車聯網技術發展目不暇接　IEEE 802.11p鎖定行車安全

車間通訊瑜亮之爭　IEEE 802.11p/LTE-V2X較勁

自從10年前推出以來，V2X便一直選用標準化、經實作和全面測試的802.11p技術。最近，滿足V2X應用的新標準正在3GPP的推動下逐步發展。成千上萬道路使用者的安全將仰賴於這些技術的效能，因此對於政策制定者、車輛製造商和更寬範圍的汽車生態體系來說，首當其衝的是要對這些技術進行全面的比較。

V2X功能目標

透過搭配運作和共享資訊，使得交通運輸更安全、更環保和更舒適是極具吸引力。與這個概念相關的技術合稱為協同式智慧型運輸系統(C-ITS)，有望減少交通壅塞、降低交通對環境的影響，並大幅減少致命性交通事故的數量。

V2X技術將支援許多與安全相關，也可能與安全無關的C-ITS系統應用案例。它需要在變化極大的環境中，在發射器和接收器之間維持高速且穩定的運作，並支援在高速公路、擁擠的市區路口和隧道中安全相關應用的超低延遲。

IEEE 802.11p

802.11p的設計能滿足每種V2X應用的要求和最嚴格的效能規範。1999年，美國聯邦通訊委員會(FCC)將5.9GHz頻段中的75MHz頻譜分配給V2X使用。因此IEEE 802.11p標準就在這範圍內運作。正式命名的802.11p無線通訊標準，在美國也稱為專用短程無線通訊(DSRC)。

802.11p是802.11a(Wi-Fi)的延伸，後者是在隨意網路模式中運作，不需要BSS，亦即Wi-Fi基地台。它針對存在障礙物的行動通訊狀態進行最佳化，能夠處理因相對速度高達500km/h而產生的快速切換的多路徑反射和都卜勒頻移效應。

最大型的802.11p試驗計畫之一是由美國運輸部(USDOT)(懷俄明州、坦帕和紐約市)資助，包含超過1萬多輛實現各種應用的車輛，以及總額超過4,500萬美元的投資，巨額的投資用於保證這項技術的品質和可靠度。

多家半導體公司設計並測試了通過符合汽車產業規格認證的802.11p標準產品。數家廠商可提供多種的硬軟體產品，形成一個豐富的生態體系。市場上有許多款車型配備了802.11p技術，還有其他廠商正計畫不久推出，例如通用的凱迪拉克CTS配備802.11p、豐田(Toyota)在日本已推出近10萬輛配備802.11p的汽車、福斯採用802.11p技術來支援V2X應用。

USDOT宣稱，根據收集到的證據證明，802.11p技術可大幅減少道路碰撞事故的數量。專家預期USDOT將會為了安全而強制要求在所有新款的小型車採用802.11p技術的正式流程。

LTE-V2X

LTE-V2X是相對較新的技術(2015年首次討論)，也是3GPP Rel-12裝置對裝置(D2D)功能的延伸，本身依賴於使用LTE上行傳輸和上行頻譜資源以用於裝置間的直接通訊。V2V基本安全功能最早出現在LTE Rel-14的規格中。

LTE-V2X設計時就考慮了多種部署情境，因此提出以下的要求：

首先，要能夠在基地台(eNB)的訊號範圍內或外運作。Rel-14中的LTE-V2X以PC5介面為基礎，允許使用者在網路訊號範圍內或外相互直接廣播訊息。在行動網路覆蓋範圍內的運作，能運用同步網路的所有優點，由一系列的基地台進行中央協調、排程和管理。然而，需要注意的是，在許多情境下這種設定將無法運作，例如訊號很差的農村地區、高速公路以及會發生頻繁切換基地台的快速行動用戶。LTE-V2X技術必須能夠在基地台訊號範圍以外保持可靠的運作。

此外，必須在專用的未授權載波上或已授權的頻譜中獨立運作。並且增強D2D空中介面功能，以支援低延遲、高密度和高速。

為了滿足更高的要求，Rel-14 LTE-V2X引進新的Sidelink傳輸模式(傳輸模式3&4)，可參考表1。由於引進低延遲傳輸技術，因此這些模式有別於Rel-12 D2D模式(傳輸模式1&2)，改善了對速度更快和全新的分散式頻道存取的支援。

