IEEE802.11p將先于LTE-V2V用于安全應用

　　車到車通信正在顯著吸引人們的注意力，因為它能極大地減少道路交通事故，改善移動性，實現(xiàn)高層次的汽車自動化。支持安全關鍵應用是車到車通信的核心，多年來，V2X選擇的技術一直是IEEE802.11p。最近，在移動通信標準化組織3GPP的積極推進下，一種旨在滿足V2X應用的新標準開始啟動。由于成千上萬的道路使用者的安全將取決于這些技術的性能，因此對它們進行對比就顯得相當重要。

　　在比較IEEE802.11p和LTE-V2X之前有幾個重要的相關事實需要強調：

　　?IEEE802.11p現(xiàn)在已經(jīng)可以商用，LTE-V2X還不行[4]。目前市場上有多家芯片供應商可以提供基于IEEE802.11p的產(chǎn)品。有些一級供應商還有完整的解決方案。相比之下，目前市場上還沒有可商用的LTE-V2X產(chǎn)品，很可能還需要多年的時間才能見到完整且驗證過的解決方案。曾經(jīng)許諾過的V2X 5G版本甚至需要更長的時間才能浮出水面。

　　?許多上路的汽車中已經(jīng)安裝有IEEE802.11p。最終用戶現(xiàn)在就可以購買到裝備有IEEE802.11p技術的汽車(比如通用的凱迪拉克1)。

　　?V2V NPRM已經(jīng)發(fā)布[1]。說明美國政府有明確意向要全面推進IEEE802.11p的部署工作, 也說明IEEE802.11p技術已可滿足安全性需求并且通過了測試驗收。

　　?IEEE802.11p大批量部署可能很快開始。作為全球最大汽車制造商之一的大眾汽車公司已公開宣布，從2019年開始將在他們的首批車系中裝備IEEE802.11p技術2。

　　蜂窩領域一直在鼓吹v2x的部署應該等到蜂窩技術準備好并通過測試，而全然無視在驗證IEEE802.11p對安全關鍵應用的適用性方面作出的投資和現(xiàn)場測試工作。更具體地說，蜂窩領域聲稱LTE-V2X可以提供：

　　?強大的蜂窩生態(tài)系統(tǒng)。該系統(tǒng)借助多年來的豐富經(jīng)驗可以向全球提供付費服務和成熟的技術。雖然這是正確論點，但它指的是采用蜂窩技術的娛樂服務。而設備與基站之間的通信與處于動態(tài)環(huán)境中的設備與設備間通信有根本性的區(qū)別;

　　?雙倍的性能[6]。然而，就像下文要指出的那樣，在重要的V2V使用案例中，IEEE802.11p的性能完全超過了LTE-V2X;

　　?最小的附加成本。這是有問題的，因為對安全關鍵應用的支持強烈地表明需要將這些技術與娛樂軟硬件分離開來。因此，LTE-V2X很可能在物理上與蜂窩調制解調器分離;

　　?演進路線圖和未來不會過時的技術，因為通過3GPP會議的全面測試機制可以持續(xù)地改進這種技術。雖然這也許是真的，但每隔12到15個月升級一次標準并不能保證舊汽車能夠與新汽車通信。這與創(chuàng)建一個穩(wěn)定通用的國際標準來推動V2X技術成功的需求是背道而馳的。

　　這種建議的LTE-V2X技術源自蜂窩上行鏈路技術，與目前的LTE系統(tǒng)保持著很多相似性：比如幀結構、子載波間距、時鐘精度要求以及資源塊概念等。這些屬性不是很適合汽車應用場景，只是繼承自現(xiàn)有的峰窩技術。因此LTE-V2X要滿足車到車通信的特殊應用要求比較吃力。

　　從技術上講，LTE-V2X在沒有網(wǎng)絡覆蓋的情況下會出現(xiàn)問題。它有嚴格的同步要求(章節(jié)2.1)，否則將不能正確地從相鄰和附近的發(fā)射器接收消息(章節(jié)2.3)，并且通信距離也將受到限制(章節(jié)2.4)。另外，它所采用的資源分配機制無法正確處理具有不同長度的消息(章節(jié)2.5)，而多用戶訪問機制也不能很好的處理廣播消息(章節(jié)2.6)或消息沖突(章節(jié)2.9)。LTE-V2X的重載設計也會導致更高的開銷(章節(jié)2.7和2.8)。

