細數5G-V2X標準演化　蜂巢式車聯網技術與時俱進

2022-04-22

羅德史瓦茲

在過去數十年來，無線通訊已經從電路交換式語音通話服務演進為無所不在的通訊網路。汽車已經不再只是一種服務，而是成長為車用領域新式應用與服務的大規模垂直整合平台。

移動力是現代化社會的一大支柱。貨物和乘客的流動是繁榮經濟的必要基礎。從個人移動力的提升，也可明顯看出許多開發中和工業化國家的富足成長。有鑑於土地取得的困難和缺乏大眾接受度，一般很難再透過傳統的道路建築來提高交通運輸系統的效率。工程師與科學家正在尋求相關流程與技術，以透過精密的交通管理提高交通流量。已建置完成的智慧交通運輸系統(ITS)ITS-G5預期將可避免交通阻塞並提高整體的交通效率。單一車輛與道路基礎設施及後端伺服器的端對端數位化為持續交通流量管制的基礎。汽車產業在自動化駕駛和先進駕駛輔助系統(ADAS)技術上的進展正驅使著交通運輸系統的全面數位化。協作式智慧運輸系統(C-ITS)使得包含行人在內的所有路面使用者能夠互相通訊協作，藉此提高效率並減少路面交通的重大傷亡率，而減少路面交通意外是全球政府機關的主要目標。

車用標準發展沿革

一個能夠支援可靠的路面交通資訊交換的行動通訊系統是必要的，即便此時的用路人正以高速行進中。提供精緻的娛樂服務與安全相關應用以提高乘駕舒適度是推動技術演進的兩大動機與目的。後者尤其推進著數種通訊技術的發展，如：eCall的導入和即時的直接通訊。

政策制定者和汽車產業不斷努力改善行車安全。新技術可實現車輛與車輛或路側設施之間的資訊交換。智慧型手機、後背包和自行車等均可整合新技術，以便與車輛進行通訊。這些裝置會提醒駕駛人路上有自行車騎士或正穿越道路的行人，進而大幅減少用路人相關的死傷風險。這些直接通訊系統即普遍為人所知的各種縮寫簡稱的技術(如V2V、V2I、DSRC、ITS-G5、C-ITS、C2C、C2X)。

在3GPP Release 12版本中所引進的新通訊路徑，如側鏈(Sidelink)，則提供了如車聯網(V2X)的新連線情境，其中，「X」代表通訊路徑中的「任何物件」。隨著有助未來駕車舒適性的精密通訊網路和新興垂直應用的問世，其也幫助推進了用路安全強化的發展。因此，大眾可以預想下一代的「智慧」手機就等同於「智慧」車輛。

3GPP長期演進技術(LTE)Release 14版本確認了V2X通訊服務。隨著這項功能的引進，之前尚未由行動通訊技術支援的應用也開始有所進展。Release 15版本包含強化後的V2X通訊情境定義，而Release 16版本則將行動數據架構的V2X通訊與5G NR無線電技術做連結，實現更具彈性、更高資料傳輸速率、更低延遲、以服務品質(QoS)為導向的通訊連結以及與時俱進的直接通訊發展。這些技術上的強化也為無所不在和與時俱進的未來通訊鋪路。

除了直接通訊之外，使用者裝置對網路(UE-to-Network)通訊或車輛對網路(V2N)也代表著傳統通訊路徑的持續發展。透過進階長期演進技術，從LTE發展至5G New Radio的技術演進為所有網路架構的通訊服務提供了完整的便利性及實用性。應用層面涵蓋了透過車輛的擴增或虛擬實境等嶄新的娛樂方式，來提升現行對交通資訊更新的做法。本文闡述無線通訊之於車輛應用的相關技術，目的在於概要說明網路架構和直接通訊之間差異。

