车联网V2X通信技术及应用介绍(下)

发表时间:2021-12-31 13:40

(2)C-v2x通信

C-V2X通信是基于3G/4G/5G等蜂窝网通信技术演进形成的车用无线通信技术,包含基于4G网络的LTE-V2X系统以及未来5G资源的5G -V2X系统,借助已存在的LTE网络设施来实现V2V、V21、V2P、V2N的信息交互,适应于更复杂的安全应用场景,满足低时延高可靠性和带宽要求。


①LTE-V2X技术

LTE-V (Long Term Evolution-Vehicle,长期演进,V2X)是我国具有自主知识产权的V2X技术,是基于TD.LTE(Time Division-Long Term Evolution,分时长期演进)的ITS(Intelligent Transport System,智能交通系统)系统解决方案,属于LTE后续演进生态系统的重要应用分支。


②LTE-V2X协议架构与组成

LTE-V2X标准协议架构由三部分组成,包括物理层、数据链路层、应用层。物理层是LTE-V2X系统的底层协议,主要提供帧传输控制服务和信道的激活、失效服务,定时收发及同步功能。数据链路层负责信息的可靠传输,提供差错和流量控制,对上层提供无差错的链路链接。应用层基于数据链路层提供的服务,实现通信初始化和释放程序、广播服务、远程应用等相关操作。LTE-V2X系统设备组成包含了UE(User Equipment,用户终端)、RSU(Road Side Uni,路侧单元)、和基站三部分,具体组成如图11所示。



UE包含了车载设备、个人用户便携设备等。RSU处于基站和UE之间,承担着V21的数据通信任务。基站是承担了LTE-V2X系统的无线接入控制功能的设备,主要完成无线接入功能,包括管理空中接口、用户资源分配、接入控制、移动性控制等无线资源管理功能。GpS信号则通过卫星地面站与基站进行通信。


③LTE-V2X主要技术指标分析

V2X技术影响用户体验的主要系统指标有延时时间、可靠性、数据速率、通信覆盖范围移动性、用户密度、安全性等。其相关指标有安全类时延≤20ms,非安全类时延≤100ms,峰值速率上行500Mbps、下行1 Gbps,支持车速280km/h,在后续演进5G版本中提升至500km/h,可靠性几乎为100%5覆盖范围与LTE范围相当。


④LTE-V2X通信方式

LTE-V2X系统的通信方式采用了“广域集中式蜂窝通信”(LTE-V-Cell蜂窝) 和“ 短程分布式直通通信”(LTE-VDirect直通)两种技术方案。分别对应LTE-Uu(UTRAN-UE,接入网-用户终端)和PC5(ProSeDirectCommunication,ProSe直接通信)接口。广域集中式蜂窝通信(Uu接口)技术是基于现有蜂窝技术的扩展,主要承载传统的车联网远程业务,满足终端与V2X应用服务器间大数据量传输要求,如图12所示。



短程分布式直通通信PC5接口技术引入LTED2DDevice-to- Device端-端,绕过RSU进行V2VV2I直接通信,主要承载了车辆主动安全业务,图13所示。因此LTE-V- Directs具有低时延、通信容量大和无需网络设备基站或路边设施即可工作的优点。上述通信方式的多样性,不仅减少了网络节点,降低了系统的复杂程度,而且还提高了系统通信的低时延性和高可靠性,也降低了网络部署和维护成本。



⑤LTE-V2X安全认证技术

涉及交通时,其安全重要性不言而喻。由于车辆是一个高速移动的物体,LTE-V2X系统需要提供安全机制来保障使用者的信息安全,预防非法及伪装终端设备进入网络。对车辆间的高速认证和安全数据传输也提出了极高的要求,包括身份认证管理、异常用户检测、个人隐私保护、安全机制的更新、信息加密等。


目前在传统联网系统中经常采用集中式管理机制,具有的安全性较高,但对于庞大的车辆管理数量来说,同时也会造成时延的问题;而分布式管理机制相对较灵活,作为集中式的补充对LTE-V2X系统来说是个可行的解决方法。


