2.5 802.11p与蜂窝通信在V2X上应用的对比

2.5.1 背景情况

车辆共享信息、相互协作以提高交通的安全性、高效性和娱乐性，这种想法非常具有吸引力。与该概念相关的各种技术统称为C-ITS，它有望缓解交通堵塞，减轻交通对环境的影响，大幅减少致命交通事故的数量。仅其对安全的影响一项就值得将C-ITS纳入考虑范围，因为据世界卫生组织（World Health Organization, WHO）统计，2015年有近125万人死于交通事故，各国政府为此付出的代价约占GDP的3%［12］。

如图2-8所示，实现C-ITS的一项关键技术是无线通信技术，包括车辆对车辆通信、车辆对基础设施通信和基础设施对车辆（Infrastructure to Vehicle, I2V）通信，统称为V2X通信。

V2X需要支持ITS系统的诸多安全相关和非安全相关用例。表2-3和表2-4分别列出了主要用例。

表2-3给出了安全相关用例，比如收发“紧急电子刹车灯”消息的能力，车辆以广播模式每0.1s发送一次该消息，报告紧急刹车行为。表2-4给出了非安全相关用例，比如“交通灯最佳建议速度”消息，该消息旨在通过定期广播，给出最佳速度建议的方式改善交通流。

为了支持安全相关和非安全相关消息，对V2X通信中使用的无线技术有以下几方面要求：1）它们需要在高度动态化的环境中工作，其中，发射器与接收器之间有着相对较高的速率；2）需要为安全相关应用提供极低延迟支持（“碰撞前检测警告消息”为50ms，见表2-3。3）它们还需要承受因多个主机定期传输多条消息而造成的高负载，以及交通堵塞时存在的高车辆密度问题。

另一个考虑因素是，V2X消息具有局域性，也就是说，它们对附近的接收者最为重要。例如，“碰撞前检测警告消息”对碰撞事故周围车辆极其重要，却与远离现场的车辆无关。

2.5.2 802.11p在V2X上的应用

V2X目前已有的标准包括专用短距离通信（Dedicated Short Range Communications,DSRC）无线技术（基于IEEE 802.11p标准）、美国的1609行车环境无线接入协议和欧洲电信标准协会（European Telecommunication Standard Institute, ETSI）的TC-ITS欧洲标准。美国交通部向国会所交报告［12］（现已出版）明确地说明了IEEE 802.11p为V2X应用带来的好处。

IEEE 802.11p在设计上从一开始就明确要以最严格的性能指标满足V2X应用的所有需求。1999年，美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission, FCC）在5.9GHz区域为V2X留出了75MHz的带宽，此为IEEE 802.11p标准的工作频段。该标准于2009年获得批准，此后，业界进行了一些现场试验。包括Autotalks、恩智浦半导体和Renesas在内的多家半导体公司还设计并测试了符合802.11p标准的产品。

IEEE 802.11p已做好部署准备，并且日益受到青睐。ETSI组织了四次ITS“插拔测试”，最近一次于2015年3月在荷兰赫尔蒙德市进行［14］，第一次在2011年11月进行。另外还进行了广泛的现场试验，具体有美国的“安全驾驶员”项目、欧洲的“驾驶C2X”项目、法国的Score@F项目和德国的simTD项目；在ITS走廊项目中，荷兰、德国和奥地利的基础设施组织对V2I专用802.11p标准和C-ITS中央系统技术的成熟度进行了评估。这些现场试验反映了过去10年为验证802.11p技术而进行的大量投资，旨在解决同一应用需求的任何其他技术都需要重新进行所有这些试验。

美国基于收集到的证据认为，IEEE 802.11p技术能大量减少道路上的碰撞事故，并且预计将于2016年第二季度强制在安全相关用例中采用802.11p技术［13］。美国交通部在2015年的一份预先通知中表达其意向。一家美国汽车制造商已决定在交通部颁布命令之前，在其产品中采用802.11p技术。

