車聯網 V2X C-V2X DSRC ITS

整合技術標準產業鏈　車聯網展現智慧交通實力

2022-03-25

黃再裕

車聯網出現在歐、美國家最早可追溯到20多年前，近年來為改善道路安全、行車效率、節能減碳，以及提升城市智慧化多元的市場需求，加速推動車聯網市場的發展，並與行動通訊、資訊系統、交通產業的深度融合，加上5G和AI技術及自動駕駛汽車的發展，車聯網已成為市場上需求最明確、最有產業潛力的物聯網之一。

作為可望最快邁向完整產業化階段的一種物聯網類型，車聯網主要包含「人、車、路、通訊、服務平台」五大關鍵要素。其中「人」是車聯網服務的使用者和道路環境的參與者；「車」是車聯網的核心關鍵要素，智慧網聯汽車為車聯網技術落地應用；「路」是車聯網應用的必備配套基礎設施，主要目標為實現交通道路資訊化；「通訊」即各類資訊的交互載體，匯總傳輸車內、車路、車雲的大量資料流；「服務平台」是車聯網服務生態的業務資料載體，提升汽車智慧化水準和自動駕駛能力，構建汽車和交通服務新業態，從而提高交通效率，改善汽車駕乘感受，為用戶提供智慧、舒適、安全、節能、高效的綜合服務。

V2X兩大通訊技術標準

目前，世界上用於車聯網V2X(Vehicle To Everything)通訊的主流技術包括：DSRC(Dedicated Short Range Communication)，和C-V2X(Cellular-V2X)。

DSRC技術發展時間較長，DSRC標準由美國電氣電子工程師學會(IEEE)基於Wi-Fi制定IEEE 802.11p，標準化流程開始於2004年。已經被美國、日本等國家廣泛認同，形成了完善的標準體系和產業布局。DSRC通訊系統主要由路側單元(Road Side Unit, RSU)、車載單元(On Board Unit, OBU)、控制中心組成，透過OBU與RSU提供車間與車路間資訊的雙向傳輸，DSRC基於射頻識別進行無線傳輸，實現資訊安全可靠的傳輸，RSU再透過光纖或行動網路將交通資訊傳送至後端智慧運輸系統平台(ITS)。

C-V2X(Cellular Vehicle To Everything)則為基於蜂巢式移動通訊系統的技術，分為LTE-V2X和5G NR-V2X，PC5介面做為C-V2X的底層，直連蜂巢式通訊協定，Uu介面做為OBU/RSU與基站之間的介面，實現與行動網路通訊。C-V2X技術依託於蜂巢式行動網路興起，正處於快速發展階段，受到高度重視。2020年11月18日，美國聯邦傳播委員會正式投票決定將原分配給DSRC的5.850~5.925GHz 頻段劃撥給Wi-Fi和C-V2X使用，其中20MHz(5.905~5.925GHz)分配給C-V2X，標誌著美國正式轉向C-V2X的標準。

V2X主要包含：V2V(Vehicle-To-Vehicle)車與車通訊、V2I(Vehicle-To-Infrastructure)車與路通訊、V2N(Vehicle-To-Network)車與行動網路本身或是雲端後台通訊、V2P(Vehicle-To-Pedestrian)車與人通訊及車與其他交通工具的通訊等等。行動通訊(LTE)與DSRC，均無法滿足車聯網V2X通訊的高可靠與低時延等需求。

因此，C-V2X包含了兩種通訊模式：行動通訊，以終端和基站之間通過行動通訊(Uu)介面通訊，由基站作為集中式的控制中心和資料資訊轉發中心，完成集中式無線資源調度、壅塞控制和干擾協調；直通通訊，以車、人、路之間通過直通通訊(PC5)介面實現短距離直連通訊，滿足車聯網中終端間低時延、高可靠傳輸的需求。

這兩種通訊模式共同支援車聯網多樣化的應用需求，直通方式可支援在沒有蜂巢式基站覆蓋的場景下工作。Uu和PC5兩種模式優勢互補，透過應用層與接入層的合理分配系統負荷，實現通訊模式智慧選擇，支援業務分流控制、無線傳輸控制、業務品質管制、連接控制管理等功能，快速實現車聯網業務高可靠和連續通訊。Uu介面基於4G/5G頻段支援時延不敏感業務(如地圖下載、資訊娛樂等)，PC5介面基於ITS專用頻段支援低時延、高可靠業務，如V2V車與車、V2I車與路、V2P車與人等道路安全業務(圖1、2)。

