車聯網開創產業全新想像

作者 : Anthea Chuang、Judith Cheng,EE Times Taiwan

智慧連網車輛是實現未來交通的關鍵,也衍生無限新興商機;汽車產業產值與出貨量近幾年持續走低的態勢,已讓車廠迫切尋求新的突破,而連網車輛與電動車(EV)則是車廠押寶的兩盞「明燈」...

智慧連網車輛是實現未來交通的關鍵,也衍生無限新興商機;除了車輛本身的軟硬體技術演進,各式通訊技術、雲端、車用電子元件,測試技術……都是打造V2X車聯網智慧車輛與路邊基礎設施不可或缺的元素。汽車產業產值與出貨量近幾年持續走低的態勢,已讓車廠迫切尋求新的突破,而連網車輛與電動車(EV)則是車廠押寶的兩盞「明燈」。

近幾年,連網車輛已經是一個成長領域。IDC在《全球智慧聯網汽車預測報告2020~2024》報告中指出,受新冠肺炎疫情衝擊,2020年全球智慧連網車出貨量預計較去年下滑10.6%,約4,440萬輛,今年市場將恢復成長;預計到2024年全球智慧連網車出貨量將達約7,620萬輛,2020~2024年的年複合成長率(CAGR)為14.5%。IDC並預測,到2024年,全球出貨新車超過71%將搭載智慧聯網系統,市場將趨於成熟,後期成長將有所放緩。根據IHS Markit預測,2020年球已售出4,750萬輛連網車輛,2021年將成長20%,達到5,680萬台。

這樣亮眼的數字讓車廠或是半導體電子廠商,打了一劑「強心針」,並將汽車產業視為第四個「C」,全力發展車聯網創新應用與相關技術。

車內外通訊技術打造全方位車聯網應用

車聯網是實現未來全自動駕駛車輛不可或缺的關鍵技術,那麼究竟什麼是車聯網?中華電信行動分公司5G物聯網資深產品經理黃智彥表示,所謂的V2X車聯網技術,是整合車輛、路側基礎設施、雲端等三方架構,實現車輛對車輛(V2V)、車輛對通訊網路(V2P)、車輛對基礎設施(V2I),以及車輛對用路人(V2P)的連結,藉由即時路況資訊的傳遞來提升交通安全。

  • 結合C-V2X5G專網實現智慧交通大未來

讓車輛得以連網的無非是無線技術,其中車用5G通訊還在起步階段,預期2021年只會有少數部署,預期5G市場會在2023年全面起飛;而C-V2X應該會是眾多5G應用中的一部份。

黃智彥指出,由3GPP主導的蜂巢式車聯網(C-V2X)標準在4G LTE的Release 14,以及5G Release 15仍以支援汽車行駛基本安全功能為主,如碰撞預警、交叉路口協助、盲彎警示等等;Release 16的5G NR C-V2X則聚焦於自動駕駛輔助應用案例,支援感測器共享、即時大量資料更新與遠距駕駛等功能。不過他也指出,完整的V2X車聯網架構,應該是以C-V2X提供在路口範圍之內車輛、路側基礎設施與行人之間的短距離通訊,再輔5G多接取邊緣運算(MEC)專網,支援涵蓋數個路口的大範圍邊緣運算,以提升交通資訊傳輸的即時性。

V2X車聯網完整架構。(資料來源:中華電信)

黃智彥表示,C-V2X可補足車輛先進駕駛輔助系統(ADAS)的安全性缺口,5G MEC則能補足C-V2X的安全性缺口;而高速率、低延遲(URLLC)與大連結是5G的優勢所在,並且一次可讓上千輛車子接收到即時通知訊息。他也舉出一個結合5G專網與C-V2X在緊急救難交通的應用實例:韓國將車聯網技術導入消防車緊急救護網路,在消防車出勤時可透過V2V廣播車輛位置、方向、速度,通知周邊車輛禮讓通行;此外消防車能以V2I對路側交通號誌發送燈號變換訊息,讓緊急任務能一路暢通;與消防車輛透過V2N連結的交通控制平台則可透過影像偵測分析路口狀況,以判斷是否需延長綠燈秒數。

