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《新通訊》建構下世代行車安全藍圖 DSRC/C-V2X標準細比拚

1. 十二月 2020

《新通訊》建構下世代行車安全藍圖 DSRC/C-V2X標準細比拚

文/蕭鴻凱(DEKRA德凱東亞及南亞區總工程師辦公室EMC/RF技術處資深總監)

希望「生活在一個安全的世界中」是人類對安全的基本需求,顯示了人們不斷致力於追求安全的想望。互通互聯技術、無線網路和通訊技術日新又新,如今亦實現於交通領域,使駕駛和乘客得以享受日益複雜的資訊娛樂、導航、安全和遠程資訊處理服務。

車聯網相關技術如DSRC、C-V2X、eCall、NGeCall、MirrorLink,無線技術應用如Qi、NFC、Wi-Fi、Bluetooth,行動網路技術如GSM、UMTS、LTE、5G NR等的出現,制定了相對應的測試及認證標準,進一步提升了下世代行車舒適度和安全性。

淺談車聯網通訊技術演進

專用短距離通訊技術(Dedicated Short Range Communication, DSRC)與蜂巢式車聯網(Cellular Vehicle-to-Everything, C-V2X),分別應用IEEE 802.11p與3GPP Release 14/15/16,操作於5.9GHz智慧交通運輸系統(Intelligent Transportation System, ITS)。

美國聯邦通訊委員會(FCC)在1999年開放5,850~5,925MHz共計75MHz頻寬,用於各種DSRC短距離無線連接,主要收集與傳輸車輛和路邊系統間的訊息,如交通號誌燈控制、交通監控、旅行者警報、自動收費,透過路邊設施(Roadside Unit, RSU)的資料傳輸,同時改善用路人的安全性及交通。2016年美國交通部的立法提案通知(NPRM)指出,2023年起將強制美國所有輕型車輛配備車用專屬DSRC設備。根據FCC解釋與說明,DSRC雖然已用於某些與交通有關的專案中,但尚未廣泛應用於消費汽車市場中,且由於通訊技術的演進、增進頻譜使用效益及5G通訊技術的到來,多項因素考慮下,FCC於2020年2月6日發布有關5,850~5,925MHz頻段(案號:19-138)使用的公開通知,根據該通知,FCC將修改其5,850~5,925MHz頻段的規則,允許Wi-Fi在較低頻段的45MHz(5,850~5,895MHz)運行,僅保留較高頻段的30MHz(5,895~5,925MHz)予ITS。此外,ITS操作將包括20MHz(5,905~5,925MHz)的C-V2X設備,以及10MHz(5,895~5,905MHz)的C-V2X和/或專用DSRC設備。至目前為止,FCC尚未截止意見反映並完成法令公告,依據筆者對FCC長期追蹤的經驗判斷,目前雖有DSRC陣營推出基於IEEE 802.11p演進的IEEE 802.11bd(預計於2022年底訂定)技術對抗5G的C-V2X,但隨著2020年7月3GPP Release 16的凍結,FCC該頻譜規畫如今將更確認5G C-V2X在美國的布建。

DSRC系統使用IEEE 802.11p,又稱車用環境無線存取技術(Wireless Access in the Vehicular Environment, WAVE)的MAC/PHY標準,而其高層協定則是參照IEEE 1609.0(Architecture Guidance)服務架構,分別由IEEE 1609.2(Security Service)標準定義安全訊息封包加密管理功能、金鑰長度以及憑證管理協定;IEEE 1609.3(Networking Service)為網路層(Network Layer)與傳輸層(Transport Layer)定義通訊協定銜接提供WAVE系統的位址及路由服務;IEEE 1609.4(Multi-Channel Operation)為多頻道操作,包括控制頻道(Control Channel, CCH)區間及服務頻道(Service Channel, SCH)區間的操作存取與管理多頻道選擇;IEEE 1609.6(Remote Management Service)於應用層提供互操作服務管理WAVE裝置;IEEE 1609.11(Over-the-Air Electronic Payment Exchange Protocol for Intelligent Transport System)包括付款與身分確認、付款傳送機制;IEEE 1609.12(Identifier Allocation)管理WAVE系統中的ID值。