2016年，在美国颁布命令之后，802.11p技术市场有望大幅扩张。以下两个因素进一步增进了这一势头：越来越多的证据有力地证明了V2X的安全优势；市场逐渐意识到，替代解决方案（包括蜂窝技术）远未达到市场推广要求，甚至尚未形成技术规格。

恩智浦半导体（NXP Semiconductors）于2013年针对802.11p推出首款RoadLINKTM系列产品SAF5100，它适用于汽车对汽车和汽车对基础设施通信，符合美国、欧洲以及日本V2X标准，且适应现有标准的不断发展演变，它有望成为世界上第一款V2X量产车型——2017款凯迪拉克CTS——提供解决方案。SAF5100处理器是完全可编程的处理器并支持独有算法以改善无线通信的接收情况，它可以支持不同OEM制造商的天线配置和不同的分集方案。此外，SAF5100还可借助Cohda Wireless（DSRC设备供应商）的802.11p固件提供业内最佳的无线连接性能，其中802.11p固件为该解决方案的重要组成部分，它为OEM制造商提供足够的灵活性以便通过固件升级支持不同地区新兴的通信标准。即使是在非视距的情况下，SAF5100也能够提供业内最佳的802.11p接收性能和通信范围，适合快速移动环境下的V2X应用。

SAF5100的早期单天线802.11p的TEF5000版本在全球范围内的C2X现场试验中大获成功，例如德国的simTD试验、美国密歇根大学运输研究学院（UMTRI）持续进行的安全试验模型部署（Safety Pilot Model Deployment），以及法国SCORE@F的试验。

ETSI以及Fraunhofer协会明确指出 NXP/Cohda' s的性能优势在于区分接收器灵敏度（主要表现在采集算法、RF调谐器性能及移动性处理）、满足OEM实际应用需求，同时美国OEM考虑将该系列芯片用于更复杂的应用场景中。如图2-9所示，在5个应用场景中，NXP公司所生产的芯片性能明显优于其他公司，其中高速视距传输场景和郊区视距传输场景中，仅NXP公司能够满足OEM V2X的传输要求。

2.5.3 蜂窝通信在V2X上的应用

C-ITS系统通常只指定其应用需求，不会指定具体的技术。目前，除802.11p之外，还有多种技术以支持V2X用例需求为目标。其中有蜂窝类技术，包括3G、LTE和LTE-A［15-17］。

如图2-10所示，全球每天有数十亿人在使用蜂窝技术，该技术显然是当前最成功的无线标准。蜂窝技术规范由第三代合作伙伴项目（3rd Generation Partnership Project, 3GPP）定义。如今被认为是宽带蜂窝技术且称为4G或LTE的技术可以追溯到2009年的第8版3GPP标准。由于蜂窝基础设施部署十分广泛，因此，其升级需要时间。整体而言，第8版的大规模部署需要大约6年时间。

鉴于蜂窝技术在全球取得的成功以及其在全球的普及性，将蜂窝基础设施和蜂窝用户设备（User Equipment, UE）用于V2X应用的可能性极具吸引力。然而，当前版本的蜂窝技术只能满足基本的V2X用例需求，缺少对低延迟和高移动用例的支持。这些是与安全相关用例密切相关的要素。

为了突出进一步发展蜂窝技术以支持V2X的必要性以及C-ITS的优势，3GPP成立了一个V2X研究小组，以推动C-ITS技术的发展。在3GPP评估支持所有V2X用例所需要的新能力并达成一致意见之后，就会出现一个发展期，业界也会加大投入以实现这些能力。在此基础上，一旦有新的3GPP标准可以部署，则会再出现一段时间的延迟，因为要升级基础设施以支持这些新的能力。现实地说，可能需要多年时间，蜂窝技术才能完全满足V2X通信的所有需求。