目前中華電信已在桃園虎頭山創新園區、淡水與彰濱等地的自駕車測試場域,建置了5G車聯網驗證環境,正在進行自動駕駛接駁巴士的測試。此外該公司也協助高速公路以及台灣10個縣市以5G車聯網技術建置智慧路口,提供高速公路行車時間偵測、易肇事路口違規、塞車熱點偵測等功能。黃智彥表示,中華電信將持續與國內車聯網創新技術團隊合作,以建構結合台灣上中下游業者的5G車聯網生態鏈,迎接估計將持續20年的全球性商機。

  • 5G

3GPP於去年7月3日宣佈5G Release 16標準第三階段定案,亦即5G Phase 2宣告完成,未來將針對各產業規劃更完善的支援應用,自動駕駛則為其中一項目標。這意味著車聯網的應用將再度擴大,因此,市調單位預估2025年新車市場連網汽車的數量將接近7,400萬輛,滲透率達80%。

5G是否就會成為車聯網的主要外部通訊技術?高通(Qualcomm)產品行銷資深經理朱俊翰表示,過去的10年,4G已透過網路連結,縮短了桌上型電腦以外的數位差異,未來,5G將讓智慧運算普及,更進一步消除跨應用的數位落差。也就是說,5G不僅可使智慧運算技術——也就是人工智慧——更加普及化,還能讓數十億的裝置透過5G連結,傳送各種資料,使其成為未來全球經濟的基礎。根據IHS Market的數據調查研究,5G在2035年前將創造出超過13億兆美元的商機,因此5G是全球,也會是台灣業者一個能發展出非常多不同商業模式的大好機會。

5G網路的覆蓋與新的應用將為整個行動產業生態創造巨大和加速演進的機會,且各個產業也將透過5G加速推動數位轉型。其中,最讓產業期待,會因為5G技術而出現大變革的就是汽車領域。朱俊翰指出,近期發表的新車中,可以看到不論是哪一等級的汽車,許多在內裝上都已經數位化,也都內建更多、更大的高解析度螢幕,所謂的智慧座艙已開始成形。不僅如此,即使是入門級車款展示的重要特色,如電子數位化、車載資訊娛樂系統,都圍繞在汽車的連線能力,這也使得連線的能力在汽車市場中,已逐漸成為必要的考量之一。

數位化與連網能力促成車輛演進的一大趨勢——智慧車艙。(圖片來源:高通)

因此,高通預期,2027年售出的所有車輛中,有近四分之三將內建蜂巢式連網能力,超越2015年時僅有的五分之一。且預期透過蜂巢式技術,ADAS將成為主流,而中央運算、雲端連結、連線能力也都成為主流的關鍵技術。舉例來說,當很多不同的車輛都在接近交叉路口時,無論駕駛是超速行駛,還是減速,或是加速行駛,行人卻還在人行道上,此時若能追蹤行人的行徑方向,並在儀表板上顯示安全警報,就能確保可以在安全的狀況下繼續行駛。而透過蜂巢式車聯網技術,如C-V2X,再透過人工智慧處理X數據(X-Data,即車尾和車身周遭的數據),能實現即時更新路況到高解析度地圖、車道級精確的導航,能提供駕駛即時導航體驗,增添行車安全性。

  • C-V2X/DSRC

事實上,不僅3GPP宣佈的5G C-V2X技術可用在車外連網通訊,IEEE的專用短距離通訊(DSRC)技術,也是車輛對外的溝通管道之一。安立知(Anritsu)業務暨技術支援部經理薛伊良表示,車聯網可實現的應用很多,透過車輛對外通訊,可讓車輛甚至自駕車得知即將有救護車經過,或是突然有行人穿越馬路等,增加道路安全。且不論C-V2X與DSRC之間是否存在著3GPP與IEEE兩大陣營之間的較勁關係,在日本及歐美國家是兩項技術皆使用並各司其職。

