IEEE802.11p將先于LTE-V2V用于安全應用

　　3 成本因素

　　3.1 無(wú)法重復使用標準LTE調制解調器

　　標準LTE調制解調器芯片級只解碼從基站接收到的每個(gè)傳輸時(shí)間間隔單個(gè)的傳輸。在LTE-V2X中，除了解碼基站數據外，芯片組還要求解碼每個(gè)傳輸時(shí)間間隔并發(fā)的多個(gè)傳輸(來(lái)自不同的用戶(hù))，因此需要增加數量較多的硬件。標準LTE調制解調器無(wú)法重復使用，因為L(cháng)TE-V2X中的波形和信號格式有別于標準LTE。

　　另外還要增加一個(gè)5.9GHz無(wú)線(xiàn)鏈，以及穩定的GNSS同步時(shí)鐘源，見(jiàn)章節2.1。

　　從成本方面考慮，LTE-V2X和IEEE802.11p系統只有調制解調器和時(shí)鐘源方面有區別，而更高的層、人機界面以及安全用例等方面都是相同的。實(shí)際上，IEEE802.11p調制解調器并不比在蜂窩芯片組旁邊增加LTE-V2X產(chǎn)生的額外成本貴，因為L(cháng)TE-V2X時(shí)鐘源和認證成本的影響也很大(AEC-Q100對蜂窩芯片級成本的影響)。因此，即使沒(méi)有域隔離，LTE-V2X也不比IEEE802.11p便宜。

　　3.2 時(shí)序和時(shí)鐘精度

　　LTE-V2X對精確同步的額外敏感意味著(zhù)不切實(shí)際的參考時(shí)鐘，見(jiàn)表3，因為時(shí)鐘源的精度與性能和魯棒性有關(guān)。對時(shí)鐘元件在高溫以及高應力下的溫漂以及頻率穩定度的苛刻要求, 最終會(huì )造成成本上升。

　　對IEEE802.11p來(lái)說(shuō)，精度要求幾乎與常用的WLAN設備沒(méi)有什么差別，因此同步精度要求不會(huì )影響IEEE802.11p系統的成本。

　　即使GNSS覆蓋信號暫時(shí)比較弱，LTE-V2X應該也能長(cháng)時(shí)間保持相同的精度水平。當LTE-V2X不能依賴(lài)GNSS、而且找不到另外一個(gè)與GNSS(間接或直接)同步的用戶(hù)時(shí)，LTE-V2X系統仍必須以規定的0.1ppm頻率精度產(chǎn)生和發(fā)送V2X消息。汽車(chē)要滿(mǎn)足這個(gè)精度要求是不現實(shí)的，因為相關(guān)的元器件會(huì )非常昂貴。這個(gè)精度等級今天只保留給了宏基站(宏eNB)，這種基站集成有高端振蕩器，但這種振蕩器決不是用于消費終端的，也無(wú)法承受大的溫度變化，且容易受汽車(chē)振動(dòng)和加速的影響。

　　3.3 摩托車(chē)/電動(dòng)自行車(chē)：對這些最易受傷害的道路用戶(hù)來(lái)說(shuō)沒(méi)有蜂窩調制解調器障礙

　　沒(méi)有標準LTE調制解調器的LTE-V2X成本甚至更高，比IEEE802.11p明顯高很多。蜂窩調制解調器在摩托車(chē)和電動(dòng)自行車(chē)中不常見(jiàn)，因為eCall法規不適用于摩托車(chē)。因此LTE-V2X成本對相對低成本的摩托車(chē)的影響是個(gè)障礙。

　　由于摩托車(chē)的高機動(dòng)性，所以摩托車(chē)的定位是一個(gè)很大的挑戰。GNSS和V2X天線(xiàn)必須謹慎放置，不應該受智能手機的未知位置、方向和屏蔽套的影響。因此使用智能手機支持V2X應用不是一種合適的方法。對極度需要V2X保護的摩托車(chē)駕駛人來(lái)說(shuō)IEEE802.11p是一種最經(jīng)濟的主動(dòng)安全方案。

　　4 成熟性和未來(lái)展望

　　4.1取樣汽車(chē)周期

　　汽車(chē)市場(chǎng)的發(fā)展步伐與蜂窩市場(chǎng)有很大的不同。一部移動(dòng)手機通常三年就要更換了，而一輛汽車(chē)可能要用15到30年，并且要求在這個(gè)時(shí)間跨度內可靠的工作。因此技術(shù)必須成熟，且經(jīng)過(guò)全面的驗證。發(fā)生故障時(shí)的召回具有嚴重的后果，因為召回一輛汽車(chē)與召回一部智能手機所造成的影響是不同的。

