為了爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)道路零事故之目標(biāo)，交通運(yùn)輸系統(tǒng)中內(nèi)建的智慧系統(tǒng)需要能夠以最小延遲共用各種交通訊息。人工駕駛員輔助以當(dāng)今汽車安全系統(tǒng)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了歷史性的低死亡人數(shù)。在2001年至2017年間，歐盟道路死亡人數(shù)下降了57.5％。儘管高速公路由於交通事故而導(dǎo)致出現(xiàn)大量交通雍堵和沮喪情緒，但如果計(jì)算每天發(fā)生的交通事故數(shù)量，實(shí)際上大多數(shù)仍然發(fā)生在農(nóng)村道路和城市地區(qū)（分別為55％和37％）。但是，無(wú)論駕駛員狀態(tài)如何出色，視覺(jué)條件差、各種交通方式混合以及不可見(jiàn)障礙等仍然是面臨的主要挑戰(zhàn)。

在世界範(fàn)圍內(nèi)，已經(jīng)研發(fā)和推廣了一系列協(xié)作式智慧運(yùn)輸系統(tǒng)（C-ITS）。這些技術(shù)的目的是實(shí)現(xiàn)感知共用，道路使用者能夠意識(shí)到他們可能看不到的道路狀況。顯然，這種技術(shù)需要仰仗無(wú)線和行動(dòng)通訊來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，它還需要考慮其他道路使用者，例如行人和自行車手。此外，並非所有區(qū)域都已被現(xiàn)有的無(wú)線和行動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施充分覆蓋，那麼C-ITS用戶在這種情形下該如何相互通訊？

利用現(xiàn)有行動(dòng)技術(shù)提高安全性

自2017年以來(lái)，已有一系列新功能包括在3GPP-LTE Release 14行動(dòng)通訊標(biāo)準(zhǔn)中，它們統(tǒng)稱為Cellular-V2X Service（C-V2X），其中描述了支援現(xiàn)有LTE蜂巢網(wǎng)路的技術(shù)如何用於C-ITS。相應(yīng)技術(shù)規(guī)格小組（TSG）進(jìn)行的工作確定了三類應(yīng)用：道路安全、交通效率和其他應(yīng)用。

透過(guò)對(duì)這些應(yīng)用類別的分析有助於理解支援它們的C-V2X之技術(shù)要求。例如，道路安全包括了諸如前向防撞警告，或接近緊急車輛之類的用例，這些都需要充分及時(shí)的服務(wù)，傳輸可靠性和低延遲時(shí)間。

交通效率包括綠燈最佳速度諮詢（GLOSA）之類功能，這些對(duì)資料傳輸?shù)囊筝^低。其他潛在應(yīng)用包括自動(dòng)泊車，共用可用車位，以及汽車OEM向其客戶提供的獨(dú)特服務(wù)等，這裡都需要一些功能，以使認(rèn)證方能夠設(shè)置應(yīng)用伺服器來(lái)處理C-V2X資料請(qǐng)求，並對(duì)其進(jìn)行回應(yīng)。

使用現(xiàn)有LTE蜂巢網(wǎng)路透過(guò)車對(duì)網(wǎng)路（V2N）與此類應(yīng)用伺服器進(jìn)行通訊是很合理的途徑（圖1），為此目的而設(shè)計(jì)的路側(cè)設(shè)備（RSU）用於處理交通狀況資料收集，也可以經(jīng)由車輛到基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)（V2I）透過(guò)LTE共用這些資料。

然而，透過(guò)蜂巢網(wǎng)路傳遞資料所固有的延遲對(duì)於快速行動(dòng)的道路使用者而言並不足夠方便。 在隧道或農(nóng)村地區(qū)，LTE覆蓋範(fàn)圍有限或沒(méi)有LTE覆蓋，這種情形特別需要考慮。因此，對(duì)於車輛之間（車輛到車輛，V2V）和車輛到行人（V2P）之間的通訊，以及某些V2I應(yīng)用，必須能夠在沒(méi)有蜂巢網(wǎng)路支援情形下完成。此外，與道路安全有關(guān)的資料接收和發(fā)送不應(yīng)限於特定的行動(dòng)網(wǎng)路營(yíng)運(yùn)商，透過(guò)允許資料傳輸而無(wú)需在行動(dòng)網(wǎng)路運(yùn)營(yíng)商註冊(cè)，C-V2X能夠?qū)崿F(xiàn)此目的。

