会说话的汽车：联网车辆通信协议

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会说话的汽车：联网车辆通信协议

毫无疑问，汽车变得越来越智能，汽车技术也越来越好。受到重视的一个方面是智能汽车与乘员及其周围环境进行通信的能力。

到目前为止，汽车中的通信主要通过为来自远程服务器或云的可消费内容提供服务来关注居住者。这种内容传递通常被称为信息娱乐 - 其中向乘客提供与其旅程相关的信息（例如地图，天气，景点，景点，拥挤的道路和附近的事故）或娱乐选项（例如卫星广播） ，音乐，互联网连接和社交网络应用程序）。汽车连接还可以在发生事故或汽车故障时提供紧急通信等服务。汽车的车载诊断（OBD）-II端口是一个丰富的途径，用于获取有关汽车性能和健康状况的消息，并将其提供给驾驶员或服务技术人员以改进故障排除。

在过去的几年中，车内通信受到了很多关注，特别是在安全方面，它已经进行了大量的研究。根据美国交通部国家公路交通安全管理局的数据，现在人们已经公认，车内通信可能有助于减少与交通相关的死亡事故，其中2016年美国道路上发生了超过37,000起死亡事故。

基于这种车内通信的基础，正在评估与汽车及其周围环境（包括行人和骑自行车者）之间的通信相关的各种使用案例。随着汽车连接的快速发展 - 近年来更是如此 - 有必要对汽车可用的各种通信技术进行总结。

连接汽车通信系统

联网汽车中的通信（此处可与“联网车辆”互换使用）可根据发射器和接收器进行分类，如下所示：

1）车辆到环境（V2E）

车对车（V2V）车辆到基础设施（V2I）车对行人（V2P）

2）车对用户（V2U）

3）车对网（V2N）

车辆到环境（V2E）包括连接的汽车与其动态变化的环境（包括其他车辆，骑自行车者和行人）之间的通信以及汽车与其静态环境之间的通信（例如交通信号，收费系统，电子）停车和道路）。一些一级汽车公司和技术初创企业对V2E表现出了浓厚的兴趣，尤其是在安全使用案例方面，并且一直处于创新的前沿。

车辆到用户（V2U）是指汽车与其乘员（包括驾驶员）之间的通信。此通信涉及旅行体验的信息娱乐和个性化。一些汽车原始设备制造商专注于V2U，其主要目标是为汽车乘员创造一种体验，将人类的数字体验从家庭和工作场所扩展到汽车中。

V2E和V2U之间的主要区别在于监管和网络限制。V2V和V2I等V2E通信专注于警报或安全相关信息，与V2U相比，受到更严格的监管框架的制约 - 因为任何漏洞都会对公共安全产生严重影响。与安全相关的消息不能被丢弃，因此对通信协议和网络本身施加了额外的限制。出于同样的原因，网络需要具有低延迟和最小延迟。与V2E不同，V2U并非旨在解决时间关键型应用程序，因为大多数应用程序都用于信息娱乐和便利（除了可能用于汽车的紧急呼叫）。因此，对V2U而言，监管和网络要求并不像V2E那样重要。

车辆到网络（V2N）表示汽车和提供对汽车的访问的网络运营商之间的连接，可能在多个频率上。这种通信可以提供非关键但有用的信息（例如道路封闭和拥堵）和基于云的服务，这些服务可以增强居住者的体验，同时还可以作为互联网连接的热点。

连接车辆和安全

自动驾驶汽车是一项日益重要的创新，因为它们声称能够将事故降至最低。这里需要一种重要的通信分类：视距（LOS）和非视距（NLOS）通信。今天的自动驾驶汽车倾向于更多地关注LOS通信。每个自动驾驶汽车原型都配备了摄像头，雷达，激光雷达和超声波传感器的组合 - 所有这些都依赖于LOS通信来理解环境并做出确保安全驾驶体验的决策。尽管采用了这些技术，但是在自动驾驶汽车的视野中突然出现的物体 - 或者通过自动驾驶汽车“看不见”的汽车接近无人驾驶的交叉路口 - 可能会导致碰撞。对于这种情况，NLOS通信为汽车提供了必要且有用的冗余安全层。V2E属于NLOS通信类别，可以提高自动驾驶汽车的安全性。因此，对于自动驾驶汽车来增强其LOS安全能力，它必须具有V2E通信能力。