⑥LTE-V2X工作场景

如图14所示为LTE-V2X技术的典型工作场景。

图14(a)中,车辆通过基站或路侧单元获得与远端ITS(智能交通系统)服务器的IP地址接入;图(b)中,车辆通过不同的基站或路侧单元,进而通过云平台,获得分发的远距离车辆的信息;图(c)中,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)为非视距(notlineofsight,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。在上述场景中,图(c)可采用LTE-V-direct模式进行通信,其他场景可采用LTE-V-cell模式进行通信。图15所示是LTE-V2X技术在智能网联汽车上的应用框图。



5G-V2X技术

LTE-V2X相比,5-V2X将支持更加多样化的场景,融合多种无线接入方式,并充分利用低频和高频等频谱资源。同时5G还将满足网络灵活部署和高效运营维护的需求,大幅提升频谱效率、能源效率和成本效率,实现车载移动通信网络的可持续发展。基于5G新空口的V2X可以提供高吞吐量、宽带载波支持、超低时延和高可靠性,从而支持众多面向自动驾驶的技术需求。5-V2X业务场景具体包括:

车辆编队:车辆编队使车辆形成动态编队一起行驶。编队中的所有车辆从编队头车获取信息来管理这个编队,这些管理信息能够以比正常行驶更接近编队车辆之间间隔仅2 ~ 5m、更协调的方式同向行驶。

传感器扩展:扩展传感器使车辆之间、车与路侧单元之间、车与行人之间以及车与V2X服务器之间可以交互本地传感器信息和实时视频图像信息等,车辆可以获得额外的环境感知能力,更全面了解周边环境。

先进驾驶:先进驾驶用于支持半自动或全自动驾驶。每个车辆把通过自身传感器获得的感知数据以及自身的驾驶意图分享给周围车辆,从而支持多个车辆之间同步和协调其行驶轨迹。

驾驶:远程驾驶使远程司机或车联网应用服务器遥控车辆的行驶,适应于车主不能自己驾车或远程车辆处于危险环境中等特殊场景。高可靠性和低延迟通信是远程驾驶的主要要求。5GV2X业务场景对通信的需求,具体如表1所示。



C-V2X DSRCIEEE802.11 p的比较

作为车联网的V2X无线通信技术,虽然DSRCIEEE802.11p有先发优势,但是C-V2X以蜂窝技术作为基础,通过增强的接入层,应对当前和未来智能交通系统的应用。尤其C-V2X的多种通信模式,可以利用现有的蜂窝网络基础设施提供大容量的数据传输和低时延的广域通信,这样就为交通道路安全借助强大的云端处理能力和边缘计算的保驾护航途径。例如C-V2X在性能改进上的体现,通过仿真比较了汽车分别采用LTE-V2XDSRC时的最大容许刹车反应距离/时间(即汽车感知到前方危险后司机拥有的反应距离/时间)。如图16所示结果显 示,相比于DSRC, LTE-V2X技术能够让司机在更远距离的位 置感知危险并开始刹车,也就是司机拥有更长的刹车反应时间。



图中例子是汽车以140km/h速度行驶的时候,采用LTE-V2X的汽车比采用DSRC技术的汽车拥有额外的5.9s(9.2s ~3.3s) 来决定是否刹车。


此外,C-V2X的直接通信技术在ITS频谱(5.9GHz)下操作,以确保直接安全通信的匿名性和蜂网络覆盖区域外的直通需求。从产业化进程而言,C-V2X正在 逐步缩小与D SRC(IEEE802.11p)之间的 差距。尤其在网络建设和维护方面,尽管 DSRC可利用现有的Wi-Fi基础进行产业 布局,由于Wi-Fi接入点未达到蜂窝网络 的广覆盖和高业务质量,不仅DSRC的新建路侧单元需要大量投资进行部署,而且DSRCV2X通信安全相关设备、安全机制维护需要新投入资金。而C-V2X可以利用现有LTE商用网络中的基站等安全设备进行升级扩展,支持安全证书的更新以及路侧单元的日常维护。


