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V2X 动起来,车联网可望触发创新应用

时间:2017-08-16 11:12来源:Compotech 作者:任苙萍 点击:
随着人们生活圈变大,通勤、差旅时间变多,车联网 (IoV) 成了解决交通繁忙、预防意外事故、迈向智慧城市的明星科技;欧盟明订明年 3 月以后发售的新车都需配备 eCall 紧急呼救系统,更被视为点火车联网商机的引信。
 
ETSI TC- ITS WG5 副主席暨台湾工研院资通所—车载资通信与控制系统组技术副理曾蕙如表示,车联网旨在建置人、车、路和云端平台无缝连结的环境、以提升行车安全,前提是要有共通标准才能彼此沟通,于是催生统称 V2X 的专用短距无线通信 (DSRC),涵盖六大层面:汽车对汽车 V2V、汽车对路侧设备 V2R、汽车对基础设施 V2I、汽车对行人 V2P、汽车对机车 V2M,以及汽车对公交车 V2T;美国有 IEEE 1609、欧洲有 ETSI TC-ITS 标准 (ITS- G5),两者底层 (PHY+MAC) 皆采 IEEE 802.11p 标准、频段落于 5.85~5.925 GHz 区间,技术上可互通。
 

图1:DSRC 在主动式安全的应用
资料来源:
https://www.pcb.its.dot.gov/eprimer/module13p.aspx
 
以安全为出发点,但不仅止于此
她举例常见应用:V2I 可将路侧设备结合联网功能 (在路灯或红绿灯杆上安装通信设备)、以控制器做介接,把交通号志信息通过广播方式传送到车上;V2V 则可做煞车/盲点/十字路口防碰撞警示。为什么要另外发展 DSRC 技术?因为突发紧急情况,容易让人来不及反应,而 V2V 通信可帮驾驶多争取一些应变时间;具体实现方式是在车上安装通信设备,一秒会发送十次的信标 (Beacon)——在美国称为"基本安全信息"(Basic Safety Message, BSM),内容包括车辆位置、行驶速度、方向及历史轨迹等,供其他车辆驾驶参酌判断:是否会危害到自身?
 
"BSM 亦可作为触发警示之用,更宏观的应用是:由路侧设备传送道路、号志信息给驾驶,以判断是否需减速?可进一步据以调节交通号志、减少等待秒数,让交通更顺畅",曾蕙如说。除了人车安全,资安更不容忽视,以免传送错误信息而致误导;为此,欧美针对信息传送设有公钥架构 (PKI) 和签署 (Signature) 等基础防护机制,但由于传送频繁,并不主张对传送信息逐条加密。美国于去年底发布"法规制定预告"(NPRM),将立法强制新上市的小型车辆具备 V2V 通信技术,并公开征求立法提案意见,预计 2019 年正式成案、2023 年前普及。
 
通用汽车 (GM) 将在今年"Cadillac CTS Sedans"新车款搭载 V2V 通信技术,而美国政府也在纽约、坦帕、怀俄明州等地针对个别交通问题展开 DSRC 部署,其中,怀俄明州更有横跨东西向的高难度 V2R 建设,以解决冰天雪地、伸手不见五指环境下,大型连结货柜车易因路面湿滑发生连环车祸的问题;路侧的通信设备会将信息发送到车机,让驾驶人预知前方路况。此外,欧洲也于去年 11 月在比利时启动 C- ITS (协作 ITS) 平台,为欧盟正式迈向 cooperative、connected 和 automated mobility 的初始里程碑,冀在 2019 年达成 V2V 和 V2I 目标。
 

图2:欧洲 C- ITS 平台为欧盟部署车联网的第一个里程碑
资料来源:
http://sites.ieee.org/connected-vehicles/2016/01/21/c-platform-achieves-first-milestone-towards-connected-automated-vehicles-eu/
 
不让 IEEE 802.11p 专美于前,3GPP LTE- V 快马进场
欧洲版 DSRC 称为"ITS- G5",C- ITS 平台已迈入第二阶段,正对初期大量布署的成果做评估,了解市场究竟需要什么样的服务?拟于今年提出相关安全与认证规范,并于 2018 年纳入欧盟层级的服务框架。另由荷兰、德国和奥地利等三个国家共同在高速公路试行的"C- ITS Corridor 计划",聚焦于道路施工警示 (Road work warning) 与車辆资料收集 (Probe Vehicle Data),可开放给一般企业参与;法国则有 PAC V2X 计划,将路侧感测与车辆摄影、雷达连动为其特色,若侦测到危险可广播出来,融入成为高级驾驶辅助系统 (ADAS) 的一环。
 

图3:车联网所涵盖的服务/通信供货商、车载平台和应用
资料来源:
http://www.its-ukreview.org/cooperative-its-road-operators-can-plan-now-to-maximise-the-benefits/
 
一如其他应用场域的无线通信竞逐,3GPP 另推 LTE- V2X (LTE- V) 标准应战。曾蕙如指出,3GPP 展开三阶段研究:1.Release 14 之 LTE based V2X 服务;2.LTE V2X 技术强化;3.发展新的无线接取技术以降低延迟。2016 年 5 月,Release 15 更新增增强型车载通信 (eV2X) 以协助 5G V2X 服务,分为五大群组:自动跟车、先进驾驶、远程遥控车辆、传感器辅助和通则。中国大陆已于去年完成 LTE- V2X 需求与架构标准测定,并拟于今年完成空中接口的标准制订;中国移动、大唐电信与华为是主要推手,而华为与电信设备制造商更主导 LTE- V2X 和 5G eV2X。
 