圖1 : LTE V2X定義了四種通訊服務(wù)。

在3GPP-LTE Release 14中，直接的V2V、V2I和V2P通訊是透過(guò)使用PC5介面處理。在沒(méi)有任何行動(dòng)網(wǎng)路基礎(chǔ)設(shè)施支援，包括處在蜂巢網(wǎng)路覆蓋範(fàn)圍內(nèi)但無(wú)網(wǎng)路以及在覆蓋範(fàn)圍之外情形，此類ad hoc網(wǎng)路仍可能運(yùn)作。

在C-V2X方案中處理同步

在有網(wǎng)路覆蓋情形，具有C-V2X的車輛在蜂巢網(wǎng)路上進(jìn)行通訊時(shí)，能夠?qū)⑵鋾r(shí)脈與Evolved NodeB (eNB)基礎(chǔ)設(shè)施同步（圖2），這對(duì)於最小化時(shí)分多址（TDMA）和頻分多址（FDMA）系統(tǒng)上的符號(hào)間干擾（ISI）至關(guān)重要。對(duì)於無(wú)法瀏覽eNB之情形，網(wǎng)路覆蓋範(fàn)圍之外的通訊需要其他替代同步機(jī)構(gòu)。

圖2 : 覆蓋範(fàn)圍之外應(yīng)用場(chǎng)景中的時(shí)脈同步要求C-V2X節(jié)點(diǎn)使用其他替代資源，例如間接來(lái)自eNB（上方）、GNSS（左下方）或其他C-V2X道路使用者（右下方）。

在這種情形下，該標(biāo)準(zhǔn)按優(yōu)先順序提供了幾個(gè)同步源。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）就是這樣其中一個(gè)同步源，可以直接透過(guò)車輛內(nèi)部系統(tǒng)使用，也可以透過(guò)V2V或V2I連接到車輛，或者使用GNSS進(jìn)行自身同步等間接方式。間接同步也可以透過(guò)連接到eNB的C-V2X設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果這種方式失效，車輛可以簡(jiǎn)單地彼此同步。

PC5通訊協(xié)定和通道

為了維持PC5通訊，定義了兩個(gè)協(xié)定堆疊。與使用者層面相關(guān)的協(xié)定堆疊能夠?yàn)閂2X應(yīng)用提供一種相互交換使用者資料方法，而控制層面則提供通訊服務(wù)，來(lái)承載控制資料（圖3）。

PHY在無(wú)線電頻段47上的5.9 GHz頻率，利用10MHz或20MHz頻寬在側(cè)鏈（sidelink）上傳輸資料，全球監(jiān)管機(jī)構(gòu)已將其免於C-ITS通訊許可。在中國(guó)，只有C-V2X技術(shù)才被允許，而歐洲在技術(shù)上保持中立。在美國(guó)，已經(jīng)向FCC提交了申請(qǐng)，要求允許C-V2X在專用短程通訊（DSRC）目前使用的頻譜中運(yùn)作。

媒體存取控制（MAC）層處理資料分組調(diào)度和資源選擇。該層中的分組資料過(guò)濾可確保僅將用於此特定V2X設(shè)備的協(xié)定資料傳送到上層。混合自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求（HARQ）協(xié)定也在此處實(shí)現(xiàn)。

無(wú)線鏈路控制（RLC）層處理服務(wù)資料按順序傳送，以及它們的分段和重組。最後，分組資料彙聚協(xié)定（PDCP）子層將3GPP無(wú)線瀏覽協(xié)定層與C-ITS應(yīng)用相關(guān)協(xié)定層分開(kāi)。對(duì)非IP資料支援對(duì)於支援C-ITS應(yīng)用至關(guān)重要，並且從Release 14開(kāi)始已經(jīng)含括在其中。

控制層面中的另一個(gè)層，即無(wú)線資源控制（RRC）子層，用來(lái)處理廣播通訊服務(wù)，它們負(fù)責(zé)管理通訊，配置協(xié)定服務(wù)並調(diào)整無(wú)線電參數(shù)。

透過(guò)使用稱之為區(qū)域的概念，車輛的緯度和經(jīng)度訊息用於確保接收到的無(wú)線電訊號(hào)保持在可接受範(fàn)圍內(nèi)，以避免可能出現(xiàn)飽和，即所謂遠(yuǎn)近效應(yīng)，並提高了訊號(hào)與干擾和雜訊比（SINR），足以對(duì)無(wú)線電訊號(hào)進(jìn)行解碼。

圖3 : 使用者層面（上方）和控制層面（下方）中的協(xié)定堆疊。

MAC子層向RLC子層提供了兩個(gè)邏輯通訊通道，用於C-V2X通訊。第一個(gè)是邊連結(jié)廣播控制通道（SBCCH），用於處理控制層面消息。第二個(gè)是邊連結(jié)業(yè)務(wù)通道（STCH），用於處理使用者層面消息，這些映射到兩個(gè)傳輸通道。側(cè)鏈廣播通道（SL-BCH）攜帶高層控制資料並映射到SBCCH。對(duì)於使用者資料，側(cè)鏈共用通道（SL-SCH）映射到STCH。

