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5G车联网标准的演进之路

2019-08-13 09:53 5G行业应用

导读:产业发展第一要素是标准。谁把握了标准主导权,谁就控制了产业发展的制高点。

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图片来自“东方IC”

原作者吴冬升,“5G行业应用”特邀专栏作家,东南大学博士,17年TMT从业经历,多年B2B/B2G整合营销及品牌经验,对5G、车联网、一级黄色录像影片网、大数据、人工智能、数字化转型有深刻洞察。

亿欧一级a做爰片城市对文章进行二次编辑,供读者参考。

产业发展第一要素是标准。没有一个统一的标准,产业发展将无章可循,也解决不了互联互通问题,产业就难以做大做强。

另一方面,谁把握了标准主导权,谁就控制了产业发展的制高点。所以产业发展,尤其是高科技产业是否能健康快速发展,首先要分析其标准的进展情况。本文将从DSRC vs. C-V2X标准之争、国际C-V2X标准进展、中国C-V2X标准进展三个层面来分析5G车联网标准的演进之路。

01、DSRC vs. C-V2X标准之争

1. DSRC vs. C-V2X标准整体情况

车联网V2X(Vehicle-to-Everything)全球存在两大标准流派,DSRC(Dedicated Short Range Communications,专用短程通信技术)和C-V2X(Cellular-Vehicle-to-Everything,基于蜂窝技术的车联网通信)。

车联网主要的标准组织和联盟包括IEEE(美国电气电子工程师学会)、ETSI(欧洲电信标准协会)、3GPP(移动通信伙伴联盟)、ARIB(日本电波产业协会)、TTA(韩国电信技术协会)、IMDA(新加坡资讯通信媒体发展局)、5GAA(5G Automotive Association)等。ETSI制定了基于DSRC的标准ITS-G5,同时作为3GPP的创建伙伴,ETSI也会从3GPP的技术标准成果中直接转化引用。

中国车联网主要标准组织和联盟包括CCSA(中国通信标准化协会)、C-ITS(中国智能交通产业联盟)、SAE-China(中国汽车工程学会)、NTCAS(全国汽车标准化委员会)、TIAA(车载信息服务产业应用联盟)、TC/ITS(全国智能运输免费在线观看标准化技术委员会)、全国道路交通管理标准化技术委员会、IMT-2020(5G)推进组C-V2X工作组、CAICV(中国智能网联汽车产业创新联盟)等。

DSRC标准由IEEE基于WIFI制定,并且获得通用、丰田、雷诺、恩智浦、AutoTalks和Kapsch TrafficCom等支持。通用已经有量产车凯迪拉克CTS搭载DSRC(由Aptiv提供免费在线观看,AutoTalks提供模块,恩智浦提供芯片),丰田则在2016年就开始销售具备DSRC技术的皇冠和普锐斯,销量已经超过10万辆(电装提供免费在线观看,瑞萨提供芯片)。

C-V2X由3GPP通过拓展通信LTE标准制定,并向5G演进,获得福特、宝马、奥迪、戴姆勒、本田、现代、日产、沃尔沃、PSA Group,众多Tier1,运营商移动、联通、AT&T、德国电信、KDDI、DOCOMO、Orange、Vodafone,以及华为、爱立信、大唐、高通、英特尔、三星等支持。

DSRC标准化流程可以追溯至 2004 年,主要基于三套标准:第一个标准是IEEE 802.11p,它定义了汽车相关的“专用短距离通信”(DSRC)物理标准;第二个是IEEE 1609,标题为“车载环境无线接入标准系列(WAVE)”,定义了网络架构和流程;第三个是SAE J2735和SAE J2945,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信息,例如位置、行进方向、速度和刹车信息。

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美国高速公路安全管理局(NHTSA)力推DSRC,目标是为消费者提供安全、效率、便捷三大方面优质服务。安全方面,中轻型车辆将避免80%的交通事故,重型车避免71%的事故;效率方面,交通堵塞将减少60%,短途运输效率提高70%,现有道路通行能力提高2~3倍;便捷方面,停车次数可减少30%,行车时间降低13%至45%,实现降低油耗15%。