　　在商用方面，LTE-V2X無法利用汽車中已有的標準LTE調制解調器。不同的安全要求(章節(jié)2.10)和技術需求(章節(jié)4.1)強烈建議LTE-V2X的安全關鍵域要與標準LTE調制解調器的娛樂域分離開來。嚴格的同步要求(章節(jié)3.2)也會顯著地增加LTE-V2X硬件的成本。

　　從發(fā)展戰(zhàn)略上看，LTE-V2X也許不是用于安全關鍵應用的最佳技術，因為其更新周期不能匹配汽車的開發(fā)周期(章節(jié)4.1)。雖然當前版本的LTE-V2X還沒有完成現(xiàn)場測試，但3GPP組織已經(jīng)開始開發(fā)LTE-V2X的新版本。下一代的IEEE802.11p也在考慮中了(章節(jié)4.2.1)，希望利用眾多大規(guī)?，F(xiàn)場試驗的經(jīng)驗測試安全關鍵應用。

　　我們的結論是，IEEE802.11p技術是即使在沒有網(wǎng)絡的情況下還能支持安全關鍵應用的理想之選。如果有蜂窩基礎設施，LTE-V2X是一種可行的替代方案，可以為娛樂服務提供更為成熟的生態(tài)系統(tǒng)。這種雙贏態(tài)勢要把重點放在每種技術的最強項上，共同努力提供最佳的車到車通信解決方案，并繼續(xù)為安全關鍵應用部署IEEE802.11p，同時確保新的LTE-V2X技術能與之共存。

　　前沿

　　自從10年前推出以來，V2X選擇的技術一直是IEEE802.11p3，這種技術已經(jīng)完成了標準化、產(chǎn)品實現(xiàn)和全面的測試。最近，一種面向V2X應用的新標準正在移動通信標準化組織3GPP的推進下開始啟動。成千上萬道路使用者的安全將依賴于這些技術的性能;因此對政策制訂者、汽車制造商和更寬范圍的汽車生態(tài)系統(tǒng)來說首當其沖的是要對這些技術進行全面的比較。

　　1.1 V2X的功能目標

　　通過一起工作和共享信息使得交通運輸更安全、更環(huán)保和更有趣是極具吸引力的。與這個概念有關的技術——統(tǒng)稱為合作性智能交通系統(tǒng)(C-ITS)承諾要減少交通擁堵、減輕交通對環(huán)境的影響并顯著減少致命交通事故的數(shù)量。

　　支撐C-ITS的一種關鍵技術是無線通信，覆蓋車到車(V2V)通信、汽車到摩托車(V2M)通信、汽車到基礎設施(V2I)通信以及基礎設施到汽車(I2V)通信。這些無線事務被總稱為汽車到萬物或V2X通信。

　　V2X技術將支持許多與安全相關的、也可能與安全無關的C-ITS系統(tǒng)應用場合。它需要在非常動態(tài)的環(huán)境中可靠地工作，在發(fā)射機和接收機之間具有相對較高的通信速度，并且支持在高速公路、擁擠的城市路口和隧道等安全相關應用中提供極低的延時。

　　1.2 IEEE802.11p

　　IEEE802.11p設計滿足每種V2X應用要求和最嚴格的性能規(guī)范。1999年，美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)在5.9GHz區(qū)段內(nèi)留出75MHz頻譜給了V2X。IEEE802.11p標準因此就工作在這個頻率范圍內(nèi)。

　　IEEE802.11p是IEEE802.11a(WiFi)的擴展，工作在自組織網(wǎng)絡模式，不需要BSS(基本服務集，WiFi‘基站’)。它針對存在障礙物的移動條件進行了優(yōu)化，能夠處理因為相對速度高達500km/h而產(chǎn)生的快速變化的多徑反射和多普勒頻移。典型的視距(LoS)通信距離是1km，但IEEE802.11p的主要目標是‘能夠看到轉角’(非視距，NLOS)，因為汽車中沒有其它傳感器可以做到這一點。事實表明，借助世界最先進的技術，作為目前商用化的現(xiàn)貨產(chǎn)品通常可達幾公里的更大范圍。當IEEE802.11p多址訪問機制(沖突避免的載波偵聽多址訪問協(xié)議，CSMA-CA協(xié)議)與分布式擁塞控制(DCC)結合在一起使用時可以高效地應付高密度應用場合。