儘管近年來業界做了很大的貢獻努力和標準化運作，但LTE-V2X標準還尚未成熟，許多技術主題仍在討論中，最近舉行的無線存取網路(RAN)會議期間大家還一致同意做了很多重大標準變更。與V2X相關的維護變更請求(CR's)數量很大，使得晶片製造商在確定功能集、到達交互運作能力的測試階段、固定軟硬體架構和量產方面面臨很大的挑戰。

對關鍵安全應用來說，最相關的也是最具挑戰性的LTE-V2X操作模式是Sidelink傳輸模式4，這個模式可被視為隨意模式。相較於802.11p技術時，將以這個模式為主。

LTE-V2V模式4與IEEE 802.11p比較

802.11p和LTE-V2X都採用眾所周知的正交分頻多工(OFDM)作為調變技巧，就是在等距的子載波上傳輸一個區塊的資料。然而，如表2所示，它們選擇了非常不同的參數。LTE-V2X繼承了很多LTE的機制，適合具有功率控制、同步調整功能的集中式(即非隨意)和同步網路，並以低速到中速運作。

同步

相較於802.11p，LTE-V2X對頻率錯誤和時序錯誤更為敏感。在不準確的頻率同步狀態下，殘餘的頻率錯誤會導致載波間干擾(ICI)。在LTE-V2X中，OFDM子載波間距要比802.11p的子載波間距更靠近十倍，因此相同的絕對頻率錯誤在LTE-V2X中的影響遠大於在802.11p中的影響。這將導致LTE-V2X效能受限，相同的絕對頻率錯誤將產生大一百倍的干擾功率。表3將上述資料對802.11p和LTE-V2X的定時和頻率準確度要求進行了量化。

從中可以發現，有兩個明顯的主要區別。第一，LTE-V2X要求非常嚴苛；第二，LTE-V2X要求與用戶的同步來源有關。當用戶使用不同的同步來源時，例如鎖定不同的基地台，同步的要求將無法滿足，從而影響車輛之間的相互通訊效能。

為了滿足這些同步要求，LTE-V2X使用者須要倚賴於全球導航衛星系統(GNSS)的訊號。然而，這又會帶來其他挑戰。舉例來說，事實上GNSS訊號在隧道、地下停車場和都市峽谷等地點，可能無法使用或不穩定。在沒有GNSS訊號時，要求在準確度範圍內保持同步，取決於用戶的本機震盪器的漂移。準確度越高，就像緊密子載波間距所要求，成本就越高。在沒有可靠的GNSS訊號或完全沒有GNSS訊號的情況下，使用者必須選擇同步的替代來源，便會影響通訊的可靠度。

802.11p運作時毋須倚賴GNSS訊號。IEEE 1609.4也須要使用GNSS訊號，但只用來切換到另一個頻道，也就是說時間和頻率準確度較低。

高速狀況

行進中的車輛在傳輸訊號時會發生都卜勒頻移，可以被視為(除了同步錯誤外)額外的頻率錯誤。在高速狀況下，這些都卜勒頻移可能比同步錯誤大兩倍甚至四倍(隨著車輛相對速度增加而增加)，並成為主要部分。

如圖1所示，LTE-V2X中的符元持續時間是802.11p的十倍，這會限制最大可檢測的都卜勒頻移，並因此限制了速度的上限(除了追蹤快速變化的頻道以外)。事實上，在3GPP模擬結果中，已發現這種缺失，即當速度超過140km/h時，便無法可靠地偵測到訊息而且效能也很差。3GPP解決這個問題的方法是引進複合式處理方法，但該方法被證明不夠健全；或者減少調變和編碼機制(MCS)卻無法解決問題。它們並不接受改變試驗符元樣式或縮短符元持續時間的建議，到最後LTE-V2X被嚴格限制用於速度在140km/h以下的應用。

而802.11p受益於極短的符元持續時間和精選的符元試驗樣式，因此對高速時的效能沒有任何限制。雖然LTE-V2X受限於在140km/h以下速度運作，但802.11p效能在250km/h甚至更高的速度時都可圈可點。

