IEEE802.11p將先于LTE-V2V用于安全應用

　　3 成本因素

　　3.1 無法重復使用標準LTE調制解調器

　　標準LTE調制解調器芯片級只解碼從基站接收到的每個傳輸時間間隔單個的傳輸。在LTE-V2X中，除了解碼基站數據外，芯片組還要求解碼每個傳輸時間間隔并發的多個傳輸(來自不同的用戶)，因此需要增加數量較多的硬件。標準LTE調制解調器無法重復使用，因為LTE-V2X中的波形和信號格式有別于標準LTE。

　　另外還要增加一個5.9GHz無線鏈，以及穩定的GNSS同步時鐘源，見章節2.1。

　　從成本方面考慮，LTE-V2X和IEEE802.11p系統只有調制解調器和時鐘源方面有區別，而更高的層、人機界面以及安全用例等方面都是相同的。實際上，IEEE802.11p調制解調器并不比在蜂窩芯片組旁邊增加LTE-V2X產生的額外成本貴，因為LTE-V2X時鐘源和認證成本的影響也很大(AEC-Q100對蜂窩芯片級成本的影響)。因此，即使沒有域隔離，LTE-V2X也不比IEEE802.11p便宜。

　　3.2 時序和時鐘精度

　　LTE-V2X對精確同步的額外敏感意味著不切實際的參考時鐘，見表3，因為時鐘源的精度與性能和魯棒性有關。對時鐘元件在高溫以及高應力下的溫漂以及頻率穩定度的苛刻要求, 最終會造成成本上升。

　　對IEEE802.11p來說，精度要求幾乎與常用的WLAN設備沒有什么差別，因此同步精度要求不會影響IEEE802.11p系統的成本。

　　即使GNSS覆蓋信號暫時比較弱，LTE-V2X應該也能長時間保持相同的精度水平。當LTE-V2X不能依賴GNSS、而且找不到另外一個與GNSS(間接或直接)同步的用戶時，LTE-V2X系統仍必須以規定的0.1ppm頻率精度產生和發送V2X消息。汽車要滿足這個精度要求是不現實的，因為相關的元器件會非常昂貴。這個精度等級今天只保留給了宏基站(宏eNB)，這種基站集成有高端振蕩器，但這種振蕩器決不是用于消費終端的，也無法承受大的溫度變化，且容易受汽車振動和加速的影響。

　　3.3 摩托車/電動自行車：對這些最易受傷害的道路用戶來說沒有蜂窩調制解調器障礙

　　沒有標準LTE調制解調器的LTE-V2X成本甚至更高，比IEEE802.11p明顯高很多。蜂窩調制解調器在摩托車和電動自行車中不常見，因為eCall法規不適用于摩托車。因此LTE-V2X成本對相對低成本的摩托車的影響是個障礙。

　　由于摩托車的高機動性，所以摩托車的定位是一個很大的挑戰。GNSS和V2X天線必須謹慎放置，不應該受智能手機的未知位置、方向和屏蔽套的影響。因此使用智能手機支持V2X應用不是一種合適的方法。對極度需要V2X保護的摩托車駕駛人來說IEEE802.11p是一種最經濟的主動安全方案。

　　4 成熟性和未來展望

　　4.1取樣汽車周期

　　汽車市場的發展步伐與蜂窩市場有很大的不同。一部移動手機通常三年就要更換了，而一輛汽車可能要用15到30年，并且要求在這個時間跨度內可靠的工作。因此技術必須成熟，且經過全面的驗證。發生故障時的召回具有嚴重的后果，因為召回一輛汽車與召回一部智能手機所造成的影響是不同的。

　　基于這個理由，在可靠性、壽命和工作條件等方面對汽車元器件提出了廣泛的質量措施，以確保低的淘汰率(一般小于1ppm)。這些措施不僅涵蓋設計周期，還涵蓋了測試和認證。

　　由于V2X在(半)自動駕駛中是必不可少的，我們希望它至少經認證能用在ASIL-B或更高安全等級的系統中，能與AEC-Q100(基于故障機制的應力測試認證)、IEC62132(EMC免疫)和ISO26262(功能性安全認證)平起平坐。網絡安全是安全性技術的另外一個重要方面。整個系統應該是安全的，并且有兩個子模塊(HSM和網關)應該得到認證。在時間和設備方面的相關投資會超出蜂窩消費產品投資的正常范圍。設計方法是不同的：蜂窩移動通信行業愿意作出這類投資嗎?