　　基于這個(gè)理由，在可靠性、壽命和工作條件等方面對汽車(chē)元器件提出了廣泛的質(zhì)量措施，以確保低的淘汰率(一般小于1ppm)。這些措施不僅涵蓋設計周期，還涵蓋了測試和認證。

　　由于V2X在(半)自動(dòng)駕駛中是必不可少的，我們希望它至少經(jīng)認證能用在A(yíng)SIL-B或更高安全等級的系統中，能與AEC-Q100(基于故障機制的應力測試認證)、IEC62132(EMC免疫)和ISO26262(功能性安全認證)平起平坐。網(wǎng)絡(luò )安全是安全性技術(shù)的另外一個(gè)重要方面。整個(gè)系統應該是安全的，并且有兩個(gè)子模塊(HSM和網(wǎng)關(guān))應該得到認證。在時(shí)間和設備方面的相關(guān)投資會(huì )超出蜂窩消費產(chǎn)品投資的正常范圍。設計方法是不同的：蜂窩移動(dòng)通信行業(yè)愿意作出這類(lèi)投資嗎?

　　4.2 未來(lái)發(fā)展和后向兼容問(wèn)題

　　4.2.1 LTE-V2X

　　在總結Rel-14 LTE-V2X(“階段1”) 8的同時(shí)，3GPP已經(jīng)在研究LTE-V2X Rel-15(“階段2”)的未來(lái)增強特性，該版本有望作為2018年12月規范的一部分發(fā)布。Rel-15增強版覆蓋的主要目標有9：

　　? 載波匯聚(多達8個(gè)PC5載波)

　　? 64-QAM技術(shù)

　　? 研究縮短傳輸時(shí)間間隔(<1 ms)的好處和可行性

　　? 研究傳送分集的好處和可行性

　　這些目標并不是用來(lái)解決本文提出的根本性挑戰。

　　在Rel-15中引入新的增強功能的主要問(wèn)題之一是處理V2X消息的后向和前向兼容性。如果3GPP規范不能滿(mǎn)足這個(gè)要求，就沒(méi)有推出Rel-14 V2X的積極性了，因為大家知道Rel-14是一種到達盡頭的技術(shù)。然而，這種要求離滿(mǎn)足還有很大距離，因為Rel-15技術(shù)性規范還沒(méi)有準備好。

　　4.2.2 IEEE802.11p

　　IEEE組織正在持續發(fā)展和改進(jìn)802.11“WiFi”無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)系列標準。所有的WiFi系列規范(“a”, “ac”, “n”, “p”等待)都收集在一個(gè)文檔中。這樣的文檔就是正式的IEEE 802.11標準，最新版發(fā)布于2016年10。

　　我們可以發(fā)現，在V2X瞄準的應用方面，IEEE比3GPP大約領(lǐng)先8年的時(shí)間。第一個(gè)版本(“802.11p”)從2010年就開(kāi)始進(jìn)行了廣泛的測試，對V2X來(lái)說(shuō)如今已經(jīng)是一種非常安全、成熟且可靠的技術(shù)。

　　在豐富經(jīng)驗的基礎上，人們還在繼續改進(jìn)802.11p標準。新版本目前命名為“802.11px”[18]。改進(jìn)的地方包括使用最新的802.11“n”和“ac”技術(shù)，比如用于信道編碼的低密度奇偶檢驗(LDPC)、MIMO/天線(xiàn)分集以及改進(jìn)的OFDM導頻版圖等。

　　為了充分利用過(guò)去十年來(lái)所有的發(fā)展和現場(chǎng)試驗成果，802.11p用戶(hù)很可能后向兼容802.11px，因為它一直兼容其它802.11系列標準。如此看來(lái)，802.11px自然而然會(huì )是802.11p標準的子集。這將確保兩種技術(shù)之間的平滑過(guò)渡，同時(shí)在802.11px推出之后仍能保持802.11p標準的強大吸引力。

