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V2X車聯網:標準之爭,誰將勝出

星星科技指導員 ? 來源:mouser ? 作者:Doctor M ? 2023-05-17 09:51 ? 次閱讀

未來的汽車應該是什么樣的?有專家將其定義為車輪上的電腦(a computer on wheels),也有專家稱其為車輪上的IoT設備。

無論哪種說法,他們的目標是一致的——未來的汽車都將是一臺能夠自動駕駛智能移動設備,在一個完全連接和數字化的環境中運行,由電動傳動系統提供動力,使之完全融入我們的數字生活。在此過程中,V2V和V2I等車聯網技術扮演了重要角色,它們不僅提高了車輛環境的確定性,還成為當前大熱門的自主駕駛的有力推動者。

V2X的市場前景

車聯網(V2X,Vehicle-to-Everything)的應用始于2006年,通用汽車的一輛凱迪拉克對這項技術做了展示。V2X是以車輛為主體,依靠通信網絡互連實現車與車(V2V)、車與人(V2P)、車與網(V2N)、車與基礎設施(V2I)的互通互聯、信息共享,進而達到保障交通安全、提高駕駛體驗、拓展智能服務等目標的智慧交通解決方案。

Allied Market Research發布了一份報告,按V2V、V2I、V2P、車6與電網(V2G)、車與云(V2C)和車與設備(V2D)、專用短程通信(DSRC)等劃分,2019年全球汽車V2X行業收入為25.6億美元,預計到2027年將達到117.1億美元。從2020年到2027年,復合年增長率為28.4%。

V2X市場高速增長的主要決定因素來自于互聯汽車的大量采用,以及城市化和工業化的快速發展。隨著5GAI技術的發展,加上蜂窩車聯網(C-V2X)技術的進步以及半自動和自動車輛的增多,為該市場的進一步增長提供了新的機遇。

按照細分市場劃分,V2V對2019年全球汽車V2X市場貢獻率最大,達到40%。由于V2I是傳遞車輛移動性管理、駕駛員安全和環境條件等信息的重要保障,預計2020年到2027年期間,V2I將出現高速增長,最大復合年增長率為32.8%。按車型劃分,2019年乘用車占據全球汽車V2X市場約90%的份額,預計到2027年仍將保持這一優勢地位。

V2X的發展路徑

現階段,國外已經實現在汽車上應用DSRC技術。由于DSRC技術存在很多局限性,將很難成為V2X技術的發展趨勢。如今,國內外在V2X的發展上主要傾向于發展與5G技術兼容性較好的C-V2X和LTE-V2X這兩項技術。我們也看到這樣的趨勢,即全球車聯網技術路線正在向C-V2X聚焦。比如2020年9月,5G汽車聯盟5GAA提出了C-V2X通信技術路線圖,同年11月美國聯邦通訊委員會將5.9GHz頻段劃撥給C-V2X使用,這些舉措標志著C-V2X成為全球標準又向前邁進了一大步。

車聯網V2X的概念自誕生以來逐步演變成兩大標準體系,一個是由美國提出的基于DSRC的V2X體系,另一個是由中國主導的基于C-V2X的標準體系。現在,美國已開始轉向用C-V2X取代DSRC,C-V2X技術標準正式登上國際舞臺。

DSRC與V2X的差別

DSRC(Dedicated Short Range Communications)即專用短程通信技術,是由美國提出的一種基于IEEE 802.11p標準(以WiFi為基礎)的通信協議。該項技術由美國交通部和密歇根大學支持,專用于V2V與V2I,可以實現小范圍內圖像、語音和數據的實時、準確、可靠的雙向傳輸,經過美國、日本和歐盟的大規模測試,驗證了其有效性。

C-V2X即蜂窩車聯網,基于蜂窩通信技術發展而來,由3GPP主導推動,依托已經全網運行的4G網絡(LTE)來促成V2X的實現。C-V2X的空中接口有兩種,一種是Uu接口,一種是PC5接口。Uu接口以蜂窩通信基站為中心,實現廣覆蓋的通信連接。PC5接口不通過基站,而是直接在車聯間形成數據傳輸,以滿足低時延的要求。C-V2X具有傳輸距離遠、通信范圍廣、可擴展性高、建設成本低等特點。面向5G網路,C-V2X將有更廣闊的發展空間。

通過一次次的技術論證,DSRC與C-V2X之間的差距非常明顯。DSRC的不足之處主要體現在以下幾點

DSRC的性能不足

DSRC無法在高速環境下維持良好的通信穩定性。通過信息檢索我們看到,在福特與大唐、高通的聯合測試中,DSRC的表現明顯不如C-V2X,在超過一定的通信距離后基于DSRC技術的產品出現了明顯的數據失真,而LTE-V2X能更好地勝任這項任務。

