DSRC、LTE、5G NR v2x技术是什么

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中国交通信息化 2021-12-06 11:03
文/《中国交通信息化》采访人员刘睿健
伴随着智能驾驶产业发展的热潮和车路协同技术的快速发展与迭代升级，面向车联网的V2X（车与万物互联）技术已成为行业内关注的焦点，更被认为是未来智能交通领域技术发展的主要趋势之一。经过几年的发展，国内车联网产业链雏形渐显，链条上玩家纷纷着手研发新品并加强技术储备。从全球范围看，在自动驾驶车联网领域，目前主要存在C-V2X（基于蜂窝网络的车用无线通信技术）与DSRC-V2X（基于专用短程通信的车用无线通信技术）两条不同的技术路线。就国内而言， C-V2X又包含了LTE-V2X和5G NR-V2X两个技术路线；而DSRC-V2X则延伸到ETC领域，实现ETC与V2X的融合发展，即ETC+V2X 。
在正文开始之前，有必要对本文所讨论的一些重要技术概念做以下解释。
DSRC ，即专用短程通信的缩写，包括各种专用短程通信技术，业内对此并不陌生。国际上DSRC是指基于802.11p的V2X通信技术；我国的DSRC是指ETC系统专用的5.8GHz通信技术。本文所述之DSRC-V2X特指基于我国ETC系统的5.8GHz DSRC的V2X技术路线。
LTE（Long Term Evolution ，长期演进）项目是3G技术的演进，是3G与4G技术之间的一个过渡，是3.9G的全球标准。本文所述之LTE-V2X即指基于LTE（3.9G标准）的V2X技术路线。
5G NR ，即基于OFDM的全新空口设计的全球性5G标准。本文所述之5G NR-V2X即指基于NR（5G标准）的V2X技术路线。
面对当下车联网技术呈现出的多样化势态，未来V2X技术路线将如何演进，一直是行业内，尤其是车路协同自动驾驶领域比较关注的话题。但近些年， V2X的技术演化路径似乎正在逐渐清晰，先来看如下一则新闻：
美国当地时间2020年11月18日，联邦通信委员会（FCC）正式投票决定将5.9GHz频段（5.850-5.925GHz）划拨给Wi-Fi和C-V2X使用。根据新通过的频段划分计划，将把该频段上较低的45MHz频谱分配给Wi-Fi免授权设备使用，并将较高的30MHz频谱划拨用于C-V2X技术来提高汽车安全。
乍一看，这是一项很普通的决议，但深究起来，其背后意义非凡：
这一频段原本是由专用短程通信（DSRC）独享，用以改善交通安全，而今一分为二，给了Wi-Fi和C-V2X 。由此可见，这意味着曾被FCC指定用于汽车通信技术的DSRC在存活了20年后被判了死刑。
该则新闻之所以寓意深刻，值得业界引起重视，是因为原本全球范围内普遍接受的车联网DSRC与C-V2X两个技术路径，在此次美国毅然决然舍弃DSRC后，基本上意味着由我国坚定发展的C-V2X已经成了国际主流标准，获得了全球范围的认可，只是LTE和5G存在着一种演进关系。
结合我国国情来看，自全国高速公路实现“一张网”运营以来， ETC自由流收费已成为未来高速公路收费的主流发展模式，以5.8GHz DSRC构建的中国ETC系统成为世界范围内覆盖区域最广、用户保有量最大的车路通信应用系统。由此看来，在高速公路领域，利用既有的ETC基础设施来发展车联网产业，已成为当前业界的一个共识。当下，我国V2X技术发展，在面对DSRC-、LTE-、5G NR-三个主要技术路线时，该如何抉择，似乎是一件很有必要探讨一下的事情，那么接下来，小编就带大家一起来分析分析。
三种技术路线优劣势分析
下文将从技术可靠性、传输速率、传输范围、延时性、带宽大小、资源利用率、产业成熟度等方面，对比分析DSRC-V2X（ETC+V2X）、LTE-V2X、5G NR-V2X三个技术路线的优劣势。
DSRC-V2X（ETC+V2X）
优势：在部署上可以利用现有的ETC资源和基础设施，具有较好的行业基础，技术和产业推广相对成熟，业务方向明确（面向短程通信收费业务），政策引导性较强。
劣势：传输可靠性低（碰撞密集时容易掉线），传速速率低（兆级），传输范围小（100米左右），传输时延差（100毫秒左右），通信带宽窄，通信传输穿透性不强，在车路协同应用方面缺乏行业内的统一标准等。
LTE-V2X
优势：传输可靠性较高（90%以上），传输速率较高（十兆级），传输范围较大（400米左右），传输时延较好（10-20毫秒左右），通信带宽较大（20-30兆左右），行业标准相对成熟。
