的发展拉动了对强大的低延迟无线通信的需求，从而可提供广泛的功能。为满足此需求，目前建议采用两种不同的方法，即 802.11p 和 C-V2X:PC5。

无线通信的应用范围包括车辆到基础设施 (V2I)、车辆到车辆 (V2V) 和车辆到行人 (V2P)，统称为 V2X。

图 1： 无人驾驶车辆彼此的通信以及与路边基础设施的通信是未来几年推广该项技术的一项关键元素。（来源： 美国交通部）

无线技术标准化

标准化也是实现无线收发器量产以降低成本的关键问题之一，同时确保车辆在全球众多不同的市场都能安全运作。这也为两套技术提出了一系列问题。

尽管不同的方法看似存在竞争，但技术的应用取决于使用案例和特定类型的自主驾驶车辆所需的交互水平。例如，出租车会直接连接到客户手机，相比之下，自主驾驶卡车可能只需要一组更有限的互动。

802.11p 是一种更为完善的技术，它是在 5.9 GHz ISM 公共频带运行的 2.4 GHz Wi-Fi 技术的演化型。此频谱在美国和欧洲已被分配用于数字短程通信 (DSRC) 链路，该链路可将来自交通灯和交通管理跨线桥等路边设备的数据提供给车辆，以及在车辆之间提供一些信息。例如，通过该技术，可以让道路中的车辆预知前方存在问题，以放慢速度避免事故。该基础设施的安装相对简单，并且不依赖特定的运营商，也不会带来基站成本。

信息分为两个类别，紧急信息和一般信息。安全信息（例如发送和接收“紧急电子刹车灯”的功能）是由车辆以广播模式每 0.1 秒发送一次的信息，从而以低于 50 ms 的延迟提醒紧急刹车事件。一般信息（例如“交通灯 - 最佳速度建议”）则通过使用定期广播建议合适的速度，来改善交通流量。

它们必须在高动态环境中的发射器和接收器之间以相对较高的速度运作，因此需要在安全相关的应用中支持极低的延迟。它们还需要耐受因交通堵塞导致多辆车辆定期传送的多条信息。

另一条注意事项是，V2X 信息实质上是局部信息，这意味着它们与附近的接收器关联度最高。例如，“撞车前感应警告信息”对于周边车辆极其重要，但对远距离的车辆而言则不相干。

图 2： DSRC 上传送的信息类型。

最新一代的 5G 蜂窝技术由 3GPP 标准组设计，并且也考虑了上述部分功能。它能使用的频带数量多于 3G 和 4G，并且突出了低延迟特性，因此可以快速将信息发送到车辆。这是任何智能车辆系统的关键要求。

该基础设施的安装成本更高，可支持数以百万计的无人驾驶车辆，但允许车辆直接与乘客和行人的手机通信，是一种关键的 V2P 技术。广播 V2V 协同感知信息 (CAM) 或基本安全信息 (BSM) 的单个车辆以 2.5 KB/s 的峰值速度，每月生成约 0.5 GB 的数据量。此结果基于每条信息 256 字节，每秒 5 条信息，并且每天驾驶四小时的假设条件。在接收器端，假设相关区域内有 30 辆汽车，则基础设施每月必须处理约 16 GB 的数据量。

一些芯片设计师正在设法同时支持两种 V2X 直接通信技术。二者的运转都无需网络基础设施，而是使用 5.9 GHz 频谱。通过投资由标准开发组织（例如汽车工程师协会 (SAE)、欧洲电信标准协会 – 智能交通系统 (ETSI-ITS)、电气与电子工程师协会 (IEEE) 和国际标准化组织 (ISO)）开发的更高层，物理层 (PHY) 和介质访问层 (MAC) 均可从同一汽车投资中获益。

DSRC 设备是自 2007 年建议该标准以来开发的第三代产品。Wi-Fi 联盟的 DSRC 任务组负责 DSRC 认证，Honda 等公司则设法让 DSRC 系统能够通过直接 Wi-Fi 连接建立到消费者智能手机的链路。