DSRC占用的頻譜較多

相較于DSRC,WiFi對于5.9GHz頻段的需求更為迫切,屆時,我們需要在WiFi與DSRC的應用頻譜上進行權衡,這也是美國從DSRC轉向C-V2X的主要原因之一。

DSRC的未來發展空間有限

就未來發展空間而言,DSRC較為有限,而C-V2X是一項可持續推進的技術。根據C-V2X的發展規劃,無論是目前的LTE-V2X還是未來的NR-V2X,都是立足當下、面向未來的出色解決方案。一方面它們滿足了車聯網當下的需求,未來的前景也值得期待。

C-V2X的優勢主要體現在大規模部署上的成本控制。盡管DSRC與C-V2X技術在成熟度及產業鏈的完整性方面差別不大,但在實現成本上卻有著云泥之別。C-V2X能借助現有的4G/5G通信基站,合理利用現有資源,有效節約了建設成本。

我們知道硬幣都有兩個面,這一點也適用于DSRC和C-V2X技術。在兼容性和互操作性方面,DSRC比C-V2X更具優勢。C-V2X的各個版本互不兼容,Rel.14/Rel.15和Rel.16工作在不同的頻段,后續的設備必須支持多個版本以保持與先前設備的兼容性。DSRC在設計之初就保證了802.11p和802.11bd之間的互操作性,二者完全兼容。

V2X與5G和自動駕駛的關系

汽車的智能化、電動化使得V2X成為必然趨勢,而V2X又是未來汽車實現自動駕駛的必由之路。4G技術為V2X提供了基礎功能和簡單的應用場景。5G技術的到來,則極大地增強了V2V、V2P、V2I的連接能力。

要想解讀V2X與5G和自動駕駛之間的關系,我們先來看一下V2X對于安全高效的自動駕駛的重要性。自動駕駛系統包含感知層、決策層和執行層,由執行層最終體現車輛的自動化水平。目前,輔助駕駛和自動駕駛分為L1~L5共五級,其中L1~L3為自動駕駛系統輔助人類駕駛,又被稱為高級駕駛輔助系統(ADAS);L4屬于人類輔助自動駕駛系統;L5將是完全的自動駕駛, 也可以稱之為無人駕駛

在準確的車輛信息感知上,只有V2X才能提供精準的速度、航向、制動踏板狀態等。在障礙物的感知上,V2X通信能向車輛發出無法直接看到的物體(非視線范圍內)的警報,以便于機器、人、車及時做出更好的決策,這是駕駛安全的重要環節。

此外,因V2X包含有高度可靠的多種傳感器,在任何天氣或照明條件下,V2X都能保證車輛的安全行駛。

自動駕駛是車輛作為運載工具智能化、網聯化發展的核心應用,也是V2X和智慧交通產業發展的核心應用服務。單車智能駕駛主要依靠車輛自身的視覺、毫米波雷達、激光雷達等傳感器進行環境感知、計算決策和控制執行。網聯自動駕駛則是通過車聯網將“人-車-路-云”以及各種交通參與要素有機地聯系在一起,大幅提升車輛在環境感知、計算決策和控制執行等方面的能力。

現在,自動駕駛和車聯網已經成為5G的重要應用。一是5G網絡擁有最高達10GB/S的傳輸速率,可為車輛提供毫秒級的超低時延,為自動駕駛的實現奠定了堅實的通信基礎。二是5G為邊緣計算提供了強力支撐。由于自動駕駛中的很多決策具有極高的實時性要求,為此,V2X系統必須更多地依靠邊緣計算來為車輛提供服務,只有這樣,才能為車輛提供可靠的海量數據實時處理。目前,5G R16標準已經凍結,此舉必將加速V2X產業的快速落地。

V2X發展現狀

在V2X全面鋪開以及從LTE-V2X向5G-V2X轉變過程中,從運營、芯片模組、終端設備到管理平臺、安全認證、交通信息化項目的實施,整個產業鏈正在步入爆發式增長環節。在運營服務上,中國三大電信運營商均已開展C-V2X業務驗證示范項目,百度、阿里、騰訊、小米、華為等互聯網及通信企業也開始進軍車聯網行業,這些都是C-V2X應用落地的好消息。

