V2x通信涉及車輛相互之間以及車輛與基礎設施之間的數(shù)據(jù)交換；事實證明，這種技術有助于改善交通安全性，提高交通系統(tǒng)的效率。基于IEEE 802.11p的直接短距離通信(DSRC)技術已經(jīng)成為所有利益攸關者開展的眾多標準化、產品開發(fā)和現(xiàn)場實驗活動的主題，其在V2x中的優(yōu)勢由此可見一斑。與蜂窩技術不同，DSRC目前已符合V2x部署條件，可以滿足V2x技術最為棘手的用例的需求。

圖1面向汽車的IEEE 802.11p與蜂窩連接通道比較。主要差異是采用802.11p技術的設備的直接通信能力。基于蜂窩技術的服務依賴于網(wǎng)絡的存在。

1.?前言

車輛共享信息、相互協(xié)作以提高交通的安全性、環(huán)保性和樂趣性，這種想法非常具有吸引力。與該概念相關的各種技術統(tǒng)稱為協(xié)作式智能交通系統(tǒng)(C-ITS)，有望緩解交通堵塞，減輕交通對環(huán)境的影響，大幅減少致命交通事故的數(shù)量。僅其對安全的影響一項就值得將C-ITS納入考慮范圍，因為據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)統(tǒng)計，2015年有近125萬人死于交通事故，各國政府為此付出的代價約占GDP的3% [1]。

實現(xiàn)C-ITS的一項關鍵技術是無線通信技術，包括車輛對車輛(V2V)通信、車輛對基礎設施(V2I)通信和基礎設施對車輛(I2V)通信（圖2）。這些無線通信統(tǒng)稱為V2x通信。

V2x需要支持ITS系統(tǒng)的諸多安全相關和非安全相關用例。附錄中的表一和表二列出了主要用例。

????? 圖2藝術家眼中具有通信能力的車輛和基礎設施。車輛可以是汽車、飛機、火車和輪船。中央交通管理系統(tǒng)(CMS)負責管理協(xié)作式智能交通系統(tǒng)(C-ITS)的多個方面。

表一為安全相關用例，比如收發(fā)“緊急電子剎車燈”消息的能力，車輛以廣播模式每十分之一秒發(fā)送一次該消息，報告緊急剎車行為。表二為非安全相關用例，比如“交通燈最佳建議速度”消息，該消息旨在通過定期廣播，給出最佳速度建議的方式改善交通流。

為了支持安全相關和非安全相關消息，V2x通信中使用的無線技術需要做到幾件事。它們需要在高度動態(tài)化的環(huán)境中工作，其中，發(fā)射器與接收器之間有著相對較高的速率；需要為安全相關應用提供極低延遲支持（“碰撞前檢測警告消息”為50毫秒，見表一）。它們還需要承受因多個主機定期傳輸多條消息而造成的高負載，以及交通堵塞時存在的高車輛密度問題。另一個考慮因素是，V2x消息具有局域性，也就是說，它們對附近的接收者最為重要。例如，“碰撞前檢測警告消息”對碰撞事故周圍車輛極其重要，卻與遠離現(xiàn)場的車輛無關。

????? V2x事實上的標準是專用短距離通信(DSRC)無線技術（基于IEEE 802.11p標準）、美國的1609行車環(huán)境無線接入(WAVE)協(xié)議和歐洲電信標準協(xié)會(ETSI) TC-ITS歐洲標準。美國交通部向國會所交報告[2]的出版證實了這一點，該報告明確地說明了IEEE 802.11p為V2x應用帶來的好處。

IEEE 802.11p在設計上從一開始就明確要以最嚴格的性能指標滿足V2x應用的所有需求。1999年，美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)在5.9 GHz區(qū)域為V2x留出了75 MHz的帶寬，此為IEEE 802.11p標準的工作頻段。該標準于2009年獲得批準，此后，業(yè)界進行了一些現(xiàn)場試驗。包括Autotalks、恩智浦半導體和Renesas在內的多家半導體公司還設計并測試了符合802.11p標準的產品。

