車間通訊技術卡位戰開打　IEEE 802.11p對決LTE-V2V(上)

車間通訊的核心是支援關鍵安全應用，而多年來，汽車對各種物體(V2X)一直選用IEEE 802.11p技術。最近，滿足V2X應用的新標準在行動通訊標準化組織第三代合作夥伴計畫(3GPP)的支持下正逐步發展，其著重於行動寬頻標準化。因為成千上萬的道路使用者的安全皆倚賴這些技術的效能，因此對這些技術進行比較非常重要。 

IEEE 802.11p日臻成熟  LTE-V2X急起直追  

在比較IEEE 802.11p和LTE-V2X時，必須特別留意以下所述的四項重要相關事實。 

首先，IEEE 802.11p是現成可用的技術，而LTE-V2X不是。現在市場上已有數家晶片廠商提供採用IEEE 802.11p技術的產品。有些一級廠商已經提供完整的解決方案。相較之下，目前市場上沒有任何LTE-V2X的產品，而且可能要再等數年時間才能出現通過測試的完整解決方案。預計未來的V2X 5G版本則需要更長的時日。 

第二，路上行駛的車輛中已安裝IEEE 802.11p。終端使用者如今可以購買一台配備IEEE 802.11p技術的車輛，例如通用(GM) Cadillac。 

第三，目前已發布V2V立法提案通知(NPRM)。清楚指出，美國政府已有明確意向，要讓關鍵安全應用部署經過全面測試、驗證且現成可用的IEEE 802.11p技術。 

第四，也許不久後即將開始大量部署IEEE 802.11p。全球最大汽車製造商之一福斯(Volkswagen)已公開宣布從2019年起將配備首款搭載IEEE 802.11p技術的車款系列。 

另一方面，行動網路社群主張導入V2X應該等待行動網路技術發展妥善並通過測試，且毋須理會為了驗證IEEE 802.11p適用於關鍵安全應用所做的投資和現場測試。行動網路社群更加具體地宣稱LTE-V2X提供了許多優勢。 

其一，LTE-V2X強大的行動網路生態系統，具有提供付費服務的多年經驗和全球可用的成熟技術。這是個有效的主張，但它指的是行動網路技術中的娛樂服務。裝置與基地台之間的通訊和在動態環境中裝置與裝置間的通訊有根本的不同。其次，LTE-V2X效能提高雙倍。不過，這裡會展示在重要的V2V使用案例中，IEEE 802.11p的效能更勝LTE-V2X。 

行動網路社群並宣稱LTE-V2X增加成本極少。但這是有問題的，因為關鍵安全應用的支援強烈要求將娛樂用的軟硬體分開。因此，LTE-V2X的實體裝置可能會與行動網路數據機分開。 

其另一個主張是，LTE-V2X因為透過3GPP會議上經過妥善測試的機制，持續不斷改善技術，所以擁有技術演進發展藍圖以及確保未來適用的技術。雖然這可能是事實，但每隔12至15個月便引進一套更新版的標準，無法保證舊款車輛能夠與新款車輛進行通訊，這與建立穩定且通用的國際標準以促成V2X技術成功的需求背道而馳。 

建議的LTE-V2X技術是行動網路上行鏈路技術的一項衍生技術，與現行的LTE系統具有相似性，包括訊框結構、子載波間距、時鐘準確性要求以及資源區塊的概念。這些屬性並不是為了車輛使用案例而設計，反而是從既有的行動網路技術繼承而來。因此，LTE-V2X要滿足車間通訊的具體應用要求頗為吃力。 

就技術而言，在沒有網路可以支援相關通訊時，LTE-V2X便面臨困境。它必須遵循嚴格的同步要求，無法正確地從鄰近和附近的發射器接收訊息，而且有最大收訊範圍的限制。再者，它所建議的資源分配方案無法適當處理大小不同的訊息，其多個使用者存取機制既不適合廣播訊息，也無法處理訊息碰撞的問題。LTE-V2X繁複的設計使得成本更高。 