两种技术都需要新一代的天线来处理来自 Taoglas 等供应商的 5.9 GHz 链路。

图 3： 连接行人与无人驾驶车辆是未来无线系统的一大关键挑战。

用于无人驾驶汽车的 5G 系统

领先的汽车制造商、芯片制造商和手机运营商已建立 5G 汽车协会，负责开发、测试和推广用于无人驾驶汽车的 5G 系统，并且开始着手建立汽车专用标准以及加快商业开发。

此蜂窝-V2X (C-V2X) 在 3GPP 版本 14 中定义为 LTE V2X。一项额外的元素是远程车辆到网络 (V2N) 连接规范，利用这类连接可以在端到端解决方案中包含和打包云服务。这可以通过现有的 4G 蜂窝甚至 3G 数据模块（例如 Sierra Wireless 提供的解决方案）来实现，但 5GAA 着眼于如何将其与 5G 系统集成，以适应未来应用。

C-V2X： PC5802.11pC-V2X： PC5 优势同步同步异步频谱效率。同步可实现时分多路复用 (TDM) 并降低通道访问开销。跨车辆的资源多路复用可实现频分多路复用 (FDM) 和时分多路复用 (TDM)仅 TDM利用频分多路复用可实现更高的链路预算，从而扩大通信距离，或在相同的距离内提供更稳定的性能。通道编码增强型卷积通过增强型代码获得的编码增益，从而扩大通信距离，或在相同的距离提供更稳定的性能。重传混合自动重传请求 (HARQ)无 HARQ可扩大通信距离，或在相同的距离提供更稳定的性能。波形SC-FDMOFDM可使用相同的功率放大器实现更高的发射功率。可扩大通信距离，或在相同的距离提供更稳定的性能。资源选择半静态传输，基于相对能量进行选择。带防撞功能的载波监听多路存取 (CSMA-CA)通过选择近乎“最佳”的资源来优化资源选择，且不产生争用开销。相比之下，802.11p 协议选择第一个“合格”资源，并且需要争用开销。

图 4： 用于无人驾驶车辆的 5G 蜂窝技术的优势。（来源： 5GAA）

欧盟预期将于 2018 年推出 5G 服务，并于 2020 年前进行大规模商用推广。这可能会影响最新的无人驾驶汽车计划，该计划将于 2018 年和 2019 年启动上路，届时没有可用的基础设施。将于 2019 年世界无线电通信大会 (WRC-19) 协定的可用于 5G 的频带也可能发生变化，届时可能包括 5.9 GHz 频带，也可能包括高于 6 GHz 的频带。这些 5G 系统在整个欧洲的试用中已经崭露头角。

在瑞典斯德哥尔摩和爱沙尼亚塔林进行的真实户外 5G 试验采用了 15 GHz 频带中的 800 MHz 频谱。试验期间实现了每用户 15 GB/s 的峰值速度和低于 3 毫秒的延迟。这是当前的 4G 技术可实现的最高速度的 40 倍，并且制造商计划于 2018 年推出商用 5G 服务。与此同时，在法国的测试设备也展示了以超过 10 GB/s 的峰值速度进行的无线通信。

一些试验还展示了 5G 连接在无人驾驶汽车上的其他应用。在日本，5G 网络连接使用 10 GB/s 的数据速率将汽车周围的高清摄像头的高分辨率图像传回到远程中心。这样一来，远程操作者便可监视车辆并协助乘客。

图 5： 5G 技术在无人驾驶汽车中的应用。（来源： 5GAA）

总结

汽车系统开发人员的争论点是 802.11p 当前已经面市。在最近六年里，ETSI 组织了四次“插接测试”活动，这让系统设计人员确信各种车辆都能连接到基础设施。而且，随着越来越多无人驾驶汽车的推出，车辆和路边装置中的收发器数量还会增加，从而拉低成本。