IEEE 802.11p已做好部署準備，并且日益受到青睞。ETSI組織了四次ITS“插拔測試”，最近一次于2015年3月在荷蘭赫爾蒙德市進行[3]，第一次在2011年11月進行。另外還進行了廣泛的現(xiàn)場試驗，具體有美國的“安全駕駛員”項目[4]、歐洲的“駕駛C2X”項目[5]、法國的Score@F項目[6]和德國的simTD項目[7]；在ITS走廊項目[6]中，荷蘭、德國和奧地利的基礎設施組織對V2I專用802.11p標準和C-ITS中央系統(tǒng)技術的成熟度進行了評估。這些現(xiàn)場試驗反映了過去10年為驗證802.11p技術而進行的大量投資。旨在解決同一應用需求的任何其他技術都需要重新進行所有這些試驗。

美國基于收集到的證據(jù)作出決定認為，IEEE 802.11p技術能大量減少道路上的碰撞事故，并且預計將于2016年第二季度強制在安全相關用例中采用802.11p技術[2]。美國交通部在2015年的一份預先通知中表達其意向[8]。一家美國汽車制造商已決定在交通部頒布命令之前，在其產品中采用802.11p技術[10]。

2016年，在美國頒布命令之后，802.11p技術市場有望大幅擴張。以下兩個因素進一步增進了這一勢頭：越來越多的證據(jù)有力地證明了V2x的安全優(yōu)勢；市場逐漸意識到，替代解決方案（包括蜂窩技術）遠未達到市場推廣要求，–甚至尚未形成技術規(guī)格。

2.?V2V專用蜂窩技術仍然遠離現(xiàn)實

C-ITS系統(tǒng)通常只指定其應用需求，不會指定具體的技術。目前，除802.11p之外，還有多種技術以支持V2x用例需求為目標。其中有蜂窩類技術，包括3G、LTE和LTE-A [11-13]。

全球每天有數(shù)十億人在使用蜂窩技術（圖3），該技術顯然是我們時代最成功的無線標準。蜂窩技術規(guī)格由第三代合作伙伴項目(3GPP)定義。如今被認為是寬帶蜂窩技術且稱為4G或LTE的技術可以追溯到2009年的第8版3GPP標準。由于蜂窩基礎設施部署十分廣泛，因此，其升級需要時間。整體而言，第8版的大規(guī)模部署需要大約6年時間。
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圖3 全球移動用戶數(shù)。

鑒于蜂窩技術在全球取得的成功以及其在全球的普及性，將蜂窩基礎設施和蜂窩用戶設備(UE)用于V2x應用的可能性極具吸引力。然而，當前版本的蜂窩技術只能滿足基本的V2x用例需求，缺少對低延遲和高移動用例的支持。這些是與安全相關用例密切相關的要素。

為了突出進一步發(fā)展蜂窩技術以支持V2x的必要性以及C-ITS的優(yōu)勢，3GPP成立了一個V2x研究小組，以推動C-ITS技術的發(fā)展。在3GPP評估支持所有V2x用例所需要的新能力并達成一致意見之后，就會出現(xiàn)一個發(fā)展期，業(yè)界也會加大投入以實現(xiàn)這些能力。在此基礎上，一旦有新的3GPP標準可以部署，則會再出現(xiàn)一段時間的延遲，因為要升級基礎設施以支持這些新的能力。現(xiàn)實地說，可能需要多年時間，蜂窩技術才能完全滿足V2x通信的所有需求（圖5）。

面向非安全相關用例的蜂窩技術：V2I/I2V

目前來看，蜂窩技術非常適合附錄中表二所列非安全相關用例。總體上，這些是V2I和I2V通信中涉及到基礎設施的用例，其中，內容源于云或在云端處理。

第8版LTE只需少量改動或者無需改動，即可涵蓋多數(shù)這些用例，因為它提供了必要的性能和帶寬。但不清楚的是，LTE網(wǎng)絡在超擁堵和某些運營商漫游條件下將擁有什么樣的性能。例如，交通管理消息對高度擁堵的城市環(huán)境至關重要。作為管理高度擁堵問題的一個選項，可以考慮采用點對多點接口，比如，即將發(fā)布的第9版LTE-A中定義的演進多媒體廣播/多播服務(eMBMS)。然而，eMBMS設計用于支持靜態(tài)情景，比如人群在體育館觀看足球賽的情況。換言之，該接口可以有效管理面向一群人的通信，前提是他們基本保持靜止；但在處理大量進出車輛時，無法達到效率需求。

