本文將探討車輛對外界資訊交換(V2X)技術的最新進展。這種系統的進展速度並不如期待。然而,我們迫切地需要利用這種技術去拯救生命。V2X必須要有強大、獨立的網路安全協定。理想上,應該要開發一個全球平台,但可能先在某些地方部署,並考慮跨區域通訊,以便日後在全球範圍內實現互連互通。

V2X近來發展亮點

福特(Ford)領先其他競爭對手致力於蜂巢式V2X (C-V2X)無線電系統。針對C-V2X,我在EDN發表的《讓自動駕駛車輛安全上路的電子技術》(Autonomous vehicles: The electronics road to making them safe)文章中有更多的介紹。

例如,意法半導體(STMicroelectronics;ST)完整的V2X解決方案,就是一款專門定義用於快速移動物體的Wi-Fi衍生產品,即使在非視距(NLoS)條件下也能建立可靠的無線電鏈路。此外,ST與V2X晶片組製造商Autotalks建立了長期合作夥伴關係。Autotalks開發了一款無需依賴蜂巢式網路的理想解決方案,該系統還帶來了諸多優勢。


圖1: ST V2X解決方案採用Autotalks的晶片組。

接下來,我將介紹開發V2X的一些新思考。

確保高速公路行車安全

國際知名期刊《IEEE T-ITS》的一篇文章 「V2X通訊實現多車互連系統的編隊控制:設計與實驗」(Platoon Control of Connected Multi-Vehicle Systems Under V2X Communications: Design and Experiments)當中討論了編隊駕駛,特別是在高速公路上。在這種情況下,多輛汽車可透過車對車(V2V)或V2X通訊協議環境來利用某種跟車模型。其目標是在更短的時間內以更高的安全性駕駛到達目的地,並且速度保持一致,從而實現緊密跟隨,並降低空氣阻力。

該實驗的目標是將車隊中的每輛車都視為單獨的動因(agent),然後設計與車輛間距和速度相關的控制演算法,進而達到狀態一致。為了使系統能夠利用實際的連網車輛(Connected Vehicles;CV)控制策略,車輛間的互動就必不可少。

通訊

系統中有N輛車在直線道上行駛,第0號車輛(Vehicle 0)作為前導車,其後有N-1輛跟隨車。該實驗採用雙向引導車跟隨(BDLF)通訊協定。也就是說,每輛跟隨車都可以即時存取前導車的位置和速度資訊,而前導車可以透過V2X通訊存取每輛跟隨車的資訊。


圖2:BDLF通訊協議。
(圖片來源:《IEEE T-ITS》)

信標傳輸分析

信標可定期給出位置、速度和方向。在該實驗中,通道中只傳輸一個信標。信標可能有三種狀態:空閒狀態下無信標傳輸;只有一個信標可成功傳輸;多輛車嘗試在通道中發送信標——但這會導致衝突。該《IEEE T-ITS》文章中介紹對於車輛信標傳遞的成功與否進行概率研究。

跟車行為

該研究取得連網車輛在未變換車道的情況下持續在同一車道中的跟車行為,並制定了新的跟車模型。

同時,它也使用小擾動模型進行了穩定性分析,然後使用縱向和橫向車隊控制演算法進行了車隊控制設計。接著再使用四輛配有V2X裝置的連網車輛進行實驗。IEEE 802.11p用於作為通訊鏈路。車載單元(OBU)包括差分全球定位系統(DGPS)、主晶片以及一款專用短程通訊(DSRC)模組。路側單元(RSU)包含控制箱、DSRC模組和DGPS,用於接收車輛發出的交通流量資訊。測試過程包括車隊形成、車輛併入以及車輛分散(見圖3)。


圖3:配備V2X裝置的測試用車。
(圖片來源:《IEEE T-ITS》)

由於需要考慮通訊延遲和封包遺失等問題,本研究所設計的控制演算法有限。這將成為該小組後續工作的重點。

車載自組織網路的安全問題

安全至關重要,特別是在即將推出的各種5G應用中。車載隨意網路(Vehicular Ad-hoc NETworks;VANET)的研究相對較新,尚處於早期不成熟技術階段。一個明顯的例子就是它缺乏有效的通訊安全協議。

這項技術結合網路安全,可使我們每個人、乘客、駕駛和行人更加安全。有關這個主題的討論如今也在快速增加中。目前有美國、歐洲和中國三項標準,美國《IEEE 1609車載環境無線存取》(IEEE 1609 - Wireless Access in Vehicular Environments;WAVE)是目前最主要、最先進的標準。其基礎是IEEE 802.11p WLAN通訊標準,工作頻率為5.9GHz。

歐洲標準則由歐洲電信標準協會(ETSI)制定,是ETSI EN 302 636-4-I (見圖4)。


圖4:ETSI 102中車輛間通訊的加密/解密過程——上圖是加密過程,下圖是解密過程。
(圖片來源:IEEE Access, 2019)

圖4中的這種安全存在一些缺點:每輛車都必須有網際網路存取權限,才能驗證和更新證書。所有的技術都要注意漏洞,包括硬體安全、身份驗證、惡意資料的檢測和校正、公開金鑰基礎架構、群組簽名以及憑證授權等。這在《IEEE Access》的「車載隨意網路安全問題綜述」(A Review of Security Aspects in Vehicular Ad-Hoc Networks)一文中有詳細說明。一些需要改進的里程碑包括運算成本以及難以建立更堅固的安全金鑰等。

為物聯網實現HRLL通訊

目前,雲端和資料中心運算的進步,以及5G等通訊技術的發展速度比以往任何時候都要快。智慧化正隨著人工智慧(AI)而快速發展。5G將為此帶來高可靠和低延遲(HRLL),有助於推動V2X網路的發展與成功。

超高可靠低延遲通訊(URLLC)與HRRL對於V2X的成功至關重要。

LTE-V2X網路在鄉村環境的每個基地台約可支援超過1,000輛車,提供延遲低於55ms的上行鏈路。它還可以為「行動性」(mobility)的管理提供強大的解決方案,支援達10Mbps的資料速率以及高達140km/h的速度。因此,LTE-V2X在十字路口特別有用,可為路口車流(cross-traffic)輔助應用提供可靠的資訊交換。

V2X通訊網路的終極目標在於實現高效率、零事故的自動駕駛,而使道路的利用更加有效。

圖5是未來V2X部署的一個示例。


圖5:V2X的未來應用。
(圖片來源:IEEE, 2018)

這些例子只是近來相關研究和測試的一部份,目的是在道路上使用V2X來拯救生命,使高速公路和街道的交通變得更好,並降低事故率,從而實現更安全的駕駛。總有一天,我們可以完全達到零事故。

(參考原文:Recent 2019 updates in V2X technology,by Steve Taranovich)

本文同步刊登於電子技術設計雜誌2019年8月號