就商業而言，LTE-V2X無法利用汽車內具備的標準LTE數據機。因為安全要求和技術需求不同，所以強烈建議LTE-V2X在關鍵安全領域的應用必須與標準LTE數據機在娛樂領域的應用分開。嚴格的同步要求，可能會大幅增加LTE-V2X硬體的成本。 

就策略而言，LTE-V2X可能不是最適合關鍵安全應用使用的技術，因為它的發展週期快速，與汽車發展週期不符。儘管現有版本尚未經過實地測試，3GPP社群已經開始研發新版本的LTE-V2X。除此之外，也應考慮運用下一代的IEEE 802.11p技術，讓使用多個大型實地試驗來測試關鍵安全應用的經驗發揮更大效用。 

綜合以上所述，結論是IEEE 802.11p技術最適合必須在沒有網路環境中運作的關鍵安全應用。若已具備行動網路基礎架構，則LTE-V2X是有效的替代方案，而且提供更加成熟的娛樂服務生態體系。 

但要達成雙贏，必須著眼於每項技術的最大強項並搭配運作，以提供最佳的車間通訊解決方案，讓關鍵安全應用繼續部署IEEE 802.11p技術，確保即將上市的LTE-V2X技術可以共存。 

V2X發展目標確立  相關技術相互競逐  

自從10年前推出IEEE 802.11p技術以來，V2X便一直選用標準化、經實作且全面測試的IEEE 802.11p技術。最近，滿足V2X應用的新標準在行動通訊標準化組織3GPP的支持下正逐步發展，其著重於行動寬頻標準化。成千上萬的道路使用者的安全皆倚賴這些技術的效能，因此，政策制定者、車輛製造商和更廣大的汽車生態體系一定要進行相關比較。 

V2X應用減少致命交通事故 

搭配運作並共享資訊，讓交通運輸更安全、更環保且更令人愉悅，確實令人難以抗拒。與這個概念相關的技術合稱為協同式智慧運輸系統(Cooperative Intelligent Transportation Systems, C-ITS)，有望減少交通壅塞、降低交通運輸對環境的影響，以及大幅減少致命性交通事故的數量。 

實現C-ITS的主要技術就是無線通訊，包含車間通訊、車輛對機器(V2M)通訊、車輛對基礎架構(V2I)通訊以及基礎架構對車輛(I2V)通訊。這些無線交易統稱為車聯網(Vehicle-to-everything)或V2X通訊。 

V2X技術將支援C-ITS系統許多安全相關以及可能非安全相關的使用案例。它必須在變化極大的環境中，在發射器與接收器之間維持高速又穩定的運作，並支援高速公路、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發展如火如荼 

IEEE 802.11p的設計能以最嚴格的效能規格滿足每種V2X應用的要求。在1999年，美國聯邦通訊委會員(Federal Communications Commission, FCC)將5.9GHz頻段中的75MHz頻譜分配給V2X使用。IEEE 802.11p標準在這個範圍內運作。 

IEEE 802.11p是IEEE 802.11a(Wi-Fi)的延伸，後者是在隨意(Ad Hoc)網路模式中運作且不需要基本服務區(BSS)，亦即Wi-Fi基地台。它經過最佳化，適合在有障礙物的行動通訊狀態中使用，處理快速切換的多路徑反射以及由高達500km/h的相對速度所產生的都卜勒頻移效應。典型的直視(Line of Sight, LOS)範圍是1公里，但是IEEE 802.11p的主要用途是「讓視線拐彎」(Non-line of Sight, NLOS)，即所謂的非直視，汽車上沒有其他感測器可以做到。已有事實顯示，只要使用最尖端的技術，現在市面上的商用現成產品，甚至可以經常到達數公里之遠的更大範圍。IEEE 802.11p多重存取機制(載波偵聽多重存取/碰撞避免通訊協定，即CSMA-CA協定)與分散式壅塞控制(Distributed Congestion Control, DCC)結合後能有效處理高密度使用案例。 