類似地，如何管理移動網(wǎng)絡運營商(MNO)之間的切換、如何管理應用服務提供商之間的合作，以及其他應用的數(shù)據(jù)流量可能對I2V應用造成哪些影響，這些都并不清楚。還有一個問題是，作為一種用例，I2V應用這個案例是否足以證明為實現(xiàn)上述目標部署eMBMS而進行投資的合理性。目前，已經(jīng)部署的多播/廣播解決方案非常少，因為基礎設施和用戶設備升級的成本非常高。

可以考慮的另一個辦法是在具有不同安全需求的領域采用蜂窩調制解調器。LTE調制解調器需要支持實現(xiàn)車輛主動控制所需的各種安全認證。例如，如果用從基礎設施傳到搭載有高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)的車輛的限速消息來設定汽車的巡航控制，則調制解調器就需要滿足相關汽車安全完整性等級(ASIL)的要求，而這會增加調制解調器硬件的成本。

鑒于全球手機用戶市場的當前規(guī)模已達約80億用戶，而汽車市場每年只售出約1億輛車，因此，調制解調器行業(yè)可能看不到支持特定汽車要求的必要性。在蜂窩連接方面，汽車工業(yè)一向發(fā)展緩慢，部分原因在于，汽車一直都不是蜂窩工業(yè)的發(fā)展重點。

面向安全相關用例的蜂窩技術：V2V

在I2V和V2I通信中，面向非安全相關用例的蜂窩技術面臨的技術挑戰(zhàn)不如安全相關問題和V2V通信面臨的挑戰(zhàn)嚴峻。

蜂窩網(wǎng)絡（若有）可用于V2V通信。汽車產生消息，網(wǎng)絡接收消息，然后再把消息轉發(fā)給所有其他汽車。假設蜂窩網(wǎng)絡完全覆蓋所有道路沿線（情況并非如此），蜂窩服務需要提供超高數(shù)據(jù)帶寬并實現(xiàn)超低延遲。但現(xiàn)實情況是，當今的蜂窩網(wǎng)絡并不能提供這一性能水平。

有些V2V用例要求在車輛之間連續(xù)進行信息交換（0.1至20 Hz），其產生的數(shù)據(jù)太多，單播LTE網(wǎng)絡根本無法處理，詳見附錄中的表三。據(jù)美國交通部ITS聯(lián)合項目辦公室，如果以歐盟標準廣播V2V協(xié)同感知消息(CAM)，或以美國標準廣播基本安全消息(BSM)，僅一輛汽車一個月就會產生約0.5 Gb的數(shù)據(jù)，峰值速率達2.5 Kb/s。這相當于每條消息256字節(jié)，每秒要發(fā)5條消息，每天行駛4小時。在接收器端，假設目標區(qū)域有30輛汽車（或者最多300輛），則基礎設施每個月需要處理約16 GB數(shù)據(jù)（峰值為750 KB/s）[4]。

一直以來，蜂窩網(wǎng)絡都需要大量帶寬，每個3GPP版本都會提高帶寬要求。另外，更多的數(shù)據(jù)也意味著更多的商機，因為移動網(wǎng)絡運營商是基于資源用量收費的($/b/s/Hz)。理論上，應該免費支持V2V流量，這意味著，移動網(wǎng)絡運營商需要開發(fā)替代業(yè)務模式，以證明為增量V2x流量進行投資的合理性。運用eMBMS協(xié)議（已經(jīng)是第8版的部分內容）雖能緩解問題，但正如前面討論的那樣，這類協(xié)議并未得到廣泛部署。

有些V2V用例并不要求高帶寬，其中包括基于事件廣播分散化環(huán)境通知消息(DENM)。雖然蜂窩網(wǎng)絡能支持這些用例，但問題在于，這些消息要求超低延遲。如果未提前將資源分配給V2x服務，蜂窩系統(tǒng)雖然支持低延遲，但并非所有條件下均能如此，比如跨越多個移動運營商、跨境，甚至跨基站時。最關鍵的用例——碰撞前警告消息，其延遲要求為50毫秒——尤為如此。