近/遠端問題

LTE-V2X對於用戶接收來自兩個或更多具有不同功率等級的發射器訊號情境非常容易受影響，即遠近問題(圖2)。這種功率差異可能發生在兩個鄰近的發射器當其中一個遭阻擋時。802.11p允許每個OFDM符元進行單一用戶傳輸，而接收器可以針對每個用戶單獨以最佳的方式設定其參數，如自動增益控制器(AGC)、時間偏移估計和頻率偏移估計等，因為符元並未共享。

LTE-V2X允許用戶在相同OFDM符元內共享資源(圖3)，但接收器只會根據單一結合型訊號設定其自動增益控制器的增益值。因此，LTE-V2X接收器在訊號強大的訊息存在下會無法接收訊號微弱的訊息(因為實際動態範圍的限制)。但訊號微弱的訊息重要性，可能高於訊號強大的訊息。舉例來說，從車輛發射器接收到的訊號強大的訊息可能與安全決策較少關聯，而從不斷接近的發射器接收到訊號微弱的訊息也許來自可能會帶來真正風險。

為了解決遠近問題，LTE-V2X引進地理分區的概念，其中包括根據用戶所在的絕對地理位置建立隔離空間，不同地點的用戶只能限於從特定的時間-頻率組合選擇傳輸用的資源。這種解決方案當然非常有趣，但須要進行實地驗證，以評估不均勻分布的用戶以及他們快速改變位置帶來的影響。

最大通訊範圍

比較V2X技術的一種方法是比較在相同條件下於戶外測試得到的實際效能。802.11p已在各種實地試驗中證明可達到極大的通訊範圍，在高速公路的狀況中亦可達到數公里的範圍。遺憾的是，LTE-V2X實地試驗還沒有可用於比較的結果。但LTE-V2X同步概念限制用戶之間的通訊範圍，這現象反映在指派給循環前綴(CP)的不同角色中(表4)。

在LTE-V2X這樣的同步系統中，所有用戶的訊號必須在時間上同步到達接收器，以防止連續的OFDM符元之間發生符元間干擾。在實際應用中，這種要求無法達成，因為不同發射器之間的訊號傳播時間並不相等，或是因為每位用戶用於自己發射的定時參照亦不相等。

其中一例是當用戶處於訊號範圍內、且使用eNB作為他們的定時參照(在GNSS不可靠的情況下)時。在這種情況下，每位用戶的傳輸定時都是以自己的下行鏈路定時參照為依據(從eNB偵測到的下行鏈路傳輸作為依據)。自然而然地，一些用戶靠eNB近一些(具有較短的傳播延遲)，有些用戶則比較遠。鄰近的用戶要比遠方的用戶更早地開始傳輸，而位在鄰近用戶的接收(RX)用戶也會設定相應的接收時間間隔。遠方用戶的傳輸將在來回傳播延遲之後到達接收器。在遠端發射器太遠的情況下，它可能到達得太晚而超出接收時間間隔，導致接收端無法偵測到訊息(圖4)。

從圖4可以看出，對通訊範圍有限制，超出這個範圍接收器將無法偵測到遠用戶發的訊息。表5列出了LTE-V2X可到達的最大範圍。某些情況下不能滿足定義的Do-No-Pass-Warning訊息提出的NPRM要求。

資源配置

現實的V2X流量模式的特點是封包大小可變動。諸如CAM(由ETSI指定的)和基本安全訊息(BSM，由SAE所指定)等一組訊息是定期(通常是每隔100毫秒)產生，包括地理位置、速度、行駛方向等車輛狀態資訊和其他相關資訊。車輛偶然也會將一組路徑預測或最近行駛路徑歷史紀錄點，附加到這類訊息上。

點的數量取決於道路狀況，但在每個點利用大約十個位元組描述的情況下，這類增加的資訊就會很容易在酬載中占據額外數10個位元組。另外，訊息大小不同的例子與安全性有關：對BSM來說，完整安全認證每隔500毫秒才傳送一次，會給預設的訊息大小額外增加100個位元組。