先從車聯網 ITS頻譜來看,5.9GHz頻譜資源中,各國各開放了不同的頻段給DSRC與C-V2X,預計在2022年各國NR-V2X 的 5.9GHz 頻段就會進行分配。薛伊良說明,DSRC和C-V2X兩項技術本身有所不同,此可以因應車聯網不同應用所需。例如,C-V2X是3GPP的標準規範,因此可以重複使用既有的LTE基地台、成本較低且具備行動通訊技術的優勢,適用於廣域的車輛間透過基地台進行通訊:DSRC基於Wi-Fi IEEE 802.11p技術,需要大量佈建RSU,因此在無法佈建如此多的RSU以將訊號傳到遠處的情況下,DSRC適合用在車對前方交通號誌、車對前後車輛,或是車對人之間的短距直接通訊。

DSRC與C-V2X差異與適用範圍。(資料來源:安立知)

值得注意的是,目前,日本及歐美各國政府是將DSRC用在救災或是緊急救援方面。不過,在直接通訊應用上,其他的蜂巢式網路也能做到,然而隨著今年底IEEE 802.11bd標準規範現身,各國政府是否針對DSRC技術有後續的規劃,值得觀察。

  • 藍牙

車聯網不僅指車外部的通訊,車內的通訊也是不可或缺的一部分。業者看好藍牙在消費性電子中,尤其是智慧型手機已是100%的滲透率,因此,不僅將藍牙作為連接車用娛樂系統與智慧型手機的橋樑,也透過藍牙技術監控車輛電池狀況。

德州儀器(TI)半導體行銷與應用嵌入式系統總監詹勳琪表示,也許有些人會質疑,透過無線技術監控電池狀況是否連線不穩定而造成有安全性的問題,但試想,在疫情期間,人們在家上班或是學習時,大多還是利用家中的無線技術進行連接,不會使用3G、4G行動網路,這就意味著無線網路的穩定性是足以被信任的。加上德州儀器在電池監控系統中所採用的是自有且經過強化的藍牙通訊協議技術,具備重啟時間不超過300毫秒(ms)、具資料加密功能、可支援100個以上的節點且自帶隔離元件,因此在安全性與成本上,都具備了優勢。

除此之外,藍牙在車輛上,可實現的應用還很多,詹勳琪指出,目前已發生的應用包括將智慧型手機作為車鑰匙;透過藍牙可讓車輛中控中心判斷駕駛是誰,並設定好個性化的使用模式;共享車輛與遠端停車,以及安全的韌體更新。未來,藍牙將進一步提升車輛的安全性,如透過低功耗藍牙防止中繼攻擊、取代車內更多纜線、胎壓偵測…等。而將車輛作為一個資訊接取點,透過智慧型手機作為車載資通訊系統的鑰匙或主控制端。對於台灣業者來說,是進入車用市場的熟悉切入點。

藍牙技術聯盟(SIG)亞太暨中國市場總監李佳蓉認為,藍牙之所以能夠在汽車產業取得廣泛的應用及成功,主要使用了藍牙兩個解決方案領域,一個是音訊傳輸,另外一個是資料傳輸。藍牙音訊傳輸技術方案可打造包括免持接聽電話、語音呼叫及車載訊息娛樂系統等應用;藍牙資料傳輸解決方案,則是透過低功耗藍牙技術的連接,使用戶可以透過手持裝置與汽車上的無線感測器互動,實現相關的車載應用。