目前来看，蜂窝技术非常适合表2-4所列非安全相关用例。总体上，这些是V2I和I2V通信中涉及基础设施的用例，其中，内容源于云或在云端处理。

第8版LTE只需少量改动或者无须改动，即可涵盖多数这些用例，因为它提供了必要的性能和带宽。但不清楚的是，LTE网络在超拥堵和某些运营商漫游条件下将拥有什么样的性能。例如，交通管理消息对高度拥堵的城市环境至关重要。作为管理高度拥堵问题的一个选项，可以考虑采用点对多点接口，比如，LTE-A中定义的演进多媒体广播/多播服务（Evolved Multimedia Broadcast Multicast Service, eMBMS）。然而，eMBMS设计用于支持静态情景，比如人群在体育馆观看足球赛的情况。换言之，该接口可以有效管理面向一群人的通信，前提是他们基本保持静止；但在处理大量进出车辆时，无法达到效率需求。

类似地，如何管理移动网络运营商（Mobile Network Operator, MNO）之间的切换、如何管理应用服务提供商之间的合作，以及其他应用的数据流量可能对I2V应用造成哪些影响，这些都并不清楚。此外，作为一种用例，I2V应用这个案例是否足以证明为实现上述目标部署eMBMS而进行投资的合理性。目前，已经部署的多播/广播解决方案非常少，因为基础设施和用户设备升级的成本非常高。

可以考虑的另一个办法是在具有不同安全需求的领域采用蜂窝调制解调器。LTE调制解调器需要支持实现车辆主动控制所需的各种安全认证。例如，如果用从基础设施传输到搭载有高级驾驶辅助系统（Advanced Driver Assistance System, ADAS）的车辆的限速消息来设定汽车的巡航控制，则调制解调器就需要满足相关汽车安全完整性等级（Automotive Safety Integration Level, ASIL）的要求，而这会增加调制解调器硬件的成本。

鉴于全球手机用户市场的当前规模已达约80亿用户，而汽车市场每年只售出约1亿辆车，因此，调制解调器行业可能看不到支持特定汽车要求的必要性。在蜂窝连接方面，汽车工业一向发展缓慢，部分原因在于，汽车一直都不是蜂窝工业的发展重点。

在I2V和V2I通信中，面向非安全相关用例的蜂窝技术面临的技术挑战不如安全相关问题和V2V通信面临的挑战严峻。

蜂窝网络（若有）可用于V2V通信。汽车产生消息，网络接收消息，然后再把消息转发给所有其他汽车。假设蜂窝网络完全覆盖所有道路沿线（情况并非如此），蜂窝服务需要提供超高数据带宽并实现超低延迟。但现实情况是，当今的蜂窝网络并不能提供这一性能水平。

有些V2V用例要求在车辆之间连续进行信息交换（0.1～20Hz），其产生的数据太多，单播LTE网络根本无法处理。据美国交通部ITS联合项目办公室预测，如果以欧盟标准广播V2V协同感知消息（Co-Operative Awareness Message, CAM），或以美国标准广播基本安全消息（Basic Safety Message, BSM），仅一辆汽车一个月就会产生约0.5GB的数据，峰值速率达2.5KB/s。这相当于每条消息256B，每秒要发5条消息，每天行驶4h。在接收器端，假设目标区域有30辆汽车（或者最多300辆），则基础设施每个月需要处理约16 GB数据（峰值为750 KB/s）。

一直以来，蜂窝网络都需要大量带宽，每个3GPP版本都会提高带宽要求。另外，更多的数据也意味着更多的商机，因为移动网络运营商是基于资源用量收费的。理论上，应该免费支持V2V流量，这意味着，移动网络运营商需要开发替代业务模式，以证明为增量V2X流量进行投资的合理性。运用eMBMS协议（已经是第8版的部分内容）虽能缓解问题，但正如前面讨论的那样，这类协议并未得到广泛部署。

