結合ADAS打造車聯網　V2X標準弭平車間通訊鴻溝

根據世界衛生組織(World Health Organization, WHO)統計，全球交通事故每年約導致125萬人死亡[1]，美國每年因交通事故死亡所造成之經濟損失高達2,300億美元，而依據衛生福利部統計，台灣每年因交通事故所造成之經濟損失高達4,500億台幣，近3,500人死亡[2]。 

降低交通事故發生　 V2X技術充當救火隊  

為強化行車安全，歐美採用V2X通訊技術，並相繼立法推動車聯網應用與服務。V2X主要是為駕駛人提供預先警告可能發生的危險狀況，讓駕駛人提早採取因應措施，避免交通意外發生，依據美國交通部國家公路交通安全管理局(National Highway Traffic Safety Administration, NHTSA)預估，在駕駛人保持清醒的前提下，V2X技術可避免高達80%的車禍發生率或減輕其嚴重程度[3]，透過V2X通訊技術之輔助，將能有效打造趨近零事故的交通環境。 

車聯網(Internet of Vehicles, IoV)把人、車、路、雲端平台串聯在一起，其運作原理是讓車輛彼此能夠「溝通」，並以服務創新模式導向，藉由汽車將人、車、油、貨、客、路況等無縫連結，如圖1所示，更可進一步進行大數據的管理和運用。 

圖1 車聯網示意圖

V2X通訊技術包含六個層面：V2V、汽車對路側設備(Vehicle to Roadside, V2R)、汽車對基礎設施(Vehicle to Infrastructure, V2I)、汽車對行人(Vehicle to Pedestrian, V2P)、汽車對機車(Vehicle to Motorcycle, V2M)，以及汽車對公車(Vehicle to Transit, V2T)。 

針對歐美政策發展近況方面，歐盟政府於2016年11月30日在比利時布魯塞爾宣布C-ITS Strategy正式啟動[5]，此策略為歐盟正式邁向Cooperative, Connected and Automated Mobility的初始里程碑，為2019年歐盟道路車輛能彼此並與交通基礎設施通訊，運用歐洲電信標準組織(European Telecommunications Standard Institute, ETSI)ITS G5與蜂巢式(Cellular)通訊技術，並結合C-ROADS與C-ITS Platform成果，其架構與相互關係說明可參考圖2與圖3，其中C-ROADS為採納奧地利、比利時、捷克、丹麥、芬蘭、法國、德國、荷蘭、挪威、斯洛維尼亞、西班牙、瑞典，與英國之C-ITS布建計畫經驗，而C-ITS Platform規畫之Day 1 C-ITS服務(預估2018-2030年投入Day 1 C-ITS服務之性價比為3倍)，包括前方道路交通警示、施工警示、天候警示、道路速限、速度建議等，並預計於2018年將C-ITS服務納入歐盟層級之法規框架(Legal Framework)。 

圖2 歐盟C-ITS Strategy架構

圖3 歐盟C-ITS Strategy、C-ITS Platform與C-Roads相互關係圖

美國方面，2014年2月3日美國交通部秘書長Anthony Foxx正式宣布，即日起啟動立法程序，未來將強制輕量型車輛安裝5.9GHz專用短距通訊(Dedicated Short Range Communications, DSRC)之車對車通訊設備，美國高速公路交通安全局隨即在2014年8月發布一份法規制定預告(Advance Notice of Proposed Rulemaking, ANPRM)，同時也附上相關研究資料，以利後續促請立法，2016年12月13日美國交通部發布NPRM法規制定通知[8]，將立法強制新小型車輛具備V2V通訊技術，並附上法規影響評估報告[9]，其中預估2023年出廠輕型車輛V2V通訊技術普及率將達到100%，如表1所示。 

美國交通部於2015年至2020年進行WAVE 1與WAVE 2兩階段之CVPD(Connected Vehicles Pilot Deployment)試煉場域建置計畫，並已於2015年9月14日宣布CVPD WAVE 1計畫獲補助城市，包括New York City、Tampa以及Wyoming，其中New York City將於市府所屬之一萬輛公務車安裝V2V技術，運行於Midtown與Manhattan間，並搭配V2I技術升級交通號誌系統，並布建路側設備；Tampa將運用聯網車輛技術解決Tampa市中心尖峰時刻之壅塞問題，並保障行人安全；而Wyoming將運用V2V與V2I技術，取得I-80東西向公路之交通流量，並將資訊散播予未安裝此技術之車輛，詳細應用如圖4所示。 