C-V2X标准工作始于2015年,各工作组主要从业务需求、免费在线观看架构、安全研究和空口技术4个方面开展工作。业务需求由3GPP SA1工作组负责,免费在线观看架构由3GPP SA2工作组负责,安全方面由3GPP SA3工作组负责,空口技术由3GPP RAN工作组负责。

3GPP C-V2X标准化工作分为3个阶段:第1阶段基于LTE技术满足LTE-V2X基本业务需求,对应LTE Rel-14版本;第2阶段基于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阶段基于5G NR(5G新空口)技术实现全部或大部分5G-V2X增强业务需求,对应5G NR Rel-16,Rel-17版本。

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已经完成Rel-14 LTE-V2X和Rel-15 LTE-eV2X,目前正在进行5G NR Rel-16制定和Rel-17规划。

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LTE-V2X包含LTE-D2D(点对点)的PC5接口和LTE蜂窝网的Uu接口。其中车-车通信(V2V),车-路边基础设施通信(V2I),车-人通信(V2P)均通过PC5模式,工作于专用频段;车-网络/云通信(V2N/V2C)通过Uu模式,工作于运营商蜂窝网络频段。其中PC5接口称为Sidelink(侧行链路或直通链路),Uu接口包括Uplink和Downlink(上下行链路)。

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全球主要国家和地区已经分配了V2X(DSRC和C-V2X)点对点通信工作频段。美国分配5850-5925MHz共75M带宽;欧洲分配5855-5925MHz共70M带宽;日本分配5770-5850MHz共80M带宽;韩国分配5855-5925MHz共70M带宽;新加坡分配5875-5925MHz共50M带宽;中国分配5905-5925MHz共20M带宽。

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2. DSRC vs. C-V2X技术和商用对比

从技术角度看,2018年4月在华盛顿召开的5GAA会议上,福特发布了与大唐、高通的联合测试结果,给出DSRC和LTE-V2X实际道路测试性能。结果显示,在相同的测试环境下,通信距离在400米到1200米之间,LTE-V2X免费在线观看的误码率明显低于DSRC免费在线观看,而且C-V2X的通信性能在可靠性和稳定性方面均明显优于DSRC。基于此,福特最终放弃DSRC而选择C-V2X。

从持续演进角度看,C-V2X包含Rel-14 LTE-V2X、Rel-15 LTE-eV2X和向后演进的NR-V2X,也比DSRC有明显优势。

从商用角度看,美国希望在2021年达到50%新车安装DSRC,2022年达到75%新车安装DSRC,2023年开始100%新车安装DSRC。DSRC经过多年的测试与验证,可行性得到验证,同时网络、芯片等产业链相对成熟。但是C-V2X具备后发优势。5GAA自2016年9月创立以来,已经有超过120家运营商、车企、芯片商、设备厂商等产业链各环节企业加入。

微信公众号“5G行业应用”的《5G车联网十大产业化趋势》文章中,对C-V2X商用进程做了预测。

基于LTE-V2X的车联网商用进程:2018年进行规模试验,2019年进行预商用测试,2020年正式迈入车联网(LTE-V2X)商用元年;基于5G NR的车联网商用进程:2019年进行5G NR Uu技术试验,2020年进行5G NR PC5技术试验,2021年进行预商用测试,2022年正式迈入5G NR-V2X商用元年。

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3. DSRC vs. C-V2X竞争背后动因

标准竞争的背后,不仅是技术对抗,更是国家利益的博弈。在无线通信领域,1G时代百家争鸣,主要以美国(AMPS)、欧洲(TACS/C-Netz)、日本(JTACS)为主;2G时代主要是欧洲(GSM)和美国(CDMA)角力;3G时代,欧洲(WCDMA)主导,加上美国(CDMA2000)和中国(TD-SCDMA),除此之外,美国以Intel为首的“IT派”,加入战局,推出了技术上极具竞争力的WiMAX,由IEEE制定802.16标准,采用OFDM+MIMO技术,解决了多径干扰,提升了频谱效率,大幅增加免费在线观看吞吐量及传送距离,向“电信派”发起挑战。尽管WiMAX初期技术优势明显,但是最终由于芯片供应跟不上,终端和网络设施跟不上,产业链发展严重不足,导致最终败北给LTE,也将北电等老牌企业拖跨;4G时代,主要是FDD LTE和TDD LTE(中国主导)标准。

