IEEE802.11p将先于LTE-V2V用于安全应用（一）

shuszhao

最近，在移动通信标准化组织3GPP的积极推进下，一种旨在满足V2X应用的新标准开始启动。由于成千上万的道路使用者的安全将取决于这些技术的性能，因此对它们进行对比就显得相当重要。
车到车通信正在显著吸引人们的注意力，因为它能极大地减少道路交通事故，改善移动性，实现高层次的汽车自动化。支持安全关键应用是车到车通信的核心，多年来，V2X选择的技术一直是IEEE802.11p。最近，在移动通信标准化组织3GPP的积极推进下，一种旨在满足V2X应用的新标准开始启动。由于成千上万的道路使用者的安全将取决于这些技术的性能，因此对它们进行对比就显得相当重要。
在比较IEEE802.11p和LTE-V2X之前有几个重要的相关事实需要强调：
•IEEE802.11p现在已经可以商用，LTE-V2X还不行[4]。目前市场上有多家芯片供应商可以提供基于IEEE802.11p的产品。有些一级供应商还有完整的解决方案。相比之下，目前市场上还没有可商用的LTE-V2X产品，很可能还需要多年的时间才能见到完整且验证过的解决方案。曾经许诺过的V2X 5G版本甚至需要更长的时间才能浮出水面。•许多上路的汽车中已经安装有IEEE802.11p。最终用户现在就可以购买到装备有IEEE802.11p技术的汽车（比如通用的凯迪拉克1）。•V2V NPRM已经发布[1]。说明美国政府有明确意向要全面推进IEEE802.11p的部署工作, 也说明IEEE802.11p技术已可满足安全性需求并且通过了测试验收。•IEEE802.11p大批量部署可能很快开始。作为全球最大汽车制造商之一的大众汽车公司已公开宣布，从2019年开始将在他们的首批车系中装备IEEE802.11p技术2。蜂窝领域一直在鼓吹v2x的部署应该等到蜂窝技术准备好并通过测试，而全然无视在验证IEEE802.11p对安全关键应用的适用性方面作出的投资和现场测试工作。更具体地说，蜂窝领域声称LTE-V2X可以提供：
•强大的蜂窝生态系统。该系统借助多年来的丰富经验可以向全球提供付费服务和成熟的技术。虽然这是正确论点，但它指的是采用蜂窝技术的娱乐服务。而设备与基站之间的通信与处于动态环境中的设备与设备间通信有根本性的区别；•双倍的性能[6]。然而，就像下文要指出的那样，在重要的V2V使用案例中，IEEE802.11p的性能完全超过了LTE-V2X；•最小的附加成本。这是有问题的，因为对安全关键应用的支持强烈地表明需要将这些技术与娱乐软硬件分离开来。因此，LTE-V2X很可能在物理上与蜂窝调制解调器分离；•演进路线图和未来不会过时的技术，因为通过3GPP会议的全面测试机制可以持续地改进这种技术。虽然这也许是真的，但每隔12到15个月升级一次标准并不能保证旧汽车能够与新汽车通信。这与创建一个稳定通用的国际标准来推动V2X技术成功的需求是背道而驰的。这种建议的LTE-V2X技术源自蜂窝上行链路技术，与目前的LTE系统保持着很多相似性：比如帧结构、子载波间距、时钟精度要求以及资源块概念等。这些属性不是很适合汽车应用场景，只是继承自现有的峰窝技术。因此LTE-V2X要满足车到车通信的特殊应用要求比较吃力。
从技术上讲，LTE-V2X在没有网络覆盖的情况下会出现问题。它有严格的同步要求（章节2.1），否则将不能正确地从相邻和附近的发射器接收消息（章节2.3），并且通信距离也将受到限制（章节2.4）。另外，它所采用的资源分配机制无法正确处理具有不同长度的消息（章节2.5），而多用户访问机制也不能很好的处理广播消息（章节2.6）或消息冲突（章节2.9）。LTE-V2X的重载设计也会导致更高的开销（章节2.7和2.8）。
在商用方面，LTE-V2X无法利用汽车中已有的标准LTE调制解调器。不同的安全要求（章节2.10）和技术需求（章节4.1）强烈建议LTE-V2X的安全关键域要与标准LTE调制解调器的娱乐域分离开来。严格的同步要求（章节3.2）也会显著地增加LTE-V2X硬件的成本。
从发展战略上看，LTE-V2X也许不是用于安全关键应用的最佳技术，因为其更新周期不能匹配汽车的开发周期（章节4.1）。虽然当前版本的LTE-V2X还没有完成现场测试，但3GPP组织已经开始开发LTE-V2X的新版本。下一代的IEEE802.11p也在考虑中了（章节4.2.1），希望利用众多大规模现场试验的经验测试安全关键应用。
我们的结论是，IEEE802.11p技术是即使在没有网络的情况下还能支持安全关键应用的理想之选。如果有蜂窝基础设施，LTE-V2X是一种可行的替代方案，可以为娱乐服务提供更为成熟的生态系统。这种双赢态势要把重点放在每种技术的最强项上，共同努力提供最佳的车到车通信解决方案，并继续为安全关键应用部署IEEE802.11p，同时确保新的LTE-V2X技术能与之共存。


前沿

自从10年前推出以来，V2X选择的技术一直是IEEE802.11p3，这种技术已经完成了标准化、产品实现和全面的测试。最近，一种面向V2X应用的新标准正在移动通信标准化组织3GPP的推进下开始启动。成千上万道路使用者的安全将依赖于这些技术的性能；因此对政策制订者、汽车制造商和更宽范围的汽车生态系统来说首当其冲的是要对这些技术进行全面的比较。


