IEEE 802.11p

每年有120萬人死於車禍，這些致命事故90%以上源於人為錯誤(例如酒後駕車、超速、忽視交通信號、開車時傳送訊息等)。每年損失120萬人的生命，相當於每天墜毀7架乘載500名乘客的客機。 為了盡可能減少車禍事故，汽車製造商、汽車供應商、政府機關、學術單位，甚至是非汽車技術供應商，都在聯手開發先進駕駛輔助系統(ADAS)和終極的自動駕駛系統。 新汽車生態系統正在結合各種先進技術，例如： ．與無線電偵測及測距(雷達)、光偵測及測距(光達)及光學感測器(攝影機)融合的感測器。 ．高速資訊系統整合了車載乙太網路、強大訊號處理、高解析度(HD)地圖繪製與高準確度的導航和人工智慧(AI)。 ．汽車對汽車(V2V)、汽車對網路(V2N)、汽車對基礎設施(V2I)、汽車對行人(V2P)、汽車對公用事業(V2U)及車聯網(V2X)的通訊技術。 感測技術和人工智慧提供了最先進的360度安全可靠的自動駕駛系統願景。同樣地，無線通訊將在保持車輛、基礎設施及行人的整個生態系統同步方面扮演重要角色。這些技術透過共享並接收重要安全資訊、其他車輛和行人的移動、交通資訊及道路狀況來降低風險。該資料也有助於自動駕駛汽車和ADAS系統以最佳狀態運行。 當前和未來近期的車用無線通訊，使用了兩種現有的無線通訊技術，專用短程通訊(DSRC)和4G蜂巢式LTE。然而，這些技術的局限性會影響它們對自動駕駛和進階ADAS系統關鍵任務要求的適用性。無論是提供gigabit/s的資料速率、高速移動性支援、大規模機器通訊或是超可靠的低延遲。本文將探討新興的5G蜂巢式通訊解決方案，如何針對DSRC和4G蜂巢式LTE的局限性，提供真正實現更安全且強化的傳輸體驗承諾。 無線通訊成就自動駕駛 無線通訊技術提供三大主要優點：更安全的道路、更有效率的交通路線以及更多的車內便利性。啟用無線通訊的車輛能夠與其他汽車和/或路側基礎設施共享道路資訊和交通狀況，並更準確地預測路線上的潛在風險或延誤。 為了提供這些好處，無線通訊技術使用多種通訊方法，例如汽車對汽車(V2V)、汽車對網路(V2N)、汽車對基礎設施(V2I)、汽車對行人(V2P)、汽車對電網(V2G)，以及終極的車聯網(V2X)。 汽車對汽車V2V 車輛直接互相通訊，以共享碰撞前和碰撞後的警告、接近即時的道路狀況、盲點警告及能見度加強。V2V還可以連接車隊中兩部或兩部以上的車輛，也稱為智慧車隊。 以下是一個V2V應用範例：領先的車輛通過道路上被冰覆蓋的路段，其防鎖死煞車系統(ABS)和/或電子穩定控制(ESC)系統立即運作。無線通訊會向跟隨車輛發送警告信號，讓後方駕駛可以減速或繞道，以避開這條被冰覆蓋的路段。另一種情況可能是當領先的車輛發生事故並且其安全氣囊系統被啟動。無線信號就會立即被發送到跟隨車輛，並降低其車速或準備停車以避免連環車禍。要正確適當地執行這類至關重要的V2V任務，無線通訊必須具備極低的延遲。 汽車對網路V2N 車輛與無線網路基礎設施進行通訊行為，是由基地台和遠端射頻收發模組(RRH)所構成，以共享即時交通資訊(例如施工區域警告)。V2N也使用在SOS呼叫服務(例如eCall和ERA-GLONASS)及進行遠端診斷與修復。和V2V不同，極低的延遲對V2N並非最重要，其可靠性才是關鍵。如果使用V2N的eCall或ERA-GLONASS呼叫無法連接到緊急服務(例如美國的911、歐洲的112跟韓國的119)，那麼對需要幫助的人員可能會造成災難性的結果。 汽車對基礎設施V2I 車輛和路邊基礎設施元件，例如交通訊號、道路標誌、交叉路口與路燈進行通訊，以共享交通訊號變化通知、道路狀況警告、交叉路口碰撞警告及行人穿越道資訊。為了達到這類的V2I通訊無縫連接，必須支出相當的費用，在路邊基礎設施中部署相當數量的存取點。