V2X等车联网应用开枝散叶 朝全面普及迈进 - 全文

随着资通讯技术快速发展，利用相关技术协助驾驶人判断路况并预防事故发生已成为近年各大车厂与各国政府致力发展的目标；而在通讯标准、感测技术与频谱规画等关键技术环节相继到位后，V2X等车联网应用已日益开枝散叶，朝向全面普及方向迈进。

在交通安全对全球人民生命财产造成极大威胁，各国政府主管除透过法规管理用路人行为外，随资通讯技术快速发展，利用相关技术协助驾驶人判断路况预防事故发生为近年各大车厂与政府致力发展的目标，感测技术与通讯技术为车联网安全应用领域之核心，相关技术需要政府配置频谱资源协助发展与应用。

汽车安全系统可分为被动式安全与主动式安全，被动式安全如安全气囊、安全带等，主要在灾害发生时减轻对驾驶人与乘客受害程度，主动式安全可实时侦测车体周遭，事前预防事故发生如先进驾驶辅助系统（Advanced Driving Assistant System， ADAS），各国主管单位积极推动将相关系统列入新车评鉴指标，国际车厂如BMW、Mercedes-Benz、Volkswagen等亦投入相关技术研发与导入。

车联网安全应用系统架构包含感知层、通讯层与应用层，感知层包含雷达、光学雷达与影像传感器等，提供车辆收集周边环境信息；通讯层也可称为汽车局域网络（Vehicle Area Network， VAN），分为车载通讯（in-vehicle communication）、车外通讯、车间通讯（vehicle to vehicle communication）与车路通讯（vehicle to road communication）等四部分，目前商用汽车已经能够支持车载通讯及车外通讯，车间通讯与车路通讯尚在研发与测试阶段；应用层则提供数据分析与决策协助等。

车用感测技术五花八门　各有优缺点

汽车感测技术部分包含影像、雷射、超音波与雷达等（图1），其中雷达系统在天气适应性、直接探测范围及速度方面都较其他传感器具优势。

图1　汽车所使用的传感器越来越多，且技术型态益发多元，各自有不同的侦测范围。 图片来源：亚德诺

雷达感测

雷达依据侦测距离可分为短距雷达（Short Range Radar， SRR）、中距雷达（Medium Range Radar， MRR）以及长距雷达（Long Range Radar， LRR），提供车辆于不同环境中整合运用。SRR主要提供30公尺内近距离的物品侦测，如前方碰撞预防、盲点侦测与车道变换协助等；LRR则提供30∼150公尺距离侦测范围，提供自动导航功能。

LRR在汽车上最早应用可追朔至1999年Mercedes-Benz于S-class系列车款中导入全球第一个雷达主动车距控制巡航系统（Autonomous Cruise Control， ACC），结合SRR和LRR将可以提供驾驶者更多行车判断与协助。

雷达系统基本运作方式为透过发射器辐射特定波形的电磁波，由接收器感测周边目标物体所反射之电波，依据电波发射回传的时间测量目标物与车体的距离，根据回传电波的到达角度得知目标物的方向，透过回传讯号的都卜勒频移（Doppler Frequency Shift）测定目标物的相对速度。

雷达主要分为脉冲波雷达（Pulsed Radar）与连续波雷达（Continuous Wave Radar）。车联网安全应用之雷达主要使用频段包含SRR的24∼26GHz、79GHz频段，以及LRR使用76∼77GHz。雷达愈往高频体积愈小，分辨率愈高，可提供更精准判断，因此包含欧洲、日本多国皆积极推动毫米波雷达发展。

光达感测

此外，光学雷达（Light Detective Raging， LiDAR）近年被Google、福特（Ford）等厂商采用发展自动驾驶技术，LiDAR因为具备不受电磁波干扰、可描绘物体外围轮廓提供辨识、测距精确度高等特性，能够及时建立车体周围的3D环境地图（图2），但光学雷达在应用上遇到高成本、体积大与侦测能力易受气候影响等因素影响，使相关发展仍受到限制。

