IEEE802.11p將先于LTE-V2V用于安全應用

　　車(chē)到車(chē)通信正在顯著(zhù)吸引人們的注意力，因為它能極大地減少道路交通事故，改善移動(dòng)性，實(shí)現高層次的汽車(chē)自動(dòng)化。支持安全關(guān)鍵應用是車(chē)到車(chē)通信的核心，多年來(lái)，V2X選擇的技術(shù)一直是IEEE802.11p。最近，在移動(dòng)通信標準化組織3GPP的積極推進(jìn)下，一種旨在滿(mǎn)足V2X應用的新標準開(kāi)始啟動(dòng)。由于成千上萬(wàn)的道路使用者的安全將取決于這些技術(shù)的性能，因此對它們進(jìn)行對比就顯得相當重要。

　　在比較IEEE802.11p和LTE-V2X之前有幾個(gè)重要的相關(guān)事實(shí)需要強調：

　　?IEEE802.11p現在已經(jīng)可以商用，LTE-V2X還不行[4]。目前市場(chǎng)上有多家芯片供應商可以提供基于IEEE802.11p的產(chǎn)品。有些一級供應商還有完整的解決方案。相比之下，目前市場(chǎng)上還沒(méi)有可商用的LTE-V2X產(chǎn)品，很可能還需要多年的時(shí)間才能見(jiàn)到完整且驗證過(guò)的解決方案。曾經(jīng)許諾過(guò)的V2X 5G版本甚至需要更長(cháng)的時(shí)間才能浮出水面。

　　?許多上路的汽車(chē)中已經(jīng)安裝有IEEE802.11p。最終用戶(hù)現在就可以購買(mǎi)到裝備有IEEE802.11p技術(shù)的汽車(chē)(比如通用的凱迪拉克1)。

　　?V2V NPRM已經(jīng)發(fā)布[1]。說(shuō)明美國政府有明確意向要全面推進(jìn)IEEE802.11p的部署工作, 也說(shuō)明IEEE802.11p技術(shù)已可滿(mǎn)足安全性需求并且通過(guò)了測試驗收。

　　?IEEE802.11p大批量部署可能很快開(kāi)始。作為全球最大汽車(chē)制造商之一的大眾汽車(chē)公司已公開(kāi)宣布，從2019年開(kāi)始將在他們的首批車(chē)系中裝備IEEE802.11p技術(shù)2。

　　蜂窩領(lǐng)域一直在鼓吹v2x的部署應該等到蜂窩技術(shù)準備好并通過(guò)測試，而全然無(wú)視在驗證IEEE802.11p對安全關(guān)鍵應用的適用性方面作出的投資和現場(chǎng)測試工作。更具體地說(shuō)，蜂窩領(lǐng)域聲稱(chēng)LTE-V2X可以提供：

　　?強大的蜂窩生態(tài)系統。該系統借助多年來(lái)的豐富經(jīng)驗可以向全球提供付費服務(wù)和成熟的技術(shù)。雖然這是正確論點(diǎn)，但它指的是采用蜂窩技術(shù)的娛樂(lè )服務(wù)。而設備與基站之間的通信與處于動(dòng)態(tài)環(huán)境中的設備與設備間通信有根本性的區別;

　　?雙倍的性能[6]。然而，就像下文要指出的那樣，在重要的V2V使用案例中，IEEE802.11p的性能完全超過(guò)了LTE-V2X;

　　?最小的附加成本。這是有問(wèn)題的，因為對安全關(guān)鍵應用的支持強烈地表明需要將這些技術(shù)與娛樂(lè )軟硬件分離開(kāi)來(lái)。因此，LTE-V2X很可能在物理上與蜂窩調制解調器分離;