在10多年前便展開標準化工作，在2009年最終草案獲得批准後，便一直進行廣泛的測試與驗證。首個大型實地測試simTD專案在2009年啟動，包含了超過100台車輛。此後完成了商用IEEE 802.11p產品的數十種其他實地試驗，同時仍有許多試驗在持續進行。執行中的最大型IEEE 802.11p試驗計畫由美國運輸部(USDOT)資助(在懷俄明州、坦帕市和紐約市)，包含執行各式應用的超過1萬台車輛以及4,500萬美元以上的投資，巨額投資可確保這項技術的品質與可靠度。 

數家半導體公司已設計出符合汽車產業規格且遵循IEEE 802.11p標準的產品，並且通過測試。各家廠商提供非常多種軟硬體產品，形成一個豐富的生態體系。市場上已有數款車型配備IEEE 802.11p技術，而其他廠商則計畫在不久後推出，例如通用的Cadillac CTS配備IEEE 802.11p、豐田(Toyota)在日本已推出將近100,000台配備IEEE 802.11p的汽車，以及福斯採用IEEE 802.11p技術來支援V2X應用。 

USDOT宣稱，根據收集到的證據，IEEE 802.11p技術可大幅減少道路碰撞事故的數量。專家預期USDOT將會針對安全相關的使用案例，逐漸強制所有新款的小型車採用IEEE 802.11p。 

LTE-V2X新技術異軍突起 

LTE-V2X是相對較新的技術(2015年首次成為討論主題)，也是3GPP Rel-12裝置對裝置(D2D)功能的延伸，其本身是使用LTE上行傳輸及上行頻譜資源以用於裝置間的直接通訊。基本安全V2V功能首次出現在LTE Rel-14的規格中。 

LTE-V2X的設計考慮到多種部署情境，所以有下列的要求。首先，它在eNB(基地台)的訊號範圍內或範圍外運作。Rel-14的LTE-V2X以PC5介面為基礎，允許使用者直接互相廣播訊息，無論在網路訊號範圍內或外。在行動網路覆蓋範圍內的運作，能夠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。 

不過，應該注意到在許多情境下這種設定將無法運作，例如在訊號欠佳的郊外地區，以及有許多交遞作業的高速公路和快速使用者。LTE-V2X技術必須能夠在訊號範圍以外保持可靠運作。 

LTE-V2X除了上述的要求外，其他要求還包括：在專用的未授權載波上或是在已授權的頻譜中獨立運作，以及強化D2D空中介面功能，以支援低延遲、高密度和高速。 

為滿足更高的要求，Rel-14 LTE-V2X引進新的Sidelink傳輸模式(傳輸模式3和4)，請參閱表1。上述模式與Rel- 12 D2D模式(TM 1和2)不同，它讓速度更快和全新的分散式頻道存取能夠進行低延遲傳輸且有更好的支援。 

儘管近年來業界貢獻努力與心血致力於標準化，LTE-V2X標準尚未成熟，而且許多技術主題仍在討論階段，於是促成了在上次無線存取網路(RAN)會議中所同意的重大標準變更。與V2X相關的維護變更請求(CR)數量非常大，因此要選定一套功能，到達交互運作能力的測試階段，凍結軟硬體架構並開始生產，對晶片製造商而言相當困難。 

汽車製造商也可能質疑有效效能以及對關鍵安全使用案例的支援。到現在為止，實務上仍不清楚LTE Rel-14標準在現實生活的效能如何。 

適用於關鍵安全應用的關聯性最大且挑戰性最高的LTE-V2X操作模式是Sidelink Transmission Mode 4，可被視為一種隨意模式。與IEEE 802.11p技術比較時將以這個模式為主。 

LTE-V2V Mode 4/IEEE 802.11p互別苗頭 

IEEE 802.11p和LTE-V2X皆使用著名的正交分頻多工(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 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。不過，如表2所顯示，它們選擇非常不同的參數。 