一家歐洲汽車製造商已於2016年在美國拉斯維加斯發表了第一項V2I通訊導航計劃，但更加主流的V2I部署可能還須花費不少時間。 汽車對行人V2P 車輛與行人通訊則是當通過行人穿越道或接近時發送注意警告以保護行人，在黑夜、起霧或大雨等能見度較低的情況下更需如此。行人身上的行動或穿戴裝置也可以使用在V2P通訊上。 汽車對電網V2G 車輛與電網通訊，則能夠幫助電動車或油電混合車在最具經濟效益的離峰時段進行充電，或是藉由將儲存電力釋放到電網，轉售給電力公司。 DSRC/4G V2X蜂巢式技術各擅勝場 在討論5G無線通訊在汽車連接中的優點之前，值得先回顧一下目前汽車產業使用的無線通訊技術，802.11p DSRC和基於LTE的蜂巢式V2X。兩者都可達到V2X通訊但也各有利弊，而目前它們都無法實現完整的V2X體驗。表1比較了兩種技術的優點和局限性。 DSRC是建立在IEEE 802.11p實體層標準、美國的1609車用環境無線存取(WAVE)協定及歐洲電信標準協會(ETSI)TC-ITS歐洲標準之上。802.11p DSRC的兩個主要優點是為汽車產業做好立即準備，並且具有約5毫秒(ms)的極低延遲。其基於經驗證且成熟的Wi-Fi 802.11a技術，IEEE在2010年核准了802.11p規格。許多想要部署V2X(特別是V2V和V2I)通訊的汽車製造商，現在更偏好802.11p的可用性。DSRC因為其基於ad-hoc的通訊技術，不需依賴網路基礎設施服務。 但是，802.11p需要安裝許多新的存取點(AP)和閘道器，進而增加了完全部署的時間和成本。由於它是基於免費的Wi-Fi技術，在看不到明確商業模式的情況下，很難找到願意支付部署AP費用的業者。技術演進也沒有明確的脈絡。 蜂巢式V2X(C-V2X)則是汽車產業近來採用的技術。最近的3GPP第14版定義了基於LTE技術(也稱為車輛LTE-V)的部分C-V2X規格。LTE-V支援與V2N網路的車用無線通訊，以及V2V和V2P的裝置對裝置(D2D)通訊。C-V2X的一大優點在於其使用現有的蜂巢式網路基礎設施，提供更好的安全性、更遠的通訊範圍，和從4G到5G及更高層級的技術演進脈絡。然而，當前4G LTE網路上的LTE-V，不提供滿足重要V2V通訊所需的低延遲，因為其會在30ms和100ms之間變化。如果領先的車輛發送緊急訊號，但V2V通訊未能及時通知跟隨的車輛，可能會很快形成危急狀況。 5G V2X超進化　自動駕駛系統觸手可及 國際電信聯盟無線電通訊部門(ITU-R)，聯合國負責資訊和通訊技術的專門機構，確立了5G的三種主要使用情境：增強型行動Multi-Gigabit寬頻、大規模機器類型通訊，和低延遲超可靠(99.999%)通訊。 這些情境中的規格透過提供自動駕駛系統要求的峰值資料速率、延遲、頻譜效率和連接密度，為改變駕駛體驗帶來了眾多優勢。 ．最高速率500km/h(310mph)下，超低延遲1ms。 ．最高速率500km/h(310mph)下，20Gbps的峰值資料速率。 ．多達1,000,000連接的汽車和裝置極大密度。 5G超低延遲成就自動駕駛 5G的超低延遲特性將在汽車連接中扮演重要角色。例如，在突然踩煞車的情境下，自動駕駛系統和ADAS的安全功能應立即向跟隨車輛發送即時警告，以防止連環車禍。而只有當來自領頭車的訊息能夠即時傳達到後方跟隨車輛，以便其採取規避行動時，才能做到這一點。 此外，低延遲5G還能帶來更好的事故預防功能；尤其是在非直視性(NLOS)情況下，因為基於相機、光達(LiDAR)或RADAR等目前大多數的感測器融合技術，只能偵測直視性(LOS)物體。研究顯示，大多數駕駛透過採取規避或預防行動，需要700ms才能對危險情況做出反應。憑藉其1ms的低延遲，使用5G技術的自動駕駛汽車和ADAS將可透過減少事故數量來降低風險並挽救生命。 憑藉高達20Gbps的峰值資料速率，5G將可實現自動駕駛汽車的即時影音娛樂。