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实施V2X的挑战和机遇

Mark Fitzgerald, TechInsights, Needham, Mass.

车连万物（V2X）是一种实现车辆与万物之间无线信息交换的通信方法。它包括车连基础设施（V2I）、车连行人（V2P）、车连车（V2V）和车连网络（V2N）。交换的信息包括周围车辆的速度和位置数据，这些通信有望帮助避免碰撞事故、缓解交通拥堵和改善环境。图1显示了车辆与V2V侧链(SL)和V2N应用网络的示意图，其综合传感和通信(ISAC)级别不断提高。表1详细列出了网络类型、通信对象和应用场景。

图1 V2X综合传感与通信应用(ISAC)。资料来源：5GAA。

问题陈述和起源

据美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）估计，V2X技术带来的安全应用可以消除或减轻80%的非受损碰撞事故，包括在十字路口或变换车道时发生的碰撞事故。NHTSA估计，V2X技术每年可防止61.5万起车祸，挽救1366条生命。

到1999年，美国联邦通信委员会已在5.9GHz（5.850-5.925GHz）频段为V2X分配了75MHz频谱，支持新的安全应用。这些应用旨在提醒驾驶员注意视线和高级驾驶辅助系统(ADAS)传感器视野之外的其他车辆可能造成的碰撞。

基于Wi-Fi的专用短程通信(DSRC)标准（ITS-G5/802.11p）于2010年获得批准。只有少数原始设备制造商（OEM）在有限的车型上实施了这一标准。随着2017年3GPP Release14规范中蜂窝V2X（C-V2X）的发布，蜂窝技术的使用已成为DSRC的替代方案。

DSRC与C-V2X的比较

DSRC是一种无线短程通信技术，使用802.11p交换基本安全信息，以避免碰撞。C-V2X是通过Uu连接或PC5接口提供的V2X。Uu是用户设备(UE)与LTE或5G新无线电(NR)基站之间的网络通信接口。该接口可用于基础设施与车辆之间的回程和/或长距离通信。PC5是一种直接模式通信技术，在全球统一的5.9GHz智能交通系统(ITS)频段内运行。C-V2X可作为纯Uu系统或使用PC5的组合解决方案进行部署。

与LTE-V2X相比，5G NR-V2X具有更低的延迟、更宽的带宽和更好的可扩展性。从应用角度来看，LTE-V2X主要用于支持ADAS、改善道路安全和提高交通效率。5G NR-V2X与人工智能（AI）和大数据一起，旨在更好地支持更高级别的自动驾驶、整体交通管理和其他新功能。在技术发展方面，5G NR-V2X是LTE-V2X的改进，两种解决方案相辅相成。

在设备对设备的PC5模式（V2V、V2I、V2P）操作中，C-V2X不一定需要任何蜂窝网络基础设施，可以在没有SIM卡、没有网络辅助的情况下运行，并使用全球导航卫星系统作为主要的时间同步来源。C-V2X无需在每个用例中使用蜂窝网络基础设施，因此可成为一种经济高效的安全解决方案，且无需支付网络数据使用费，基于C-V2X构建的V2V和V2I应用可在5G网络推出后独立启动。该演进路径中的接口详情如图2所示。

图2 C-V2X通信接口。资料来源：高通公司。

C-V2X的优势在于提供了一条从4G LTE到5G NR的清晰路径。3GPP Release 14中包含的最初C-V2X标准侧重于V2V通信和对PC5的基本修改。预计随后将进一步增强，以支持更多的V2X操作场景。

3GPP进一步发布了一系列增强功能。其中包括全套5G标准、多媒体优先服务、V2X应用层服务、5G卫星接入、5G中的局域网支持、5G的无线和有线融合、终端定位和位置、垂直领域通信、边缘计算和网络自动化、新型无线电技术，以及为行人和骑车人等易受伤害的道路使用者(VRU)所携带的UE设备提供更高的能效支持。图3显示了未来增强功能的时间表。

图3 C-V2X用例大规模部署的预期时间表。资料来源：5GAA。

V2X的机遇与挑战

C-V2X行业蕴含着许多机遇。其中包括安全、地图、车辆定位、自动驾驶车辆人工智能和计算技术。对于单一车辆而言，C-V2X可帮助收集与感知相关信息，并将其发送给车辆，以改善决策和路线规划。智能互联车辆的单车感知不可避免地存在盲点或漏检。C-V2X路边装置（RSU）提供的车辆感知盲点（如拐角和交叉路口）的状态信息可有效扩大车辆的感知范围。这可以提高安全冗余度，增强自动驾驶的决策能力。

在支持V2N的云控制平台和C-V2X技术的支持下，目标是在交通/运输层面实现"行人-车辆-道路-云"协同控制。要实现这一目标，除了实现所有路段的自主交通控制外，C-V2X还能为单车决策提供有效信息。这种控制将扩展到所有交通参与者的所有天气和交通状况。实现这一目标所面临的挑战是不同智能水平车辆的混合交通环境。实现这一目标将有利于地方和国家层面的交通控制和管理。

