学习笔记16--V2X技术

本系列博客包括6个专栏，分别为：《自动驾驶技术概览》、《自动驾驶汽车平台技术基础》、《自动驾驶汽车定位技术》、《自动驾驶汽车环境感知》、《自动驾驶汽车决策与控制》、《自动驾驶系统设计及应用》。
此专栏是关于《自动驾驶系统设计及应用》书籍的笔记.

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4.V2X技术

4.1 V2X概述

• 车用无线通信技术(Vehicle-to-Everything，V2X)是将车辆与一切事物相连接的新一代信息通信技术，其中：V代表车辆，X代表任何与车交互信息的对象，主要包含车、交通路侧基础设施、人和网络，分别采用以下缩写表示：V、I、P、N；
• 车与车之间(Vehicle-to-Vehicle，V2V)、车与路侧基础设施之间(Vehicle-to-Infrastructure，V2I)、车与人之间(Vehicle-to-Pedestrian，V2P)、车与网络之间(Vehicle-to-Network，V2N)；
  • V2V
    • V2V(Vehicle-to-Vehicle)：指通过车载终端进行车辆间的通信；
    • 车载终端可以实时获取周围车辆的车速、位置、行车情况等信息，车辆间可以构成一个互动的平台，实时交换文字、图片和视频等信息；
    • 将V2V技术应用于交通安全领域，能够提高交通的安全系数，作用是减少交通事故，降低直接和非直接的经济损失，及减少地面交通网络的拥塞；当前面车辆检测到障碍物或车祸等情况，将向周围发送碰撞警告信息，提醒后面的车辆潜在的危险；
  • V2I
    • V2I(Vehicle-to-Infrastructure)：指车载设备与路侧基础设施(如红绿灯、智能路牌等)等进行通信，路侧基础设施也可以获取附近区域车辆的信息并发布各种实时信息；
    • V2I通信主要应用于道路危险状态提醒、限速提醒、信号灯提醒、滤波同行；
  • V2P
    • V2P(Vehicle-to-Pedestrian)：指通过手机、智能穿戴设备等实现车与行人信号交互，在根据车与人之间速度、位置等信号做出判断；
    • 有一定的碰撞隐患时，车辆通过仪表及蜂鸣器，手机通过图像及声音提示前方车辆或行人；
    • V2P通信主要应用于避免或减少交通事故等；行人检测系统可以在车辆、基础设施中或与行人本身一起实现，以向驾驶员、行人或两者提供警告；
    • 现有的一些警告方式：允许盲人或视力低下的行人的智能电话自动呼叫的应用程序；当信号交叉口的人行横道内的行人在公交车的预定路径中时，利用车内设施警告公交车驾驶员；当行人在红灯时横穿马路的警告，及试图转弯的司机被警告在人行横道上有行人等；
  • V2N
    • V2N(Vehicle-to-Network)：指允许在车辆和V2X管理系统及V2X应用服务器间进行广播和单播通信，通过使用蜂窝网络实现；
    • 车辆能够收到有关道路上发生的交通事故的广播警报，或原计划路线上的拥挤或排队警告等；
    • V2V和V2I代表近距离通信，V2N技术实现远程通信；

4.2 通信机制

• V2X通信技术目前有：专用短程通信技术(Dedicated Short Range Communications，DSRC)与基于LTE车联网无线技术两大路线；

• V2X通信机制如下图所示：
  

• DSRC

  • 专用短程通信(Dedicated Short Range Communications，DSRC)是一种高效的无线通信技术，可以实现在特定区域内(通常为数十米)对高速运动下的移动目标的识别和双向通信，如：实时传输图像、语音和数据信息，将车辆和道路有机连接；
  • DSRC针对智能交通系统领域(ITS)中，车辆和道路基础设施间的信息交换而开发的一种适用于短距离的快速移动的目标识别技术；
  • DSRC可以提供高速的无线通信服务，且能保持传输延迟短和系统的可靠性；
  • DSRC是基于IEEE 制定和完善的WAVE/802.11p协议族；
  • DSRC技术的特点：
    • 通信距离一般在数十米(10～30m)；
    • 工作频段：ISM5.8GHz、915MHz、2.45GHz；
    • 通信速率：250～500kb/s，能承载大宽带的车载应用信息；
    • 完善的加密通信机制：支持3DES、RSA算法；高安全性数据传输机制，支持双向认证及加/解密；
    • 应用领域宽广：不停车收费、出入控制、车队管理、车辆识别、信息服务等；
    • 具备统一的国家标准，各种产品之间的互换性、兼容性；
    • 具备丰富的技术支持，产品多样化、专业化；
  • DSRC技术在智能交通系统中的应用，不断改善和提高人们的交通出行效率；车-路间的连接可以根据路况情况实时提供优化的驾驶路线，缓解交通压力；
  • 车-车间的连接：提示车与车间的安全距离，预警前方的事故，提高交通安全的系数；
  • 在ETC系统中，车载单元采用DSRC技术，建立与路侧单元间的微波通信链路，在车辆行进途中，进行车辆身份识别、电子扣费，实现不停车、免取卡，建立无人值守车辆通道；