　　4.2 未來發展和后向兼容問題

　　4.2.1 LTE-V2X

　　在總結Rel-14 LTE-V2X(“階段1”) 8的同時，3GPP已經在研究LTE-V2X Rel-15(“階段2”)的未來增強特性，該版本有望作為2018年12月規范的一部分發布。Rel-15增強版覆蓋的主要目標有9：

　　? 載波匯聚(多達8個PC5載波)

　　? 64-QAM技術

　　? 研究縮短傳輸時間間隔(<1 ms)的好處和可行性

　　? 研究傳送分集的好處和可行性

　　這些目標并不是用來解決本文提出的根本性挑戰。

　　在Rel-15中引入新的增強功能的主要問題之一是處理V2X消息的后向和前向兼容性。如果3GPP規范不能滿足這個要求，就沒有推出Rel-14 V2X的積極性了，因為大家知道Rel-14是一種到達盡頭的技術。然而，這種要求離滿足還有很大距離，因為Rel-15技術性規范還沒有準備好。

　　4.2.2 IEEE802.11p

　　IEEE組織正在持續發展和改進802.11“WiFi”無線局域網系列標準。所有的WiFi系列規范(“a”, “ac”, “n”, “p”等待)都收集在一個文檔中。這樣的文檔就是正式的IEEE 802.11標準，最新版發布于2016年10。

　　我們可以發現，在V2X瞄準的應用方面，IEEE比3GPP大約領先8年的時間。第一個版本(“802.11p”)從2010年就開始進行了廣泛的測試，對V2X來說如今已經是一種非常安全、成熟且可靠的技術。

　　在豐富經驗的基礎上，人們還在繼續改進802.11p標準。新版本目前命名為“802.11px”[18]。改進的地方包括使用最新的802.11“n”和“ac”技術，比如用于信道編碼的低密度奇偶檢驗(LDPC)、MIMO/天線分集以及改進的OFDM導頻版圖等。

　　為了充分利用過去十年來所有的發展和現場試驗成果，802.11p用戶很可能后向兼容802.11px，因為它一直兼容其它802.11系列標準。如此看來，802.11px自然而然會是802.11p標準的子集。這將確保兩種技術之間的平滑過渡，同時在802.11px推出之后仍能保持802.11p標準的強大吸引力。

　　4.3 蜂窩技術的推廣進程回顧

　　從過去歷代蜂窩技術的推廣進程來看，在與新的蜂窩技術推出相關的時間表方面，從第一個技術性報告規范發布到真正批量部署通常要花5到6年的時間[4]。舉例來說，LTE從第一版規范發布(2007年10月發布版本8.0)到達到1億以上用戶(2012年底)就用了5到6年的時間。

　　我們記得至今為止(2017年6月)，Rel-14 V2X規范還沒有完全固定下來，仍然在進行技術性修正，因此很讓人疑惑基于LTE的V2X究竟何時才能被認為技術上面成熟、可以被廣泛采納并可以大批量部署，這可能未來還需多年才能最終確定。

　　LTE-V2X仍舊在持續變化。本文僅根據當前已經發布的內容,涉及到的某些問題可能在未來找到解決的方法,但這些基于未來方案的假設也意味著LTE-V2X技術的落地需要被繼續推遲。

　　對于基于LTE技術的LTE-V2X而言, 未來還將受到新發布的5G新無線技術(NR)的嚴重威脅。今天，3GPP正在推進第一版5G NR盡快發布。5G將為V2X提出另外一種解決方案(V2X階段3，或eV2X)，但這種解決方案只能在第二版5G NR下實現。因此汽車行業可能沒有意愿去采用一種我們已經知道很快要被5G淘汰的技術(LTE Rel-14)。

　　4.4 混合方案

　　混合方法可以整合每種技術的優點而產生一個更為完整更有希望的解決方案。例如IEEE802.11p在安全消息方面比LTE-V2X更強。另一方面，蜂窩網絡可以在車輛之間以及車輛與云端之間提供更長距離的連接。

　　目前還缺少定義IEEE802.11p和蜂窩之間互連工作的標準化活動。在3GPP中增加這項工作有助于引入雙方的最強項，提高蜂窩連接向汽車中的滲透率。

　　5GAA建議將獨立的10MHz信道分配給這兩種技術[4]。然而，LTE-V2X發射機會使IEEE802.11p接收機致盲，反之亦然。

　　另外，5GAA建議(在申請使用5.9GHz的ITS專用頻段的申請書中提到)將產生危險的先例，因為其它新技術可能利用這種理由申請頻段資源而不考慮對現有安全關鍵網絡所帶來的標準碎片化負面影響。

　　兩種技術應該以積極主動的方式共存，比如通過定義一種通用的方式訪問可用資源。由于IEEE802.11p已經在市場中得到部署，因此LTE-V2X可以簡單地部署與IEEE802.11p相同的MAC，即基于CSMA-CA協議的MAC。

　　5 本文小結

　　目前推薦的LTE-V2X是蜂窩技術滿足安全關鍵要求的重要一步，但它還沒有達到IEEE802.11p的性能等級，IEEE802.11p在未來多年仍將是作為在道路上挽救生命的關鍵通信技術的唯一選擇。

　　對適用于V2X應用的IEEE802.11p和LTE-V2X的詳細技術性觀察進一步確認了它們的互補特性。

　　在有網絡的情況下，LTE-V2X可以利用蜂窩領域中多年的創新成果為V2I和I2V服務提供有效的替代方案。IEEE802.11p也覆蓋V2I和I2V，但效率較低些。

　　在沒有網絡的情況下，由于需要保持與LTE中相同的符號結構和相似的幀結構，LTE-V2X會有很大的問題。IEEE802.11p在魯棒性和效率方面表現更好。

　　安全關鍵和挽救生命的應用仍然是汽車到汽車通信的核心部分，因此它必須能夠在缺少網絡的情況下有效的工作。

　　參考文獻

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