另外,目前国内在DSRC系列技术和产业方面缺乏核心知识产权和产业基础。 而基于我国自主研发的4GTD-LTE移动通信技术标准,C-V2X技术拥有核心自主知识产权,可以打破国外产业在V2X通信技术垄断,减少在知识产权方面的限制。整个C-V2X预期发展的关键时间节点如图17所示。



(3)车云网

车云网也称车载移动互联网。它是以车为移动终端,通过远距离无线通信 (Telematics)技术构建的车与互联网之间的网络,实现车与服务信息在车载移动互联网上传输,如图18所示。车载移动互联网是先通过短距离通信技术在车内建立无线个域网或无线局域网,再通过4G5G 技术与互联网连接。



四、车联网的应用

1车联网应用分类

便捷、安全和环保是车联网应用的核心价值。车联网通过对多样化信息的融合,可以面向不同用户开发个性化的应用,为岀行者提供更加便捷的交通服务,为车辆驾驶员提供智能化的安全服务和控制, 为交通管理部门提供节能环保的交通服务和控制。表2列岀了车联网基本的应用内容。



表3反映了车联网在交通运输汽车、IT、金融保险等几个领域的主要应用,可以看岀,车联网对提高行业效能,深耕服务品质,推动建立便捷、安全、环境友好型社会,有着重要意义。



(2)车联网典型应用场景

车联网实现了车辆、行人、基础设施、网络之间的互联互通,从而在道路安全、交通管理、网络服务方面极大地提高交通的智能化程度。下面分别介绍一些V2X的典型应用场景:


①前方静止/低速车辆报警

如图19所示,本车(印根据前方车辆(A)发出的消息内容识别出其属于静止/低速运动状态,且处于本车(B)前方行驶路线上,可能造成追尾事故。则本车产生自身警告同时,若路边有路侧单元检测到车辆(A)非正常停车或低速运动,则对外广播车辆信息,以便提醒更大范围内的车辆。该场景下,基于车联网通信的汽车主动安全系统可以降低跟随静止/低速车辆的后方车辆因视线不良(如雾天、弯道、遮挡等)或驾驶注意力不集中、驾驶员距离/速度估计错误等因素引发的追尾碰撞事故。


②异常车辆报警

如图20所示,当车辆(A)出现爆胎、转向失控、制动系统失灵等异常情况时,成为异常车辆,则异常车辆(A)对外广播本车此时的状态,其他车辆(B)根据收到的消息内容识别出其属于异常车辆(A),且可能影响本车行驶路线时,其他车辆(日)产生本车报警提醒驾驶员注意。该场景下,基于车联网通信的汽车主动安全系统可以将车辆内部的故障/失控等信息及时对外广播,便于周边车辆迅速采取避让等处置措施,降低单一车辆失控导致的连环碰撞次生事故风险。



③交叉路口防撞报警

如图21所示,车辆行驶时周期性地对外广播本车的位置、速度、方向、加速度等信息,当车辆(A)和车辆(B)从不同方向准备通过无交通信号灯控制的交叉路口时,车辆A. B相互识别对方的消息后,判断并提醒驾驶员注意路口有碰撞风险,需谨慎驾驶。在无线信号遮挡路口,可以设置路侧单元。当路侧单元检测到路口有碰撞风险时,需要广播交叉路口防撞报警。该场景下,基于车联网通信的汽车主动安全系统可以降低车辆从不同方向通过未设置交通信号灯的路口发生的碰撞风险。