圖4 美國CVPD計畫及其應用

美國交通部亦於2015年底徵求中型城市作為智慧城市之典範，於2016年6月選出優勝城市Columbus，提供4千萬美元之獎勵，並獲得Vulcan額外贊助1千萬美元補助，Columbus預計結合自動駕駛車、聯網汽車以及智慧感測器至交通網路，解決交通壅塞問題並提升用路安全，如圖5所示，CCTN(Columbus Connected Transportation Network)預計部署200個路側設備(Road-Side Unit, RSU)與3,000個車載設備(On-Board Unit, OBU)，部署DSRC號誌化路口、透過DSRC發布校區減速警示，以及卡車駕駛輔助跟車等應用。 

圖5 美國Smart City Challenge計畫-Columbus

此外，美國州公路及運輸協會(American Association of State Highway and Transportation Officials, AASHTO)於2016年12月啟動國家級SPaT(Signal Phase & Timing)Challenge，採用DSRC技術，目標為2020年境內50州每個州至少有20個SPaT智慧時相路口，並發布SPaT Implementation Guidance，鼓勵各州投入智慧時相路口建置，目前California、Arizona、Utah、Michigan、Pennsylvania與Virginia等州已完成SPaT建置，如圖6所示。 

圖6 美國SPaT Challenge計畫

車間通訊技術 

由於車輛行駛的過程中環境變化迅速，且駕駛人對於周遭狀況之可反應時間短暫，為達到有效之交通事故預防與安全警示以提高車輛行駛之安全性，車間通訊環境對於資訊傳遞延遲時間的要求特別嚴苛，因此V2X通訊技術因應而生。美國交通部所規範之V2X應用可參考圖7。 

圖7 V2X應用

各個國家分配予DSRC使用之頻段不盡相同，可參考圖8所示，美國聯邦通訊委員會(Federal Communications Commission, FCC)於1999年決定將5.9GHz(5.850~5.925GHz)頻段分配予汽車通訊使用。 

圖8 全球DSRC頻段規劃

圖9為美國5.9GHz DSRC之頻段規畫，其以10MHz頻寬為單位，將75MHz頻寬劃分成7個頻道，頻道178為控制頻道(Control Channel, CCH)，其餘6個頻道為服務頻道(Service Channel, SCH)，其包含2個公共安全專用服務頻道(頻道172為車與車間公共安全專用服務頻道，頻道184為交叉路口公共安全專用服務頻道)，2個中距離公共安全/私用共享服務頻道(頻道174與176)，以及2個短距離公共安全/私用共享服務頻道(頻道180與182)。 

圖9 美國5.9GHz DSRC頻段規劃

美國材料試驗學會(American Society for Testing and Materials, ASTM)於2002年批准採納5.9GHz為規格制定頻段的DSRC標準E2213-02，並於2003年將新版標準E2213-03送交FCC，經同意後成為北美地區DSRC標準。 

此外ASTM亦將該標準推往電機電子工程師學會(Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE)以促成IEEE 802.11p標準的誕生，而此標準已於2012年整合至IEEE 802.11[15]標準中。 

許多高優先權安全性應用之通訊範圍與延遲時間需求，大部份應用所要求之延遲時間低於0.1秒，而碰撞前感測(Pre-Crash Sensing)應用則更進一步要求其低於0.02秒，如表2所示。 

相較於現有之藍牙(Bluetooth)、無線區域網路(WLAN)、蜂巢式通訊系統、無線都會網路(WMAN)、衛星通訊(Satellite)等無線通訊技術，WAVE/DSRC具有低傳輸延遲(0.002秒)、高傳輸距離(1,000公尺)與高傳輸速度(27Mbps)等特性，不但能夠符合上述行車環境安全性應用之需求，更因而被視為車間通訊的最佳無線傳輸技術，使用於提供安全與非安全性之行車服務應用。 

國際車間通訊標準制定趨勢 

IEEE 1609標準 

美規車間通訊技術底層採用IEEE 802.11p標準，而上層則採用IEEE 1609系列標準。圖10為IEEE 1609標準架構圖，對應至開放系統互連參考模型(OSI Reference Model)，IEEE 802.11p標準制定實體層(PHY)與資料鏈結層中的媒介存取控制層(MAC)之通訊協定，而媒介存取控制層中的多頻道運作(Multi-Channel Operation)至應用層之通訊協定則由IEEE 1609各個子標準所規範制定，各個子標準介紹如下： 

