IEEE802.11p將先于LTE-V2V用于安全應(yīng)用

　　車(chē)到車(chē)通信正在顯著吸引人們的注意力，因?yàn)樗軜O大地減少道路交通事故，改善移動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)高層次的汽車(chē)自動(dòng)化。支持安全關(guān)鍵應(yīng)用是車(chē)到車(chē)通信的核心，多年來(lái)，V2X選擇的技術(shù)一直是IEEE802.11p。最近，在移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP的積極推進(jìn)下，一種旨在滿足V2X應(yīng)用的新標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)始啟動(dòng)。由于成千上萬(wàn)的道路使用者的安全將取決于這些技術(shù)的性能，因此對(duì)它們進(jìn)行對(duì)比就顯得相當(dāng)重要。

　　在比較IEEE802.11p和LTE-V2X之前有幾個(gè)重要的相關(guān)事實(shí)需要強(qiáng)調(diào)：

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

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

　　?V2V NPRM已經(jīng)發(fā)布[1]。說(shuō)明美國(guó)政府有明確意向要全面推進(jìn)IEEE802.11p的部署工作, 也說(shuō)明IEEE802.11p技術(shù)已可滿足安全性需求并且通過(guò)了測(cè)試驗(yàn)收。

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

　　蜂窩領(lǐng)域一直在鼓吹v2x的部署應(yīng)該等到蜂窩技術(shù)準(zhǔn)備好并通過(guò)測(cè)試，而全然無(wú)視在驗(yàn)證IEEE802.11p對(duì)安全關(guān)鍵應(yīng)用的適用性方面作出的投資和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作。更具體地說(shuō)，蜂窩領(lǐng)域聲稱LTE-V2X可以提供：

　　?強(qiáng)大的蜂窩生態(tài)系統(tǒng)。該系統(tǒng)借助多年來(lái)的豐富經(jīng)驗(yàn)可以向全球提供付費(fèi)服務(wù)和成熟的技術(shù)。雖然這是正確論點(diǎn)，但它指的是采用蜂窩技術(shù)的娛樂(lè)服務(wù)。而設(shè)備與基站之間的通信與處于動(dòng)態(tài)環(huán)境中的設(shè)備與設(shè)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(guò)了LTE-V2X;

　　?最小的附加成本。這是有問(wèn)題的，因?yàn)閷?duì)安全關(guān)鍵應(yīng)用的支持強(qiáng)烈地表明需要將這些技術(shù)與娛樂(lè)軟硬件分離開(kāi)來(lái)。因此，LTE-V2X很可能在物理上與蜂窩調(diào)制解調(diào)器分離;

　　?演進(jìn)路線圖和未來(lái)不會(huì)過(guò)時(shí)的技術(shù)，因?yàn)橥ㄟ^(guò)3GPP會(huì)議的全面測(cè)試機(jī)制可以持續(xù)地改進(jìn)這種技術(shù)。雖然這也許是真的，但每隔12到15個(gè)月升級(jí)一次標(biāo)準(zhǔn)并不能保證舊汽車(chē)能夠與新汽車(chē)通信。這與創(chuàng)建一個(gè)穩(wěn)定通用的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)來(lái)推動(dòng)V2X技術(shù)成功的需求是背道而馳的。

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

　　從技術(shù)上講，LTE-V2X在沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的情況下會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。它有嚴(yán)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(jī)制無(wú)法正確處理具有不同長(zhǎng)度的消息(章節(jié)2.5)，而多用戶訪問(wèn)機(jī)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(shè)計(jì)也會(huì)導(dǎo)致更高的開(kāi)銷(xiāo)(章節(jié)2.7和2.8)。

　　在商用方面，LTE-V2X無(wú)法利用汽車(chē)中已有的標(biāo)準(zhǔn)LTE調(diào)制解調(diào)器。不同的安全要求(章節(jié)2.10)和技術(shù)需求(章節(jié)4.1)強(qiáng)烈建議LTE-V2X的安全關(guān)鍵域要與標(biāo)準(zhǔn)LTE調(diào)制解調(diào)器的娛樂(lè)域分離開(kāi)來(lái)。嚴(yán)格的同步要求(章節(jié)3.2)也會(huì)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(guān)鍵應(yīng)用的最佳技術(shù)，因?yàn)槠涓轮芷诓荒芷ヅ淦?chē)的開(kāi)發(fā)周期(章節(jié)4.1)。雖然當(dāng)前版本的LTE-V2X還沒(méi)有完成現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，但3GPP組織已經(jīng)開(kāi)始開(kāi)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(chǎng)試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)測(cè)試安全關(guān)鍵應(yīng)用。