利用蜂窩技術支持V2V用例的另一種方式是在蜂窩系統(tǒng)的基礎上開發(fā)直接通信技術。事實上，這正是3GPP V2x研究小組的重點工作。他們提出的方法以設備對設備(D2D)通信協(xié)議為基礎，該協(xié)議是第12版的一部分，但并不適合V2V用例。D2D協(xié)議依賴于已將必要資源分配給用戶的蜂窩網(wǎng)絡。例如，如果附近的兩個用戶想共享一個文件，網(wǎng)絡就會告知終端，可以使用哪些時間頻率資源進行直接通信（圖4）。網(wǎng)絡初始化通信，并管理本地D2D傳輸產生的干擾。這種方法不適用于在網(wǎng)絡未覆蓋時也要滿足要求的V2V用例。

圖4 蜂窩設備到設備通信技術與IEEE 802.11p在V2V中的應用比較。在采用蜂窩技術時，網(wǎng)絡全權控制直接通信，確保了對網(wǎng)絡干擾的有效管理。在采用IEEE 802.11p技術時，通過隨機訪問協(xié)議廣播消息，可以確保快速實施傳輸，但是會降低無線資源的效率。

D2D可在無網(wǎng)絡時正常工作，但僅允許在緊急情況下這樣做，并且僅受一種超慢設備發(fā)現(xiàn)協(xié)議支持。為了使D2D配置適合V2V通信，3GPP V2x研究小組發(fā)現(xiàn)了一些基本挑戰(zhàn)，需要改變信號結構（如額外試驗，以更好地估算通道），甚至需要重新討論最合適的調制模式（如SC-FDM或OFDM）。有點奇怪，但也并不十分出乎意料，3GPP V2x研究小組作出的技術選擇與802.11p標準的選擇類似。這些關鍵變化會帶來新的硬件解決方案，而這些解決方案的開發(fā)則需要時間和成本。

所有蜂窩類V2x服務都需要應用服務提供商(ASP)的積極合作，以便最大限度地實現(xiàn)協(xié)同數(shù)據(jù)共享的好處。從商業(yè)角度來看，應用服務提供商需要定義新的合作模式，并且這些模式只會非常緩慢地發(fā)展。基于802.11p的V2x服務不要求進行這類合作，因為消息已經(jīng)標準化，并且是用明碼發(fā)出的。

V2x專用蜂窩技術發(fā)展時間表

可以肯定的是，蜂窩技術界會找到V2x的技術解決方案，因為3GPP在技術領域擁有輝煌業(yè)績。實際上，問題不是行不行，而是何時可行，因為還有大量工作要做。

圖5 IEEE 802.11p與蜂窩技術在支持V2V用例方面的時間表。當前和未來的LTE版本會越來越高效地支持V2V。然而，只有LTE-V2x專為正確處理V2V用例而設計，并將于2023年左右做好大規(guī)模部署準備。

可以預計，對V2x用例的支持將成為3GPP標準的一部分，最早見于第14版和15版，這兩個版本很可能在2017年底定稿。然后，需要更多時間–可能是多年–該技術才能得到全面應用。過去，如前所述，大規(guī)模基礎設施升級需要6年時間才能完成。以此為依據(jù)，面向LTE-A的V2x服務要到2023年左右才會出現(xiàn)，這還是樂觀估計（圖5）。

更現(xiàn)實的情況是，V2x將納入第16版及以后的版本，這些版本被稱為5G（圖6）。目前，5G還是一個非常寬泛的概念。其最有意思的一個方面是，其具有異質性，通過一種傘形技術把多種不一樣的通信通道鏈接起來。V2x很可能成為5G生態(tài)系統(tǒng)的一部分，由完全重新設計的硬件來支持架構上的變化。

在已存在成熟參與者的領域里，這會使蜂窩技術成為一個新的競爭對手。

有人可能會認為，等待蜂窩類技術是值得的，因為可以重復利用汽車中的現(xiàn)有通信通道。然而，如上所述，V2x在硬件方面的需求有很大差異，很可能需要獨立的解決方案。另外，V2x用例有可能成為3GPP體系的一部分，但很可能不會成為面向手機的大眾市場硅芯片的一部分。

