5G V2X側鏈效能加持　聯網汽車駛向安全康莊大道

蜂巢式車聯網(Cellular Vehicle-to-Everything, C-V2X)包括車對車(V2V)、車對人(V2P)和車對基礎建設(V2I)等，建立於過去數十年來無線技術、汽車安全和運輸效率方面的研究與標準化工作。它包含了名為側鏈的直接通訊模式，使汽車和路側單元(RSU)無需蜂巢式網路便可穩定和直接地進行溝通(圖1)。

全球領先的汽車製造商皆認可C-V2X側鏈所帶來的效益。世界各地各項新車評價計畫(NCAP)在了解C-V2X對於提升安全性的影響後，皆考量採用此技術。中國正快速且大規模地部署C-V2X汽車和基礎建設；歐洲也新制定了一項歐洲標準規範(EN)，以C-V2X作為歐洲電信標準協會(European Telecommunication Standardization Institute, ETSI)開發的智慧運輸系統(ITS)存取層技術。

同時，在美國聯邦通訊委員會(FCC)的支持下，美國已著手進行初期的部署，為C-V2X基本安全應用程式配置30MHz中的5.9GHz ITS頻段。C-V2X基本安全訊息僅需20MHz的頻寬，另外的10MHz可用於行動增強訊息和應用程式。基本安全訊息所使用的20MHz符合最新的J3161/1標準，新的標準參考了專用短距通訊技術(DSRC)早期V2V的應用標準。值得注意的是，5G汽車通訊技術聯盟(5GAA)^[1]研究與車間通訊聯盟(Car 2 Car Communication Consortium)已有大致共識，但核心的基本安全訊息可以在20MHz中實行。

強化的道路安全是基本的要求，即使並非在汽車界中的所有創新技術都是如此。可靠且及時的無線電通訊效能對於任何導入道路的解決方案都不容妥協(圖2)。高通與5GAA合作，以進行廣泛且客觀的測試，比較了兩種無線電技術－以IEEE 802.11p為標準的DSRC(美國的DSRC和歐洲的ITS-G5)和以3GPP Rel-14(側鏈)為標準的C-V2X。過去的十年，車輛碰撞預防指標聯盟(CAMP)也在不同的時間點中進行了功能和效能的測試，以評估兩種無線電技術。

在嚴密的監控狀況下，現場測試在包括理想及不利的各種環境條件下進行。這些測試採用了193位元組的封包長度來傳輸基本安全訊息，透過ITS頻段(頻道184)中的10MHz頻寬傳送。5GAA詳細測試報告^[2]清楚地說明了測試的設置、條件、範圍和結果。然而，查看相較於DSRC的C-V2X整體效能，綜合關鍵可靠性和鏈路餘量的效能指標，並分享C-V2X遠近問題的結果後，可以發現C-V2X顯然比DSRC具備更卓越的效能及可靠性。

測試設計包含了非直視性(NLOS)靜態和動態障礙物的實際交通狀況，並且納入了背景雜訊和干擾。比起DSRC，C-V2X明顯具備傳輸範圍(鏈路餘量)的優勢，即可為駕駛和弱勢道路使用者(VRU)提供更高的安全性。此結果並不意外，畢竟這些效能特性是最初設計C-V2X時的基本要求，並且早已從建模階段和實驗室結果中預期到這樣的成果。

可靠性和鏈路餘量

針對有背景雜訊和無背景雜訊的路徑損失模型進行系統化測試，評估各種訊號強度下傳送和接收車輛之間的通訊可靠性。在可靠性上，C-V2X表現明顯優於DSRC。真實的道路情境中，建築物、山丘和其他屏蔽車輛等障礙物會造成訊號接受極差的死角或區域。試想汽車在山路上傳送「禁止通過預警」(DNPW)的訊號給接收車輛，訊號強度低將使接收車輛無法及時收到訊號，可能發生兩車對撞。然而，藉由C-V2X出色的鏈路效能，可以降低訊號強度變差的情況，但DSRC卻無法。

C-V2X側鏈利用隱蔽的混合式自動重送請求(HARQ)來實現高可靠性，透過不同編碼傳送相同的資料包。接收的車輛可視情況使用兩則或多則傳輸的訊息來重建原始訊息。DSRC不使用任何形式的HARQ，結果是C-V2X側鏈比DSRC多出了高達10dBm的鏈路預算優勢。值得一提的是，C-V2X不但可長時間傳輸，而且利用與其他傳輸共享子頻道，可使用更窄的頻寬且無損系統容量。因此，C-V2X可提供比DSRC高出2倍的鏈路預算。

在此提供來自測試報告[2]的兩張圖作為參考，可進一步比較DSRC和C-V2X之間的資訊。圖3顯示干擾增加的情況下，C-V2X的封包誤差率(PER)明顯較低。

圖4顯示出干擾程度持續增加導致路徑損失時的另一項關鍵特性－平均延遲。即便路徑損失增加，C-V2X的平均延遲始終比DSRC還低。

因此，在路徑損失和通道雜訊並存的情況下，C-V2X相較於DSRC的效能優勢變得更加明顯。現實世界通常包含了非直視性狀況，而目前光達(LiDAR)和鏡頭感測器等車載感測器在非直視狀況無法良好運作，因此，C-V2X側鏈的優點不容低估。

遠近效應

有別於DSRC，用戶在C-V2X可同時共享頻道。換言之，用戶可在相鄰的子頻道上同時傳輸訊息。不過，有些人擔心如此可能會造成遠近問題(Near-far Problem)，亦即由於高樓、樹木或其他車輛等障礙物，或受到相鄰子頻道較強烈的訊號干擾，使C-V2X汽車接收訊號能力受到影響，因而難以偵測較弱的傳入訊號。

