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C-ITS: LTE-V2X與ETSI ITS-G5比較
C-ITS: LTE-V2X與ETSI ITS-G5比較
[作者 Andrew Turley等人]   2018年05月15日 星期二 瀏覽人次: [2564]


協作智慧運輸系統(C-ITS)將允許道路消費者和交通管理人員分享資訊,協助減少道路死亡。這將通過車輛之間以及車輛與運輸基礎設施之間的數位連通性來實現,稱為V2X(車輛到車輛和車輛對基礎設施)通訊。支援安全關鍵應用是V2X通訊的核心。ITS Directive 2010/40/EU 是其基礎立法,規範ITS連貫和交互操作導入。該指令規定每輛車輛都應能夠與任何其他車輛或路邊設備進行通訊。



圖1 :  支援安全關鍵應用是V2X通訊的核心。(source:YATZU!)
圖1 : 支援安全關鍵應用是V2X通訊的核心。(source:YATZU!)

互通性、向後相容性和成熟度被確定為核心原則。基於Wi-Fi的V2X 技術,ETSI ITSG5/IEEE802.11p,已經測試了10年,並準備部署。最近,一個新的標準定址V2X應用程式已經開始在3GPP的保護傘下發展,重點是行動寬頻標準化。由於數以百萬計的道路消費者的安全將取決於這些技術的性能,所以在就緒性、相容性和範圍方面進行比較是很重要的。


就緒性

ETSI ITS-G5(基於IEEE 802.11p)是通用Wi-Fi標準的延伸,在動態汽車環境中進行了改進和優化。


ETSI ITS-G5定義於2004年發佈,並經歷了一個徹底的標準化過程。這包括廣泛的現場測試(從2008年開始與德國sim1與400輛車現場測試)和多供應商互通性測試(自2011年開始進行ETSI插頭測試)汽車級系統已讓OEM和Tier-1供應商進行廣泛的測試和驗證若干年的時間,這是絕對關鍵的安全相關產品。相比之下,LTE-V2X是手機4G/LTE一個相對新的擴展。3GPP在三年前才開始Rel-14規範定義,在時間壓力下,以趕上歐盟C-ROADS和美國NPRM活動創造的11p勢頭。因此,某些關鍵特性不成熟,只會在接下來的Rel-15規範部分糾正(計畫在2018年第三季完成)。下面列出了當前已知缺陷,需要在 Rel-15 中進行修復:


‧ 如在3GPP RAN1 RAN1 contribution所解釋的,由於反覆使用LTE上行鏈路Uplink與其側邊鏈路(Sidelink)設計所造成的通道交織/速率匹配模式問題,將會嚴重影響側邊鏈路資料通道(PSSCH)在RB/模組化編碼組合達28.3%。解決方案未來與Rel-15不相容。


‧ 由於側邊鏈路最多只有9個數據符號、在LTE上行鏈路中則有12個數據符號,需要採用TBS scaling技術重新設計Rel-15的傳輸層大小表列。解決方案未來與Rel-15不相容。


‧ LTE-V2X Rel-14 Mode-4的延遲時間太長,部分原因是物理層20-100ms的延遲選擇視窗。在 3GPP裡仍在討論如何在Rel-15減少此視窗。這將造成與Rel-14不相容。


‧ 半雙工問題: 由於有多個使用者訪問方案,使用者將錯過併發傳輸的安全資訊。這情況並不會發生在ETSI ITS-G5,因為ETSI ITS-G5有「交談前先傾聽」的原則。在Rel-14中,通過重新傳輸信號(HARQ),這一效應可能會減輕,代價可以互聯的汽車數量減半。這個問題在Rel-15仍無法解決,只能等到5G NR。


‧ 從蜂窩帶(通常在2或3 GHz 區域)中進行15赫的載波間距不適合於5.9 GHz波段。這導致LTE-V2X 對頻率偏移非常敏感。在5G NR中,3GPP計畫「解鎖」子載波間距,使其可根據部署進行配置。