未來的車輛將會包含數個網域控制器。圖1提供車輛連線之概要說明。雷達和光達系統均支援感測、路面感知和巡航控制，乃至完全自動駕駛的實現。國際汽車工程學會(SAE)在SAE J3016文件中，以0(完全無自動化)至5(完全自動化)等級別，定義車輛的自動化駕駛等級。自動駕駛車輛需要獨立的自動駕駛控制系統，搭載先進通訊相關技術有助於自動駕駛的控制決定。然而，車輛巡航控制無法完全仰賴通訊，因為通訊本身可能會遭到中斷。以車載娛樂為基礎的資訊連線是未來車輛發展的一大關鍵點。有些服務本身便已支援巡航控制，例如導航資訊和交通感知訊息，此外也有車內網頁瀏覽或隨需影音等娛樂服務。各種任務會由不同的電子控制單元(ECU)支援，並透過車用乙太網路互相通訊。然而，隨著車內整合的電子系統增加，電磁相容性(EMC)的重要性也跟著提高。廠商如羅德史瓦茲(R&S)針對所有車載應用，提供廣泛的測試解決方案。

圖2說明車載感測器的感知能力與車輛通訊的關係。整體部署概念仰賴元件之間的相互協調運作。車載通訊系統的存在並非為了取代感測器之感知系統。雷達感測器會持續擷取影像並做出決定，不受通訊內容影響。礙於篇幅限制並聚焦單一重點，本文將專注於探討此圖的右側層面，也就是通訊技術。

使用案例與情境

智慧交通運輸系統(ITS)是一種廣義的表達方式，涵蓋了所有用於實現更智慧交通的技術。這個想法將透過通訊得以實現。車載連線和V2X說明車輛與「所有物件」的連線情境。TS23.287將V2X通訊定義為使用Uu或PC5參照點來支援車聯網(V2X)服務的通訊。V2X服務是透過各種不同類型的V2X應用得以實現，如：車輛對車輛(V2V)、車輛對行人(V2P)、車輛對基礎設施(V2I)以及車輛對網路(V2N)。

圖3說明若干範例和連線使用案例。車輛與LTE或5G網路之間的通訊是透過Uu介面(V2N)或無線基地台(eNB或gNB)和使用者裝置(UE)之間的空中介面實現。IEEE 802.11p標準導入了一種無線電技術，使得裝置間得以點對點傳輸模式進行溝通，即結合無線電介面與更高層級的應用協定，尤其是可互相交換的訊息類型。專用短距離通訊(DSRC)一詞源自於美國，是指IEEE 802.11p無線電與更高應用層(如IEEE 1609)的結合。歐洲電信標準協會(ETSI)根據其智慧交通運輸通訊系統(ITS-G5)，制定了在應用層相似於DSRC的相對應技術。在Release 12至16版本當中，3GPP更導入更新後的PC5介面，以實現點對點的直接通訊。PC5代表一個參照點，其中包含定義為側鏈的無線電連結和附加的通訊協定結構。許多發表均參照此類使用C-V2X行動數據技術的直接通訊，其中最為人所知的例子包括V2V、V2P或V2I。請注意，V2I一詞可指V2N Uu介面通訊或使用PC5介面的V2I。路側單元(RSU)可分為兩種，即：無線基地台和路側裝置。此外，由於業界缺乏整體共識，因此V2N也可以被視為C-V2X通訊的一種。

為了對行動數據技術的演進有更進一步的了解，圖4提供3GPP標準和相應時間軸的概述，該圖上半部說明網路架構通訊模式，下半部則為直接通訊模式。根據3GPP Release 8中LTE的導入，作為用戶端的車載數據機和作為伺服器的資料網路之間的網路架構連線，已被提供做為車載服務。最常見的服務包括支援即時路況更新和車載娛樂服務的導航系統。後續規格版本的釋出則提供無線電技術的強化功能，如：載波聚合、經強化的MIMO、雙重連線能力以及機器類型通訊的導入。在3GPP Release 13版本中引進的NB-IoT則專注於透過增強覆蓋率和更出色節能或電池壽命，實現低資料速率應用。某些採用感測器的車輛應用會使用NB-IoT作為資料載波。3GPP Release 15版本則導入了新式5G NR技術。此技術可讓車載數據機透過5G NR網路，與行動數據網路進行通訊。如此可提供包括5G NR技術增強的益處，如更高的資料處理量、低延遲以及更可靠的連線。