图2　光达技术因被Google、福特用来开发自驾车而获得大量关注。 图片来源：Velodyne

DSRC、LTE-V抢攻车间/车路通讯商机

车间与车路间网络通讯部分，过去有红外线、微波、Wi-Fi等，在移动性、覆盖范围与传输速度上皆有所差异。目前国际上主要关注的技术包含专用短程通讯（Dedicated Short Range Communication， DSRC）与LTE-V。

DSRC/802.11p技术概要

DSRC由物理层标准IEEE 802.11p又称为WAVE（Wireless Access in Vehicular Environment）及网络层标准IEEE 1609所构成，在此基础之上，美国汽车工程师协会（Society of Automotive Engineers， SAE）规范V2V与V2I信息的内容与结构，欧洲相关标准由ETSI CT-ITS所规范。IEEE802.11p由IEEE 802.11标准扩充，专门应用于车用环境的无线通信技术，支持915MHz与5.9 GHz。

802.11p物理层架构与802.11a大致相同，采用正交多频分工（Orthogonal Frequency-division Multiplexing， OFDM）调变技术，且52个子载波可支持正交振幅调变（Quadrature Amplitude Modulation， QAM）、相位移键调变（Phase-shift keying， PSK）等调变技术，同时搭配向前错误校正技术（Forward Error Correction， FEC），减少信息重新传输所发生的延迟情况，能够因应在高速移动下信息传递的实时性。

802.11p在915MHz频段中，支持传输距离小于300公尺，传输速率低于0.5 Mbit/s，使用5.9GHz频段通讯时，传输距离最远可达1，000公尺，以频道带宽10 MHz为单位，传输速率最高为27 Mbit/s，允许在车速260km/h下进行车与车之间以及车与道路设备之间的信息传输。

DSRC系统包含车载装置（On Board Unit， OBU）与路侧装置（Road Site Unit， RSU）两项重要组件，透过OBU与RSU提供车间与车路间信息的双向传输，RSU再透过光纤或行动网络将交通信息传送至后端平台（图3）。由于车间与车路通讯应用情境复杂，汽车数量多寡、距离与道路气候等都会影响无线网络的通讯，通讯速度与质量将对用路人安全造成极大影响，因此车联网安全应用相关通讯网络通常被要求须要具备高移动性与低延迟率，IEEE将安全应用通讯延迟容许范围定在50ms内，最多不超过100ms，允许接收讯息后有足够反应时间。

图3　DSRC技术包含车载单元与路侧单元，可以支持车与车之间和车与路侧设备的双向数据传输。

LTV-V技术概要

车间与车路间的通讯技术除DSRC外，华为、高通（Qualcomm）等网通厂商积极推动以LTE网络为基础的LTE V2X技术，3GPP自2015年底将LTE-V技术纳入Release 14标准制定，目前于SA WG1内进行相关服务之研究及讨论。

英国商业、创新既技能部（Department of Business， Innovation， and Skills， BIS）2016年透过智慧运输基金（Intelligent Mobility Fund）提供8个下世代自动驾驶车研发计划资金，其中英国智能互连交通环境计划（UK Connected Intelligent Transport Environment， UKCITE），第一阶段为场域布建，预计2017年将在超过40英里的都市道路、高速公路上进行包含LTE-V等不同联网与自动驾驶车辆技术实证，参与测试计划者包含Jaguar Land Rover、西门子（Siemens）、华为、Vodafone、Coventry University与University of Warwick等。

德国电信亦宣布将与华为、丰田（Toyota）及奥迪（Audi）汽车合作，在因哥尔斯塔特高速公路（Ingolstadt autobahn）的测试场域上进行LTE-V技术实证。德国电信将在LTE基地台上设置华为供应的LTE-V硬件，Toyota及Audi车载LTE-V装置同样由华为提供。中国政府也看好LTE应用于车联网环境中，由中国信息通信研究院主导成立LTE-V核心工作组，在中国通讯标准化协会与3GPP架构下推动LTE-V的标准化与商业化发展。