　　我們的結(jié)論是，IEEE802.11p技術(shù)是即使在沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)的情況下還能支持安全關(guān)鍵應(yīng)用的理想之選。如果有蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施，LTE-V2X是一種可行的替代方案，可以為娛樂(lè)服務(wù)提供更為成熟的生態(tài)系統(tǒng)。這種雙贏態(tài)勢(shì)要把重點(diǎn)放在每種技術(shù)的最強(qiáng)項(xiàng)上，共同努力提供最佳的車(chē)到車(chē)通信解決方案，并繼續(xù)為安全關(guān)鍵應(yīng)用部署IEEE802.11p，同時(shí)確保新的LTE-V2X技術(shù)能與之共存。

　　前沿

　　自從10年前推出以來(lái)，V2X選擇的技術(shù)一直是IEEE802.11p3，這種技術(shù)已經(jīng)完成了標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)和全面的測(cè)試。最近，一種面向V2X應(yīng)用的新標(biāo)準(zhǔn)正在移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP的推進(jìn)下開(kāi)始啟動(dòng)。成千上萬(wàn)道路使用者的安全將依賴于這些技術(shù)的性能;因此對(duì)政策制訂者、汽車(chē)制造商和更寬范圍的汽車(chē)生態(tài)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)首當(dāng)其沖的是要對(duì)這些技術(shù)進(jìn)行全面的比較。

　　1.1 V2X的功能目標(biāo)

　　通過(guò)一起工作和共享信息使得交通運(yùn)輸更安全、更環(huán)保和更有趣是極具吸引力的。與這個(gè)概念有關(guān)的技術(shù)——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(duì)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(guān)鍵技術(shù)是無(wú)線通信，覆蓋車(chē)到車(chē)(V2V)通信、汽車(chē)到摩托車(chē)(V2M)通信、汽車(chē)到基礎(chǔ)設(shè)施(V2I)通信以及基礎(chǔ)設(shè)施到汽車(chē)(I2V)通信。這些無(wú)線事務(wù)被總稱為汽車(chē)到萬(wàn)物或V2X通信。

　　V2X技術(shù)將支持許多與安全相關(guān)的、也可能與安全無(wú)關(guān)的C-ITS系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合。它需要在非常動(dòng)態(tài)的環(huán)境中可靠地工作，在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間具有相對(duì)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(guān)應(yīng)用中提供極低的延時(shí)。

　　1.2 IEEE802.11p

　　IEEE802.11p設(shè)計(jì)滿足每種V2X應(yīng)用要求和最嚴(yán)格的性能規(guī)范。1999年，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)在5.9GHz區(qū)段內(nèi)留出75MHz頻譜給了V2X。IEEE802.11p標(biāo)準(zhǔn)因此就工作在這個(gè)頻率范圍內(nèi)。

　　IEEE802.11p是IEEE802.11a(WiFi)的擴(kuò)展，工作在自組織網(wǎng)絡(luò)模式，不需要BSS(基本服務(wù)集，WiFi‘基站’)。它針對(duì)存在障礙物的移動(dòng)條件進(jìn)行了優(yōu)化，能夠處理因?yàn)橄鄬?duì)速度高達(dá)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I(xiàn)EEE802.11p的主要目標(biāo)是‘能夠看到轉(zhuǎn)角’(非視距，NLOS)，因?yàn)槠?chē)中沒(méi)有其它傳感器可以做到這一點(diǎn)。事實(shí)表明，借助世界最先進(jìn)的技術(shù)，作為目前商用化的現(xiàn)貨產(chǎn)品通常可達(dá)幾公里的更大范圍。當(dāng)IEEE802.11p多址訪問(wèn)機(jī)制(沖突避免的載波偵聽(tīng)多址訪問(wèn)協(xié)議，CSMA-CA協(xié)議)與分布式擁塞控制(DCC)結(jié)合在一起使用時(shí)可以高效地應(yīng)付高密度應(yīng)用場(chǎng)合。

