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      LTE—V車路通信技術(shù)淺析與探討

      2017-03-04 22:12:26溫志勇修戰(zhàn)宇陳俊先
      移動(dòng)通信 2016年24期
      關(guān)鍵詞:自動(dòng)駕駛車聯(lián)網(wǎng)

      溫志勇+修戰(zhàn)宇+陳俊先

      【摘 要】LTE-V已經(jīng)成為汽車、通信行業(yè)的研究熱點(diǎn),它是車聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)。對(duì)LTE-V進(jìn)行了介紹,并對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析說(shuō)明,針對(duì)其在交通行業(yè)的應(yīng)用進(jìn)行了探討,進(jìn)而闡述了LTE-V技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展情況及方向。

      【關(guān)鍵詞】LTE-V 車路通信 車聯(lián)網(wǎng) 自動(dòng)駕駛

      doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2016.24.009 中圖分類號(hào):TN929.53 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1006-1010(2016)24-0041-05

      1 引言

      車路通信簡(jiǎn)稱V2X(Vehicle to Everything),是指車輛與車輛、路側(cè)設(shè)備、行人及網(wǎng)絡(luò)等外界對(duì)象之間的信息交換,是實(shí)現(xiàn)交通安全、效率提升的前提,是未來(lái)智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)的核心技術(shù)。

      V2X包括V2V(Vehicle to Vehicle,車-車)、V2I(Vehicle to Infrastructure,車-基礎(chǔ)設(shè)施)、V2P(Vehicle to Pedestrian,車-行人)、V2N(Vehicle to Network,車-網(wǎng)絡(luò))等通信模式及技術(shù)。V2X應(yīng)用對(duì)象主體是交通環(huán)境下的車輛,其具有高速移動(dòng)、高速率數(shù)據(jù)傳輸、低延時(shí)、多用戶、高可靠性等特性,從而對(duì)技術(shù)方案的性能指標(biāo)提出了較高的要求。

      車路通信技術(shù)不僅增加行駛安全,也將提升交通效率;同時(shí)以V2X為核心的車路通信也是自動(dòng)駕駛的必要條件。本文的工作以LTE-V技術(shù)為中心展開,其是V2X應(yīng)用的核心技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,是車聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)。

      2 LTE-V概述

      LTE-V(Long Term Evolution-Vehicle,長(zhǎng)期演進(jìn)-V2X)是我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的V2X技術(shù),是基于TD-LTE(Time Division-Long Term Evolution,分時(shí)長(zhǎng)期演進(jìn))的ITS(Intelligent Transport System,智能交通系統(tǒng))系統(tǒng)解決方案,屬于LTE后續(xù)演進(jìn)技術(shù)的重要應(yīng)用分支。2015年2月,3GPP工作組LTE-V標(biāo)準(zhǔn)化研究工作正式啟動(dòng),Release 14的提出標(biāo)志著LTE-V技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定工作在3GPP工作組計(jì)劃中的正式開始,同時(shí)也將在5G中得到兼容和性能的大幅提升。預(yù)計(jì)LTE V2V Core part將于2016年底完結(jié),LTE V2X Core part將在2017年初完結(jié),V2V為L(zhǎng)TE-V的核心,預(yù)計(jì)2018年完結(jié),基于LTE-V技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)和設(shè)備預(yù)計(jì)將于2020年后開始商用。

      我國(guó)在國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)LTE-V技術(shù)中具有一定話語(yǔ)權(quán)。國(guó)內(nèi)廠商大唐電信、華為等企業(yè)為3GPP LTE-V標(biāo)準(zhǔn)化研究工作的主導(dǎo)方,是LTE-V標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程中SI(Study Item,研究組)和WI(Work Item,工作組)的主要報(bào)告起草人。2016年國(guó)家科技重大專項(xiàng)發(fā)布“新一代寬帶無(wú)線移動(dòng)通訊網(wǎng)”的子課題“LTE-V無(wú)線傳輸技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化及樣機(jī)研發(fā)驗(yàn)證”的確立,以及隨著重慶郵電大學(xué)、長(zhǎng)安集團(tuán)、上汽集團(tuán)和高通(Qualcomm)等重量級(jí)單位的加入,大大地助推了LTE-V標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展,從而奠定了LTE-V技術(shù)在V2X應(yīng)用中的發(fā)展趨勢(shì)及方向。