隨著PC5介面的問世，3GPP Release 12版本也提供了全新的方法，使得兩部裝置之間能夠直接進行通訊。這最初是基於公共安全服務的考量；例如，可在無行動數據訊號情況下，實現裝置間直接溝通的緊急任務通訊。請注意PC5一詞是指兩部裝置之間的介面，其中包括無線電和通訊協定架構。側鏈一詞僅用於說明無線電介面的特性。3GPP Release 14版本將PC5技術延伸至汽車使用案例與應用。為因應以下情境，該版本也導入新的傳輸模式(TM3和TM4)：無線基地台在側鏈上分配無線電資源，或兩部裝置使用以隨機方式預先配置的資源。Release 15版本導入PC5介面的技術增強功能，如：載波聚合、天線多樣性或更高階的調變方式。根據3GPP Release 15版本，PC5介面的無線電技術仍為LTE。隨著3GPP Release 16版本的釋出，也導入了以5G NR PC5介面為基礎的其他服務與應用。

連線情境

連線通訊車輛的構想自從車輛與通訊技術的演進起便已經存在，而且涵蓋了各種不同的構想與應用。然而，要將業界所探討過的所有情境呈現出來並不容易，而要以時間軸和要求清單來整理這些情境，更是難上加難。除了IEEE和3GPP等標準化組織之外，還有其他如5GAA或甚至國家道路安全等產業活動。在這些活動中，常見的術語包括先進駕駛輔助系統(ADAS)或智慧交通運輸系統(ITS)。關於各種車輛的應用情境，也有大量的已發表論文可供參考。

透過時間軸可了解到，這些服務與應用是因應加強用路或行車安全而生。然而，除了行車安全之外，交通管理也是ITS的重要使用案例之一。交通管理專注於提供更新後的當地資訊、地圖和其他空間或時間受到限制的相關訊息。如此一來，將可望減少交通阻塞的狀況，進而節省駕駛人的時間，也可降低因車輛怠速所產生的碳排放汙染。

針對V2X服務使用PC5介面的應用與情境演進，3GPP將其分為三個不同的階段以3GPP Release 14版本為基礎的第一階段支援直接V2X通訊，資源的使用採隨機分配或預留，以便在車輛與其他裝置(如RSU、行人等)之間交換基本的交通安全資訊。

以3GPP Release 15版本為基礎的第二階段支援低延遲、高資料傳輸速率的直接V2X通訊，以做為進階車載應用之資訊交換使用。以及，以3GPP Release 16版本為基礎的第三階段為導入5G NR無線電技術的直接V2X通訊，並且支援進階車載應用的廣播、群播和單向直播通訊。

為了更進一步了解技術的演進，本文就LTE Release 8至16的技術演進，列舉若干車輛與通訊架構服務及應用，其中涵蓋雙向的網路架構通訊(V2N)與直接通訊(V2X)。

統整各種應用和使用案例的其中一種方法就是按時間軸排列，另一種方式則是按照特定應用整理列出。而特定應用的統整說明將此類服務以安全性和駕駛舒適性做區分。

安全功能包含交通警示和基本安全訊息，如：透過感測器分享與操控協作的China Day One Use Cases。舒適功能始於簡單的車載網頁瀏覽設定，到語音辨識和高級先進娛樂系統的VR/AR應用。

從時間軸的觀點來看，目前可以看到許多由業界實作的現行車載應用，而這些應用是將車輛作為使用者裝置(UE)進行通訊。這其中包括透過OEM服務後端的通訊情境，如：交通壅塞感知等交通資訊、停車資訊、充電狀態、數位地圖，如：動態路線。

eCall和NGeCall是兩種由政府推動的不同技術，能夠自動發出緊急求救通話，以縮短第一線應變單位的反應時間。eCall使用GSM作為基礎的無線電技術，而新一代的NGeCall則是以LTE為基礎來確保與時俱進的運作。