　　?演進(jìn)路線(xiàn)圖和未來(lái)不會(huì )過(guò)時(shí)的技術(shù)，因為通過(guò)3GPP會(huì )議的全面測試機制可以持續地改進(jìn)這種技術(shù)。雖然這也許是真的，但每隔12到15個(gè)月升級一次標準并不能保證舊汽車(chē)能夠與新汽車(chē)通信。這與創(chuàng )建一個(gè)穩定通用的國際標準來(lái)推動(dòng)V2X技術(shù)成功的需求是背道而馳的。

　　這種建議的LTE-V2X技術(shù)源自蜂窩上行鏈路技術(shù)，與目前的LTE系統保持著(zhù)很多相似性：比如幀結構、子載波間距、時(shí)鐘精度要求以及資源塊概念等。這些屬性不是很適合汽車(chē)應用場(chǎng)景，只是繼承自現有的峰窩技術(shù)。因此LTE-V2X要滿(mǎn)足車(chē)到車(chē)通信的特殊應用要求比較吃力。

　　從技術(shù)上講，LTE-V2X在沒(méi)有網(wǎng)絡(luò )覆蓋的情況下會(huì )出現問(wèn)題。它有嚴格的同步要求(章節2.1)，否則將不能正確地從相鄰和附近的發(fā)射器接收消息(章節2.3)，并且通信距離也將受到限制(章節2.4)。另外，它所采用的資源分配機制無(wú)法正確處理具有不同長(cháng)度的消息(章節2.5)，而多用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)機制也不能很好的處理廣播消息(章節2.6)或消息沖突(章節2.9)。LTE-V2X的重載設計也會(huì )導致更高的開(kāi)銷(xiāo)(章節2.7和2.8)。

　　在商用方面，LTE-V2X無(wú)法利用汽車(chē)中已有的標準LTE調制解調器。不同的安全要求(章節2.10)和技術(shù)需求(章節4.1)強烈建議LTE-V2X的安全關(guān)鍵域要與標準LTE調制解調器的娛樂(lè )域分離開(kāi)來(lái)。嚴格的同步要求(章節3.2)也會(huì )顯著(zhù)地增加LTE-V2X硬件的成本。

　　從發(fā)展戰略上看，LTE-V2X也許不是用于安全關(guān)鍵應用的最佳技術(shù)，因為其更新周期不能匹配汽車(chē)的開(kāi)發(fā)周期(章節4.1)。雖然當前版本的LTE-V2X還沒(méi)有完成現場(chǎng)測試，但3GPP組織已經(jīng)開(kāi)始開(kāi)發(fā)LTE-V2X的新版本。下一代的IEEE802.11p也在考慮中了(章節4.2.1)，希望利用眾多大規?，F場(chǎng)試驗的經(jīng)驗測試安全關(guān)鍵應用。

　　我們的結論是，IEEE802.11p技術(shù)是即使在沒(méi)有網(wǎng)絡(luò )的情況下還能支持安全關(guān)鍵應用的理想之選。如果有蜂窩基礎設施，LTE-V2X是一種可行的替代方案，可以為娛樂(lè )服務(wù)提供更為成熟的生態(tài)系統。這種雙贏(yíng)態(tài)勢要把重點(diǎn)放在每種技術(shù)的最強項上，共同努力提供最佳的車(chē)到車(chē)通信解決方案，并繼續為安全關(guān)鍵應用部署IEEE802.11p，同時(shí)確保新的LTE-V2X技術(shù)能與之共存。

　　前沿

　　自從10年前推出以來(lái)，V2X選擇的技術(shù)一直是IEEE802.11p3，這種技術(shù)已經(jīng)完成了標準化、產(chǎn)品實(shí)現和全面的測試。最近，一種面向V2X應用的新標準正在移動(dòng)通信標準化組織3GPP的推進(jìn)下開(kāi)始啟動(dòng)。成千上萬(wàn)道路使用者的安全將依賴(lài)于這些技術(shù)的性能;因此對政策制訂者、汽車(chē)制造商和更寬范圍的汽車(chē)生態(tài)系統來(lái)說(shuō)首當其沖的是要對這些技術(shù)進(jìn)行全面的比較。