      LTE-V標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議架構(gòu)由三部分組成,包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層。物理層是LTE-V系統(tǒng)的底層協(xié)議,主要提供幀傳輸控制服務(wù)和信道的激活、失效服務(wù),收發(fā)定時(shí)及同步功能。數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)信息的可靠傳輸,提供差錯(cuò)和流量控制,對(duì)上層提供無(wú)差錯(cuò)的鏈路鏈接。應(yīng)用層基于數(shù)據(jù)鏈路層提供的服務(wù),實(shí)現(xiàn)通信初始化和釋放程序、廣播服務(wù)、遠(yuǎn)程應(yīng)用等相關(guān)操作。

      LTE-V系統(tǒng)設(shè)備組成包含了UE(User Equipment,用戶終端)、RSU(Road Side Unit,路側(cè)單元)、eNB(E-UTRAN Node B,E-UTRAN基站)三部分,具體組成如圖1所示。UE包含了車載設(shè)備、個(gè)人用戶便攜設(shè)備等。RSU提供了V2I服務(wù),處于eNB和UE之間,承擔(dān)著雙方的數(shù)據(jù)通信任務(wù)。eNB是承擔(dān)了LTE-V系統(tǒng)的無(wú)線接入控制功能的設(shè)備,主要完成無(wú)線接入功能,包括管理空中接口、用戶資源分配、接入控制、移動(dòng)性控制等無(wú)線資源管理功能。

      3 LTE-V關(guān)鍵技術(shù)分析

      V2X技術(shù)影響用戶體驗(yàn)的主要系統(tǒng)指標(biāo)有延時(shí)時(shí)間、可靠性、數(shù)據(jù)速率、通信覆蓋范圍、移動(dòng)性、用戶密度、安全性等。其相關(guān)指標(biāo)有安全類時(shí)延≤20 ms,非安全類時(shí)延≤100 ms,峰值速率上行500 Mbps、下行1 Gbps,支持車速280 km/h,在后續(xù)演進(jìn)版本及5G版本中將提升至500 km/h,可靠性幾乎為100%,覆蓋范圍與LTE范圍相當(dāng)。本節(jié)內(nèi)容針對(duì)影響上述指標(biāo)的LTE-V關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。

      3.1 通信方式

      LTE-V系統(tǒng)的通信方式采用了“廣域集中式蜂窩通信”(LTE-V-Cell,LTE-V蜂窩)和“短程分布式直通通信”(LTE-V-Direct,LTE-V直通)兩種技術(shù)方案,如圖2所示,分別對(duì)應(yīng)基于LTE-Uu(UTRAN-UE,接入網(wǎng)-用戶終端)和PC5(ProSe Direct Communication,ProSe直接通信)接口的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。廣域集中式蜂窩通信技術(shù)是基于現(xiàn)有蜂窩技術(shù)的擴(kuò)展,主要承載傳統(tǒng)的車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù),滿足系統(tǒng)與終端間大數(shù)據(jù)量的要求。短程分布式直通通信技術(shù)引入LTE D2D(Device-to-Device,端-端),實(shí)現(xiàn)V2V、V2I直接通信,承載了車輛主動(dòng)安全業(yè)務(wù),主要滿足終端之間低時(shí)延、高可靠性的要求。