然而，人们对V2X和V2I协作和商业案例的现实仍心存疑虑。持续的无线频谱监管问题以及政府没有强制要求新车采用V2X技术，阻碍了V2X在中国以外地区的广泛应用。一些业内人士认为，V2X网络是在车载单车智能系统中实施的高级别、大规模自动驾驶和ADAS的补充技术。实施V2X所面临的挑战包括：

部署新基础设施的成本高昂：据美国交通部称，在一个交叉路口建设C-V2X基础设施的平均成本为6,000-7,000美元。这包括绘制交叉路口地图、购买RSU和现场安装的费用。

车载硬件成本：目前，OEM承担车载设备（OBU）的成本，他们面临着困难的局面：由于很少有汽车支持V2V，因此V2V应用无法触发。如果看不到好处，消费者将不愿意为C-V2X功能付费。如果OEM无法获利，他们可能会减少投资，这将导致发展停滞。

额外的车辆硬件成本：根据ITS America的数据，在现有远程信息处理控制单元内安装C-V2X的OBU成本为每辆车160-170美元。

数据所有权不明确：V2X技术的发展有赖于基础设施数据（如交通灯数据）的开源。然而，大多数国家和地区尚未对各类数据的所有权形成明确规定。这使得所有示范者都难以获得其产品之外的数据，数据的安全性和可信度也没有统一的评估标准。

多部门管理：V2X是一项跨行业技术，涉及汽车、通信、道路管理、测绘等行业，每个行业都有相关的管理部门。不同部门可能有不同的规定，导致管理不统一、流程复杂，造成重复、交叉和盲区。

网络安全：“ISO/SAE21434公路车辆-网络安全工程"文件规定了公路车辆电气和电子系统（包括其组件和接口）的概念、开发、生产、运行、维护和退役方面的网络安全风险管理要求。

商业模式挑战：C-V2X的商业化尚无明确的商业模式。PC5传输模式现在是免费的，这意味着通过PC5传输的所有信息都是免费的。OBU是C-V2X的重要组成部分，其成本包括开发、测试和硬件成本，未来可能还包括验证和认证成本。

V2X的部署阶段

根据CAR 2 CAR通信联盟的说法¹，V2X将分三个阶段部署：

第1阶段-认知（awareness）驾驶：车辆和基础设施从RSU传输有关其状态的信息、有关收费站的信息以及描述突发事件（如恶劣天气条件和危险情况）的信息。

第2阶段-感知（sensing）驾驶：V2X系统将得到扩展，允许车辆和RSU共享通过车载传感器（如摄像头、激光雷达或雷达）探测到的物体信息。

第3+阶段-合作驾驶：这一阶段将利用自动驾驶能力不断提高（SAE 3级和4级）的车辆。第2阶段引入的所有功能将以更严格的方式重复使用，以支持高度自动驾驶用例，包括协同并线、协同变道和协同超车。

中国引领V2X应用

中国智能网联汽车产业创新联盟于2020年11月发布了《智能网联汽车技术路线图2.0》。目标包括2025年至少50%的新车安装C-V2X，到2030年实现大部分车辆安装C-V2X。尽管TechInsights认为到2025年50%的目标无法实现，但在中国新车评价项目（C-NCAP）评级中增加V2X将促进V2X在该地区的应用。中国从一开始就在国家层面采用了C-V2X的技术路线。他们已将5905-5925MHz频段分配给C-V2X。

美国、韩国和欧洲的V2X部署停滞不前

在欧洲，ETSI已批准使用C-V2X作为车辆和路边基础设施ITS设备的接入层技术。欧盟、日本、韩国和美国的监管机构仍在最后确定地区和国家频谱分配细节。这将决定如何将5.9GHz频段用于V2X。

NHTSA仍然对V2X技术有着浓厚的兴趣，但这些技术并未被纳入当前的NCAP路线图中。他们正在考虑各种V2X部署问题，包括技术演进和无线电频谱环境的监管变化。由于缺乏NHTSA的授权或潜在授权的时间表，加上美国V2X频谱可用性的压缩，可能会限制OEM在2024/2025年之前采用V2X技术。如果无线频谱分配变得更加清晰，不需要豁免，假定支持性监管框架到位，那么2024/2025年后OEM的采用率有可能上升。

2019年12月，美国FCC一致投票决定将之前专用的5.9GHz汽车安全频段中较低的45MHz分配给Wi-Fi等非授权用途。他们还将上部的30MHz分配给C-V2X。FCC的决定明确指出，只有剩余的30MHz将专用于V2X技术，而基于蜂窝的C-V2X协议将胜出。FCC的决定规定，现有DSRC设备将于2024年从重新分配的频谱中移除。有人担心，剩余的30MHz会受到干扰和带宽的限制，可能仅限于在已分配的30MHz的20MHz范围内发送基本安全信息。