有些V2V用例并不要求高带宽，例如基于事件广播分散化环境通知消息（Decentralized Environmental Notification Message, DENM）。虽然蜂窝网络能支持这些用例，但问题在于，这些消息要求超低延迟。如果未提前将资源分配给V2X服务，蜂窝系统虽然支持低延迟，但并非所有条件下均能如此，比如跨越多个移动运营商、跨境，甚至跨基站时。举一个最关键的例子——碰撞前警告消息，其延迟要求为50ms——尤为如此。

利用蜂窝技术支持V2V用例的另一种方式是在蜂窝系统的基础上开发直接通信技术。事实上，这正是3GPP V2X研究小组的重点工作。他们提出的方法以设备对设备（Device-to-Device, D2D）通信协议为基础，该协议是3GPPR12阶段的研究重点，但并不适合V2V用例。D2D协议依赖于已将必要资源分配给用户的蜂窝网络。例如，如果附近的两个用户想共享一个文件，网络就会告知终端，可以使用哪些时间频率资源进行直接通信，如图2-11所示。网络初始化通信，并管理本地D2D传输产生的干扰。这种方法不适用于在网络未覆盖时也要满足要求的V2V用例。

D2D可在无网络时正常工作，但仅允许在紧急情况下这样做，并且仅受一种超慢设备发现协议支持。为了使D2D配置适合于V2V通信，3GPP V2X研究小组总结了一些基本挑战，例如，需要改变信号结构（如额外试验，以更好地估算通道），甚至需要重新讨论最合适的调制模式（如SC-FDM或OFDM）。令人意外但又在情理之中的是，3GPP V2X研究小组做出的技术选择与802.11p标准的选择类似。这些关键变化会带来新的硬件解决方案，而这些解决方案的开发则需要时间和成本。

所有蜂窝类V2X服务都需要应用服务提供商（Application Service Prouider，ASP）的积极合作，以便最大化利用协同数据共享的优势。从商业角度来看，应用服务提供商需要定义新的合作模式，并且这些模式只会非常缓慢地发展。基于802.11p的V2X服务不要求进行这类合作，因为消息已经标准化，并且是用明码发出的。

可以肯定的是，蜂窝技术界会找到V2X的技术解决方案，因为3GPP在技术领域拥有辉煌业绩。实际上，问题不是行不行，而是何时可行，因为还有大量工作要做。图2-12为IEEE 802.11p与蜂窝技术在支持V2V用例方面的时间表。

对V2X用例的支持已经成为3GPP标准的一部分，可见于第14版和第15版，这两个版本已于2017年定稿。但该技术的全面应用还需要更多的时间。如前所述，大规模基础设施升级需要6年时间才能完成。以此为依据，乐观估计的话，面向LTE-A的V2X服务要到2023年左右才会出现。

更现实的情况是，V2X将纳入第16版及以后的版本，这些版本被称为5G，如图2-13所示。目前，5G还是一个非常宽泛的概念。其最有意思的一个方面是，其具有异质性，通过一种伞形技术把多种不一样的通信通道链接起来。V2X很可能成为5G生态系统的一部分，由完全重新设计的硬件来支持架构上的变化。

安全性是另一个需要考虑的方面。目前的蜂窝系统利用手机中的用户识别模块（Subscriber Identification Module, SIM）进行网络验证。网络识别SIM卡，并基于识别结果提供安全连接。SIM可能对网络辅助型V2X通信有效，但如果没有网络，则需要实施某种其他安全机制。802.11p定义了这类安全机制，3GPP可能会采取类似的方法，但目前尚未正式处理这个问题。

在美国，国家公路交通安全管理局（National Highway Traffic Safety Administration, NHSTA）提出了隐私问题。在基于网络的解决方案中，用户数据通过网络传输到云端。运营商需要提供相应的机制来保护云端的用户数据，并且可能最重要的是，用户需要接受并信任这些机制。对每个人来说，隐私都是一个日益严峻的问题，因此，可以预计，基于云的系统会受到强烈的反对。在基于IEEE 802.11p的解决方案中，消息不会传输到云端，如此，就可以更加方便地解决隐私相关问题。