802.11p的資源分配機制可以輕鬆支援可變動的封包大小。一旦某位元用戶占用頻道，它就會解析一個OFDM符元自行決定傳輸的持續時間(即8微秒)，以便據此讓酬載傳輸時間變得更短/更長。在LTE-V2X中，用戶會以半永久性的方式保留資源，亦即在還不知道準確的封包大小。在應用層的酬載大小還沒有決定前就預先保留資源，會導致資源大小過度分配(沒有效率)或分配不足(要求更密集的編碼，降低對訊息偵測到的概率)。不管怎樣，適合802.11p的簡單資源分配機制能夠更有效處理可變動的酬載大小。

半雙工

從圖3所示，LTE中的兩個用戶可以使用不同的頻率資源在相同的OFDM符元中傳輸訊息。在某一特定時刻，當他們的無線電以半雙工模式運作時，用戶可以發射或接收。因此，兩位用戶即使位置很接近也不會接收到對方的訊息，從而錯過關鍵安全決策的必要資訊。另外，他們也必須等待其中一位或兩位選擇要傳輸的新資源。

實體層效率

LTE波形和訊框格式的繁複設計在單一用戶的情況下，會變成占用更多資源(表6)。

容量

V2X是專供高流量密度使用。容量定義在特定區域內所有車輛能夠在不競爭相同資源的條件下而能進行通訊的能力，因為競爭最終將導致通訊範圍縮減和延遲的增加。在相等條件下，802.11p和LTE-V2X具有類似的容量和範圍。

整體而言，LTE-V2X和802.11p的容量基本相同，而且指定的10MHz頻道可以在1毫秒時間內容納大約兩則訊息。

訊息碰撞

在道路的特定區段會有多個用戶，每個用戶以固定的時間間隔傳輸訊息。802.11p導入CSMA-CA通訊協定，會在開始新的傳輸之前檢查無線頻道是否在使用狀態，解決潛在的碰撞問題。而LTE-V2X沒有同等的機制，如果發生碰撞也不會被偵測到。兩位用戶可能使用相同的資源區塊傳輸訊息。在重新選擇前，資源會以半永久性分配的方式保留下來供數次傳輸使用，因此這兩個用戶的數次傳輸皆會遺失。

LTE-V2X針對用戶之間的重新選擇活動，定時加入一定程度的隨機分派來解決這個問題，但不能徹底解決碰撞的風險。

舉例來說，兩輛車輛都在接近交叉路口。一旦進入有效通訊範圍，802.11p將確保無碰撞運作，且於必要時會發出警告。LTE-V2X則無法這樣做，因而平白地遺失重要的時間。

網路安全保護

ISO 26262所定義的道路車輛功能安全認證提供驗證和確認措施的要求，確保達到充分和可接受的安全等級。風險和危險分析會衡量對生命的潛在威脅，來決定汽車安全完整性等級(ASIL)。

由於V2X可能正控制車輛，例如在車隊應用中，假定V2X要求ASIL B等級的ISO 26262。達到ASIL B等級要求必須付出更多成本，因此強烈建議將非關鍵安全領域和關鍵安全領域在軟體和硬體方面分隔開。如果系統的非關鍵安全部分未被區隔，那就也要進行ISO 26262認證，那將會變得特別困難且昂貴。

另外，領域區隔開有助於提供更強大的必要保護來防範潛在的網路攻擊(圖5)。硬體和軟體清楚區隔，代表無法透過簡單重複使用標準LTE數據機涵蓋LTE-V2X的應用空間。

高度複雜的LTE-V2X解決方案，代表其成本也比802.11p解決方案更高。因此，採用LTE-V2X處理關鍵安全應用將會變得更加昂貴。

評比技術規格優劣　也要計入成本因素

針對成本因素的考量，可以從無法重複使用標準LTE數據機、定時和時鐘準確度、機車/電動自行車等三個面向來加以探討。

無法重複使用標準LTE數據機

標準LTE數據機晶片組僅將從基地台接收到的每個傳輸時間間隔的單一傳輸解碼。在LTE-V2X中，除了解碼基地台資料外，晶片組還要求每個傳輸時間間隔同時的多個傳輸(來自不同的用戶)解碼，因此須要增加數量較多的硬體。標準LTE數據機無法重複使用，因為LTE-V2X中的波形和訊號格式有別於標準LTE。另外，還要增加一個5.9GHz無線電鏈，搭配穩定的GNSS同步化時鐘來源。