但更重要的是，5G快速可靠的資料連線將允許在接近即時的情況下，下載精密的3D地圖。除了感測器融合技術之外，自動駕駛汽車還非常依賴準確且極為詳盡的3D地圖導航。 然而，儲存一個州或國家等級的巨量地圖資料，對車輛本身將是一項挑戰。一項自然解決方案，是使用5G資料連接下載鄰近地區最新的3D地圖。即使是在非常擁擠的城市或稀疏的郊區，5G也被預期都能夠可靠地運作，不論地點滿足隨時保持連接的需求。不論自動駕駛汽車是在停車場怠速，或是在德國的高速公路上行駛，5G都可確保所有關鍵任務無線服務能以最高達500km/h(310mph)的速率無縫運作。 5G技術將加速導入汽車應用 過去兩年5G的汽車導航應用已經問世。特別是2018年在韓國平昌舉行的冬季奧運展示了5G的高資料速率和低延遲特性，汽車製造商讓遊客親自測試其自動駕駛SUV。使用5G技術的自駕車，成功地進行了從首爾到平昌數小時的測試駕駛，沒有任何人為因素介入。遊客也享用了一個「沉浸式廣播」的頂級資訊娛樂系統，其採用5G技術的小工具，例如相機、通訊設備和連接到奧運運動員、運動器材和運動場的感測器，讓觀看者可以在他們使用的5G測試手機上的行動應用程式體驗比賽。 全球的無線服務提供領導廠商已經在2018年底開始部署5G。日本計劃在2020年夏季奧運會上推出基於3GPP標準的5G技術。為了以極可靠的技術保護生命，汽車產業將在無線產業證明其效能及可靠性後全面採用5G通訊。與此同時，汽車製造和汽車供應領導廠商已經和主要的無線技術公司密切合作，為其汽車市場開發5G無線通訊。 為了推進汽車產業對5G無線通訊技術的採用，無線服務與汽車領導廠商成立了5GAA，其以「讓車輛間共享資訊，使交通更安全、更環保，且在我們的服務下更享受此技術」和「開發、測試與促進通訊解決方案，幫助其初始標準化並加速商業可用性和全球市場滲透，以利如自動駕駛、全方位服務存取等應用，並將這些技術融入智慧城市與智慧運輸系統，來滿足社會對行動連結與道路安全的需求」為兩大目標任務。5GAA設立了五個工作小組(WG)，並採用3GPP程序來執行其任務。 WG1—確定使用案例與技術需求。其聚焦的一個主要領域是解決蜂巢式V2X通訊中的延遲問題。 WG2—WG1確定了使用案例輪廓和技術需求，本小組將定義系統架構與解決方案，例如實現蜂巢式V2X的1ms端到端延遲所需的網路架構。 WG3—接下來是評估、測試平台和導引資料，以及釐清如何測試這些架構或裝置，以確保裝置效能滿足要求的挑戰。 WG4—本小組的成員專注於定義與聯網汽車生態系統相關的標準和頻譜，以及和其他平台，例如3GPP的互通性。 WG5—一旦技術採用可行，WG5即專注在商業模式、進入市場，以及如何最大化蜂巢式V2X(V2V、V2C、V2I、V2N)的優勢，以提高安全性並提供強化的駕駛體驗。 5G將大幅強化自動駕駛系統 無線通訊技術可為自動駕駛汽車提供更高的駕駛安全性和車內便利性。儘管802.11p DSRC現在已經準備好進行部署，但在數英里長的道路上安裝眾多的存取點需要鉅額投資。另一方面，雖然主要的無線通訊公司勤勉地致力於將LTE技術帶進V2X通訊，但要讓C-V2X成為主流還需要時間。基於4G的LTE-V目前的延遲無法滿足關鍵任務V2V的要求，但可以做為低階ADAS功能的一塊踏腳石。 DSRC和4G C-V2X(LTE-V)彼此互相競爭也彼此互補，但它們都無法滿足關鍵任務自動駕駛和ADAS系統的嚴格要求。最終，5G將可提供20Gbps連接的具體優勢，以及自動駕駛汽車與ADAS所需的超高可靠性。 是德科技正參與整個5G和汽車生態系統，提供實現V2X願景所需的技術和標準，並透過自動駕駛車輛充分發揮ADAS的潛力。其測試和量測解決方案有助於加速關鍵技術的設計與製造，以使用先進的5G技術來部署自動駕駛車輛。 (本文由是德科技提供)