蜂窝网络在全球范围内已经部署到位，这一事实经常被作为在V2X解决方案中采用蜂窝技术的一个理由。其主要论点是，既然已经有了蜂窝网络，则没有必要为802.11p投资并部署一套新的基础设施。但是，如前所述，将现有的蜂窝基础设施用于V2X并不像表面上那样简单，因为今天的基础设施并不具备支持众多V2X用例的能力，此类用例需要在高移动性或高拥堵条件下实现超低延迟。

需要注意的是，基于802.11p的技术（表现为路边单元RSU）可以部署在大部分现有道路基础设施中，包括交通灯和交通信号。与需要新基站塔来扩容的蜂窝基础设施不同，802.11p基础设施可以利用现有结构，从近期和长期部署来看，这样可以节省大量成本。从系统需求角度来看，在十字路口采用路边单元是合乎情理的。信号相位和配时控制器与路边单元相配合，可实现多种安全、移动和交通效率应用。十字路口是采取“行动”的地方。

对于802.11p，需要注意的另一个方面是，全球已经为基于802.11p的V2X服务分配了频谱。如前所述，5.9GHz区包括为基于802.11p的V2X服务留出的75MHz带宽。这是802.11p最宝贵的一项资产。各国、各州、汽车制造商和基础设施提供商只需证明其遵循这些标准，就可以利用5.9GHz区了。无须订阅、漫游协议等。如今，随着消费者活动的不断增多以及物联网的扩张，蜂窝服务提供商已经面临多种带宽问题，可能难以满足V2X的技术和业务需求。

2.5.4 802.11p与蜂窝通信在V2X应用上的互补

第8版LTE可能已经成为车辆的一部分，但还需要很长时间（可能8年或以上）所需蜂窝标准（即LTE-A和5G）才能全面支持所有安全相关和非安全相关的V2X用例。相反，经过现实检验且符合相关标准的802.11p解决方案已经万事俱备，可以随时在全球范围内大规模部署。采用802.11p意味着可以更快享有V2X用例的种种好处。

恩智浦、Cohda Wireless和西门子相信，802.11p是当今部署V2X应用的最佳选择，因为该技术已经整装待发。但他们也发现，有必要扩大其兼容性。他们目前秉持共存理念，以提高802.11p与LTE-A/5G的兼容性，甚至在考虑把二者融合起来，形成一种异质车辆网络系统，充分发挥802.11p对安全相关用例的支持能力以及LTE-A/5G对非安全相关用例的支持能力。

CoCar（Cooperative Cars）是由德国汽车制造公司与Vodafone和Ericsson在2006年～2009年共同发起的一个项目，旨在了解蜂窝技术在ITS包括V2X的实用性。CoCar之后以CoCarX（Cooperative Cars Extended）为名在2009年～2011年进行了后续研究。CoCarX主要关注于评估LTE作为单独通信系统或者作为802.11p的补充在V2X应用中的性能表现。

一个可行的场景如下：为了节约架构开支，在高速路以及乡间使用LTE或LTE的演进（比如有P2P功能的LTE-A），得益于LTE更广的覆盖范围能力以及其对在高速情况下严重的多普勒扩展抵御的壮健性并在大多数情况下有着合理的低延迟，例如100ms或以下时，网络不会发生任何问题。由此使用LTE来覆盖大部分V2X应用，包括安全应用，如DENM、RHW、EEBL或者in-vehicle signage。DSRC将主要应用在拥挤和易于发生事故的地区，比如十字路口和市区，以避免碰撞的发生。从CoCarX系统架构和它的混合无线电平台中我们可以获得混合架构的启发。另外，Nissan-driven SKY项目通过一个与行人通信的协同系统很容易实现避免人车碰撞的事故。新加坡的Connected vehicle platform ERP2项目也是通过蜂窝网络辅助完成V2I通信，实现收费管理。