谈谈车联网--V2X技术

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C-V2X目前行业不断成熟，落地场景不断丰富，正处于大规模商业化阶段。可以预见，基于蜂窝车联网（C-V2X）聪明车 智能道路的协调发展模式将支持中国汽车工业和交通工业的变革，培育新的商业模式。

【导读】几天前，我写了一篇关于智能网络汽车的文章：最近，北京市长陈吉宁亲自乘坐百度Apollo汽车谈话收到了更多的反馈和讨论，许多朋友特别关注智能网络汽车、汽车网络技术、自动驾驶等。

在汽车新四化(电气化、网络化、智能化、共享化)的背景下，车联网成为不可逆转的趋势。基于此，本文针对车联网的核心技术--V2X，进一步阐述。

车联网的发展背景

国家政策

• 2020年3月，中共中央政治局常务委员会召开会议，提出加快5G网络、数据中心等新型基础设施建设进度，新基建的号角正式吹响

• 2020年5月，《2020年国务院政府工作报告》提出重点支持两新一重(新基础设施建设、新城镇化建设、交通水利等重大工程建设)

行业需求

• 汽车正经历从传统交通向智能交通转变的新四化转型浪潮

• 2020年2月，由发改委、工信部等11部委联合发布《智能汽车创新发展战略》

• 2020年10月，国务院发布《新能源汽车产业发展规划》(2021-2035年)，加快智能网络汽车产业发展

V2X概述和发展路径

V2X（vehicle to everything）：作为智能网络汽车信息交互的关键技术，主要用于实现车间信息共享和协同控制的通信保障。

在未来的自动驾驶应用中，V2X通信技术是实现环境感知的重要技术之一，补充了传统车载激光雷达、毫米波雷达、摄像头、超声波等车载感知设备的优势，为自动驾驶汽车提供了超视距和复杂的环境感知能力。

历史可追溯到2013年：

• 2013年，大唐电信集团副总裁陈山志博士在世界电信日大会上首次公开提出LTE-V2X带领大唐团队积极推进概念C-V2X国际标准和技术进化

• 2014年和2015年推动3GPP立项

• 2016年国际化3完成GPP标准

• 自2017年完成国内标准化相关工作以来，一直在推动产业相关发展

• 在2020年，3GPP完成了基于NR-V2X标准的制定

中美V2X统一标准

目前，它被用于世界V2X主流通信技术包括：DSRC和C-V2X。

DSRC（dedicated short range communication)标准由IEEE基于美国电气电子工程师学会WIFI标准化过程始于2004年。OBU与RSU提供车间和车间信息的双向传输，RSU交通信息通过光纤或行动网络传输到后端智能运输系统平台（ITS）。

DSRC系统包含

• 车载单元（On Board Unit，OBU）

• 路侧单元（Road Site Unit，RSU）

C-V2X（cellular vehicle to everything):基于蜂窝移动通信系统的技术，分为LTE-V2X和5G NR-V2X。

• OBU

• RSU

• UU接口：OBU/RSU与基站之间的接口，实现与移动网络通信

• PC5接口：C-V2X蜂窝通信协议的底通信协议

2020年11月，美国联邦通信委员会正式投票决定将原分配给美国DSRC（IEEE 802.11p）的5.9GHz频段70MHz带宽划拨给Wi-Fi和C-V2X使用，标志着美国正式宣布放弃DSRC（IEEE 802.11p）并转向C-V2X，它也标志着由中国推动的C-V2X逐渐成为全球公认的事实行业标准。

作为世界上最大的大的超级经济体，中国和美国在经济总量和活动方面没有其他经济体可比性。汽车工业作为一个国家的支柱产业，规模巨大，影响深远，涉及广泛的产业。在汽车工业新四个现代化的背景下，中美两个超级大国V2X统一技术标准，加速V2X产业链的发展对整个车联网产业大有裨益。