      傳統(tǒng)TD-LTE通信技術(shù)由于在數(shù)據(jù)速率、數(shù)據(jù)量的上下行需求等因素的差異,采用非對(duì)稱技術(shù),但是在V2X應(yīng)用的車輛之間要求能夠進(jìn)行對(duì)稱通信,同時(shí)終端之間由于能夠繞過(guò)RSU進(jìn)行直接通信,從而大大降低了通信時(shí)延。短程分布式直通通信正是面對(duì)這一需求而產(chǎn)生的自組織對(duì)稱通信技術(shù)。根據(jù)通信方式的多樣性,網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用了靈活的扁平化架構(gòu),降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度,減少了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),降低了系統(tǒng)時(shí)延,也降低了網(wǎng)絡(luò)部署和維護(hù)成本。

      3.2 多用戶終端的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制

      V2X車路通信的數(shù)據(jù)具有小包、突發(fā)、頻繁等特性,在LTE-V協(xié)議中數(shù)據(jù)傳輸資源的分配是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)調(diào)度程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在eNB的配置管理中,沖突和相互干擾得到了最小化,調(diào)度程序提供了QoS服務(wù),根據(jù)優(yōu)先級(jí)來(lái)分配無(wú)線電資源,這對(duì)于高網(wǎng)絡(luò)負(fù)載來(lái)說(shuō)非常重要。和基于CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance,載波監(jiān)聽多路訪問(wèn)/沖突避免機(jī)制)協(xié)議比較來(lái)說(shuō),網(wǎng)絡(luò)調(diào)度的方式可以承擔(dān)更高的用戶量,從而進(jìn)一步降低了通信時(shí)延。V2X應(yīng)用層針對(duì)不同場(chǎng)景賦予了通信的優(yōu)先級(jí),例如安全類的消息通信優(yōu)先級(jí)最高,并被優(yōu)先予以響應(yīng)。

      3.3 本地快速接入和多路徑、多無(wú)線制式連接

      由于車輛具有高速移動(dòng)的特性,車輛在不同RSU覆蓋范圍內(nèi)頻繁切換。切換過(guò)程對(duì)系統(tǒng)性能的影響主要考慮切換的延時(shí)、成功率和數(shù)據(jù)包的丟失率等因素。降低切換的延時(shí),即降低重新認(rèn)證和重新關(guān)聯(lián)的延時(shí),尋找合適的切換算法,實(shí)現(xiàn)快速切換,提高系統(tǒng)性能。eNB根據(jù)檢測(cè)到當(dāng)前連接信號(hào)的質(zhì)量以及V2X應(yīng)用中車輛的位置、速度、方向等信息來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)智能切換行為,從而完成快速接入及無(wú)縫連接的實(shí)現(xiàn)。

      V2V應(yīng)用中,車輛與周圍多輛車輛需要保持通信,為了達(dá)到低時(shí)延的要求,端到端的通信需要被保持,并建立多鏈接路徑,需要更好的時(shí)隙分配策略、鏈路保持、自組網(wǎng)等技術(shù)來(lái)保障。另外在V2I應(yīng)用中,由于網(wǎng)絡(luò)覆蓋存在多種制式,能夠兼容多種無(wú)線制式的V2X也是研究?jī)?nèi)容之一。

      3.4 多天線系統(tǒng)

      多天線技術(shù)采用對(duì)發(fā)射與接收信號(hào)在空域、時(shí)域、頻域上的處理,能極大地提高系統(tǒng)的容量,多天線技術(shù)在TD-LTE系統(tǒng)得到了應(yīng)用,同樣也可以應(yīng)用在LTE-V系統(tǒng)中。

      RSU采用多天線系統(tǒng),在下行鏈路,多天線發(fā)送方式包括發(fā)送分集、波束賦形和多用戶MIMO(Multi-input Multi-output,多輸入多輸出)等多種傳輸模式,如圖3、圖4所示。在上行鏈路,多用戶組成的虛擬MIMO也進(jìn)一步提高了上行的系統(tǒng)容量。

      多天線技術(shù)對(duì)LTE-V系統(tǒng)有極大的好處,尤其是針對(duì)城市道路擁擠的特性。充分利用了頻譜效率,能夠極大地減少用戶間干擾,有效抵抗多徑衰落的影響,提高通信質(zhì)量,從而可以承擔(dān)更高的用戶密度。