隨著藍牙SIG會員持續推出各種透過藍牙技術打造的創新配件,從2019年開始,藍牙裝置在汽車市場的出貨量不斷攀升。舉例來說,2019年乘用汽車出的貨量大約是7,500萬輛,而藍牙成員公司的藍牙汽車裝置出貨量還比這個數值高,約為8,900台,這表示藍牙技術不僅被新出貨的乘用車採用,還有其他新汽車周邊設備應用。藍牙SIG也預測,到2024年,藍牙車用裝置出貨量將可達1億900萬台。

藍牙裝置在車用市場出貨量統計。(資料來源:藍牙SIG)

李佳蓉並援引ABI Research的資料進一步說明藍牙技術在車用市場如何備受歡迎。她提到,目前藍牙已成為87%新車的標配技術,預計未來幾年內將會達到100%。預計在未來5年內,啟用藍牙的智慧鑰匙和配件的年出貨量將成長60%,ABI Research預計到2024年,藍牙啟用的智慧鑰匙扣和配件的年出貨量將超過1,300萬。

由於藍牙技術成為大多數新車的出廠標配,加上藍牙在智慧型手機的普及率已經高達百分之百,因此,目前藍牙也正成為汽車無鑰匙開鎖的標準,這是由藍牙技術本身的低成本、易實施以及用戶使用手機開鎖需求增加趨勢所推動。

不僅如此,預期到2024年,路上行駛的車輛中有三分之二的無線感測網路將透過藍牙技術實現。現階段,汽車製造商正在為其汽車設計更多感測器陣列,用以支援包含車上的訊息娛樂系統、無鑰匙進入,到輪胎壓力監控和狀態警報等應用支援。李佳蓉強調,無線感測網路使用藍牙的比例將超過所有其他無線技術的佔比,預計未來每輛車都會有4~6個藍牙無線感測器,以實現應用需求。

時脈元件掌控連網車輛各系統執行狀況

從1970年代的一輛汽車出現開始至今,車輛已經經過多次演進,電控系統不斷加深在車輛的比重,以實現各種功能。但各個電控系統之間如何連接?Silicon Labs時脈產品事業部亞太區業務開發資深經理葉之謙表示,最初電控系統是各種纜線連接,使得纜線成為佔車輛總成本的的第三名。

再者,現在的智慧車聯網車輛中所需的核心零組件與技術,攝影機、感測器…等也越來越多,連接這些小系統需要建置完備的車內乙太網路,車外的5G通訊技術也需要能與車輛內部溝通;且智慧車聯網重要的未來發展是自駕車,因此車輛內部人工智慧、資料分析的處理器或FPGA也要能與車內各個系統溝通。而如何達到有效的溝通,讓車輛順利的運作、行駛,則需要能精準掌控時間的時脈元件。

葉之謙解釋,時脈元件如同處理器、各種有線/無線傳輸介面的心臟,傳送時間資訊給車輛各系統的大腦,以便在即使車輛收不到外在訊耗時,也能不影響車輛的行駛。目前,車用時脈元件需達毫秒等級,但未來需進入到奈秒(ns)等級,如此一來,反應會更快速,「也許先前的太魯閣號事故也就能因此避免。」

時脈元件在車聯網車輛中的應用領域。(資料來源:Silicon Labs)

除了反應時間,時脈元件很重要的特性是精確度。葉之謙認為,車輛內部的IC或SoC有時脈元件就能執行工作,但業者在設計時需考慮,時脈的頻率是否正確、精準,否則仍是會造成一定的風險。因此建議業者在設計時需要一顆能夠偵測時脈頻率是否正確的元件,並在設計各個子系統時能加入完整的時脈樹(clock tree),如此將能設計精確運作的車輛系統,提升連網車輛的安全性。

測試技術確保車輛運作與資訊安全

有了通訊技術(血管)、處理器/時脈元件(大腦/心臟)、感測器(感官),智慧連網車輛該如何保持「健康」?普源精電科技(Rigol)技術市場經理潘光平表示,設次與量測技術就是把關車輛出廠前或出廠後是否有任何問題存在的醫生。車聯網是物聯網的延伸,因此將車聯網細部分解,可分為V2V、車對感測器(V2S)、車對雲端(V2C)、V2I,以及V2P的通訊,這當中會採用到各種通訊技術。