同样的情况,发生在车联网领域,美国主推脱胎于WIFI的DSRC标准,中国主推基于电信领域的C-V2X标准,双方在欧洲市场博弈。

借鉴WiMAX vs. LTE的案例,DSRC vs. C-V2X最终竞争的胜败不仅在于技术的优劣,更在于产业链发展的成熟度。

02国际C-V2X标准进展

1. C-V2X标准的业务及技术演进

目前3GPP已经发布了对LTE-V2X定义的27种(3GPP TR 22.885)和5G-V2X定义的25种(3GPP TR 22.886)应用场景。

其中TR 22.885定义的27种应用场景主要实现辅助驾驶功能,包括主动安全(例如碰撞预警、紧急刹车等)、交通效率(例如车速引导)、信息服务等方面。具体包括Forward Collision Warning,Control Loss Warning,V2V Use case for emergency vehicle warning,V2V Emergency Stop Use Case,Cooperative Adaptive Cruise Control,V2I Emergency Stop Use Case,Queue Warning,Road safety services,Automated Parking System,Wrong way driving warning,V2X message transfer under MNO control,Pre-crash Sensing Warning,V2X in areas outside network coverage,V2X Road safety service via infrastructure,V2N Traffic Flow Optimisation,Curve Speed Warning,Warning to Pedestrian against Pedestrian Collision,Vulnerable Road User (VRU) Safety,V2X by UE-type RSU,V2X Minimum QoS,Use case for V2X access when roaming,Pedestrian Road Safety via V2P awareness messages,Mixed Use Traffic Management,Enhancing Positional Precision for traffic participants,Privacy in the V2V communication environment,V2N Use Case to provide overview to road traffic participants and interested parties,Remote diagnosis and just in time repair notification(来源《3GPP TR 22.885 V14.0.0 (2015-12)》)。

整合各种典型用例,对LTE-V2X有如下技术需求:

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而TR 22.886主要实现自动驾驶功能,包括车辆编队、高级驾驶、扩展传感器、远程驾驶四大类功能。加上基础功能,共25种应用场景(来源《3GPP TR 22.886 V15.1.0 (2017-03)》)。

车辆编队:实现多个车辆自动编队行驶。编队中的所有车辆接收头车周期性发出的数据,以便进行编队操作。通过车辆之间的信息交互,可以使得车辆之间的间距非常小(例如几米甚至几十厘米),从而降低后车的油耗。此外编队行驶还可帮助后车实现跟随式的自动驾驶。

高级驾驶:实现半自动或全自动驾驶。每辆车或RSU将其通过传感器获得的数据共享给周边车辆,从而允许车辆协调它们的运动轨迹或操作。此外,每辆 车都与周边车辆共享其驾驶意图。这个场景可以提高驾驶安全性,提高交通效率。

扩展传感器:实现本地传感器采集的数据或实时视频数据在车辆、RSU、行人设备和V2X应用服务器之间的交换。这些数据的交互等效于扩展了车辆传感 器的探测范围,从而使车辆增强了对自身环境的感知能力,并使车辆对周边情况能有更全面的了解。

远程驾驶:实现驾驶员或驾驶程序远程驾驶车辆。该场景可用于乘客无法驾驶车辆、车辆处于危险环境等本地驾驶条件受限的情况,也可用于公共运输等行驶轨迹相对固定的场景。

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整合各种典型用例,对5G-V2X有如下技术需求。

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Rel-15 LTE-eV2X在与Rel-14 LTE-V2X保持兼容性的前提下,进一步提升V2X的时延、速率以及可靠性等性能,以满足更高级的V2X业务需求。其相关技术主要针对PC5增强,采用与Rel-14相同资源池设计理念和相同的资源分配格式,因此可以与Rel-14 V2X用户共存且不产生资源碰撞干扰影响。Rel-15的增强技术主要包括PC5载波聚合、64QAM高阶调制、发送分集、低时延相关技术、Mode3和Mode4资源池共享等。

到Rel-16 5G NR-V2X阶段,支持eV2X的所有业务场景。主要研究工作包括设计NR Sidelink、NR Uu接口增强、NR Uu调度NR Sidelink、V2X定位、无线接入技术选择机制、空口QoS管理技术方案、NR Sidelink与LTE Sidelink共存机制、Sidelink频段等。