從成本方面考量，LTE-V2X和802.11p系統只有數據機和時鐘來源的差異，而更高層次、人機介面以及關鍵安全使用範例等方面都是相同。

實際上，802.11p數據機低於行動網路晶片組旁邊增加LTE-V2X所產生的額外費用，因為LTE-V2X時鐘來源和認證費用的影響也很大(AEC-Q100對行動網路晶片組成本有影響)。因此，即使沒有將領域分開，LTE-V2X也不會比802.11p便宜。

定時和時鐘準確度

LTE-V2X對準確同步化需要更高敏感度，代表不符現實的參照時鐘(表3)，因為時鐘來源的準確度與效能和穩定性有關。對時鐘元件在高溫和高壓下的漂移率低以及頻率穩定度的苛刻要求，最終會造成成本上升。

對802.11p來說，準確度要求幾乎與商用的WLAN裝置沒有什麼差別，因此同步化準確度要求不會影響802.11p系統的成本。

即使GNSS涵蓋訊號暫時比較微弱，LTE-V2X應該也能長時間保持同等的準確度。當LTE-V2X不能倚賴GNSS，而且找不到另外一個與GNSS(間接或直接)同步化的用戶時，LTE-V2X系統仍必須以指定的0.1ppm頻率準確度產生和傳輸V2X訊息。車輛要符合這個準確度要求將不切實際，因為相關的元件會非常昂貴。現在能保持這種準確度唯有高功率大型基地台(大型eNB)，這種基地台整合有高階振盪器，但這種振盪器絕不會供消費級終端機使用，也無法承受大的溫度變化，且容易受車輛振動和加速的影響。

衡量技術成熟性　考量未來可能發展

對於這兩種標準的未來發展，還必須考量諸多因素，包括其汽車週期取樣、與舊版相容問題，或者混合方案等等。

汽車週期取樣

汽車市場與行動網路市場的發展速度有很大的不同。一部行動電話通常3年就要更換了，而一輛汽車可能要用15到30年，並且在這段時間內必須維持可靠運作。因此，技術必須成熟，且經過全面的驗證。發生故障時的召回具有嚴重的後果，因為召回一輛汽車與召回一部智慧型手機所造成的影響大不相同。

基於這個理由，針對車輛元件的可靠度、使用壽命和操作條件等方面提出廣泛的品質措施，以確保極低的故障率(一般小於1ppm)。這些措施不僅涵蓋設計週期，還涵蓋了測試和認證。

由於V2X在(半)自動駕駛中必不可少，希望它至少經認證能用在ASIL-B級或更高安全等級的系統中，能與以故障機制為基礎的壓力測試認證(AEC-Q100)、EMC耐受度(IEC 62132)和功能安全認證(ISO 26262)平起平坐。網路安全是安全技術的另外一個重要方面。整個系統應該是安全，並且有兩個子區塊(HSM和閘道器)應該得到認證。在時間和設備方面的相關投資，會超出行動網路消費性產品投資的正常範圍。兩者的設計方法不同，但行動網路營運商是否願意作出這類投資？

未來發展/與舊版相容問題

以下比較LTE-V2X和802.11p兩者的未來發展和與舊版相容問題。

・LTE-V2X方面的發展

在總結Rel-14版LTE-V2X(階段1)的同時，3GPP已經在研究LTE-V2X Rel-15版(階段2)的未來改良內容，該版本有望作為2018年12月規格的一部分發步。Rel-15版改良的主要目標包括：載波聚合(多達八個PC5載波)、64-QAM技術、瞭解縮短傳輸時間間隔(<1ms)的益處和可行性、瞭解傳輸分集的益處和可行性。

這些目標並不是用來解決本文提出的重要挑戰。在Rel-15版中引進新的規格改良的主要問題之一是，處理V2X訊息向下和向上的相容性。如果3GPP規範不能滿足這個要求，就沒有推出Rel-14版V2X的積極性了，因為大家知道Rel-14是一種到達盡頭的技術。然而，尚無法保證，因為本文寫作時Rel-15的技術規格尚未發表。

・IEEE 802.11p方面的發展

從官方文件可以發現，在V2X瞄準的應用方面，IEEE的發展比3GPP大約領先8年的時間。第一個版本(802.11p)從2010年就開始進行廣泛的測試，對V2X來說，已經是非常安全、成熟且可靠的技術。