國際行動聯盟聚焦車聯網

基於目前3GPP的5G技術發布速度、全球5G技術部署情況以及汽車通訊技術供應鏈狀態，結合5GAA的判斷，佐思汽車研究將C-V2X技術落地分為三個階段： 2020年~2023年，C-V2X已實現量產裝車，現階段主要依賴4G LTE-V2X (R14及R15)技術實現基本的安全功能，通過LTE-V2X提高交通效率，輔助駕駛安全，將陸續支持電子煞車提示、左轉輔助、停車場自主代客泊車(AVP)，遠端遙控駕駛等功能；部分中低速自動駕駛場景(比如港口、礦區、園區等)透過LTE-V2X(R15版本，4G核心網加5G基站組成)來實現車路協同。

2024年~2026年，基於NR V2X加5G Uu實現車路協同自動駕駛(R16/R17版本，R16版本於2020年7月發布，R17版本預計2022年中凍結)，可支援弱勢交通群體協同保護，城市道路協同式自動駕駛等功能；可將高精度地圖資訊(靜態、半靜態和動態)和感測器資訊(Camera/Lidar/Radar等)廣播給附近的自動駕駛車輛，用於駕駛決策輔助。

2026年以後，5G NR V2X基本成熟，將成為高階自動駕駛汽車的標配，NR V2X結合5G eMBB，車輛之間實現高精準感知數據共享和協同，實現弱勢交通參與者協同互動，到2029年實現高速和十字路口的交通流量協同管理、車流自動化接管等。

3GPP R14首度引入C-V2X，架構基本之安全使用案例；R15則針對LTE V2X強化於R14之PC5 Side Link的載波聚合、高階調變、降低時延、Side Link的傳輸分群與短間隔時間傳輸等，著重於以LTE為基礎的技術發展，並且與R14 UE共存。

R16聚焦於NR V2X與LTE V2X的互補與互通，並以此定義四大類25個應用場景，以下分述其四大類。第一，支援車輛編隊(Vehicle Platooning)帶頭車輛向隊伍的其他車輛，以定期方式共享前方路況訊息，進而達成車隊保持最小間距的列隊行駛。第二，外延感測器(Extended Sensors)的協作通訊：OBU、行人、RSU、V2X雲端應用伺服器之間進行即時的感測器數據、影像分享，藉以加強車輛的環境感知。第三，先進駕駛(Advanced Driving)：先進駕駛可以實現半自動駕駛或全自動駕駛，透過每輛車、路側設施與其他車輛間的感測器數據共享，進而允許車輛間協調駕駛。透過每輛車與其附近車輛共享自身駕駛意圖/方向，藉以提高道路駕駛的安全性、避免事故與提高交通效率。第四，遠程駕駛(Remote Driving)：透過5G NR的超低時延、超高可靠性、超大頻寬等特性，實現遠端車輛控制(圖3)。

圖3 3GPP R14首度引入C-V2X之後，在R16標準中聚焦於NR V2X與LTE V2X的互補與互通

R17將擴展至公共安全、急難服務等。為了確保Side Link側鏈路能夠更好地支持新興應用，R17亦將著重於Side Link側鏈路的頻譜效率、可靠性、時延、功耗等事項，進一步為5G C-V2X的大規模應用提供指引。

車聯網產業鏈

隨著晶片運算能力的提升，5G通訊模組及AI的普及，數位座艙整合度將快速提升，傳統的車載終端盒(T-BOX)等車載終端設備將面臨變革，智慧座艙進一步整合ADAS、V2X、雲服務等功能將成為趨勢。車聯網產業鏈主要由通訊晶片、通訊模組、終端設備、整車廠、智慧公路、測試驗證以及運營服務七大模組組成。目前產業鏈各模組已形成完整閉環，在標準組織、研究院所及相關機構的支撐下，車聯網產業將以網聯汽車為核心，聚焦於城市道路進行網路部署和技術優化，最終實現安全、高效的車路協同系統。

在車載智慧終端機方面，V2X可以與車載娛樂系統T-BOX融合，也可以與ADAS或自動駕駛平台融合。如廠商明泰科技承繼多年網通及車用產品開發經驗，將之融合並發展成一套完整的V2X車聯網系統，用戶可使用此系統將車體(如車速、歷程、GPS位置、不正常駕駛行為、油量/電量、環車感應器)之各項數值資訊持續回傳雲端，以實現人們對於電動車、自駕車及交通行動服務(Mobility as a Service, MaaS)等應用的想像。搭配77GHz長距離雷達，偵測範圍最遠可達200公尺，提供前方車輛追撞警示，可透過汽車原廠控制器區域網路(CAN)與原車制動、傳動系統搭配，進而提供完善的自適應巡航控制(ACC)、自動緊急煞車(AEB)等防護功能。目前也提供多款79GHz三合一功能(盲區警示BSD/變道輔助LCA/後方車側來車警示RCTA)雷達及開發整合車用聯網360度環景及雷達超聲波聚合系統，並率先完成79GHz大型重機用後方盲區雷達。