• LTE-V

  • 大唐公司在国内外最早提出基于LTE系统的LTE-V技术，LTE-V是基于第四代移动通信技术的扩展技术，是专为车辆与车辆间通信协议设计的V2X标准，LTE V2X针对车辆应用定义了两种通信方式：蜂窝式(LTE-V-Cell)和直通式(LTE-V-Direct)；
  • 蜂窝方式：利用集中式的控制中心和数据信息转发中心，由基站完成集中式调度、拥塞控制和干扰协调等，可以显著提高LTE-V2X的接入和组网效率，保证业务的连续性和可靠性；
  • 直通方式：车与车间直接通信，针对道路安全业务的低时延高可靠的传输要求，节点高速运动、隐藏终端等挑战，进行资源分配机制增强；
  • 实际应用中，LTE-V-Cell技术可以为车辆提供高速数据的连续性传输，LTE-V-Direct技术可以实现车与车之间的信息交互，避免车辆碰撞发生事故；
  • LTE-V技术的典型工作场景如下图所示：
    • 图a：车辆通过基站或路侧设备获得与远端ITS(Intelligent Transportation System，智能交通系统)服务器的IP地址接入；
    • 图b：车辆通过不同的基站或路侧设备，进而通过云平台，获得分发的远距离车辆的信息；
    • 图c：车辆间直接交互与道路安全相关的低时延安全业务信息；
    • 图d：非视距(Not Line of Sight，NLOS)场景，车辆在十字路口由于建筑物的遮挡不能直接交互低时延安全业务，此时可以通过基站或路侧设备的转发，获得车辆间的道路安全信息；

• LTE-V与DSRC的比较，LTE-V2X的技术优势：

  • 更好的远距离数据传输可达性；

    DSRC网络采用多跳中继进行远距离数据传输，可能会受中继节点的影响，可靠性不高；LTE-V2X可利用LTE基站与云端服务器连接，进行如高清影音等类型的高数据速率传输，具有更好的信息可达性；

  • 更高的非视距(NLOS)传输可靠性；

    LTE-V2X可利用蜂窝基站转发的方式支持NLOS场景，由于基站可高架，天线高度更高，可提高NLOS场景的信息传输可靠性；

  • 网络建设和维护的优势；

    尽管DSRC可利用现有的WiFi基础进行产业布局，由于WiFi接入点未达到蜂窝网络的广覆盖和高业务质量，不仅DSRC的新建路侧设备需要大量投资进行部署，且DSRC的V2X通信安全相关设备、安全机制维护需要新投入资金；

    LTE-V2X可以利用现有LTE网络中的基站设备和安全设备等进行升级扩展，支持LTE-V2X实现车路通信和安全机制，可以利用已有LTE商用网络，支持安全证书的更新及路侧设备的日常维护；

4.3 我国V2X发展基础与现状

• 国内以中国汽车工程学会、中国通信标准化协会、车载信息服务联盟、未来移动通信论坛为主要研究平台，国际以ETSI、SAE、3GPP、5GAA为主要的研究组织；
• 需求研究主要集中于安全类、效率类及信息服务类应用；
• 3GPP针对性研究eV2X应用场景，主要分为：车辆编队行驶(Vehicles Platooning)、高级驾驶(Advanced Driving)、传感器信息交互(Extended Sensors)、远程遥控驾驶(Remote Driving)；
• 5GAA启动第二阶段V2X业务应用的研究，进一步推动5G系统支持车联网服务；
• 国内各标准组织的相关标准化工作已支持形成我国V2X标准体系，包括：应用定义及需求、总体技术要求、关键技术、信息安全等多方面；
• V2X在自动驾驶领域应用场景：
  • 车路协同：指基于无线通信、传感探测等技术获取车辆和道路信息，通过车-车、车-路通信进行交互和共享，实现车辆和基础设施间智能协同与配合，以达到优化利用系统资源、提高道路交通安全、缓解交通拥堵的目标；
  • V2X是实现车路协同的重要技术，路侧传感器得到的感知信息可以通过V2I通信传输给自动驾驶车辆，自动驾驶车辆可以根据通过V2I通信获得的感知信息实现自动驾驶功能；
  • 路侧计算设备可以作为控制中心，自动驾驶车辆通过V2I通信将自身的运行状态、驾驶意图等信息上报到路侧计算设备，路侧计算设备可以综合所有车辆的信息，指导车辆协同通行；
  • 车路协同可以首先在限定场景下实现：如在高速公路部署车路协同设备，低级别自动驾驶车辆可以根据路侧感知实现高级别自动驾驶，如在停车场，车辆可以根据部署在停车场内的摄像头、雷达等传感器，实现自主泊车；