由於附近還可能有其他C-V2X設(shè)備，以自動(dòng)資源選擇模式（稱為傳輸模式4，TM4）運(yùn)作可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備受到干擾。為了解決這個(gè)問(wèn)題，SL-SCH利用HARQ進(jìn)行最多一次使用者資料的重傳。這種能力不適用於攜帶SL-BCH的控制資料。

在PHY處，這些傳輸層進(jìn)一步映射到物理通道，其中SL-SCH映射到物理側(cè)鏈路共用通道（PSSCH），而SL-BCH映射到物理側(cè)鏈路廣播通道（PSBCH）。與控制層面處理時(shí)間和頻率資源配置相關(guān)聯(lián)的控制訊息在物理側(cè)鏈控制通道上傳輸，這些控制訊息透過(guò)使用牢固的正交相移鍵控（QPSK）傳輸，相比之下，PSSCH上的使用者資料則使用QPSK和16階正交幅度調(diào)變（16QAM）。

圖4 : 1ms PC5子幀使用四個(gè)段用於解調(diào)參考符號(hào)，能夠有效應(yīng)對(duì)Doppler頻移帶來(lái)的挑戰(zhàn)。

PC5通訊還採(cǎi)用LTE的常規(guī)1ms子幀架構(gòu)，每個(gè)子幀有14個(gè)單載波頻分多址（SC-FDMA）符號(hào)，其中四個(gè)被分配給解調(diào)參考符號(hào)（DMRS）（圖4）。這些彌補(bǔ)了C-V2X通訊中預(yù)期出現(xiàn)的Doppler頻移帶來(lái)的挑戰(zhàn)。

面向未來(lái)的V2X測(cè)試處理

由於C-V2X和C-ITS通訊協(xié)定以及與道路安全相關(guān)應(yīng)用之複雜性，再加上行動(dòng)V2X節(jié)點(diǎn)面臨的環(huán)境因素，在各種條件下進(jìn)行仔細(xì)的測(cè)試對(duì)於確保相容、可交互操作解決方案至關(guān)重要。 R&S?CMW500等現(xiàn)有LTE技術(shù)測(cè)試和量測(cè)解決方案是C-V2X測(cè)試之理想選擇（圖5），這款寬頻無(wú)線電測(cè)試儀能夠支援從靜態(tài)協(xié)定一致性到動(dòng)態(tài)條件下操作的所有測(cè)試，例如衰減和訊號(hào)反射影響等等。它還支援從3GPP LTE-V2X無(wú)線電訪問(wèn)協(xié)定到中國(guó)、歐洲和美國(guó)等區(qū)域性C-ITS應(yīng)用完整堆疊，這也是全球認(rèn)證論壇（GCF）批準(zhǔn)之首個(gè)C-V2X測(cè)試解決方案。可以使用R&S?SMBV100B訊號(hào)產(chǎn)生器來(lái)模擬GNSS，其中軟體API允許使用自行開(kāi)發(fā)和協(xié)力廠商工具將這些硬體測(cè)試工具整合到範(fàn)圍廣泛的自動(dòng)化測(cè)試環(huán)境，都可以執(zhí)行測(cè)試套件或長(zhǎng)期測(cè)試。

圖5 : CMW500和SMBV100B組合是V2X應(yīng)用之理想測(cè)試平臺(tái)。

在可預(yù)見(jiàn)將來(lái)，用於基本安全應(yīng)用的直接C-V2X PC5（稱為第一階段）將仰仗LTE Release 14進(jìn)行通訊，尤其是在網(wǎng)路覆蓋範(fàn)圍之外的情形。在C-V2X推出第二階段，Release 15將包含LTE增強(qiáng)型V2X（eV2X）。Release 15計(jì)畫於2019年發(fā)佈，將增加對(duì)協(xié)作感知等C-ITS應(yīng)用支援。作為3GPP Release 16一部分，預(yù)計(jì)在第三階段將對(duì)5G新無(wú)線電（NR）概念的支援進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，這對(duì)於開(kāi)發(fā)特定應(yīng)用的汽車工程師而言，現(xiàn)有測(cè)試和量測(cè)投資將能夠在未來(lái)幾年內(nèi)繼續(xù)滿足他們的需求。

（本文作者Holger Rosier為Rohde & Schwarz公司技術(shù)經(jīng)理）

參考文獻(xiàn)

[1] http://www.europarl.europa.eu/news/en/headlines/society/20190410STO36615/road-fatality-statistics-in-the-eu-infographic