而採用的通訊元件或是天線…等有問題,車輛就無法取得所需的資訊,此時,若是在元件或裝置設計時進行精確的測試測量,並通過各通訊技術標準規範,以及車規相關驗證如ISO 26262,那麼車輛在出廠前,就會是「健康」的。德凱(Dekra)產品檢測驗證暨服務部EMC & RF法規資深總監蕭鴻凱表示,為什麼車輛在出廠前通過車規之外,還要對車內外的通訊技術元件與系統進行測試?這是因為各國頻譜資源並不相同,各通訊技術能分配到的頻段也不一致,且有專門管理通訊技術與分配頻譜資源的單位,如台灣是NCC,美國是FCC…等,因此若是業者的智慧連網車輛要銷售到各國,則首先需注意各國對於通訊技術的規定,以及車輛的通訊元件或是設備,是否在各國劃分的頻譜範圍內。否則,除了車輛除了無法與當地車輛或基礎設施溝通之外,甚至無法銷售至當地。

車聯網所需的通訊技術涵蓋到許多技術標準組織制定的規範。(資料來源:德凱)

另一方面,自動駕駛是近兩三年來汽車市場上最熱門的話題之一,相關技術的進展也日新月異,不過量測設備大廠Keysight經銷商克達科技(Coretek)應用工程經理馮育隆認為,「要讓自駕車上路,比讓火箭上太空更難!」他進一步解釋,這是由於攸關乘客與其他用路人生命安全的自駕車系統,需要特別注重硬體運作穩定性與容錯,因此量測程序扮演重要角色;然而相較於舊車輛,配備ADAS、自駕功能的新一代車輛,因為內部之電子控制單元(ECU)數量更多,干擾源也因此增加,使得量測難度隨之升高。

馮育隆以車用網路量測與干擾源量測為範例,說明自駕車系統量測任務的挑戰所在。在車用網路方面,市場上已經廣泛應用多年的CAN干擾程度小、安全性也夠,量測較容易,但因為訊號傳輸速率相對較小(1~8Mbps),對新一代車輛配備的車載智慧攝影機、雷達、資通訊娛樂系統等設備來說已不敷使用,因此車載乙太網路技術躍升為主流。馮育隆指出,目前的100BASE-T1、1000BASE-T1車載乙太網路分別支援100Mbps與1,000Mbps速率,需要以高速訊號進行量測,其延遲性能是測試重點。

而車載乙太網路測試與一般乙太網路的測試也有所不同。馮育隆表示,一般乙太網路是採用兩條單一方向雙絞纜線,車載網路是採用一條雙向、雙絞纜線;在連接器部份,一般乙太網路採用RJ45標準連接器,車載乙太網路則可能因為各家車廠使用的連接器不同,需要以特製的治具進行量測。為協助使用者降低車載網路相符性量測任務的複雜性,Keysight的車載乙太網路量測方案可提供簡潔的軟體UI設計與完整的量測治具,並能只針對錯誤的測試項目進行重複測試,不需要再重頭執行整個量測程序,大幅節省了時間。

乙太網路與車載乙太網路差異所在。(圖片來源:克達科技)

在干擾源量測部分,馮育隆指出,配備眾多先進電子系統的車輛可能有來自內部高速訊號、馬達、充電器、控制器、電源開關等零件產生的雜訊,也可能有來自外部通訊基礎設施、充電站或其他車輛的雜訊,找出這些干擾源並抑制EMI,對安全性攸關的車輛系統來說特別重要。Keysight的方案支援阻抗量測、高/低頻量測、PCB量測,並能透過即時頻譜分析(RTSA)選項精準捕獲干擾源,助益車載系統順利通過EMC測試認證。