      3.5 高速率下載

      空口技術(shù)最主要的指標(biāo)就是數(shù)據(jù)承載量,在有限頻譜資源條件下滿足高速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆FDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交頻分復(fù)用技術(shù))技術(shù)在4G時(shí)代多載波技術(shù)中被采用,充分體現(xiàn)了其優(yōu)越的性能。

      OFDM技術(shù)中的各個(gè)子載波是相互正交的,每個(gè)載波在一個(gè)符號(hào)時(shí)間內(nèi)有整數(shù)個(gè)載波周期,每個(gè)載波的頻譜峰值和相鄰載波的零點(diǎn)重疊,這樣便減小了載波間的干擾。由于載波間有部分重疊,所以它比傳統(tǒng)的FDMA(Frequency Division Multiple Access,頻分多址)提高了頻譜的利用率,頻譜利用分布示意圖如圖5所示:

      OFDM技術(shù)在頻率選擇性、抗衰落、碼間干擾、頻率利用率以及基于DFT(Discrete Fourier Transform,離散傅里葉變換)的簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)上體現(xiàn)了極大的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)也面臨著頻率偏移、同步及系統(tǒng)的非線性問(wèn)題比較敏感,峰均比過(guò)大,信道利用率降低等問(wèn)題,有進(jìn)一步提升的空間,需要聯(lián)合其他技術(shù)來(lái)彌補(bǔ)現(xiàn)有缺陷。例如:F-OFDM(Filter OFDM,基于濾波器的OFDM)、SCMA(Sparse Code Multiple Access,多址技術(shù))、FBMC(Filter Bank Multicarrier,基于濾波器組的多載波)等,新技術(shù)的誕生將為其注入新的活力。

      LTE-V支持動(dòng)態(tài)帶寬,根據(jù)系統(tǒng)資源分配情況,LTE-V系統(tǒng)支持連續(xù)載波聚合以及頻帶內(nèi)和頻帶間的非連續(xù)載波聚合。預(yù)計(jì)5G版本中最大能聚合帶寬可達(dá)100 MHz,靈活動(dòng)態(tài)地使用頻譜資源,提升了用戶體驗(yàn),峰值數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)1 Gbps甚至更高。

      3.6 數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用

      數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用對(duì)V2X系統(tǒng)的使用至關(guān)重要,是利用LTE-V系統(tǒng)來(lái)收集整個(gè)交通環(huán)境的數(shù)據(jù),包括了車輛、行人、基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)信息等相關(guān)信息,并從繁多的信息中篩選出有價(jià)值的信息。進(jìn)一步做到能夠識(shí)別安全隱患并對(duì)終端用戶的智能提醒,根據(jù)安全信息的優(yōu)先級(jí)、交通情況進(jìn)行管理,從而提高交通安全并優(yōu)化交通通行效率。

      由于交通參與者眾多、行為復(fù)雜等特性,其數(shù)據(jù)處理對(duì)象具有數(shù)據(jù)量大、用戶多、實(shí)時(shí)性要求高等特點(diǎn),數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用技術(shù)面臨著巨大的挑戰(zhàn),堪稱一項(xiàng)工程浩大的大數(shù)據(jù)應(yīng)用項(xiàng)目。

      3.7 安全認(rèn)證技術(shù)

      涉及交通時(shí),其安全重要性不言而喻。由于車輛是一個(gè)高速移動(dòng)的物體,LTE-V系統(tǒng)需要提供安全機(jī)制來(lái)保障使用者的信息安全,預(yù)防非法及偽裝終端設(shè)備進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。對(duì)車輛間的高速認(rèn)證和安全數(shù)據(jù)傳輸也提出了極高的要求,包括身份認(rèn)證管理、異常用戶檢測(cè)、個(gè)人隱私保護(hù)、安全機(jī)制的更新、信息加密等。