劣势：传输方式上支持广播但不支持组播和单播；设备渗透率低，车端预装的终端不足，高速公路上缺乏应用的路侧设备；产业上停留在试点和示范区，行业应用有待大力拓展。
5G NR-V2X
优势：传输可靠性高（99.99%以上），传输速率高（百兆级），传输范围大（理论可达1000米），传输时延好（1-3毫秒左右），通信带宽大（40兆左右）；具备网络切片、边缘计算、功能虚拟化等技术亮点。
劣势：功耗大，费用高；高速公路上缺乏路侧设备等基础设施；应用场景不够；相关产品处于研发阶段，还未推广。
三种技术路线（技术上）优劣势对比如下表所示。

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三种技术路线应用场景探讨
以上三种技术路线的应用场景，主要与应用需求相关。以车路协同为例，在紧急刹车、碰撞预警等对传输速率和延时性要求较高的场景中， DSRC-V2X应用效果不佳，需要C-V2X技术进行支撑，而在如左转弯辅助、弯道及易发事故路段信息发布等服务辅助场景中， DSRC是可以提供支撑的。具体讨论如下。
【DSRC、LTE、5G NR v2x技术是什么】DSRC-V2X（ETC+V2X）
主要提供面向V2I的一些辅助服务
ETC全国联网以后，形成了良好的基础设施和用户基础，结合ETC的相关拓展应用， DSRC-V2X在车辆管理、特殊商业设施等场景中，可以为出行者提供简单的基础服务、功能服务。
但需要明确的是，由于ETC用于车路协同其劣势在于利用了DSRC技术，通信距离短，不能做到车车通信，因此， DSRC-V2X不能定位在车路协同自动驾驶上，现阶段可定位在L1、L2级别（辅助驾驶）的辅助功能上。在高速公路场景中，基于ETC和V2X的技术基础和相关功能，借助ETC现有的基础设施，如门架标签、智能OBU等，为用户提供面向V2I的服务，可在LTE-V2X的基础上增加道路收费服务，慢慢实现路径规划、提升交通效率等相关功能。例如，在ETC现有门架天线的沿线，尤其是在一些弯道、易发事故路段布设一些天线，做一些信息发布提示，如前方路况提醒、道路预警、行车诱导、收费路段提醒等服务性辅助功能。在城市交通场景中，一定时期内， DSRC-V2X、LTE-V2X、5G NR-V2X三种技术需要共存，以满足系统性能与建设成本之间兼容性的要求。在更复杂的场景中，通过引入LTE-V2X、5G-V2X这些高性能的V2X技术，对V2V及V2I场景进行补充。
LTE-V2X
主要针对百毫秒时延的辅助驾驶场景
一方面，通过引入智联通信，降低时延，增强终端在无网络覆盖时的通信能力；另一方面，通过Uu接口扩展交通参与对象。在基础安全警告方面，实现前向碰撞预警、交叉路口碰撞预警、左转辅助、盲区辅助、紧急制动预警等；在交通效率提升方面，实现车速引导、前方拥堵提示、紧急车辆提醒等；在信息服务方面，主要实现汽车的机场支付场景。当前， LTE-V2X已初步具备了产业应用基础，近期有关智慧高速的试点，基本都是采用LTE-V2X 。
5G NR-V2X
主要面对增强型的车联网场景
目前车路协同5G-V2X主要研究方向和应用场景包括安全（如碰撞、辅助、停车、逆行等）、效率（如交通拥堵等），以及服务信息等，重点解决自动驾驶问题，让自动驾驶更加智能，并服务未来的高级驾驶、车辆编队以及远程驾驶等。
车辆编队。利用5G NR-V2X低时延和大带宽的基础特点，支持一组车辆组成车队行驶，所有编队行驶的车辆能够从头车获取信息，并实现这样一个传感器的信息共享，使得同步车辆可以保持密集的超短车距。高级驾驶。利用5G NR-V2X低时延和大带宽的基础特点，通过相邻车辆之间共享感知数据，共享本车的驾驶意图，实现驾驶策略的协调与同步功能。传感器扩展。要求交通参与者，如车与车、车与云、车与基础设施之间（即V2V、V2N、V2I）实现车载传感器的交互，扩展传感器的感知范围，以获得当前更全面的道路信息，补充目前单车智能超短视距以及非视距的感知情况。远程驾驶。针对无法驾驶的乘客或者处于危险环境中的车辆，包括远程车辆，通过5G通信、车路人协同、云计算以及自动控制等技术，实现远程的驾驶员对远端的车辆进行远程监控和远程操控。V2X未来的发展方向
根据前文对三种技术路线的分析探讨，可以看出V2X的技术发展趋势——DSRC-V2X（ETC+V2X）、LTE-V2X与5G NR-V2X三种技术融合演进的路线是非常明确的！
从功能上来说，从辅助驾驶到未来的自动驾驶是一个必然的发展过程。从应用效果上来看，无论是车与车之间的近距离通信定位，还是信息传输的速率和成功率等， 5G的优势显而易见。
针对V2X技术发展，具体可归纳为以下几点：