圖10 IEEE 1609標準架構

描述WAVE/DSRC架構與提供多通道WAVE/DSRC裝置於移動車載環境的服務。 

(2) IEEE 1609.2(Security Services)[17]： 

定義WAVE裝置使用之安全訊息封包格式及其處理程序，包含WAVE管理訊息與應用訊息之安全保護方式，其亦描述必要之管理功能以提供核心安全性功能，並搭配美國交通部所推動之安全憑證管理系統。 

(3) IEEE 1609.3(Networking Services)[18]： 

定義WAVE裝置管理與資料服務，並建立WAVE短訊協定(WAVE Short Message Protocol, WSMP)。同時，IEEE 1609.3可向後相容傳統網際網路之通訊協定如IP(Internet Protocol)、UDP(User Datagram Protocol)，以及TCP(Transmission Control Protocol)等現行網路服務常用之通訊協定。 

(4) IEEE 1609.4(Multi-channel Operation)[19]： 

描述多通道無線電運作、WAVE模式、媒體存取控制及實體層，包含控制通道與服務通道區間時間的運作、優先存取的參數，以及通道切換的規範及管理服務。 

(5) IEEE 1609.6(Remote Management Services)[20]： 

歸類於應用層，提供可相互操作服務以管理WAVE裝置。其主要描述一遠端管理服務，包含WAVE裝置的識別服務，並採用IEEE 1609.3標準定義之WAVE管理服務及WSMP識別服務。 

(6) IEEE 1609.11(Over-the-Air Electronic Payment Exchange Protocol for Intelligent Transport Systems)[21]： 

具體描述付款與身分確認所需之電子付款服務層及配置，並描述WAVE/DSRC應用之付款傳送機制。此標準並未完整定義電子付款服務之應用層協定，其主要功能為定義介接ISO組織所訂立之電子付款應用層標準與IEEE 1609.3之功能介面與必要資訊轉換處理。 

(7) IEEE 1609.12(Identifier Allocations)[22]： 

描述IEEE 1609系列標準中所使用的提供服務識別值定義(Provider Service Identifier, PSID)。其列出現行WAVE系統中ID分配之規範，及目前已分配使用的ID值。 

在標準互通性測試方面，美國交通部針對CVPD計畫，成立COC (Certification Operating Council)，依據各個場域開發測試規格，作為驗證DSRC設備之規範，並於2017年5月8~12日在San Antonio舉辦插拔大會(PlugFest)，由COC驗證各家廠商車載資通訊協定標準，測試活動包含廠商互通性測試、自動化測試與戶外動態測試，其中參與測試的廠商共有28家，美國交通部於2017年年中正式將PlugFest測試活動移交給OmniAir執行，OmniAir於2017年10月16~20日在San Francisco與Fremont的UL園區舉行第一次非官方PlugFest測試活動，本次活動經統計，參與設備商共計28家，工研院亦參與上述兩次互通性測試活動。 

ETSI TC-ITS標準 

歐洲方面，歐洲電信標準組織[23]為EC(European Commission)官方認可的歐洲標準發展組織，其針對資訊與通訊科技(ICT)產出全球性應用標準，包含固定性、移動性、無線電通訊、聚合、廣播以及網路技術。ETSI TC-ITS以發展智慧型運輸架構相關標準為主要目的，其標準制定架構及與OSI對應分別如圖11與圖12所示，ETSI TC-ITS由5個WG組成，各個WG簡述如下： 

圖11 ETSI TC-ITS標準制定架構

圖12 ETSI TC-ITS標準制定架構與OSI之對應

(1) WG1(Application Requirements and Services)： 

ITS中基礎應用需求與服務，並制定Applications與Facilities兩層之通訊協定。 

(2) WG2(Architecture and Cross Layer)： 

發展適合所有ITS之通訊架構與跨層管理協定，並扮演歐洲ITS通訊架構之協調者角色。 

(3) WG3(Transport and Network)： 

規範Networking和Transport兩層之協定，並利用車載網路特有之地理位置資訊特性，發展制定GeoNetworking及IPv6相關協定。 

(4) WG4(Media and Medium Related)： 

規範MAC和PHY兩層相關之標準，其將歐洲ITS使用之頻譜劃分為ITS-G5A、ITS-G5B與ITS-G5C三個部分，並兼顧其中之相容性。 

(5) WG5(Security)： 

制定ITS相關之安全性議題，筆者自2014年4月起，擔任WG5副主席職務迄今，協助規畫與推動ETSI ITS通訊安全標準制定方向，負責TR 102 893 TVRA安全標準制定，此草案為車載安全通訊標準制定之基準，規範車載環境中威脅、弱點與風險分析，該草案已於2017年3月正式出版，並推動惡意行為偵測(Misbehavior Detection)新工作項目TR 103 460成立，並為此工作項目之負責人。 