LTE-V2X已繼承大多數的LTE機制，適合集中式(即非隨意)和同步網路，這類網路具有功率控制、同步調整的功能，且以低速到中速運作。如同以下所述，它比較不適合隨意通訊模式，而且在數個重要的V2X使用案例運作失敗。 

同步要求嚴苛 

相較於IEEE 802.11p，LTE-V2X更容易受到頻率錯誤和定時錯誤的影響。頻率同步不準確，則殘餘的頻率錯誤會導致載波間干擾(ICI)。在LTE-V2X中，OFDM子載波的距離比在IEEE 802.11p中更靠近十倍，所以相同的絕對頻率錯誤在LTE-V2X中的影響遠大於在IEEE 802.11p中的影響。結果是LTE-V2X效能受限，而相同的絕對頻率錯誤製造大出一百倍的干擾功率。表3將上述資料量化為IEEE 802.11p和LTE-V2X的時間與頻率準確度要求。 

觀察發現，兩大差異很顯著。第一，LTE-V2X要求非常嚴苛；第二，LTE-V2X要求與使用者的同步來源有關。當使用者有不同的同步來源，例如鎖定不同的基地台，便不再保留該要求，所以當車輛之間相互通訊時便會影響效能。 

LTE-V2X使用者倚賴全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System, GNSS)的訊號來滿足同步要求。然而，這種做法帶來其他難題。例如，GNSS訊號事實上並不是隨時可用，或是在諸如隧道、地下停車場和都市峽谷之類的地點，訊號並不穩定。 

在沒有GNSS訊號時，要在必要的準確度界限內保持同步，取決於使用者本機振盪器的漂移。準確度越高，如同緊密子載波間距所要求者，則成本越高。在缺乏可靠的GNSS訊號或是完全沒有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。 

IEEE 802.11p運作並不倚賴GNSS訊號。IEEE 1609.4也必須使用GNSS訊號，但只是用來切換至另一個頻道，即時間和頻率準確度較低。 

高速狀態比較 

行進中車輛的傳輸會發生都卜勒頻移，可以被視為額外的頻率錯誤(除了同步錯誤以外)。在高速狀態下，這些都卜勒頻移可能比同步錯誤大兩倍甚至四倍(隨著車輛的相對速度增加)並占支配地位。 

如圖1所示，LTE-V2X的符元持續時間是IEEE 802.11p的十倍，因此可偵測的都卜勒頻移最大數有了上限，因此也限制了速度的上限(除了追蹤快速變化的頻道外)。 

圖1 IEEE 802.11p(上)以及LTE-V2X(下)的OFDM符元，依比例顯示。

事實上，在3GPP模擬結果中，已在內部發現這個缺失，在超過140km/h的速度時，便無法可靠地偵測到訊息而且效能極差。3GPP試圖克服問題，但是引進複合式處理方法卻發現不夠健全，或是減少調變與編碼機制(MCS)卻無法解決問題。他們並不接受改變試驗符元樣式或是縮短符元持續時間的建議，到最後LTE-V2X便受到140km/h以下速度的嚴格限制。 

在另一方面，IEEE 802.11p受益於極短的符元持續時間以及選擇一個符元試驗樣式，如此便不會在高速狀態中對效能產生任何限制。而且，雖然LTE-V2X受限在140km/h的速度下運作，IEEE 802.11p卻能在250km/h以上的速度下依然維持出色效能。 

遠近問題考量 

對於使用者從兩個以上功率等級不同的發射器接收訊息的情境，LTE-V2X特別容易受到影響，即遠近問題(圖2)。即使是兩個鄰近的發射器，當其中一個遭阻擋時，也可能發生功率差異。IEEE 802.11p允許每個OFDM符元進行單一使用者傳輸，以及接收器可以用最好的方法個別為每位使用者設定其參數，如自動增益控制器(AGC)、時間偏移估計和頻率偏移估計，因為符元並未共享。 

