V2X通信技术研究

Qingting88 2021-7-7

       随着车辆自动驾驶、半自动驾驶的深入应用，车辆的通信越来越成为车辆智能化的核心技术，可以说通过工业自动化的技术解决探测传感问题、通过图像处理及伪AI技术解决算法问题相对比较容易，解决通信问题就是具有一定难度的技术问题了，特别是高可靠、安全的V2X技术，我们在本文中探讨主要的几种v2X技术。

       我们说侠义的V2X叫做车联万物，而广义的V2X主要包含车车互联（V2V）、车与基础设施通信（V2I）、车云互联（V2C）、车网互联（V2N）、车人互联（V2P）。在这些概念里面，5G等技术的发展，高带宽、低延迟等特性可以解决部分的实时性和大容量数据的传输问题，但是对于V2V、V2P、V2I来说，高可靠、强实时的短距离通信还是必须的，特别是在无人驾驶领域走向批量化，车与车之间、车与人之间、车与路标及道路基础设施之间的通信非常重要。

       在重卡、物流车辆、工程机械、农用车辆、林业机械领域，V2V的通信更显重要，例如重卡，通过车辆与车辆之间的短距离互通，可以协调运输车队在道路上集群行进和跟车，后车提前预知前车的刹车及路况信息，根据戴姆勒公司的测算，可以节约10%的油耗；大型农场的联合作业，能用车辆摆脱过去人工驾驶联合采收系统，通过无人联采，设备与设备之间的相互交互，可以提高采集效率30%以上。

       第一种常见的V2V通信技术是C-V2V（Cellular Vehicle-to-Everything）技术，典型的就是LTE-V，通过蜂窝移动通信技术实现短距离点对点的通信，点对点通信可以借助基站（LTE-VC）、也可以不借助基站（LTE-VD）。C-V2V的优势在于可以借用现有的蜂窝移动基站基础设备，快速实现车间互联。

       基于蜂窝技术及固有基站的调度，可以极大提高通信的安全性和可靠性，极少的基础设施的投入也大大降低了系统成本，5G的深化应用对于该技术的助推更是不可限量。

       技术指标上，LTE-VC的标准通信指标：

       通信传输带宽：100M

       峰值通信速率：上行500M/下行1G

       用户通信延时：<10ms

       最大车速支持：500Km/h

       通信距离覆盖范围：基站覆盖范围

       目前包括大唐、华为、移远等都在推出成熟的LTE-V的SOC级解决方案，随着成熟的技术应用，应用范围和推广力度将越来越大。

       LTE-V是4.5G的通信技术，可平滑过渡到5G。其关键技术包括：

1. MiMo多天线技术  

上图是典型的MIMO多天线系统，系统难度最大的是多天线发射的互相干扰，高速数据传输时接收的时序差异还原问题。根据 香农天线极限容量公式，单天线和B信道带宽成正比，和信噪比成对数关系，多天线分集作用可以极大的减小噪声，提高信噪比，影响对数部分。这是因为多天线发射后，接收端可以获得信号相干的合成信号，合成信号的信噪比得到增加，保持接收信号不变情况下，可以变相的降低发射功率。由于多天线空中路径不同，导致多天线技术可以极大的降低多径干扰，大大提高空间复用增益。

1. OFDM频分复用技术

        该技术时LTE-V的关键技术，可以在频带利用率上获得最大的利用率，并且提高通信可靠性。OFDM将信道分离成多个正交子信道，将高速信号分割成若干低速子数据流，并分别调制到正交子信道上。

在发射端，首先对比特流进行QAM或QPSK调制，然后依次经过串并变换和IFFT变换，再将并行数据转化为串行数据，加上保护间隔（又称“循环前缀”），形成OFDM码元。在组帧时，须加入同步序列和信道估计序列，以便接收端进行突发检测、同步和信道估计，最后输出正交的基带信号。

        当接收机检测到信号到达时，首先进行同步和信道估计。当完成时间同步、小数倍频偏估计和纠正后，经过FFT变换，进行整数倍频偏估计和纠正，此时得到的数据是QAM或QPSK的已调数据。对该数据进行相应的解调，就可得到比特流。下图是经典的OFDM数据流图：

需要特别指出的是LTE-V的同步机制，基站的存在可以提供时间同步，GNSS的差分信号同步，甚至包括e-Node同步等多种时间、位置同步方式。

       第二种常见的V2V技术标准是DSRC技术，DSRC是最早的应用技术，它基于802.11P和1609.x标准，包含很多种常见的通信方法。其频带位于5.9G的75M带宽范围内。相关的带宽分布范围如下：

5.850G							5.925G
保留	CH172	CH174	CH176	CH178	CH180	CH182	CH184
5M	服务 安全	服务	服务	控制	服务	服务	服务 安全

       其中车辆的安全信息在CH172信道种进行交互，交互频率伪50~100ms，紧急信息在CH184信道。具体信息做了具体的规定，以车辆安全信息为例：

       每一条基础安全信息都包含两部分信息。第一部分信息是强制性信息，包括位置、速度、方向、角度、加速度、制动系统状态和车辆尺寸。第二部分是可选信息，例如防抱死系统状态、历史路径、传感器数据、方向盘状态等。

       相比较而言，DSRC技术只能和LTE-VD进行比较，根本与LTE-VC无法比较。因为后者优势太大。但是虽然有带宽低、速率低等问题，但是DSRC也有其优点，那就是点对点的通信确定性、应用的成熟性也远远高于LTE-V。

       第三种是多种通信技术的合集：除了LTE-V和DSRC技术外，常见的还有一些其他的技术在V2X种得到应用，但是这些技术是V2V通信技术框架外的重要补充，包括Wifi、Wifi-Mesh、Zigbee、蓝牙、UWB（无线载波）、NB-IOT（窄网通信）、NFC等。

       这些技术相对比较成熟，具有一定的特点，应用极为广泛，可以快速构建V2V通信，但是缺点很明显，由于其通用性，导致通信的可靠性、安全存在很大问题，部分通信方式适合民用，但是在交通、工业等场合抗干扰性差、通信安全性差的缺点也是很明显的。部分技术具有一定的专用性，例如UWB技术由于频带复用问题更多的用于局部的定位，而非通信。

        最后，还有一些通信在特种行业的应用，例如机场通信、例如工业或者建筑现场等，他们或者使用特定专用频段如172M频段，或者使用公用无线窄带频段433M等，主要用于短距离、低速、安全等场合的特定需求通信，相关的模块或者应用产品非常多，特点是特定通信方式下，例如钢厂、建筑工地等，特点是可靠性超强、通信速率低。

       在实际应用的时候，目前V2V的国家标准和国际标准越来越明确，可以采用成熟的SOC模块或者具备相关无线通信技术的V2X产品，直接使用，同时配合其他的技术包括GNSS、室内定位、超短近距离通信的传感（如防碰撞）、光通信（激光、毫米波感知模块等）综合使用，这些技术相对成熟稳定，只要不是在强干扰和环境工况条件要求很高的场合使用，综合起来可以实现包括无人化、车辆的自动识别和集群调度的应用。

       但是安全和高可靠的批量化应用，需要国际标准的真正成熟，特别是空频的干扰和安全保证，高速运动状态下的通信强可靠，自动驾驶、集群自动、人工干预的强逻辑标准形成前，完美的可实用化量产系统，按照国际相关组织的推断，在2025年~2030年左右将出现特定场景下的高可靠强逻辑系统，这取决于高通、华为这些企业的探索以及SOC化的深入。

       我们拭目以待。