在豐富經驗的基礎上，人們還在繼續改進802.11p標準。新版本目前命名為「802.11px」。改進的地方包括使用最新的802.11「n」和「ac」技術，例如用於頻道編碼的低密度奇偶校驗(LDPC)、MIMO/天線分集以及改進的OFDM試驗的配置等。

為了充分利用過去10年來所有的發展和實地試驗成果，802.11p用戶很可能會向上相容至802.11px系統，如同其他802.11系列標準。如此看來，802.11px自然而然地會是802.11p標準的超集合。這將確保兩種技術之間的順利移轉，同時在802.11px推出之後仍能保持802.11p標準的強大吸引力。

回顧行動網路技術推廣進程

從過去歷代行動網路技術的推廣進程來看，在與新的行動網路技術推出相關的時間表方面，從第一個技術性報告規格發布到真正大量部署通常要花5到6年的時間。

截至本文完成寫作時，Rel-14 V2X規格還沒有完全固定，仍然在進行技術變更，因此很讓人疑惑基於LTE的V2X究竟何時才能被認為技術上面成熟、可以被廣泛採納並可以大量部署，這可能未來還需要多年才能最終確定。

LTE-V2X仍舊在持續變化。本文僅根據當前已經發布的內容，涉及到的某些問題可能在未來找到解決的方法，但這些基於未來方案的假設也代表LTE-V2X技術的可用性須要進一步延遲。

對於基於LTE技術的LTE-V2X而言，未來還將受到新發布的5G新無線電技術(NR)的嚴重威脅。本文撰寫時，3GPP正在加速推動第一版5G NR發布。5G將為V2X提出另外一種解決方案(V2X階段3或eV2X)，但這種解決方案只能在第二版5G NR下實現。因此，汽車公司可能沒有意願採用一種已知很快就要被5G淘汰的技術(LTE Rel-14)。

混合方案提供另一種可能

混合方法可以整合每種技術的優點，而產生更加完善更有希望的解決方案。例如，802.11p在處理安全訊息方面比LTE-V2X更加穩健。另一方面，行動網路可以在車輛之間以及車輛與雲端之間提供距離更遠的連線能力。

目前還沒有任何標準化活動定義802.11p和行動網路之間互通運作。在3GPP中增加這項工作，有助於引入雙方的最強項，提高車輛更加普遍具備行動網路連線能力。

5G汽車協會(5GAA)建議將獨立的10MHz頻道分配給這兩種技術使用。然而，LTE-V2X發射器會使802.11p接收器蒙蔽，反之亦然。另外，5GAA建議(在申請使用5.9GHz的ITS專用頻段的申請書中提到)將產生危險的先例，因為其他新技術可能利用這種理由申請頻段資源，而不考慮對現有關鍵安全網路所帶來的負面影響。

兩種技術應該以積極主動的方式共存，例如透過定義存取可用資源的通用方法。由於802.11p已經在市場中得到部署，因此LTE-V2X可以直接部署與802.11p相同的媒體存取控制(MAC)，即CSMA-CA協定的MAC。

關鍵安全應用仍最重要

目前建議的LTE-V2X是行動網路技術解決關鍵安全需求的重要一步，但它尚未達到802.11p的效能等級，802.11p在未來數年仍將是作為在道路上保障生命安全的關鍵通訊技術的唯一選擇。

對適用於V2X應用的802.11p和LTE-V2X的詳細技術性觀察進一步確認了它們的互補特性。在有網路的情況下，LTE-V2X可以利用行動網路領域中多年的創新成果，為V2I和I2V服務提供有效的替代方案。802.11p也涵蓋V2I和I2V，但做法效率較差。而在沒有網路的情況下，由於須要保持與LTE中相同的符元結構和相似的訊框架構，LTE-V2X會有很大的問題，而IEEE 802.11p在穩健度和效率方面表現更好。

關鍵安全和拯救生命的應用仍然是車間通訊的核心部分，因此它必須能夠在缺少網路的情況下有效運作。

(本文作者Alessio Filippi、Kees Moerman、Vincent Martinez及Andrew Turley任職於恩智浦，而Onn Haran與Ron Toledano任職於Autotalks)

首圖來源：NXP