有鑑於此，透過兩台汽車在ITS頻段中10MHz頻道上的相鄰子頻道發送不同的功率訊號，進行一項測試來評估C-V2X汽車的基本安全訊息訊號接收效能。第一輛車使用前半部的頻率資源，幾乎每毫秒發送一次訊號，第二輛車使用後半部的頻率資源，每100毫秒發送一次訊號。接收訊號的車輛也設定在10MHz的ITS頻段上。測試結果顯示，所有實際道路情境下，C-V2X均符合3GPP Rel-14標準規定的最低要求，可將受測裝置的平均訊號溢漏(Leakage)控制在約-35dB。

本文也進行了相關的壅塞測試，證實頻道利用可有效使用受測頻道，同時維持低封包錯誤率，改善壅塞環境中的整體效能。即便在惡劣的通訊環境， 藉由C-V2X資源選擇演算法，高度優先的安全訊息將能受到保護，因此，遇到壅塞和碰撞情境時，高度優先的基本安全訊息在效能上就能具有較高的可靠性。 

C-V2X整體效能優於DSRC 

都市交通壅塞情況越來越普遍，尤其隨著各國經濟擴張並持續成長更是如此^[3]。任何部署於道路的技術都必須具備因應不同壅塞程度的能力。試想當行駛於市中心一處十字路口，轉角有家免費提供Wi-Fi的熱門咖啡館，即使有Wi-Fi干擾以及高大建築物或樹葉的屏蔽，駕駛者仍希望自己的車子能可靠地接收與傳送訊息，並及早發出預警以避免碰撞。本文針對這些高度壅塞的情境對C-V2X進行了測試，而結果顯示，端對端延遲仍保持在100毫秒之內。此外，本文也針對各種通訊環境條件進行了測試，整體而言，C-V2X的傳輸範圍是DSRC的1.3~2.9倍。表1為兩種技術的傳輸範圍比較，可實際顯示出C-V2X明顯優於DSRC之處。當中，真正值得關注的是，C-V2X在非直視性情境中顯著的鏈路預算增益。

非直視性情境相當貼近真實交通情況，而C-V2X的優勢在於可提供兩倍以上的傳輸範圍，隨著汽車邁向更高度連結且智慧的道路交通網路，C-V2X將有助於迅速大幅改善安全性。表1同樣擷取自測試報告，簡單提供了DSRC和C-V2X在11dBm傳輸功率下的傳輸範圍比較。

導入群播通訊側鏈效能更上層樓

5G願景是以通用、統一的聯網架構連結全世界，並支援不同部署和頻譜的各類裝置。側鏈依舊是其中創新技術的重點領域。3GPP Rel-14的C-V2X側鍊提供了基本安全訊息的可靠性和效能，而3GPP Rel-16的C-V2X側鏈擴充技術則奠基於高通5G核心技術的強大基礎，可為先進的安全應用程式帶來更高的通訊傳輸量、更低延遲和可靠的群播通訊。值得一提的是，配備基於Rel-16 5G V2X技術的車輛也將可支援用於基本安全應用程式的Rel-14和Rel-15 C-V2X側鏈(圖5)。

C-V2X側鏈導入了Rel-16可靠的群播通訊功能，此為藉由關鍵基礎創新技術實現而成，像是運用距離作為實體層新典範架構，或利用否定應答(NACK)處理應用程式特定通訊問題。以距離作為架構有助於實現在直視和非直視情境中一致的通訊範圍，可即時建立群組交換訊息，而且建立和解散群組的間接成本相當小，甚至毫無負擔。

5G V2X具備出色的可靠性、廣大的通訊範圍、低延遲和非直視性功能，可在車輛高速行駛(~500kmph)時或遇道路、交通狀況嚴峻時，支援先進的安全使用情境。5G Rel-16側鏈還納入了先進的定位技術，在隧道或停車場等GNSS訊號接收較差的區域特別好用，車輛可繼續使用5G V2X側鏈穩定通訊，實現安全駕駛。

5G V2X側鏈的創新為強化的自動駕駛體驗、更快速且高效的行駛、與碳排放的減少奠定良好基礎，同時也可為所有人提高道路安全性。高通目前正在設計兩階段控制架構，可為現行和未來的應用程式提供有效率且彈性的支援服務，促進產業明確邁向相容性發展(圖6)。

C-V2X帶來安全行駛保障

據FCC提議從DSRC轉換為C-V2X的過渡階段，這些技術可按地理位置進行區隔。C-V2X可立即在美國取得試驗使用授權，為公路基礎建設所有人暨經營者提供了大規模部署此項重大安全技術的先機。因此，本文以C-V2X效能的公開記錄，消除外界的推測與疑慮。

總而言之，加速邁向以3GPP為基礎的C-V2X技術，將有助於讓美國成為交通運輸生態系的市場領導者。隨著5G研究和滲透率以迅疾的速度拓展至各產業，C-V2X提供了一條明確邁向5G V2X的發展路徑，這對於汽車製造商、道路基礎建設所有人暨經營者以及其他希望在極具挑戰的環境中保持競爭優勢的生態系成員都至關重要。

(本文作者為高通產品管理資深總監)

參考資料

1. 5GAA is a multi-industry global organization with more than 140 companies, including some of the most recognized leaders in automotive and telecommunications industries.
2. https://5gaa.org/wp-content/uploads/2018/11/5GAA_P-190033_V2X-Functional-and-Performance-Test-Report_final-1.pdf
3. https://www.tomtom.com/en_gb/traffic-index/ranking/