      目前在傳統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中經(jīng)常采用集中式管理機(jī)制,其具有的安全性較高,但對(duì)于龐大的車輛管理數(shù)量來(lái)說(shuō),同時(shí)也會(huì)造成時(shí)延的問(wèn)題;分布式管理機(jī)制相對(duì)較靈活,作為集中式的補(bǔ)充對(duì)LTE-V系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是個(gè)可行的解決方法。

      4 LTE-V技術(shù)的應(yīng)用探討

      LTE-V車路通信是車聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù),基于LTE-V的車聯(lián)網(wǎng),如圖6所示。其完成了車輛、行人、基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)互通,從而大大提高了交通的智慧化程度,可以在道路安全、交通管理、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)方面極大地提高交通的智能化程度。

      在道路安全方面,進(jìn)行道路維護(hù)提示、應(yīng)用車輛提示、路口碰撞提示、靜止車輛提示、變道輔助、預(yù)碰撞提示、前向碰撞提示、信號(hào)燈提示等應(yīng)用。

      在交通管理方面,進(jìn)行車輛輔助或自動(dòng)駕駛、交通燈協(xié)同控制、黑點(diǎn)提示、保險(xiǎn)服務(wù)、交通檢測(cè)、車隊(duì)管理、路口管理等。

      在網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)方面,提供地圖更新、多媒體娛樂(lè)、生活服務(wù)導(dǎo)航等應(yīng)用;另外基于其低時(shí)延、安全性高的特點(diǎn),同樣可以應(yīng)用于電子收費(fèi)領(lǐng)域,尤其是高速公路電子不停車收費(fèi)。

      車路通信技術(shù)是自動(dòng)駕駛的有力保障。自動(dòng)駕駛技術(shù)由兩部分組成:自主式車載探測(cè)系統(tǒng)和車路通信聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。通常在一定的視距范圍、反應(yīng)時(shí)間較短的情況下,自主式車載探測(cè)系統(tǒng)可以做到靈活、及時(shí)、識(shí)別多樣化等要求;而在非視距范圍及反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)的情況下,車路通信聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)則更具優(yōu)勢(shì),可以提前做到識(shí)別前方交通情況。兩者各有所長(zhǎng),互相補(bǔ)充形成完善的自動(dòng)駕駛技術(shù)。

      5 結(jié)束語(yǔ)

      LTE-V車路通信是實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)的重要技術(shù),由于LTE-V起步較晚,目前LTE-V相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)尚未發(fā)布,多項(xiàng)相關(guān)工作和議程尚處論證之中。從標(biāo)準(zhǔn)、芯片、硬件廠商、運(yùn)營(yíng)等方面尚未形成成熟的產(chǎn)業(yè)鏈,尚需各方共同努力,快速穩(wěn)步推進(jìn),實(shí)現(xiàn)互贏。

      本文對(duì)LTE-V現(xiàn)狀及內(nèi)容進(jìn)行了介紹,并對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析,綜合考慮通信可靠性、部署成本、持續(xù)演進(jìn)性、自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、信息安全等因素。根據(jù)我國(guó)公路存在覆蓋范圍廣且路網(wǎng)復(fù)雜的特點(diǎn),在很大程度上可以預(yù)見未來(lái)LTE-V較適合我國(guó)的國(guó)情,同時(shí)也是我國(guó)信息工業(yè)和汽車工業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展的一個(gè)良機(jī)。隨著技術(shù)的發(fā)展和各方的大力推動(dòng),國(guó)家對(duì)“新一代寬帶無(wú)線移動(dòng)通信網(wǎng)”的推動(dòng),車輛智能網(wǎng)聯(lián)的新型交通模式即將實(shí)現(xiàn)。其技術(shù)兼容LTE網(wǎng)絡(luò),無(wú)需重新進(jìn)行選址、規(guī)劃、重新建設(shè)等,充分利用現(xiàn)有基站的基礎(chǔ)設(shè)施,大大降低了建設(shè)費(fèi)用。

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