曾蕙如强调,上述计划的"互操作性测试"不是只在实验室完成就算数,还须包括导入应用的实际路测。台湾工研院 iRoadSafe 智能道路安全警示系统为国际首套 V2X 系统解决方案,现正在新竹县市及国道六座易肇事路口建置示范场域;不仅符合美国 V2V Mandate 应用趋势,更创新结合路侧通信/感测/广告牌,不需 V2V 设备亦能提供行车信息、克服 V2V 装机普及率问题,包括:1.将雷达侦测到的移动物体相关信息,通过路侧感测单元 (RSU) 转成标准 V2V 信息;2.借助雷达侦测做近距离定位;3.台湾工研院的识别控制机制可在交通流量大时灵活调整。
 
 
设计与测试细节,决定 Pass or Fail
量测大厂是德科技 (Keysight) 认为,车联网牵涉到的通信系统涵盖电信、无线连接、卫星定位和广播,基于整体行驶安全考虑,只有个别车辆的连网能力是不够的,必须强化 V2V 并制订统一标准。DSRC 除了用于安全示警与辅助驾驶外,还能用于车载娱乐的影音下载、与家用无线局域网络整合、作为车队管理的入口/资产追踪/出勤排程,或衔接收费亭、休息站、车队停靠站的电子支付服务。因此,能适应行车环境的无线接取能力、短距通信的专用性,以及高可用性与低延迟性是关键。与此同时,也为新一代智能车的设计和测试带来诸多挑战。
 
台湾电子检验中心 (ETC) 陈甚荣则从电磁干扰/电磁兼容性 (EMI / EMC) 分析:EMI 可能导致电子产品误动作,须恪守"人不扰我、我不扰人"原则。他解释,EMI 可分为辐射 (Radiation) 与传导 (Conduction) 两种:前者由产品本身所产生,可将待测物放置于"暗室"(chamber) 旋转估量 EMI;后者肇因于电源系统,可串入电源系统、由"线阻抗稳定网络"(LISN) 设备测得。若 EMI 数值过高,可加装磁扣因应;经外部修改确认完成后,欲进一步改善失效之频率点,须以磁场探棒就电路板组件和引脚连接器找出干扰源头与传播路径。
 

照片人物:台湾电子检验中心 (ETC) 陈甚荣
 
之后,由外而内评估并在适当区域加入有效对策。常见几种处理方式如下:
1. 加强设备外部屏蔽,断开干扰传播路径;
2. 留心外部电源线、信号线布置,特别是位于 30~300 MHz 频段的干扰会经由接插线二次传递向外辐射;
3. 注意内部电源线、信号线布置,尽可能缩短线材、避免缠绕、远离干扰;
4. 改变组件放置及走线控制,减少屏蔽缝隙、加强滤波;
5. 优化内部振荡线路;
6. 避开性能参数与干扰高度重迭的相关组件。
 
EMC 或成贸易壁垒手段,ISO 26262 认证暗藏玄机
陈甚荣指出,外购模块可能会因产品匹配而面临"翘翘板"窘境——好不容易搞定了这个、却又催生另一个麻烦。至于 EMC,干扰源、干扰路径与受干扰设备是其组成三要素;为减少 EMC 成本及对策时间,应在产品开发时就进行 EMC 设计评估。他还提到,基于产品与人体安全考虑,许多国家都要求产品需通过 EMC 测试才能进入市场销售;更有甚者,将 EMC 技术当成贸易壁垒手段,用以限制进口或迫使通过验证、提高成本,以降低本国产品的冲击。欧盟 CE 和美国 FCC 是常见的国际认证。
 

图5:台湾电子检验中心 EMC 测试示意
资料来源:台湾电子检验中心官网
 
一般而言,工业用产品会较消费品宽松一些。虽然大部分的滤波线路可经由电容、电感实现,但"共模"(common mode) 无线通信设备所造成的 EMI,须以折迭 (folding)、绝缘为佳;若使用电容滤波或加强接地,恐有反效果。链接到"功能安全性"认证,关于坊间有人主张 ISO 26262 可利用拆解方式降低成本的说法,对车用电子组件验证钻研多年的宜特科技 (iST) 表示,理论上,若车内某个设备的电子控制单元 (ECU) 需要 ASIL D 等级,整个模块内的相关零组件都需要满足 ASIL D,但的确存在"有条件"的取巧方案。
具体作法就是将最核心的部分维持 ASIL D,其余部分降成 ASIL B、甚至只要达到质量管理要求即可,不用另行考虑安全设计,或是利用数个 ASIL 组合成 D 亦符合规范可行性,但前提是"在设计时间就要进行功能拆解,且设计区分的主导权在车厂或 Tier 1 手中,零组件供货商往往只能配合,下游供货商也只好比照办理"。简言之,在汽车这个相对封闭的产业,一切还得车厂或领头厂商说了算!
 

图6:车用零组件基本要求说明
资料来源:宜特科技官网

 

(责任编辑:jane)
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