1.1 V2X的功能目标

通过一起工作和共享信息使得交通运输更安全、更环保和更有趣是极具吸引力的。与这个概念有关的技术——统称为合作性智能交通系统（C-ITS）承诺要减少交通拥堵、减轻交通对环境的影响并显著减少致命交通事故的数量。
支撑C-ITS的一种关键技术是无线通信，覆盖车到车（V2V）通信、汽车到摩托车（V2M）通信、汽车到基础设施（V2I）通信以及基础设施到汽车（I2V）通信。这些无线事务被总称为汽车到万物或V2X通信。
V2X技术将支持许多与安全相关的、也可能与安全无关的C-ITS系统应用场合。它需要在非常动态的环境中可靠地工作，在发射机和接收机之间具有相对较高的通信速度，并且支持在高速公路、拥挤的城市路口和隧道等安全相关应用中提供极低的延时。


1.2 IEEE802.11p

IEEE802.11p设计满足每种V2X应用要求和最严格的性能规范。1999年，美国联邦通信委员会（FCC）在5.9GHz区段内留出75MHz频谱给了V2X。IEEE802.11p标准因此就工作在这个频率范围内。
IEEE802.11p是IEEE802.11a（WiFi）的扩展，工作在自组织网络模式，不需要BSS（基本服务集，WiFi‘基站’）。它针对存在障碍物的移动条件进行了优化，能够处理因为相对速度高达500km/h而产生的快速变化的多径反射和多普勒频移。典型的视距（LoS）通信距离是1km，但IEEE802.11p的主要目标是‘能够看到转角’（非视距，NLOS），因为汽车中没有其它传感器可以做到这一点。事实表明，借助世界最先进的技术，作为目前商用化的现货产品通常可达几公里的更大范围。当IEEE802.11p多址访问机制（冲突避免的载波侦听多址访问协议，CSMA-CA协议）与分布式拥塞控制（DCC）结合在一起使用时可以高效地应付高密度应用场合。
标准化工作从10多年前就开始了，最终草案是2009年批准的，并且自从批准后做了大量的测试和验证工作。simTD项目[8]是第一个大规模现场测试项目，开始于2009年，当时使用了100多台汽车。从那时开始到现在，完成商用化IEEE802.11p产品的现场试验项目有几十个，而且还有许多仍在进行着。参考文献[8-13]就提到了其中的一些项目。最大的IEEE802.11p先导项目之一是由USDOT（怀俄明州，坦帕和纽约市）资助的，包含超过一万多辆实现了各种应用的汽车，投资总额超过4500万美元[13]。巨大投资用于保证这种技术的质量和可靠性。
多家半导体公司设计和测试了通过汽车资格认证的IEEE802.11p兼容产品。多家供应商可以提供大量的硬件和软件产品，从而组成了一个丰富的生态系统。市场上有许多型号汽车采用了IEEE802.11p技术，还有其它型号汽车正计划很快发布，比如：
•通用的凯迪拉克CTS汽车装备有IEEE802.11p4；•丰田在日本国内就有接近10万辆汽车装备有IEEE802.11p；•大众选择了IEEE802.11p技术来支持V2X应用5。USDOT宣布，根据收集到的证据证明，IEEE802.11p技术可以显著减少道路上的碰撞事故数量。专家们预期USDOT即将进入能够为了安全而强制要求在所有新的轻便型汽车中采用IEEE802.11p技术[14] 的正式流程。


1.3 LTE-V2X

LTE-V2X是一种相对较新的技术（首次讨论发生于2015年），是3GPP Rel-12设备到设备（D2D）功能的扩展，本身依赖于使用LTE上行链路传输和上行链路频谱资源实现设备间的直接通信。V2V基础安全功能最早出现在LTE Rel-14规范中。
LTE-V2X设计时就考虑了多种部署场景，因此提出了以下要求：
1.能够在有或没有eNB（‘基站’）覆盖的条件工作。Rel-14中的LTE-V2X基于的是PC5接口，允许用户在有或没有网络覆盖的条件下彼此间直接广播消息。在蜂窝覆盖下的操作可以利用同步网络的所有好处，其中的中心协调、调度和管理是用一系列基站实现的。然而需要注意的是，存在这种装置无法工作的许多情景，比如覆盖率很差的农村地区、高速公路以及会发生频繁切换基站的快速移动用户。LTE-V2X技术必须能够在没有基站覆盖的区域实现可靠的工作；2.在专用的免许可载波或有许可的频谱条件下独立工作；3.增强D2D空中接口功能，以便支持低延时、高密度和高速度。为了满足提高了的要求，Rel-14 LTE-V2X引入了新的Sidelink传输模式（传输模式3&4），参考表1。由于引入了低延时传输技术，因此这些模式有别于Rel-12 D2D模式（传输模式1&2），改进了对更高速度和新的分布式信道访问机制的支持[15]。

                               
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表1：LTE-Sidelink通信中可用的操作模式。
尽管近年来业界作了很大的贡献和标准化工作，但LTE-V2X标准还远未成熟，许多技术课题仍在讨论中，最近举行的RAN会议期间大家还一致同意做了很多显著的标准修改。与V2X有关的维护修改请求（CR’s）数量很大，使得芯片制造商在确定功能集、进入可互操作性测试阶段、固定软硬件架构和投产方面面临很大的挑战。汽车制造商也质疑其实际性能和对安全关键用例的支持。此时此刻，LTE Rel-14标准的实际性能几乎是未知的。
对安全关键应用来说最相关的也是最具挑战性的LTE-V2X操作模式是Sidelink传输模式4，这个模式可以被看作是自组网模式。与IEEE802.11p技术的比较重点就放在这个模式上。