④非机动车(电动车、自行车等)或行人接近预警

人车事故造成交通死亡率非常高,尤其在我国,电动车事故发生率居高不下。很多情况下,电动车速度非常快且又不易被机动车驾驶员发现。另外,还有很多人车交通事故是由于行人低头看手机,注意力分散,未注意到机动车的行驶情况。如图22所示,在这些情况下,行人或者电动车、自行车(具备相关通信设备,如带有特殊芯片的手机),以及路侧单元周期性地对外广播其存在、位置、路线和速度等信息,机动车根据收到的信息判别非机动车或者行人在其周围或者横穿马路,可能影响到本车行驶而造成交通事故,机动车会产生本车警告,提醒驾驶员。机动车也可以周期性地广播其标识、位置、速度、方向等信息,行人或者非机动车接收到该信息后,会引起注意。该场景下,基于车联网通信的汽车主动安全系统可以有效降低由于机动车驾驶员视线受限(雨雪雾天气因素、其他车辆遮挡)、驾驶员分心、驾驶员距离/速度估计错误,行人或非机动车驾驶者注意力不集中、距离估计错误等因素引发的事故风险,有效保护行人及驾驶员的安全。



⑤基于环境物体感知的安全驾驶辅助提醒

在高密度的城市区域中,每辆车周围都存在大量的车辆、行人和异常物体,存在发生碰撞的危险。由于车辆本身安装了多种传感器(雷达、图像、红外、声纳),能够通过多种途径感知到周围环境的物体,并通过无线通信V2V或V21交互观测到物体信息,周围的车辆和行人根据接收到感知的物体信息,进行相应的安全驾驶辅助提醒。


一个典型的场景如图23所示。车辆行驶时周期性地对外广播本车位置、速度、方向、加速度等信息。在一个十字路口,汽车A和B有碰撞危险,由于两辆车直线传播路径被建筑物遮挡,两辆车直接数据交互无法实现碰撞检测。但是,汽车C能够同时接收车辆A和B的状态信息,识别两辆车的位置,并以一定的周期将两辆车的位置广播出去。此时车辆A和B可以根据车辆C广播的感知物体数据识别潜在的碰撞危险,提醒驾驶员注意。



⑥紧急救助((SOS)服务

SOS服务是指车辆传感器在检测到汽车空气囊启用、车辆侧翻或乘驾人员受到生命威胁的紧急情况下自动发送求救信息。该服务也可以由驾乘人员在非碰撞相关紧急情形下手动使用SOS开关报警。该服务信息由OBU通过V21通信发送至RSU,并由RSU通过远程通信转发至当地最近的授权救援机构。


⑦远程诊断

车辆故障远程诊断是指通过V21通信由RSU接收来自OBU的车载故障诊断信息,通过远程通信转发至云端系统,云端系统会复检故障信息,并由专家进行远程诊断,向车主提供诊断报告。在故障确定后,远程自动消除故障,无法消除的故障会推送到车主的手机APP上,并提供周边服务网点。同时云端系统还将该信息转发至相应的车辆服务商以确定潜在的维修需求。


(3)丰田汽车车联网

丰田汽车在丁NGA(丰田全球新体系架构)生产的新一代凯美瑞、卡罗拉等车型上借助现代信息和通信技术,导入了TOYOTAConnect(丰田智行互联)系统(即车载通信系统,简称车联网),实现车内、车与车、车与路、车与人、车与服务平台的全方位网络连接。如图24所示是丰田车载通信系统组成示意图。


通过车载通信系统,能够24小时365天提供紧急救援,车辆被盗追踪等真正“安心、安全”的服务;同时通过车联网技术,实现车况确认、远程控制、提供“快捷、便利”的服务。在CR(客户服务)活动支援方面,根据车辆使用状况向客户提供最合适的商品,确保车辆入厂保养与维修;故障发生时及时主动给客户提供远程诊断帮助。TOYOTA Connect车联网服务项目和目的,如图25所示。




图26所示为是车载通信系统电路图。



丰田车载通信零件组成及功能说明如表4。



五、结束语

车联网技术是车辆信息化的核心内容,是互联网、车际网V2X和车内网技术一体化发展的必然结果。今后,随着5G技术在V2X的运用,V2X通信技术能够实现更加安全、高效、便捷的驾驶体验,同时也是未来高度自动驾驶的基础支撑,是汽车产业融入万物互联时代的重要途径。相信车辆全面智能化、网联化已为时不远了。


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