　　標準化工作從10多年前就開始了，最終草案是2009年批準的，并且自從批準后做了大量的測試和驗證工作。simTD項目[8]是第一個大規(guī)模現(xiàn)場測試項目，開始于2009年，當時使用了100多臺汽車。從那時開始到現(xiàn)在，完成商用化IEEE802.11p產(chǎn)品的現(xiàn)場試驗項目有幾十個，而且還有許多仍在進行著。參考文獻[8-13]就提到了其中的一些項目。最大的IEEE802.11p先導項目之一是由USDOT(懷俄明州，坦帕和紐約市)資助的，包含超過一萬多輛實現(xiàn)了各種應用的汽車，投資總額超過4500萬美元[13]。巨大投資用于保證這種技術的質量和可靠性。

　　多家半導體公司設計和測試了通過汽車資格認證的IEEE802.11p兼容產(chǎn)品。多家供應商可以提供大量的硬件和軟件產(chǎn)品，從而組成了一個豐富的生態(tài)系統(tǒng)。市場上有許多型號汽車采用了IEEE802.11p技術，還有其它型號汽車正計劃很快發(fā)布，比如：

　　?通用的凱迪拉克CTS汽車裝備有IEEE802.11p4;

　　?豐田在日本國內(nèi)就有接近10萬輛汽車裝備有IEEE802.11p;

　　?大眾選擇了IEEE802.11p技術來支持V2X應用5。

　　USDOT宣布，根據(jù)收集到的證據(jù)證明，IEEE802.11p技術可以顯著減少道路上的碰撞事故數(shù)量。專家們預期USDOT即將進入能夠為了安全而強制要求在所有新的輕便型汽車中采用IEEE802.11p技術[14] 的正式流程。

　　1.3 LTE-V2X

　　LTE-V2X是一種相對較新的技術(首次討論發(fā)生于2015年)，是3GPP Rel-12設備到設備(D2D)功能的擴展，本身依賴于使用LTE上行鏈路傳輸和上行鏈路頻譜資源實現(xiàn)設備間的直接通信。V2V基礎安全功能最早出現(xiàn)在LTE Rel-14規(guī)范中。

　　LTE-V2X設計時就考慮了多種部署場景，因此提出了以下要求：

　　1.能夠在有或沒有eNB(‘基站’)覆蓋的條件工作。Rel-14中的LTE-V2X基于的是PC5接口，允許用戶在有或沒有網(wǎng)絡覆蓋的條件下彼此間直接廣播消息。在蜂窩覆蓋下的操作可以利用同步網(wǎng)絡的所有好處，其中的中心協(xié)調、調度和管理是用一系列基站實現(xiàn)的。然而需要注意的是，存在這種裝置無法工作的許多情景，比如覆蓋率很差的農(nóng)村地區(qū)、高速公路以及會發(fā)生頻繁切換基站的快速移動用戶。LTE-V2X技術必須能夠在沒有基站覆蓋的區(qū)域實現(xiàn)可靠的工作;

　　2.在專用的免許可載波或有許可的頻譜條件下獨立工作;

　　3.增強D2D空中接口功能，以便支持低延時、高密度和高速度。

　　為了滿足提高了的要求，Rel-14 LTE-V2X引入了新的Sidelink傳輸模式(傳輸模式3&4)，參考表1。由于引入了低延時傳輸技術，因此這些模式有別于Rel-12 D2D模式(傳輸模式1&2)，改進了對更高速度和新的分布式信道訪問機制的支持[15]。

表1：LTE-Sidelink通信中可用的操作模式。

　　盡管近年來業(yè)界作了很大的貢獻和標準化工作，但LTE-V2X標準還遠未成熟，許多技術課題仍在討論中，最近舉行的RAN會議期間大家還一致同意做了很多顯著的標準修改。與V2X有關的維護修改請求(CR’s)數(shù)量很大，使得芯片制造商在確定功能集、進入可互操作性測試階段、固定軟硬件架構和投產(chǎn)方面面臨很大的挑戰(zhàn)。汽車制造商也質疑其實際性能和對安全關鍵用例的支持。此時此刻，LTE Rel-14標準的實際性能幾乎是未知的。

　　對安全關鍵應用來說最相關的也是最具挑戰(zhàn)性的LTE-V2X操作模式是Sidelink傳輸模式4，這個模式可以被看作是自組網(wǎng)模式。與IEEE802.11p技術的比較重點就放在這個模式上。