　　1.1 V2X的功能目標

　　通過(guò)一起工作和共享信息使得交通運輸更安全、更環(huán)保和更有趣是極具吸引力的。與這個(gè)概念有關(guān)的技術(shù)——統稱(chēng)為合作性智能交通系統(C-ITS)承諾要減少交通擁堵、減輕交通對環(huán)境的影響并顯著(zhù)減少致命交通事故的數量。

　　支撐C-ITS的一種關(guān)鍵技術(shù)是無(wú)線(xiàn)通信，覆蓋車(chē)到車(chē)(V2V)通信、汽車(chē)到摩托車(chē)(V2M)通信、汽車(chē)到基礎設施(V2I)通信以及基礎設施到汽車(chē)(I2V)通信。這些無(wú)線(xiàn)事務(wù)被總稱(chēng)為汽車(chē)到萬(wàn)物或V2X通信。

　　V2X技術(shù)將支持許多與安全相關(guān)的、也可能與安全無(wú)關(guān)的C-ITS系統應用場(chǎng)合。它需要在非常動(dòng)態(tài)的環(huán)境中可靠地工作，在發(fā)射機和接收機之間具有相對較高的通信速度，并且支持在高速公路、擁擠的城市路口和隧道等安全相關(guān)應用中提供極低的延時(shí)。

　　1.2 IEEE802.11p

　　IEEE802.11p設計滿(mǎn)足每種V2X應用要求和最嚴格的性能規范。1999年，美國聯(lián)邦通信委員會(huì )(FCC)在5.9GHz區段內留出75MHz頻譜給了V2X。IEEE802.11p標準因此就工作在這個(gè)頻率范圍內。

　　IEEE802.11p是IEEE802.11a(WiFi)的擴展，工作在自組織網(wǎng)絡(luò )模式，不需要BSS(基本服務(wù)集，WiFi‘基站’)。它針對存在障礙物的移動(dòng)條件進(jìn)行了優(yōu)化，能夠處理因為相對速度高達500km/h而產(chǎn)生的快速變化的多徑反射和多普勒頻移。典型的視距(LoS)通信距離是1km，但IEEE802.11p的主要目標是‘能夠看到轉角’(非視距，NLOS)，因為汽車(chē)中沒(méi)有其它傳感器可以做到這一點(diǎn)。事實(shí)表明，借助世界最先進(jìn)的技術(shù)，作為目前商用化的現貨產(chǎn)品通?？蛇_幾公里的更大范圍。當IEEE802.11p多址訪(fǎng)問(wèn)機制(沖突避免的載波偵聽(tīng)多址訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議，CSMA-CA協(xié)議)與分布式擁塞控制(DCC)結合在一起使用時(shí)可以高效地應付高密度應用場(chǎng)合。

　　標準化工作從10多年前就開(kāi)始了，最終草案是2009年批準的，并且自從批準后做了大量的測試和驗證工作。simTD項目[8]是第一個(gè)大規?，F場(chǎng)測試項目，開(kāi)始于2009年，當時(shí)使用了100多臺汽車(chē)。從那時(shí)開(kāi)始到現在，完成商用化IEEE802.11p產(chǎn)品的現場(chǎng)試驗項目有幾十個(gè)，而且還有許多仍在進(jìn)行著(zhù)。參考文獻[8-13]就提到了其中的一些項目。最大的IEEE802.11p先導項目之一是由USDOT(懷俄明州，坦帕和紐約市)資助的，包含超過(guò)一萬(wàn)多輛實(shí)現了各種應用的汽車(chē)，投資總額超過(guò)4500萬(wàn)美元[13]。巨大投資用于保證這種技術(shù)的質(zhì)量和可靠性。

　　多家半導體公司設計和測試了通過(guò)汽車(chē)資格認證的IEEE802.11p兼容產(chǎn)品。多家供應商可以提供大量的硬件和軟件產(chǎn)品，從而組成了一個(gè)豐富的生態(tài)系統。市場(chǎng)上有許多型號汽車(chē)采用了IEEE802.11p技術(shù)，還有其它型號汽車(chē)正計劃很快發(fā)布，比如：