2023年4月，FCC批准了一项豁免，允许C-V2X的支持者使用5.9GHz频段的高频30MHz。豁免申请者将获准在最终规则出台前部署C-V2X RSU和车载设备。豁免申请者包括奥迪、福特和捷豹路虎。

V2X面临的挑战

遗憾的是，对于全球汽车行业来说，V2X技术的前景仍被有关规范和频谱分配的监管冲突所纠缠。中国是世界上唯一一个对V2X技术有明确部署战略的地区。V2X技术的应用仍然受到无线频谱分配、缺乏政府授权或NCAP评级积分、汽车制造商采取观望态度等因素的制约，以观察哪种协议在行业内或通过授权获得青睐，以及其他汽车制造商是否会采用该技术。

在中短期内，DSRC和C-V2X都将得到部署。V2X的近期部署将因地区而异，欧洲和日本将继续致力于DSRC，而中国和美国则倾向于C-V2X。虽然DSRC和C-V2X共享相同的无线频谱，但这两种技术不能互操作。

图4 全球轻型汽车V2X预测。资料来源：TechInsights。

5G网络的持续推广无疑将有助于支持C-V2X的应用，但两辆装备合适的车辆之间或车辆与RSU之间的应用并不需要5G网络覆盖。建立在C-V2X基础上的V2V和V2I应用可以独立于5G网络而启动。5G汽车协会（5GAA）预见了一个重要的中期（2025-2027年）目标，旨在确认5.9GHz频谱配置，以便在全球不同地区大规模采用C-V2X直接无线电实现高级驾驶。TechInsights最新的全球轻型车辆V2X预测如图4所示。这一预测包括以下假设：

中国：C-NCAP 2023将V2X协议纳入其评级系统，以激励OEM实施V2X，这将作为评级的加分项。尽管这不是一项明确的强制性要求，但这些协议最多可获得10分的安全辅助分作为奖励。C-V2X主要在豪华车上开始部署，但将继续在较低的车型上推广，福特已在该地区部署了C-V2X，以获得C-NCAP分数。

•        从2024年开始，V2X的普及率将出现更快增长，到2030年将达到汽车产量的60%。

•        到2030年，V2X有可能获得更多的C-NCAP分数和授权，从而推动V2X采用率的提高。

欧洲：由于业界对V2X协议选择的不确定性，欧盟仍未决定是否采用V2X协议，V2X NCAP授权也停滞不前。虽然大众集团已经部署了V2X，但其他制造商仍在等待明确的5.9GHz频谱分配和2026年最终确定的欧洲NCAP积分分配计划，以及可能于2029年出台的V2X强制规定。大众汽车已将基于DSRC的V2X技术作为其2020款高尔夫车型的标准配置，并将该技术推广到其ID电动汽车上。大众集团曾计划将该技术推广到大众集团的所有车辆上，但这一战略似乎已停滞不前。

•        由于欧洲NCAP的V2X积分奖励措施，V2X的普及率将从2026年到2029年开始上升。

•        拟议的2029年授权可能包括一个分阶段实施期，这意味着V2X的全面普及要到2030年以后。

北美：在NHTSA于2022年3月发布的NCAP升级提案中，V2X并非拟议的ADAS技术之一。

•        由于缺乏授权，甚至缺乏潜在授权的时间表，再加上美国V2X频谱可用性受到压缩，这可能会限制OEM在2025/2026年之前采用V2X技术。

•        2020年，随着配备DSRC V2X的凯迪拉克CTS停产，北美生产的车辆上的V2X部署大幅减少。

•        2024年末，随着福特实施C-V2X技术，V2X部署将开始回升，通用汽车、捷豹路虎和丰田汽车等其他汽车制造商也可能在随后几年跟进。

•        尽管一些制造商对V2X部署很感兴趣，但由于缺乏授权和频谱限制，2030年北美地区V2X的实施率只能达到所生产车辆的16%。

其他地区：日本的部署主要是通过改装用于电子收费（ETC）和ITS的5.8GHz DSRC OBU来实现的。760MHz DSRC V2X系统仅在丰田集团的少数车型上实施，并且只能在日本使用，因为该频段尚未在其他市场实现标准化。

•        日本的需求将继续包括DSRC V2X部署，因为它较早地应用于ETC和ITS。

•        自2021年以来，C-V2X已在日本进行了测试，但目前仍处于试验阶段。

其他新兴市场，如巴西、印度、俄罗斯和泰国，由于缺乏投资ITS项目和配套基础设施的公共资金，再加上消费者无力承担V2X系统的成本，将进一步落后。

参考资料

1. CAR 2 CAR Communication Consortium, www.car-2-car.org.