DSRC標準業已成熟,其後雖有IEEE 802.11 PHY與MAC多項技術發展,但對V2X應用卻缺乏持續演進能力,難以與依照3GPP發展不斷朝5G演進的C-V2X相抗衡。DSRC標準組織IEEE在2018年底提出了IEEE 802.11 Next Generation V2X Amendment(NGV)即IEEE 802.11bd作為DSRC演進版本,主要提升其V2X技術和可靠性,並對IEEE 802.11p具備向後相容性,預計於2022年完成相關標準工作。

C-V2X技術的演進則是從3GPP於2015年開始Release 14 V2X標準研究、2017年3月完成Release 14 V2X Phase 1(亦稱為LTE V2X)標準、2018年6月完成Release 15 V2X Phase 2,其亦稱為LTE-based enhanced V2X(eV2X),到2020年7月完成Release 16 V2X Phase 3(亦稱為NR-V2X, NR-based V2X),分三階段完成標準化的工作,而Release 17也朝著NR-based enhanced V2X發展更低功耗與低延遲的資源分配、廣播/群播/單播的特性增強等相關技術。

車聯網場景應用

美國運輸部(USDOT)分別在紐約市、懷俄明州和坦帕(Tampa)實施一套量身打造的互聯車輛應用和技術,以滿足其地區獨特的交通需求,提高安全性、提高人員流動性、提高經濟生產率,並減少環境影響並改變公共機構的營運。USDOT在這3洲實際路測共計7大項場景,分別為OBU/ASD數據收集測試(Baseline OBU/ASD Data Collection Test Case)、同車道內的遠端車輛測試(FCW-Stationary Remote Vehicle in the Same Lane Test Case)、相鄰車道內的遠端車輛測試(FCW-Stationary Remote Vehicle in Adjacent Lane Test Case)、移動遠端車輛和EEBL測試(FCW-Moving Remote Vehicle and Emergency Electronic Brake Lights(EEBL) Test Case)、主車輛停止測試(Intersection Movement Assist(IMA)-Host Vehicle Stopped Test Case)、V2I/RLVW測試(V2I/Red-Light Violation Warning(RLVW) Test Case)、與並行排測試在同一車道的固定式遠程車輛(FCW-Stationary Remote Vehicle in the Same Lane with Parallel Platoon Test Case)。除這三州外,美國DSRC試點示範雖然覆蓋了26個州,但是絕大部分的州只是小規模試點,政府的投入難以支撐DSRC進入大規模預商用。

3GPP TR 22.885基於Release 14定義LTE-V2X的應用場景可分為27項,其中V2V為10項、V2I為7項、V2N為4項、V2P為3項、V2X為3項;而3GPP TR 22.886基於Release 16定義NR-V2X的應用場景則為29項,分別是Platooning共6項、Advanced Driving共8項、Remote Driving共3項、Extender Sensor共4項、General共8項。

新通訊封面

DSRC及C-V2X檢測

OmniAir初始設定目的在推動智慧交通系統的認證及互操作性(Interoperability),致力於射頻識別(RFID)及DSRC-V2X,近年來亦投入C-V2X相關的設備要求及測試規格研發,從近兩次OmniAir Consortium舉辦的OmniAir全球插拔大會可發現,除DSRC-V2X外,亦增加C-V2X技術的測試活動,皆可在實驗室和現場環境中評估設備的一致性、互通性操作和安全性測試,內容涵蓋:

・C-V2X PC5/DSRC無線射頻性能測試

・針對DSRC的OmniAir規範進行一致性測試

・根據現有OmniAir C-V2X規格進行一致性測試

・DSRC的Basic Safety Message(BSM)性能和位置精度測試

・針對DSRC以及可能的C-V2X的BSM驅動器比較測試

・Security Credential Management System(SCMS)安全憑證測試(包括新的OmniAir資安測項)

・通過DSRC認證設備的互通性測試

全球插拔大會的主要目標是評估OmniAir的初始測試規格,迄今已完成120多個測試項目,這些測試項目將有助於針對OmniAir RSU和OBU的C-V2X測試項目的開發。

另一個由5G汽車協會(5G Automotive Association, 5GAA)和ETSI共同舉辦的插拔大會,除智慧運輸系統站和公鑰基礎設施(PKI)外,還有多種LTE-V2X設備參與互通性插拔測試,以藉此驗證ETSI TS 103 600 V1.1.1規範內相關測試項目。