V2E使用的技术现状

让我们仔细研究一下将构成互联汽车生态系统骨干的技术，特别是与V2E相关的技术：如何实现这种通信？在生态系统准备和大规模采用的可能性方面，技术的地位如何？

V2E解决了对快速，强大和及时性能至关重要的安全应用程序：消息传递的任何延迟都可能导致潜在的致命冲突。多年来 - 并且通过重要的运输利益相关者输入 - SAE专用短程通信（DSRC）技术委员会开发了一个数据字典SAE J27355，它定义了16个（可能更多）特定的V2X消息。安全应用包括红灯违规，曲线速度，减速/工作区，紧急电子制动灯，前方碰撞等警告。所有这些警告都是由最接近其发生地点的汽车挑选出来的，然后进一步传播到它周围的汽车。对于此类消息的传播，使用以下通信协议：

DSRC / IEEE802.11pLTE-V2X（未来可能会发展到5G）

专用短程通信（DSRC）/ IEEE802.11p

作为实现无线局域网（WLAN）的规范的一部分，DSRC用于与车辆环境（WAVE）中的无线接入相关的应用，其依赖于IEEE 802.11p，其是对IEEE 802.11标准的修订。为支持DSRC通信协议，已在5.9GHz频段中分配75MHz频谱供ITS使用。802.11p的一个关键特性是它能够以250km / h的相对车速进行通信。该技术的几项现场试验已经完成，由美国交通部（DOT）在怀俄明州，坦帕市和纽约市资助的一个着名的大型试点包括10,000多辆汽车。恩智浦一直在积极寻求适用于V2X应用的DSRC 802.11p技术路径。

DSRC基于802.11系列带有冲突避免的载波侦听多路访问（CSMA-CA）协议。在此协议中，设备在发送数据包之前侦听信道，并且仅在信道清除时才发送任何数据包。由于等待信道可用性所花费的时间，这导致延迟。另外，当它们在重叠时间发送时，可能发生来自两个或更多设备的消息之间的冲突。因此，DSRC网络并不总是满足不丢弃消息的安全相关通信的要求。此外，它们支持的范围通常为150-300米，这意味着除非车辆在此范围内，否则车辆不会接收信息。为了与车辆进行安全通信，DSRC要求使用称为路侧单元（RSU）的固定基础设施。

LTE-V2X

长期演进 - 车辆到X（LTE-V2X）通信包含V2V，V2I，V2P和V2N，因此启用的消息和服务类型甚至可能超越SAE J2735中可用的组合。在存在网络的情况下，LTE-V2X可以利用蜂窝域中的多年创新，为基于DSRC的通信提供引人注目的替代方案。不需要额外的基础设施，因为LTE-V2X可以使用现有的蜂窝基础设施。LTE-V2X的好处在于，在没有网络连接的情况下，它依赖于相同的V2V通信频率来进行安全消息的通信。高通公司多年来一直在Cellular V2X（C-V2X）技术的背景下开展这项工作。

LTE-V2X适用于具有高时钟同步要求的同步通信，因此需要更好或更昂贵的硬件。时钟同步确保不丢弃任何消息，并在时钟的边沿或级别捕获数字消息。因此，需要始终捕获消息的消息和时钟之间的同步（频率和相位匹配）。然而，这种同步通常是使用全球导航卫星系统（GNSS）信号建立的，这些信号可能无处不在（例如，在隧道内和地下停车场内）。由于DSRC 802.11p需要部署RSU，并且LTE-V2X需要时钟同步硬件，这表明任一部署都有相关成本的可能性，

LTE-V2X支持500 km / h或更高的相对速度。此外，LTE-V2X的范围大于450米，这导致驱动器具有比802.11p通信更长的反应时间。计划将LTE-V2X演进为5G将在延迟和带宽方面带来重大的预期改进。

5G

5G有望为互联汽车生态系统带来一系列优势，特别是：支持大数据传输的带宽，对等通信的本地支持，提高消息传输的可靠性，极低的延迟以及容错功能。5G将作为一整套新用例的推动者，以增强车辆运输的安全性，从而利用增加数据传输的能力。这些包括在汽车之间共享传感器数据，使用宽带支持改进定位，以及共享用于自动驾驶用例的高清地图。跨行业公司的跨行业联盟 - 由奥迪，宝马和戴姆勒等主要汽车企业，以及电信服务和设备供应商爱立信，华为和诺基亚组成，半导体公司英特尔和高通公司正在联手推动，测试和推广联网汽车的5G通信。到2020年，这个即将到来的网络将支持2120亿连接传感器和500亿连接设备。

展望未来：混合方法

考虑到V2E通信的每种通信协议的优缺点，协议的组合 - 混合方法 - 最终可能是车辆通信的理想模型。混合方法可以结合每种技术的优势，从而产生更强大的解决方案。

未来的理想解决方案可能是：结合蜂窝网络的优势，提供车辆之间以及车辆与云之间的更长距离连接; 逐步部署DSRC通信所需的RSU，用于车辆之间的短距离，对等通信; 以及LTE-V2X的采用以及汽车之间连接的5G演变。