圖2 遠近問題：接收兩個同時的訊號

LTE-V2X允許使用者在相同的OFDM符元中共享資源(圖3)，但是接收器只會根據單一結合型訊號設定AGC增益。因此，LTE-V2X接收器在訊號強大的訊息存在下會無法偵測到訊號微弱的訊息。但訊號微弱的訊息重要性，可能高於訊號強大的訊息。例如，從車輛的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可能帶來真正的危險。 

圖3 IEEE 802.11p和LTE-V2X的訊框架構，含資源分配的範例，有兩名使用者傳輸一則192位元組的CAM訊息，有QPSK和二分之一編碼率。請注意LTE-V2X個案中的符元共享。

為解決遠近問題，LTE-V2X引進地理分區的概念。其中包括建立一個隔離空間，讓不同地點的使用者根據其絕對地理位置從特定的時間-頻率組合選擇傳輸用的資源。這個解決方案肯定很有趣，但必須經過實地驗證，評估使用者分布不均勻及迅速改變位置的影響。 

最大範圍比較 

比較V2X技術可以採用在類似條件下在戶外測試的真實效能為依據，IEEE 802.11p已在數個實地試驗中證明可達成極大的通訊範圍，在高速公路的狀況中亦可達到數公里的範圍。 

不幸地，LTE-V2X實地試驗尚無法提供作為比較使用。但是LTE-V2X同步概念限制使用者之間的通訊範圍，這個現象反映在指派給循環前綴(Cyclic Prefix, CP)的不同角色上(表4)。 

在同步系統如LTE-V2X中，所有使用者的訊號抵達接收器時必須按時間排列，避免連續的OFDM符元之間發生符元間干擾。在實務上，這是無法達成的，因為不同發射器之間的訊號傳播時間並不相等，或是因為每位使用者對本身發射所使用的定時參照亦不相等。其中一例是當使用者在訊號範圍內且使用eNB作為定時參照時(在GNSS不可靠的情況下)。在這個情況下，每位使用者的傳輸定時以本身的下行定時參照為依據。 

當然，有些使用者站在eNB鄰近(傳播延遲短)，有些則位於較遠的地方。鄰近的使用者比遠方的使用者更早開始傳輸，而位在鄰近使用者旁邊的RX使用者也會依此設定本身的接收時間間隔。遠方使用者的傳輸會在來回通訊傳播延遲之後到達RX。如果遠方發射器距離太遠，它的抵達時間會遠遠超過接收時間間隔，然後RX端將無法偵測到訊息(圖4)。 

圖4 循環前綴距離的影響

如圖4所示，通訊範圍有限制，超出界限外的接收器便無法偵測遠方使用者的訊息。表5總結LTE-V2X可到達的最大範圍。在VSC-A(Vehicle Safety Communications-Applications) Final Report: Appendix Volume 1 System Design and Objective Test文件中定義的Do-No-Pass-Warning訊息有些個案無法滿足NPRM要求。 

留意資源分配 

現實的V2X流量模式的特點是封包大小可變動。一組訊息例如(由ETSI指定的)CAM和(由SAE所指定的)基本安全訊息(BSM)是定期產生的，通常是每100毫秒(ms)，其中包括車輛狀態資訊，例如地理位置、速度、行駛方向和其他相關資訊。 

有時候，這類訊息上會附加一台車輛以及一組路徑預測或最近行駛路徑歷史紀錄點。點的數量取決於路況，但是由於每個點利用大約10個位元組來描述，這類附加資訊可能輕易地就額外占用酬載中數十個位元組。訊息大小不同的另一例子與安全性有關：對BSM而言，每隔500毫秒才傳送一次完整的安全認證，讓預設訊息大小額外增加100位元組。 

IEEE 802.11p的資源分配機制可以輕鬆支援可變動的封包大小。使用者一旦占用頻道，它會解析一個OFDM符元來自行決定傳輸的持續時間(即8毫秒)，以便據此讓酬載傳輸時間更短/更長。 