2. 标准未来演进方向

一方面考虑前向兼容,Rel-16 5G NR-V2X不是取代LTE-V2X,而是增强,是在更高带宽、更低时延下提供LTE-V2X不能满足的V2X业务能力。未来基础的V2X业务可能只通过LTE-V2X进行接收或发送。因此,车企并不需要等待Rel-16的到来,而是现在就可以部署Rel-14。

一方面考虑演进到R17,可能包括UE增强(比如针对弱势道路使用者UE节能增强)、Sidelink演进(比如定位精度、容量增强、可靠性提升、2TX/2RX天线基准等)、结构间隙闭合和增强(Uu Multicast、组播增强、基于网络定位精度增强等)、MDT和SON自动增强(Sidelink QoS评估报告)等。

除此之外,还有很重要的一点是关于NR V2X工作频谱问题。待确定如下几个问题:在授权频段上,哪个3GPP(Sub-6GHz或者毫米波)NR频段将被用于NR V2X sidelink?在5.9GHz ITS频谱和其它潜在ITS频谱,什么频率范围和信道位置被用于NR V2X Sidelink?NR V2X sidelink需要多大信道带宽?

可能潜在的NR V2X工作频谱包括ITS无许可频谱(已经分配的5.9GHz,仅用于D2D,有限QoS),通用专用授权MNO频谱(高QoS)、共享频谱(例如许可共享访问,已经讨论在2.3-2.4GHz,需要大量的监管工作),其它无许可频谱等。

03中国C-V2X标准进展

中国国家层面于2017年成立车联网产业发展专项委员会,在国家制造强国建设领导小组下设立,由工信部、发改委、科技部、财政部、公安部、交通运输部等20个部门和单位组成,负责组织制定车联网发展规划、政策和措施,协调解决车联网产业发展重大问题,统筹推进产业发展。

2018年6月,工信部与国家标准委联合印发了《国家车联网产业标准体系建设指南(总体要求)》、《国家车联网产业标准体系建设指南(信息通信)》和《国家车联网产业标准体系建设指南(电子产品和服务)》系列文件,确定到2020 年,基本建成国家车联网产业标准体系,规范车联网产业发展。2019年5月,工信部装备工业司组织全国汽标委编制了《2019年智能网联汽车标准化工作要点》,进一步贯彻落实《国家车联网产业标准体系建设指南》。

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目前中国已基本完成LTE-V2X相关接入层、网络层、消息层和安全等核心技术标准,标准体系初步形成。为了推动LTE-V2X标准在汽车、交通、公安、通信行业的应用,一方面推进LTE-V2X标准转升为国标,便于跨行业采用;另一方面在汽车、交通、公安行业,开展功能要求和免费在线观看技术要求等上层标准制定。

其中包括转升《基于LTE的车联网无线通信技术 网络层技术要求》、《基于LTE的车联网无线通信技术 消息层技术要求》、《基于LTE的车联网无线通信技术 安全技术要求》、《基于LTE的车联网无线通信技术安全证书管理免费在线观看技术要求》、《基于LTE-V2X直连通信的路侧单元免费在线观看技术要求》、《面向LTE-V2X的多接入边缘计算 业务架构和总体需求》、《面向LTE-V2X的多接入边缘计算 服务能力开放和接口技术要求》为国标;制定《十字交叉路口预警、车辆编队行驶等功能应用》行标和国标等。

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在《5G车联网产业发展的冷思考》一文中,分析了车联网提供的业务发展情况。一开始车联网主要提供信息服务类业务,比如定位管理、基于用户行为的UBI(Usage-Based Insurance/User-Behavior Insurance)业务、以及面向B端的车队管理等。当前又回归到出行需求上,为消费者解决安全问题和效率问题。未来,车联网将赋能自动驾驶,实现协同自动驾驶和单车自动驾驶。

现在基于V2X的主要业务场景是面向交通安全类和交通效率类的。以汽车标准委员会T/CSAE 53-2017应用列表中定义的17种典型车联网应用层标准看,其中包括12种安全类业务,4类效率类业务,1类近场支付信息服务。

全力推进和落实C-V2X国际和中国的标准工作,将助力C-V2X车联网产业健康快速发展。