歐洲標準化委員會(European Committee for Standardization, CEN)與ETSI於2014年2月ETSI ITS Workshop宣布協同式智慧型運輸系統(Cooperative Intelligent Transport Systems, C-ITS)第一版標準正式發布，其主要依據2009年歐盟指令(Mandate M/453)，希望滿足不同製造商所生產之設備能彼此與道路系統通訊之需求，達到Day-one Application布建之成熟度，而目前ETSI正著手制定第二版標準，主要涵蓋更多使用案例(Use Cases)，包括自動跟車(Platooning)、協同式可適應性巡航控制(Cooperative Adaptive Cruise Control, C-ACC)，以及弱勢道路使用者(Vulnerable Road Users, VRU)等。 

工研院自2011年起開始參與歐洲ETSI Cooperative Mobility Services Plugtests互通性測試，與全球各地ITS供應商與測試元件供應商共同參與，目前已累計參與五屆互通性測試活動，通過Mandatory測試項目，並於2016年首度協辦歐洲互通性測試Plugtests，並於會中成功通過場域測試案例，包括道路障礙警示、偵測與發布道路障礙警示、號誌時相與闖越紅燈警示、車輛資料叢集、十字路口防撞警示、縱向防撞警示，以及憑證更新等。 

3GPP V2X標準 

3GPP(3rd Generation Partnership Project)成立於1998年12月，主要制定蜂巢式電信網路科技，包含無線接取技術、核心傳輸網路以及服務能力，從編碼技術、加密技術以及服務品質保證等議題皆提供完整定義與系統規範。 

3GPP下有4個技術規範委員會，分別為RAN(Radio Access Networks)、SA(Service & Systems Aspects)、CT(Core Networks & Terminals)與GERAN(GSM EDGE Radio Access Networks)。 

自2015年2月，SA委員會下的第1工作群(Working Group 1)，簡稱為SA1，其專責定義服務規範委員會，開始定義與討論LTE支援V2X服務應用之議題，目前SA1已完成V2X於LTE服務中相關的需求定義，制定22項使用案例(Use Cases)，分屬為車對車、車對路側、車對網路，以及車對行人，SA2也陸續完成定義服務架構(Service Architecture)與網路存取(Radio Access Network)之規範討論，包含2項群組識別碼與PC5介面規格制定、3G WCDMA、4G LTE、5G NR終端設備的近端通訊之規格制定。 

國內車間通訊產品與應用案例 

隨著車間通訊標準的制定，各家廠商陸續開發出符合歐美規標準的車載設備與路側設備。 

在經濟部技術處支持下，工研院所研發之工研院車載通訊組件(ITRI WAVE/DSRC Communications Units, IWCU)，是為提供智慧型運輸系統以及道路上安全性提升而發展出的一套整合型無線通訊通道系統，符合美規標準IEEE 802.11p/1609、歐規ETSI與SAE J2735之產品。 

基於上述車載通訊組件，工研院最新研發iRoadSafe智慧道路安全警示系統，如圖13所示，為國際首套V2X系統解決方案，不但符合美國V2V Mandate應用趨勢，更創新結合路側通訊、路側感測與路側看板，克服V2V裝機普及率問題，提供所有用路人車V2V完整安全警示能力，目前已於新竹縣市及國道6座易肇事路口建置示範場域。 

圖13 工研院iRoadSafe智慧道路安全警示系統

圖14 台灣資通產業標準協會-車聯網與自動駕駛委員會組織架構圖

全球汽車產業在不斷提升運作效率的同時，透過更先進的電子科技來提升汽車的價值與差異化已是主要的途徑。先進駕駛輔助系統結合車間通訊技術研究的發展，儼然成為下世代車聯網的主要潮流，過去的車載資通訊技術，已為人類帶來車內外影音娛樂、無線通訊等功能應用與服務，在行車安全方面，從過去由駕駛者自行判斷危險，並採取行動的被動式安全，逐漸的將朝向主動式安全發展，讓智慧車輛透過車間通訊技術，結合車輛控制以及資訊運算處理，達到反應時間更短以滿足車輛自主安全措施之需求，並帶給駕駛更舒適、更便利、更安全的全新體驗與感受，未來如何整合多方資訊及支援新型應用服務，同時兼顧駕駛安全及使用者體驗，將成為下世代先進駕駛輔助系統技術發展之一大挑戰。 

(本文由台灣資通產業標準協會提供，作者為工研院資通所車載資通訊與控制系統組車載資通訊系統設計與驗證部副經理)