  • 不可忽視的連網車輛資安

車聯網技術在讓新一代車輛成為具備連網功能的智慧裝置之同時,也帶來了另一個新的威脅:網路安全。因為你不會希望在車輛行駛時,有駭客入侵,輕則只是竄改電池電量或油表資訊的「小玩笑」,重則可能控制你的方向盤,導致意外發生,危及性命。Bureau Veritas消費產品服務技術經理李培寧表示,對企業而言,公司機密資料的保護、防止被竊取很重要;對車輛而言,資訊的可用性才是著重點,如此才能確保行駛安全。

資安解決方案新創公司博歐科技(CYBAVO)共同創辦人暨執行長范紀鍠也認為,從車聯網的架構來看,當前連網車輛暴露出的資安弱點(駭客攻擊面),在車輛本身包括車用網路、資通訊系統、ECU、影音娛樂系統…等車載電子系統,在車輛外部則有車主與車輛連結的手機應用程式、無鑰匙車輛遙控器等。

早在2014年,就有白帽駭客破解了特斯拉(Tesla)的Model S車款,從遠端開啟車門、點亮車燈、使雨刷作動,甚至發動引擎。范紀鍠指出,這是Tesla的手機應用程式與車載資通訊系統(Telematics)雲端之間的認證機制缺失,透過中間人攻擊(MitM)取得車主的應用程式認證碼並複製到任何一台筆電上就可操作;後來Tesla已透過升級手機應用程式與雲端平台修補了這個安全漏洞。在差不多同時間的Jeep Cherokee車款也證實可透過反向工程破譯CAN通訊協定的方式攻擊,在遠端取得車輛的油門、方向盤與煞車等功能;後來車廠召回了140萬台受影響車輛進行韌體更新以修補漏洞。

范紀鍠指出,相較於召回車輛可能帶來的巨大成本,儘管新一代的車輛都可以透過OTA方式進行車輛韌體更新來補強網路安全弱點,但駭客手法層出不窮,往往修補了某一個漏洞,立刻又有新的漏洞出現,對車廠、車用系統開發商來說是不可輕忽的安全危機。他建議車廠應保持開放、透明與負責任的態度來處理相關事件,並透過建立單一通報窗口與企業內各部門協作機制,以及安全漏洞提報獎勵機制等方式,提升團隊對車輛資安的警覺意識。

此外范紀鍠也建議,連網車輛開發者車需要對產品與相關服務進行持續性的滲透測試(以駭客思維與手法進行系統入侵演練),並對供應鏈的產品安全評估與安全響應能力有一定水準的要求,才能確保攸關人身安全、也越來越成為個人化資訊/隱私的載具的車輛系統不至於成為駭客攻擊的目標。

有鑑於此,各國陸續頒佈資安法案,其中與車用資安最為相關的是UNECE(法源)/ISO 21434(規範)。李培寧指出,UNECE已有56個會員國加入,其中歐盟已在2020年7月宣佈實施ISO 21434規範,日本則是今年開始。UNECE有四個重點目標,1)管理好資安風險;2)把安全考量,透過風險分析,將其納入設計中;3)遇到資安問題需快速、適當的回應;4)軟體升級時;是否順利、正常,未受竄改。

而這四個目標也衝擊了車輛產品開發設計流程及供應鏈,以及車廠是否培養了資安相關人才,足以因應ISO 21434規範要求。李培寧強調,目前ISO 21434規範雖然仍在批准階段,法規隙項只完成了50%,但由於此規範是針對連網所造成的潛在性威脅,保護連網車輛系統防範外來的攻擊,因此業者不僅要超前佈署,還需與車輛功能性安全標準ISO 26262,在車輛設計時就一起考量進去,才不會隨著法規、技術要求越來越多時,因應不及。

本文同步刊登於EDN Taiwan 2021年6月號雜誌

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