車聯網技術是實現L4和L5自動駕駛的必要條件。隨著車聯網的普及與發展，目前明泰T-Box的發展向硬體整合化、功能多元化方向發展。同時，T-Box將不僅承擔資料收集、清洗、分類、儲存、處理、轉發的任務，也會與相關功能組件緊密協同運算，減少冗餘、提升工作效率、提高安全係數，達到一加一大於二的效果。也正跟國外車企合作提供L3量產車型的相關硬體，例如360度環景整合、雷達超聲波聚合系統、中央閘道、5G、C-V2X、高精度定位、整車FOTA等。

在未來的自動駕駛應用中，V2X通訊技術是實現環境感知的重要技術之一，由於RSU「站得高、看得全」，合理架設感測器位置，將可消除盲區。加上RSU位置固定，有準確的位置資訊及足夠的先驗資訊可以用來輔助感知，提升感知準確性，並透過先進的通訊技術組合成泛在感知網，提升車輛感知範圍，以解決單車智慧「瓶頸」所突顯長尾問題，投入了10%的資源、精力和時間，或許可提供輔助駕駛及解決特定場域的自駕問題，但某些無可避免特殊場景，比如行人「鬼探頭」、前方交通事故預知等，若僅以視覺識別紅綠燈，由於存在遮擋、極端天氣等因素，無法做到100%準確，加上單車智慧造成資訊孤島，車路協同有限，剩下的長尾安全問題，卻即使需要投入90%的資源、精力和時間也可能滿足不了L4和L5自動駕駛的要求，而結合車聯網的車路協同技術則有望解決此問題。

台灣訂定車聯網規範打造智慧運輸城市

為因應國際車聯網市場發展，由台灣車聯網產業協會成立「TCROS工作小組」(Traffic Controller to Roadside Open Standards工作小組)，並邀請相關法人單位代表協助研討，訂定相關資通訊標準，以接軌國際標準新技術，促進智慧交通產業市場發展新局勢。因應國際車聯網發展，自104年起由交通部及經濟部帶領相關ITS產業，投入巨量資源研發車聯網技術、實驗軟體平台及設備雛型，並於示範場域實現車聯網V2I的建置及情境測試，以展示其可行性及應用輪廓。

台灣車聯網優先號誌控制相關案例如下：高鐵嘉義站聯外公車捷運系統(BRT)執行方案、臺北市公車優先號誌之研發與示範、桃園市公車優先號誌實施、臺南市智慧交控系統及公車優先號誌系統建置、臺中快捷巴士(BRT)藍線、高雄輕軌及淡海/安坑輕軌優先號誌實施、新北市救護車之優先號誌，及高雄市消防/救護車之優先號誌OB，與交通號誌聯網實施紅燈截斷及綠燈延長讓救護車消防車或救災車隊、公車及輕軌優先通行。

近二年國內對自駕巴士及ADAS發展日益重視，而車聯網技術可協助其安全性及效率性提升，因此國內車聯網發展，需邁入政府相關部門與產業界合作，制定標準及檢驗、測試、驗證階段。TCROS工作小組因應美國(國際)車聯網標準協定(SAE J2735)的應用需求，制定/新增國內相應的資通訊標準，並調和國內交控中心及號誌控制器技術水準，至美國(國際)車聯網應用需求。以SAE J2735資訊需求欄位，整合國內都市交通控制通訊協定3.0版框架，以因應未來車聯網的應用擴充，同時可保有前版本相容之彈性。並將號誌資訊內容為各行駛方向的綠、黃、紅燈起始及結束時間點，以解決傳輸過程中所造成的時間延遲。

淡海新市鎮5G智慧車聯網案例

以「淡海新市鎮5G智慧交通車聯網」試驗場域為例，提供以下車聯網使用情境：

．即時號誌時相應用(SPaT)前方號誌時相秒數資訊提示

在距離路口約50~100公尺處，車內OBU將接收RSU發布：「前方號誌燈態及倒數秒數資訊」，其資訊顯示於車畫面上，並配合語音提示。

．前方道路障礙/違停車輛警示

在距離路口約50~100公尺處，車內OBU將接收RSU發布：「前方道路有違停車輛，請小心行駛」，其資訊顯示於車載畫面上，並配合語音提示(圖4)。