安全是另一個要考慮的方面。目前的蜂窩系統(tǒng)利用手機中的用戶識別模塊(SIM)進行網(wǎng)絡驗證。網(wǎng)絡識別SIM卡，并基于識別結果提供安全連接。SIM可能對網(wǎng)絡輔助型V2x通信有效，但如果沒有網(wǎng)絡，則需要實施某種其他安全機制。802.11p定義了這類安全機制，3GPP可能會采取類似的方法，但目前尚未正式處理這個問題。

在美國，國家公路交通安全管理局(NHSTA)提出了隱私問題。在基于網(wǎng)絡的解決方案中，用戶數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳輸?shù)皆贫恕＿\營商需要提供相應的機制來保護云端的用戶數(shù)據(jù)，并且可能最重要的是，用戶需要接受并信任這些機制。對每個人來說，隱私都是一個日益嚴峻的問題，因此，可以預計，基于云的系統(tǒng)會受到強烈的反對。在基于IEEE 802.11p的解決方案中，消息不會傳輸?shù)皆贫耍绱耍涂梢愿臃奖愕亟鉀Q隱私相關問題。

蜂窩網(wǎng)絡在全球范圍內已經(jīng)部署到位，這一事實經(jīng)常被作為在V2x解決方案中采用蜂窩技術的一個理由。其主要論點是，既然已經(jīng)有了蜂窩網(wǎng)絡，則沒有必要為802.11p投資并部署一套新的基礎設施。但是，如前所述，將現(xiàn)有的蜂窩基礎設施用于V2x并不像表面上那樣簡單，因為今天的基礎設施并不具備支持眾多V2x用例的能力，此類用例需要在高移動性或高擁堵條件下實現(xiàn)超低延遲。

需要注意的是，基于802.11p的技術（表現(xiàn)為路邊單元(RSU)）可以部署在大部分現(xiàn)有道路基礎設施中，包括交通燈和交通信號。與需要新基站塔來擴容的蜂窩基礎設施不同，802.11p基礎設施可以利用現(xiàn)有結構，從近期和長期部署來看，這樣可以節(jié)省大量成本。從系統(tǒng)需求角度來看，在十字路口采用路邊單元是合乎情理的。信號相位和配時控制器與路邊單元相配合，可實現(xiàn)多種安全、移動和交通效率應用。十字路口是采取“行動”的地方。

對于802.11p，需要注意的另一個方面是，全球已經(jīng)為基于802.11p的V2x服務分配了頻譜。如前所述，5.9 GHz區(qū)包括為基于802.11p的V2x服務留出的75 MHz帶寬。這是802.11p最寶貴的一項資產。各國、各州、汽車制造商和基礎設施提供商只需證明其遵循這些標準，就可以利用5.9 GHz區(qū)了。無需訂閱、漫游協(xié)議等。如今，隨著消費者活動的不斷增多以及物聯(lián)網(wǎng)的擴張，蜂窩服務提供商已經(jīng)面臨多種帶寬問題，可能難以滿足V2x的技術和業(yè)務需求。

第8版LTE可能已經(jīng)成為車輛的一部分，但還需要很長時間–可能8年或以上–所需蜂窩標準（即LTE-A和5G）才能全面支持所有安全相關和非安全相關的V2x用例。相反，經(jīng)過現(xiàn)實檢驗且符合相關標準的802.11p解決方案已經(jīng)萬事俱備，可以隨時在全球范圍內大規(guī)模部署。采用802.11p意味著可以更快享有V2x用例的種種好處。

恩智浦、Cohda Wireless和西門子相信，802.11p是當今部署V2x應用的最佳選擇，因為該技術已經(jīng)整裝待發(fā)。但我們也發(fā)現(xiàn)，有必要擴大其兼容性。我們目前秉持共存理念，以提高802.11p與LTE-A/5G的兼容性，甚至在考慮把二者融合起來，形成一種異質車輛網(wǎng)絡系統(tǒng)，充分發(fā)揮–802.11p對安全相關用例的支持能力以及LTE-A/5G對非安全相關用例的支持能力。