　　標(biāo)準(zhǔn)化工作從10多年前就開(kāi)始了，最終草案是2009年批準(zhǔn)的，并且自從批準(zhǔn)后做了大量的測(cè)試和驗(yàn)證工作。simTD項(xiàng)目[8]是第一個(gè)大規(guī)模現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試項(xiàng)目，開(kāi)始于2009年，當(dāng)時(shí)使用了100多臺(tái)汽車(chē)。從那時(shí)開(kāi)始到現(xiàn)在，完成商用化IEEE802.11p產(chǎn)品的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)項(xiàng)目有幾十個(gè)，而且還有許多仍在進(jìn)行著。參考文獻(xiàn)[8-13]就提到了其中的一些項(xiàng)目。最大的IEEE802.11p先導(dǎo)項(xiàng)目之一是由USDOT(懷俄明州，坦帕和紐約市)資助的，包含超過(guò)一萬(wàn)多輛實(shí)現(xiàn)了各種應(yīng)用的汽車(chē)，投資總額超過(guò)4500萬(wàn)美元[13]。巨大投資用于保證這種技術(shù)的質(zhì)量和可靠性。

　　多家半導(dǎo)體公司設(shè)計(jì)和測(cè)試了通過(guò)汽車(chē)資格認(rèn)證的IEEE802.11p兼容產(chǎn)品。多家供應(yīng)商可以提供大量的硬件和軟件產(chǎn)品，從而組成了一個(gè)豐富的生態(tài)系統(tǒng)。市場(chǎng)上有許多型號(hào)汽車(chē)采用了IEEE802.11p技術(shù)，還有其它型號(hào)汽車(chē)正計(jì)劃很快發(fā)布，比如：

　　?通用的凱迪拉克CTS汽車(chē)裝備有IEEE802.11p4;

　　?豐田在日本國(guó)內(nèi)就有接近10萬(wàn)輛汽車(chē)裝備有IEEE802.11p;

　　?大眾選擇了IEEE802.11p技術(shù)來(lái)支持V2X應(yīng)用5。

　　USDOT宣布，根據(jù)收集到的證據(jù)證明，IEEE802.11p技術(shù)可以顯著減少道路上的碰撞事故數(shù)量。專家們預(yù)期USDOT即將進(jìn)入能夠?yàn)榱税踩鴱?qiáng)制要求在所有新的輕便型汽車(chē)中采用IEEE802.11p技術(shù)[14] 的正式流程。

　　1.3 LTE-V2X

　　LTE-V2X是一種相對(duì)較新的技術(shù)(首次討論發(fā)生于2015年)，是3GPP Rel-12設(shè)備到設(shè)備(D2D)功能的擴(kuò)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(shí)現(xiàn)設(shè)備間的直接通信。V2V基礎(chǔ)安全功能最早出現(xiàn)在LTE Rel-14規(guī)范中。

　　LTE-V2X設(shè)計(jì)時(shí)就考慮了多種部署場(chǎng)景，因此提出了以下要求：

　　1.能夠在有或沒(méi)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(méi)有網(wǎng)絡(luò)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(luò)的所有好處，其中的中心協(xié)調(diào)、調(diào)度和管理是用一系列基站實(shí)現(xiàn)的。然而需要注意的是，存在這種裝置無(wú)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(huì)發(fā)生頻繁切換基站的快速移動(dòng)用戶。LTE-V2X技術(shù)必須能夠在沒(méi)有基站覆蓋的區(qū)域?qū)崿F(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(dú)立工作;

　　3.增強(qiáng)D2D空中接口功能，以便支持低延時(shí)、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(shí)傳輸技術(shù)，因此這些模式有別于Rel-12 D2D模式(傳輸模式1&2)，改進(jìn)了對(duì)更高速度和新的分布式信道訪問(wèn)機(jī)制的支持[15]。

表1：LTE-Sidelink通信中可用的操作模式。

　　盡管近年來(lái)業(yè)界作了很大的貢獻(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)化工作，但LTE-V2X標(biāo)準(zhǔn)還遠(yuǎn)未成熟，許多技術(shù)課題仍在討論中，最近舉行的RAN會(huì)議期間大家還一致同意做了很多顯著的標(biāo)準(zhǔn)修改。與V2X有關(guān)的維護(hù)修改請(qǐng)求(CR’s)數(shù)量很大，使得芯片制造商在確定功能集、進(jìn)入可互操作性測(cè)試階段、固定軟硬件架構(gòu)和投產(chǎn)方面面臨很大的挑戰(zhàn)。汽車(chē)制造商也質(zhì)疑其實(shí)際性能和對(duì)安全關(guān)鍵用例的支持。此時(shí)此刻，LTE Rel-14標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)際性能幾乎是未知的。

　　對(duì)安全關(guān)鍵應(yīng)用來(lái)說(shuō)最相關(guān)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(gè)模式可以被看作是自組網(wǎng)模式。與IEEE802.11p技術(shù)的比較重點(diǎn)就放在這個(gè)模式上。