　　?通用的凱迪拉克CTS汽車(chē)裝備有IEEE802.11p4;

　　?豐田在日本國內就有接近10萬(wàn)輛汽車(chē)裝備有IEEE802.11p;

　　?大眾選擇了IEEE802.11p技術(shù)來(lái)支持V2X應用5。

　　USDOT宣布，根據收集到的證據證明，IEEE802.11p技術(shù)可以顯著(zhù)減少道路上的碰撞事故數量。專(zhuān)家們預期USDOT即將進(jìn)入能夠為了安全而強制要求在所有新的輕便型汽車(chē)中采用IEEE802.11p技術(shù)[14] 的正式流程。

　　1.3 LTE-V2X

　　LTE-V2X是一種相對較新的技術(shù)(首次討論發(fā)生于2015年)，是3GPP Rel-12設備到設備(D2D)功能的擴展，本身依賴(lài)于使用LTE上行鏈路傳輸和上行鏈路頻譜資源實(shí)現設備間的直接通信。V2V基礎安全功能最早出現在LTE Rel-14規范中。

　　LTE-V2X設計時(shí)就考慮了多種部署場(chǎng)景，因此提出了以下要求：

　　1.能夠在有或沒(méi)有eNB(‘基站’)覆蓋的條件工作。Rel-14中的LTE-V2X基于的是PC5接口，允許用戶(hù)在有或沒(méi)有網(wǎng)絡(luò )覆蓋的條件下彼此間直接廣播消息。在蜂窩覆蓋下的操作可以利用同步網(wǎng)絡(luò )的所有好處，其中的中心協(xié)調、調度和管理是用一系列基站實(shí)現的。然而需要注意的是，存在這種裝置無(wú)法工作的許多情景，比如覆蓋率很差的農村地區、高速公路以及會(huì )發(fā)生頻繁切換基站的快速移動(dòng)用戶(hù)。LTE-V2X技術(shù)必須能夠在沒(méi)有基站覆蓋的區域實(shí)現可靠的工作;

　　2.在專(zhuān)用的免許可載波或有許可的頻譜條件下獨立工作;

　　3.增強D2D空中接口功能，以便支持低延時(shí)、高密度和高速度。

　　為了滿(mǎn)足提高了的要求，Rel-14 LTE-V2X引入了新的Sidelink傳輸模式(傳輸模式3&4)，參考表1。由于引入了低延時(shí)傳輸技術(shù)，因此這些模式有別于Rel-12 D2D模式(傳輸模式1&2)，改進(jìn)了對更高速度和新的分布式信道訪(fǎng)問(wèn)機制的支持[15]。

表1：LTE-Sidelink通信中可用的操作模式。

　　盡管近年來(lái)業(yè)界作了很大的貢獻和標準化工作，但LTE-V2X標準還遠未成熟，許多技術(shù)課題仍在討論中，最近舉行的RAN會(huì )議期間大家還一致同意做了很多顯著(zhù)的標準修改。與V2X有關(guān)的維護修改請求(CR’s)數量很大，使得芯片制造商在確定功能集、進(jìn)入可互操作性測試階段、固定軟硬件架構和投產(chǎn)方面面臨很大的挑戰。汽車(chē)制造商也質(zhì)疑其實(shí)際性能和對安全關(guān)鍵用例的支持。此時(shí)此刻，LTE Rel-14標準的實(shí)際性能幾乎是未知的。

　　對安全關(guān)鍵應用來(lái)說(shuō)最相關(guān)的也是最具挑戰性的LTE-V2X操作模式是Sidelink傳輸模式4，這個(gè)模式可以被看作是自組網(wǎng)模式。與IEEE802.11p技術(shù)的比較重點(diǎn)就放在這個(gè)模式上。