LTE技術更新與增強功能稱為進階LTE，可提供更新後的車載服務，如：語音辨識、影音串流以及使用LTE-M和NB-IoT等機器類型通訊技術的感測器網路。隨著3GPP Release 14版本的發布，對直接V2X通訊的支援也被導入了無線通訊標準中。情境的設定乃基於對安全的重視，透由隨機分配和預先保留資源的運用，以便交換基本的交通安全資訊：V2V安全使用案例，請參閱China Day One Use Cases、道路施工警示或危險路況、協作感知、更廣的視平線。

中國決定導入採用3GPP Release 14版本的LTE-V2X作為車載直接通訊情境的技術。關於特定的V2X情境定義，參閱China Day One Use Cases中的CSAE0053文件。

以3GPP Release 15版本為基礎的第二階段LTE-V2X支援低延遲的高資料傳輸速率連結，以針對進階車載應用的資訊交換：透視、協同式駕駛、跟車自動駕駛支援、遠程操控支援。

Release 15版本導入了可發揮出色使用彈性的全新5G NR技術，此彈性化網路基礎架構搭配空中介面的波束成形等精密技術後，可支援服務品質(QoS)控制與維護。在車用領域中，這意味著可導入更高階的娛樂系統、擴增與虛擬實境以及巨量資料上傳。以更宏觀的角度來看，5G NR的核心網路承襲了LTE-M或NB-IoT等大規模機器通訊(mMTC)的特性，因此也可實現仰賴大規模物聯網的應用。

3GPP Release 16版本針對和NR-V2X的直接通訊路徑，導入數種5G NR技術。除了在側鏈上實現靈活彈性、低延遲與高資料傳輸速率之外，也支援進階車載應用的廣播、群播與單向直播通訊，進而得以改善透過無線網路更新軟體的品質、擴展原始感測器資料、強化意向資訊。

由於使用毫米波(mmWave)和新的頻譜，此演進會隨著資料速率持續提升。NR-V2X技術的目標在於透過進階服務的提供，延伸(而非取代)既有的LTE-V2X技術。基本的安全相關直接通訊將為技術中立，而3GPP Release 16版本使得網路能夠控制NR-V2X側鏈和LTE-V2X側鏈(圖8)。

3GPP標準化層面與國家計畫

LTE和5G NR技術的主要推手為第三代合作夥伴計畫標準組織(簡稱3GPP)。3GPP會在版本釋出中發表技術觀點。版本釋出包含一套技術功能。如有需修正之處，會於後續更新中提出。LTE是透過3GPP Release 8版本標準化，而後續更新的進階LTE則納入3GPP Release 9至14版本中，LTE的更新與增強功能也納於3GPP Release 15之後的版本中。3GPP Release 15版本導入了5G NR，而後續的更新則納於3GPP Release 16和17版本中。根據2020年夏季以後的時間軸，3GPP Release 15版本已經差不多完成，而3GPP Release 16版本也已趨於完成。3GPP Release 17的最終版本預計於2022年夏季定案(圖9)。

隨著3GPP Release 14版本的車用直接通訊導入，現在已經有兩種專注於3GPP LTE-V2X和IEEE 802.11p車輛通訊的無線電技術可用以支援直接通訊。然而，對於要採用或要沿用何種技術，目前尚未達成共識。在汽車通訊方面，數國政府與公司選擇LTE-V2X作為全國性與法規的基礎無線電存取技術。這些國家選擇LTE-V2X直接通訊作為無線電存取技術，但其通訊協定隨地理區域或國家不同而異。

這些區域很明顯有著相似的目標，以略微不同的通訊協定堆疊傳輸安全訊息。其中重要的是，全球區域在類似應用上的技術中立協議。在圖10中，應用層代表了實施V2X安全相關功能的三大區域應用情況。這些訊息可透過DSRC/ITS-G5使用IEEE 802.11p無線電層或透過C-V2X使用3GPP LTE-V2X/NR-V2X無線電層ETSI TS 102637-3、IEEE 802.1、ETSI EN 302637-3傳輸。