而在LTE-V2X中，使用者用半永久性的方式保留資源，亦即還不知道準確的封包大小。在還未能決定應用層酬載大小時預先保留資源，可能會造成資源大小過度分配(效率不彰)或是分配不足(需要更密集的編碼，降低該訊息偵測到的概率)。 

無論何種方式，IEEE 802.11p簡單的資源分配機制能夠更有效處理可變動的酬載大小。 

採行半雙工 

如圖3所示，在LTE中，兩位使用者可能使用不同的頻率資源以相同的OFDM符元傳輸。在一個特定時刻，當他們的無線電以半雙工模式運作時，一位使用者可以發射或接收。因此，兩位使用者即使位置很接近也不會接收到對方的訊息，並可能錯過關鍵安全決策的必要資訊。此外，他們也必須等候其中一方或兩者選擇要傳輸的新資源。 

3GPP使用重複傳輸的方法暫時解決了這個問題，讓在首次傳輸中使用相同子訊框的兩位使用者在第二次傳輸時會使用不同的子訊框。從系統的觀點著眼，這個解決方案增加延遲、占用半數的網路容量，而且造成資源分析的衝突，因而縮減通訊範圍。 

考量實體層效率 

LTE波形和訊框格式的繁複設計在單一使用者的情況下會變成占用更多資源，如表6所述。 

容量比較 

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不必爭奪相同資源而能進行通訊的能力，因為爭奪資源最終會造成通訊範圍縮減和增加延遲。IEEE 802.11p和LTE-V2X在相等的條件下擁有類似的容量和範圍。 

表7顯示LTE-V2X和IEEE 802.11p的容量是類似的，而且指定的10MHz頻道在1毫秒中可以容納大約兩則訊息。 

解決訊息碰撞 

在道路的特定區段將會有多位使用者，每一位在固定的時間間隔內傳輸訊息。IEEE 802.11p導入CSMA-CA通訊協定，在啟用新的傳輸前先檢查無線頻道是否被使用，藉此解決可能發生的碰撞。而LTE-V2X沒有同等的機制，若是發生碰撞，將不會偵測到。兩位使用者可能使用相同的資源區塊進行傳輸，在重新選擇之前，資源會以半永久性分配的方式保留下來供數次傳輸使用。因此兩位使用者的數次傳輸皆會遺失。 

LTE-V2X針對兩位使用者的重新選擇活動定時加入某些程度的隨機分派來解決這個問題，但無法徹底解決碰撞的風險。 

例如，兩台車輛可能接近一個路口。一旦進入通訊範圍，IEEE 802.11p將確保運作無任何碰撞而且必要時會發出警告。而LTE-V2X並不是這樣的情況，它可能會遺失重要的時間。 

網路安全防護 

ISO26262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，確保達成充分和合理的安全等級。風險和危害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(Automotive Safety Integrity Level, ASIL)。由於V2X可能正控制車輛，例如在隊列行駛應用中，假定V2X必須遵從ISO26262標準及ASIL B級。達到ASIL B級必須付出更多成本，強烈建議將非關鍵安全領域與關鍵安全領域分開，軟硬體皆然。 

若是系統的非關鍵安全部分未被區隔，它亦應包含在ISO26262認證中，如此一來，要達成目標會變得極為困難且昂貴。而且，將領域區隔開來，便能提供更強大的必要保護來防範潛在的網路攻擊(圖5)。硬體和軟體清楚分開，意味著無法純粹地再利用標準LTE數據機來涵蓋LTE-V2X的應用空間。 

圖5 區隔關鍵安全與非關鍵安全領域，讓功能安全與網路安全受惠。

LTE-V2X解決方案因為極為複雜，其成本也必然比IEEE 802.11p解決方案更高。採用LTE-V2X來處理關鍵安全應用，會變得更加昂貴。 

說明至此，下集文章將接續從成本因素、成熟度及未來展望等面向來探討IEEE 802.11p與LTE-V2V兩者技術的優劣與差異。 

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