　　4.3 蜂窩技術(shù)的推廣進(jìn)程回顧

　　從過(guò)去歷代蜂窩技術(shù)的推廣進(jìn)程來(lái)看，在與新的蜂窩技術(shù)推出相關(guān)的時(shí)間表方面，從第一個(gè)技術(shù)性報告規范發(fā)布到真正批量部署通常要花5到6年的時(shí)間[4]。舉例來(lái)說(shuō)，LTE從第一版規范發(fā)布(2007年10月發(fā)布版本8.0)到達到1億以上用戶(hù)(2012年底)就用了5到6年的時(shí)間。

　　我們記得至今為止(2017年6月)，Rel-14 V2X規范還沒(méi)有完全固定下來(lái)，仍然在進(jìn)行技術(shù)性修正，因此很讓人疑惑基于LTE的V2X究竟何時(shí)才能被認為技術(shù)上面成熟、可以被廣泛采納并可以大批量部署，這可能未來(lái)還需多年才能最終確定。

　　LTE-V2X仍舊在持續變化。本文僅根據當前已經(jīng)發(fā)布的內容,涉及到的某些問(wèn)題可能在未來(lái)找到解決的方法,但這些基于未來(lái)方案的假設也意味著(zhù)LTE-V2X技術(shù)的落地需要被繼續推遲。

　　對于基于LTE技術(shù)的LTE-V2X而言, 未來(lái)還將受到新發(fā)布的5G新無(wú)線(xiàn)技術(shù)(NR)的嚴重威脅。今天，3GPP正在推進(jìn)第一版5G NR盡快發(fā)布。5G將為V2X提出另外一種解決方案(V2X階段3，或eV2X)，但這種解決方案只能在第二版5G NR下實(shí)現。因此汽車(chē)行業(yè)可能沒(méi)有意愿去采用一種我們已經(jīng)知道很快要被5G淘汰的技術(shù)(LTE Rel-14)。

　　4.4 混合方案

　　混合方法可以整合每種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)而產(chǎn)生一個(gè)更為完整更有希望的解決方案。例如IEEE802.11p在安全消息方面比LTE-V2X更強。另一方面，蜂窩網(wǎng)絡(luò )可以在車(chē)輛之間以及車(chē)輛與云端之間提供更長(cháng)距離的連接。

　　目前還缺少定義IEEE802.11p和蜂窩之間互連工作的標準化活動(dòng)。在3GPP中增加這項工作有助于引入雙方的最強項，提高蜂窩連接向汽車(chē)中的滲透率。

　　5GAA建議將獨立的10MHz信道分配給這兩種技術(shù)[4]。然而，LTE-V2X發(fā)射機會(huì )使IEEE802.11p接收機致盲，反之亦然。

　　另外，5GAA建議(在申請使用5.9GHz的ITS專(zhuān)用頻段的申請書(shū)中提到)將產(chǎn)生危險的先例，因為其它新技術(shù)可能利用這種理由申請頻段資源而不考慮對現有安全關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò )所帶來(lái)的標準碎片化負面影響。

　　兩種技術(shù)應該以積極主動(dòng)的方式共存，比如通過(guò)定義一種通用的方式訪(fǎng)問(wèn)可用資源。由于IEEE802.11p已經(jīng)在市場(chǎng)中得到部署，因此LTE-V2X可以簡(jiǎn)單地部署與IEEE802.11p相同的MAC，即基于CSMA-CA協(xié)議的MAC。

　　5 本文小結

　　目前推薦的LTE-V2X是蜂窩技術(shù)滿(mǎn)足安全關(guān)鍵要求的重要一步，但它還沒(méi)有達到IEEE802.11p的性能等級，IEEE802.11p在未來(lái)多年仍將是作為在道路上挽救生命的關(guān)鍵通信技術(shù)的唯一選擇。

　　對適用于V2X應用的IEEE802.11p和LTE-V2X的詳細技術(shù)性觀(guān)察進(jìn)一步確認了它們的互補特性。

　　在有網(wǎng)絡(luò )的情況下，LTE-V2X可以利用蜂窩領(lǐng)域中多年的創(chuàng )新成果為V2I和I2V服務(wù)提供有效的替代方案。IEEE802.11p也覆蓋V2I和I2V，但效率較低些。

　　在沒(méi)有網(wǎng)絡(luò )的情況下，由于需要保持與LTE中相同的符號結構和相似的幀結構，LTE-V2X會(huì )有很大的問(wèn)題。IEEE802.11p在魯棒性和效率方面表現更好。

　　安全關(guān)鍵和挽救生命的應用仍然是汽車(chē)到汽車(chē)通信的核心部分，因此它必須能夠在缺少網(wǎng)絡(luò )的情況下有效的工作。

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