汽車電子市場蘊含巨大的商機,也是商家必爭之地,V2X對產業的貢獻率正逐年升高。根據Polaris market research發布的一項最新研究,到2026年,全球汽車V2X市場預計將達到332.46億美元左右。在V2X行業,全球前十大半導體廠商都是在業界威名赫赫的企業,比如Infineon Technologies(英飛凌)、NXP Semiconductors(恩智浦)、RF360、Bosch博世)、STMicroelectronics(意法半導體)、Altran、Autotalks、Continental(大陸)、HARMAN等。

NXP公司提出,V2X技術支持汽車與周圍環境通信,使駕駛更安全、更高效,它能使無形變有形,因而可警告駕駛員道路上的危險,從而減少交通傷害和死亡。除了提高安全性,V2X還有助于優化交通流量,減少交通擁堵,減少交通對環境的影響。

作為很早就進入V2X行業的半導體企業,NXP擁有完整的V2V和V2I通信解決方案,實現了主動安全系統和智能交通系統(ITS)的管理。其產品組合非常豐富,主要包括SAF5400單芯片DSRC調制解調器、SAF5100 V2X SDR基帶處理器、TEF5100 V2X射頻收發器、SXF1800安全元件,以及i.MX應用處理器等。2017年,NXP發布了基于單芯片的可擴展安全V2X平臺——RoadLINK,這是當時一款經過批量生產驗證的5.9GHz V2X系統解決方案。

SAF5400

SAF5400單芯片DSRC調制解調器是該方案的核心,它將先進的收發器技術與完整基帶、MAC層和固件集成到一個單芯片中,具有獨特的可擴展架構,可與NXP i.MX產品系列組合,支持在從“低端”OBU擴展到“高端”OBU的過程中,在系統平臺中使用相同的V2X硬件芯片。

SAF5100

SAF5100是一款軟件定義的無線處理器,這種基帶處理器包括模數轉換器ADC)和數模轉換器DAC),用于與外部收發器對接。TEF5100收發器架構基于發射器和接收器的直接轉換,因而無需昂貴的外部濾波器

SXF1800

SXF1800是一種安全元件IC,此前已應用于電子護照、銀行卡、智能手機,如今又應用到汽車中,為V2X應用提供抗篡改加密功能。

據NXP介紹,相關V2X試驗也已取得滿意的結果。其中帶有NXP芯片組的商用DSRC OBU已在新加坡林竹港路進行了2公里LOS(Line of Sight)測試,其設置盡可能接近5GAA1,與2019年3月5GAA發布的C-V2X可比試驗結果對比,顯著優于5GAA公布的C-V2X結果。

博世公司表示,V2X有助于車輛和周圍物體之間以及車輛和交通基礎設施之間的數據交換。這將開啟一系列創新服務,使駕駛更安全,同時有助于提高效率,意味著V2X將成為未來ADAS和自動駕駛的關鍵元素。作為一家Tier-1供應商,在技術上博世公司是中立的。因此,無論是DSRC還是C-V2X,公司都有相應的產品提供給OEM。

早在2017年9月,高通就發布了基于3GPP R14規范、面向PC5直接通信的C-V2X商用解決方案——Qualcomm 9150 C-V2X芯片組,2018年下半年該芯片組商用出樣。該芯片支持C-V2X直接通信、GNSS,支持無SIM卡運行,工作于ITS 5.9GHz頻段。2018年8月,高通和大唐電信攜手完成了多芯片組廠商支持的C-V2X互操作性測試,芯片組于2019年支持商業部署。

結語

目前,部分跨國車企已經對應用V2X技術的車型實現量產。在這些車企中,通用和豐田主要是應用V2X技術中的DRSC技術路線。

美國的V2X技術在政策推動、標準制定和頻譜確定的背景下,先后在美國的26個州開展智能網聯汽車試點示范工作,覆蓋率達五成以上,并在2014年和2015年分別建造了知名的GoMentum Station和Mcity智能網聯汽車測試場。中國的V2X技術較國外起步晚,暫時還未能實現量產。

在5G V2X方面,廣汽集團正在進行基于5G的自動駕駛系統及遠程自動駕駛系統的開發。目前,中國已經建立了10個國家級智能網聯(車聯網)測試示范區,超過30個城市級及企業級測試示范點,另有10多條智慧高速公路,用于開展智能網聯試點工作。

V2X技術的相關標準已經就位,相關解決方案業已成型,各大主要供應商和OEM也做好了部署的準備。現在,V2X技術面臨的主要挑戰還是在監管環境和基礎設施方面。最終,無論最終DSRC或C-V2X哪一項技術勝出,業界都已經做好了兩手準備。

審核編輯:郭婷

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