随着C-V2X随着交通和汽车工业的不断深化，中国将走出基于自身特色的发展模式C-V2X支持未来自动驾驶和智能交通发展的车路协调发展模式。

C-V2X技术原理

蜂窝通信（LTE）与DSRC（IEEE 802.11p），都不能满足车联网（V2X）高可靠性和低延迟性的通信需求。

中国智慧成功解决了世界性问题！

2013年5月17日(国际电信日)，陈山枝博士和大唐研究团队首次提出LTE-V2X建立了概念和关键技术C-V2X基本的系统结构、技术原理和技术路线实现了蜂窝通信与短距离通信的融合创新。在蜂窝通信的基础上，引入终端直通信的特点，支持汽车、汽车和道路的直接通信。适应车联网应用低延迟、高可靠传输的要求。

随后，2015年，大唐、华为等中国企业开始牵头全球主流通信标准化组织3GPP中积极推动LTE-V2X标准化工作。

蜂窝通信与直通通信相结合C-V2X通信模式有两种：

• 蜂窝方式（LTE-V-cell）：

  • 通过终端和基站Uu接口通信，基站作为集中控制中心和数据信息转发中心，完成集中无线资源调度、拥塞控制和干扰协调

• 直接通信模式（LTE-V-direct）：

  • 通过汽车、人和道路PC5接口实现短距离直接通信，解决车联网终端间延迟低、传输可靠性高的问题

这两种通信模式共同支持车联网多元化的应用需求，直通模式可以支持在没有蜂窝基站覆盖的情况下工作。

通过增加V2X实现通信模式的智能选择，支持业务分流控制、无线传输控制、业务质量管理、连接控制管理等功能。

蜂窝通信（Uu）和直通通信（PC5)通过合理分配系统负荷，自适应快速实现车联网业务的高可靠性和连续通信——Uu接口基于4G/5G频段支持延迟不敏感业务(如地图下载、信息娱乐等)，PC5接口基于ITS支持低延迟、高可靠性业务的专用频段V2V、V2I、V2P等待道路安全业务)。

V2X主要包含:

• 车-车通信V2V---vehicle-to-vehicle

• 车-路通信V2I---vehicle-to-infrastructure

• 车-网通信V2N---vehicle-to-network

• 车-人通信V2P---vehicle-to-pedestrian

V2V车--车通信：

V2V的工作原理如下图：

V2I车--路侧设备通信：

V2I的工作原理如下图：

基于V2X技术的软件通用流程：

应用软件“栈”视图：

下面，我们就V2X技术的软件通用流程，作详细解释。

数据采集流程：

数据组织：

数据交换：

数据处理：

如何处理十字路口的碰撞预警？

• 计算本车到远车的方向角

• 通过比较本车朝向与方向角判断远车在本车前方

• 两车朝向必然成一定角度

• 两车朝向的延长线的交点为疑似碰撞点

• 两车到达碰撞点的时间差满足设定值

基于C-V2X的车联网产业链

C-V2X产业链上下游分为:

• 通信芯片商

  • 华为、大唐等可提供支持LTE-V2X的通信芯片

• 通信模组商

  • 华为、大唐、高通、移远、芯讯通等可提供基于LTE-V2X的芯片模组

• 硬件终端商

  • 华为、大唐、金溢、星云互联、东软、万集等厂商可提供基于LTE-V2X的OBU、RSU硬件设备，以及相应的软件协议栈

• 测试验证厂商

  • 中国信通院、中汽中心、上机检、中国汽研、上海国际汽车城等科研和检测机构开展C-V2X通信、应用相关测试验证工作

  • 奇虎科技、华大电子等安全企业开展C-V2X安全研究与应用验证

• 运营服务商

  • 国内三大电信运营商均大力推进C-V2X业务验证示范

  • 百度、阿里、腾讯等互联网企业进军车联网，加速C-V2X应用落地

• 高精度定位和地图

  • 北斗、高德、百度、四维图新等企业致力于高精度定位的研究，为V2X行业提供高精度定位和地图服务

车路协同与自动驾驶风雨同舟

谈到车路协同对于自动驾驶的意义，我们首先看看当前自动驾驶的瓶颈：

• 信息感知能力差，成本高

  • 自动驾驶采用的传感器都是类视觉传感器，在感知距离、感受视野、分辨率等因素上互相制约

  • 多传感器融合加大软件算法复杂度

  • 在高速自动驾驶中，传感器能力有限

  • “鬼探头”挑战悬而未决

• 高车流量交通环境应变能力差

  • 车辆密度的提升，环境越来越复杂，自动驾驶车辆容易陷入寸步难行的窘境（比如当下的拥堵自动跟随功能）

针对以上自动驾驶的当前问题，车路协同能做些什么？

• 车车协同（V2V）增强信息感知能力

  • RSU“站得高、看得全”，合理布设传感器位置，消除盲区

  • RSU位置固定，有足够的先验信息可以用来辅助感知，提升感知准确性

  • RSU通过先进的通信技术组合成泛在感知网，提升车辆感知范围

• 车路线协商机制

• 数字化，有非常高的抗干扰性，可以无损传递到车内

• 提供两车协同、多车协同和车队协同

• 基础设施改造，分摊到每台车的成本低

当下车联网产业面临的挑战与机遇

单车智能“瓶颈”凸显

• 长尾问题日益显著

  • 投入了10%的资源、精力和时间，已解决了90%的问题；但剩下的10%的长尾安全问题，却可能需要投入90%的资源、精力和时间才能解决掉

• 单车智能造成信息孤岛，车路协同有限

• 缺乏超视距感知能力，易受天气和光线的影响

• 缺乏上帝视角关于路况全局的信息，“鬼探头”问题棘手

• 软件算法低时延和高可靠有待提高

C-V2X+ADAS融合势在必行

• 车车协同（V2V）增强信息感知能力，构建泛在感知网络

路侧前期投入比较大，商业模式尚不清晰

• 各级政府以及高速业主单位，敢于尝试创新，有勇气，有魄力

• 需要国家顶层设计规划，各部委协同互动

• 消除信息共享鸿沟，管理部门、企业等收集的信息如何通过公共平台共享

安全风险与威胁不容忽视

• 保证功能安全，避免随机性故障和环境影响造成的安全风险

• 保证网络安全，避免被人为利用造成的安全风险

• 车载网络安全无法量化设计与验证度量

• 保险行业不敢为智能网联汽车提供保险服务

全天候、全场景乘用车无人驾驶道路坎坷

• NR-V2X关键技术仍需验证

• 芯片模组等尚不具备商用能力

• 算力匮乏

• 带宽需求有待研究

• 频谱规划有待确定

• 法律法规尚未明确

车联网低时延高可靠的演进

由辅助驾驶-------->自动驾驶

C-V2X产业界的典型案例：

可以用于城市、高速、封闭园区等场景

• 华为C-V2X解决方案：

  • 红绿灯信号机的对接

  • 高精定位

  • 高精地图动态图层

  • 丰富的路侧感知能力

  • 在云端，华为的解决方案已经跟六家V2X平台进行过对接

  • 在路侧，信号机跟十几家知名厂商进行过对接，雷达跟四家厂商进行过对接，T-Box跟十家以上的厂商进行过对接

• 中国信科基于C-V2X的研究起步较早

  • 大唐高鸿是中国信科集团旗下发展车联网产业的骨干载体，从2012年即开展我国核心知识产权的C-V2X（LTE-V2X和NR-V2X）技术标准研究、产品开发和市场推广工作

  • 其产品涵盖基于集团自研芯片的车规级模组、车载终端（OBU）、路侧设备（RSU）、路侧多传感器融合感知站等硬件产品，以及基于自研模组的LTE-V SDK开发包，ITS协议栈、LTE-V-APP、CA安全验证平台、云控平台等软件产品和方案

  • 基于智慧高速、城市道路、智慧园区、智慧出行、智慧矿山、智慧隧道等解决方案已在不同应用场景下完成部署，具有丰富成熟的落地项目经验

对车联网未来展望和建议

• 积极推进LTE-V2X技术将向5G V2X演进，解决5G新空口（5G new radio，5G NR）的兼容性问题

• 大力推动C-V2X+ADAS深度融合，从单车智能走向网联智能

• 大力发展半导体产业，软件定义汽车，不能让芯片依然"卡脖子"

• 大力发展高精度定位和地图服务

• 政策要有所突破，通过政策和法规进行受控共享开放，推进商业模式的创新，推进路网运营商的形成

• 促进出行服务行业提供变革、保险行业商业创新

• 大胆创新，小心求证、我们有理由相信，基于车路协同的自动驾驶有望成为我国继高铁之后，实现由交通大国走向交通强国的又一张新名片

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