5G将成为未来V2X技术中的主角；未来V2X面向车路协同，车联网的身份认证与安全信任已成为共识，即安全性和可靠性应该成为共识；V2X将与边缘计算（MEC）技术紧密结合；V2X将向网联化与智能化方向发展；车联网通信将在提升辅助驾驶功能、提升交通效率等方面发挥重要作用（如驾驶安全等），最终服务于自动驾驶。从产业技术角度来说，由于单车智能存在非视距感知和超视距感知的问题，而C-V2X与感知的融合可以有效解决这个问题，因此， C-V2X与感知的结合，可能成为智能网联汽车未来的发展方向之一。此外， C-V2X与移动边缘计算的融合，可以为用户提供如区域化或智能网联服务。边缘计算（MEC）设备连接着相关的感知设备，如视频、雷达（毫米波雷达和激光雷达）、红绿灯等， MEC设备可以对相关感知设备进行融合计算与处理，并将相关的处理结果通过V2X为交通参与者提供服务，即为V2V、V2N、V2I提供服务。未来， C-V2X与5G将构造出一个智能网联的新生态，保证智慧交通业务的连续性。但是， 5G NR-V2X的功耗很大，且道路沿线通信网络及相关设施的构建和布设也是个大问题，是产业未来需要主要解决的痛点。
根据我国目前高速公路信息化发展的实际情况， ETC全国联网后相关基础设施建设已然成熟，且V2X技术的发展是需要一定周期和行业验证的，因此，从实际的产业发展路径来说， DSRC-V2X（ETC+V2X）、LTE-V2X与5G NR-V2X这三种技术发展路线在未来一段时期内是共存的，而这段时期的长短与自动驾驶技术、行业应用的成熟度等息息相关。
当前， ETC现有基础设施具有大量的门架系统， OBU天线已完成布局，用户规模庞大，同时ETC的通信网络以及后台的处理系统也进入了稳定的运行和运营阶段，且ETC具备车辆进场支付完整融合的一个金融体系，为路侧V2X设备部署提供了有利的条件。因此，在ETC与V2X的融合上，可以把ETC的信息利用起来，在ETC上叠加一些辅助功能，这样既利于V2X辅助驾驶功能的实现，也便于促进车联网商业化和应用场景的落地。
但是基于ETC发展V2X最终能否推广起来还取决于具体的应用效果，主要有以下三点：（1）用户的体验感；（2）后台支撑系统的应用效果，如相关软件、App等信息的推送是否及时；（3）推广模式，如何推广ETC的拓展应用，如ETC进城市、ETC停车、ETC收费等。
2018年11月13日，工业和信息化部发布《车联网（智能网联汽车）直连通信使用5905-5925MHz频段管理规定（暂行）》明确， 5.9G频段作为基于LTE的C-V2X技术的车联网（智能网联汽车）直连通信的工作频段。2018年至今， LTE-V2X从通信到网络，在边缘计算应用、服务平台、规则和运营等方面展开了一系列的研究与应用，包括示范试点等，并初步具备了产业应用的基础。需要指出的是，发展LTE-V2X的主要目标是增强驾驶的安全性和提升交通效率，为辅助驾驶赋能。而当前， R16版本的5G NR-V2X的主要目标是在进一步增强驾驶安全的同时，作为高级别自动驾驶的辅助手段。因此，从车联网应用场景的需求来讲，目前LTE-V2X和5G NR-V2X的定位是相互补充关系，并非替代关系。在R16版本的5G NR-V2X的技术规范中，制定了LTE-V2X和5G NR-V2X设备内共存的规范，其目的就是保证车联网技术的稳步有序发展。
由于当前车联网领域与5G相关的协议还未公布，因此在公路、高速公路上的相关试点目前还是以LTE-V2X为主，但随着5G技术的发展，如果未来几年相关协议和规范能够确定，加之高速公路车路协同的发展并没有那么快， 5G NR-V2X技术应用一步到位的可能性还是有的。就目前而言， 5G在应用终端开发、路侧设备、边缘设备以及与C-V2X的交互融合和跨越等方面的基础研究和测试工作开展得还是比较顺利的。
总而言之，当前一段时期内，在大力推进ETC拓展应用的趋势下， ETC与V2X的融合发展将在车路协同自动驾驶的初级阶段发挥积极作用，如果将当前1万多个ETC门架设施、2亿多个ETC用户好好利用起来，就能为出行者提供许多基础服务和功能服务（如危险路段、事发路段信息辅助等），以提高驾驶安全性，降低高速公路事故发生率，提高通行效率，在实现节能减排的同时，增强司乘人员的出行体验，并为V2X提供安全辅助。
致谢：
交通运输部公路科学研究院北京交科设计院副总经理盛刚
山西省交通运输运行监测与应急处置中心正高级工程师彭刚
北京万集科技股份有限公司智能网联事业部V2X技术总监马春香

DSRC、LTE、5G NR v2x技术是什么

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