在3GPP架构下，与V2X相关技术标准包含多媒体广播群播（Multimedia Broadcast Multicast Service， MBMS）与LTE Direct通讯。利用MBMS技术可同时对大量装置广播如公共警示等紧急讯息，LTE Direct通讯部分，3GPP于2011年展开相关研究，并正式将其纳入Release 12的标准制定，LTE Direct可自动搜寻邻近上千台装置，能够让处于LTE讯号覆盖范围内外之车辆、路侧装置等在不透过基地台情形下相互沟通（图4）。

图4　LTE-V可以再细分为LTE-V Cell与LTE-V-Direct两种不同通讯模式。前者需由基地台提供服务，后者则类似DSRC，可实现直接联机。

3GPP于TS 22.185文件中描述LTE-V应用情境与传输要求，LTE-V应用情境包含LTE网络范围内及范围外的V2V、车对基础建设/网络（Vehicle to Infrastructure/ Network， V2I/N）及车对行人（Vehicle to Pedestrian， V2P）等。传输部分须达到支持最大相对速度280km/h、绝对速度160km/h的高速移动，以及V2V环境下延迟速度低于100ms等要求。

LTE-V的实际运作可分为LTE覆盖范围外的V2X通讯，单一营运商透过基地台管理的V2X通讯以及多营运商透过基地台管理的V2X通讯等。3GPP认为，在多营运商提供V2X服务的情境下，讯息传递有三种情形需被考虑：

第一，特定区域内仅有一家营运商有基地台，该营运商与其他营运商分享基地台提供包含V2X等多种服务；

第二，特定区域内仅有一家营运商拥有V2X频段，该营运商分享基地台给其他营运商限定提供V2X服务；

第三，特定区域内有2家营运商都拥有基地台，V2X服务器分配V2X讯息给2家营运商的网络。终端应能够接收不同营运商之V2X讯息，避免漏接重要信息。

车间与车路间通讯技术可协助提升车辆安全，也是未来自动驾驶车辆的关键技术之一，DSRC与LTE-V都利用车载装置间以及车辆与路侧装置间进行信息交换，达到实时信息传递，提供驾驶者判断或车辆自动控制，两者在技术上都必须达到一定传输要求来实现车辆安全应用。

DSRC、LTE各有优势

在标准进程与导入方面，DSRC发展较成熟，美国、欧洲等国家已提出相关标准规格，LTE-V目前已在3GPP进入标准制定流程，但至少需到2017年Release 14中才会完成，在布建上DSRC由于需要安装新的路侧设备，将增加导入成本与时间，LTE-V则能够整合既有的基地台装置，不需要大量布建新基础建设，可缩短导入时间，两者之间互有优势。

各国频谱政策大致相同　主流频段出列

有关车用雷达感测系统相关频谱之规画，美国FCC于Part 15规范16.2∼17.7 GHz与23.12∼29GHz提供宽带雷达系统使用，46.7∼46.9GHz、76∼77GHz限制作为车载电场扰动传感器的车用雷达系统使用，并于2015年发布法规制定通告，将76∼81GHz划给雷达系统使用。

欧洲根据ERC Recommendation 70-03文件有关短距离装置之频谱划分，将21.65∼26.65GHz、76∼77GHz以及77∼81GHz分配做为汽车雷达使用；日本目前规划的车用雷达频段为22∼29 GHz、76∼77GHz与77∼81GHz。2015年ITU于WRC-15会议中将77.5∼81 GHz划分为包含汽车雷达使用的无线电定位频段，为国际车用雷达系统频谱的和谐使用奠定基础。

车联网安全应用之推动需由车厂、零组件制造商、网通设备厂商、营运商等相关业者共同合作，为加速不同业者之间的整合，需要频谱主管单位确立相关应用服务之作业频段，考虑设备取得、维护成本以及本土业者相关解决方案的全球出口，在频谱规划上建议仍以国际主流频段为首要考虑。

目前我国主管单位已展开相关研究，但仍需要规画单位与管理单位进行协调，厘清国内相关频段及邻近频段的使用现况，确立相关使用规则，加速车联网安全应用产品及服务于国内之发展与推动。

（本文作者为资策会MIC产业分析师）