美國聯邦通訊委員會規範

美國聯邦通訊委員會於1999年決定將5.9GHz(5,850~5,925MHz)頻段共計75MHz頻寬分配予汽車通訊使用。表4為現行美國5.9GHz DSRC之頻段表,以10MHz頻寬為單位,將75MHz頻寬劃分成7個頻道。

頻道174與176可以組合為20MHz頻寬的頻道175指定使用,而頻道180與182可以組合為20MHz頻寬的頻道181指定使用。頻道172指定為車與車間公共安全專用服務頻道,頻道184指定為交叉路口公共安全專用服務頻道。

FCC於2019年底公布重新規畫的頻段,擬議5,850~5,895MHz頻段的45MHz使用於非授權無線技術之應用,5,895~5,925MHz頻段之30MHz保留於V2X交通運輸系統,其中5,905~5,925MHz將專用於C-V2X,5,895~5,905MHz頻段之10MHz則考量配置於C-V2X或保留於DSRC,此舉不難看出,美國技術規畫由DSRC逐漸往C-V2X靠攏,為5GC-V2X技術導入開啟一扇大門。

歐盟採DSRC與C-V2X同時發展且於2008年制定ITS執行計畫,適用5,855~5,925MHz頻段的ETSI EN 302 571無線測試法規,定義最高功率為33dBm(eirp)僅能使用IEEE 802.11p Spectrum Emission Masks(SEM)C類功率的測試要求。隨著5G標準的導入,歐盟於2020年初公布EN 303 613標準,定義C-V2X作為智慧運輸系統技術,亦更新ETSI TR 101 607合作式智慧運輸系統(Cooperative Intelligent Transportation System, C-ITS)場域納入LTE-V2X技術。

日本在2011年將760MHz頻段劃為ITS專用,而非現在國際主流的5.9GHz頻段,因為日本發現在760MHz頻段的頻譜使用效率、網路覆蓋率與傳輸效率皆優於5.9GHz頻段,遂指定給車與車間以及車與路間通訊專用。近年來日本也開始針對國際間的使用5.9GHz頻段的C-V2X提出探討,也召開日本國內專家會議給予日本政府意見,測試驗證商如DEKRA德凱亦將持續觀察日本對於V2X頻譜規畫與技術導入的方向。

中國明確規定5.9GHz(5,905~ 5,925MHz)為發展C-V2X頻段,按照《IMT-2020(5G)推進組C-V2X白皮書》將標準分類為總體技術要求、接入層、網路層、應用層以及安全,共5大類,再分別由不同權責單位負責制定各個標準,將車聯網由LTE-V2X演進至5G C-V2X。近一年多來已有7個省市地方政府積極增設LTE-V2X與5G C-V2X實地試驗,帶動相關產業進行整合、測試、基礎建設聯網與驗證等等,朝著實現商用化推進。工信部則在2018年公布《車聯網(智慧網聯汽車)直接通訊使用5,905~5,925MHz頻段管理規定》,規畫作為基於LTE-V2X設備無線射頻測試法規,使法規與標準涵蓋測試實驗室測試標準、設備布建標準、協同規範與聯網安全等等。

DSRC與C-V2X發展

DSRC與C-V2X皆有各自的擁護者,可以預期的是,5G C-V2X在3GPP Release 16基礎下,將實現車聯網之超高速傳輸、超高容量、超低延遲、超可靠性、隨時隨地可接入等需求,開啟車廠與設備商在聯網汽車朝高度自動駕駛前進。DSRC已屬成熟性產品,但普及率關乎於各國家政策推動的成效,以及下一代技術IEEE 802.11bd發展與應用,未來與C-V2X的競爭將更加白熱化。

企業迎接下一輪產業的重點,除了關注於車輛或元件本身的同時,更重要的是廣泛的聯網技術與安全性,包括連線能力、互通性、安全測試與認證;與電子元件相關的電磁相容性(EMC)、射頻(RF)、化學與材料特性、性能與可靠性測試,以及能源效率和國際市場准入服務等檢測認證項目,做好準備才能面對這一波大浪潮。

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