還缺乏實際的現場測試。大多數提出的LTE-V2X資料是基於數值類比的,這意味著,最好的是,該規範是不成熟的(例如降低效率),或者更糟糕的是,可能無法實現減少道路死亡所需的目標安全應用。此外,LTE-V2X技術的發展(Rel-14,Rel-15,...)實際上會引入不同的性能等級,這意味著LTE Rel-15汽車將比Rel-14汽車更安全。這將導致客戶/使用者間的不公平情況。另外應指出的是,即使LTE-V2X Rel-14規格已經完成,定義部署設定檔(這是區域/國家特定的),仍然需要進行,並可能需要多年考慮優化上層參數的複雜性(通道、HARQ、分配方案政策的數量,每個專案都涉及非常具體和狹窄的部署類型(公路與擁擠地區等)。ETSI ITS-G5沒有這個問題,因為它是設計於自然地以應付各種情況。


相容性

由於ETSI ITS-G5已經作過非常多的實地測試,在這些年的發展日趨成熟,在可預見的未來沒有必要進行重大修訂。目前正在進行非正式討論,以確定是否需要擴展更高的資料因應額外服務。


LTE-V2X Rel-15不會向後相容Rel-14提供的所有服務。同樣的,5G NR技術亦不會向後相容LTE-V2X Rel-15 nor Rel-14。如前一節所示,其原因之一是為了糾正缺陷而在幾個參數設計的結構變化。其他原因包括Rel-15中集成的改進,它們與Rel-14不向後相容,如不透明傳輸分集方案(STBC或SFBC)以及64 QAM調製。因此,Rel-14設備將無法解碼 Rel-15 傳輸(PSSCH),它們只能看到未修改的調度分配(PSCCH)。


這意味著,只要它依賴於以前版本的服務,LTE-V2X佈署將始終必須採用標準的舊式版本。不幸的是,對於基本安全資訊來說,尤其如此。基本安全資訊是採用Rel-14標準所推出的第一批服務之一。由於安全消息的廣播性質,沒有辦法知道遺留設備是否在附近。相反的,您將始終必須退回到Rel-14版本(包容其缺陷和低效率)。只有更新的服務才能使用Rel-15和它所擁有的改進性能。


範圍比較

ETSI ITS-G5利用選擇的技術以符合高機動性。例如,儘管使用「古板」卷積編碼器似乎是一個劣勢,但它提供了使用「渦輪編解碼器」類似方案動態調整每個符號的通道估計的可能性,以遵循典型的移動中場景裡不斷變化的通道特性。這項計畫沒有在正常的Wi-Fi系統中執行,在2011年已經被描述和實施佈署。在LTE-V2X中使用的最新的區塊編碼解碼器(如 LDPC)不能以高速速度提供相同的性能,因為它們只能針對每個區塊解碼,不能對每個符號解碼。


結合上述通道接入機制的特性,ETSI ITS-G5技術還能夠在長距離的結合下處理高機動性。在OEM現場測試中也確認了擴展範圍。例如,在Traffic Technology Today專訪中提到「在高速挑戰中,V2V-enabled奧迪車配備了NXP RoadLINK晶片組,以相對速度達到310 mph (500公里/小時),跨距離超過1.2英里(2km)。此類比範圍性能如圖2(紅虛線)所示,是基於 NXP DSRC 晶片組的實際測量性能,並給出了500公尺(90% PRR)的最佳數據,同時LTE-V2X僅能達到240公尺。



圖2 :  V2V-enabled奧迪車配備NXP RoadLINK晶片組效能進行高速挑戰。
圖2 : V2V-enabled奧迪車配備NXP RoadLINK晶片組效能進行高速挑戰。

圖2比較「路徑到 5G」的模擬結果和我們自行模擬的結果,基於實際測量NXP DSRC晶片組的性能。先進的ITS-G5性能比LTE-V2X好得多。場景為高速公路(6車道,其中3條車道每2公里計算,車到達道路底端後,往相反方向迴轉,模擬真實交通的機動性)以4個數據包的交通裝載與190個位元組,1 Mbps資料率。傳輸功率設置在20 dbm,3 dBi增益用於傳輸和接收,接收機靈敏度為-95 dbm。通道設置雙斜率路徑損耗,採用Nakagami 模型。


其他對於LTE-V2X的問題

缺少一個明確定義的LTE-V2X通訊設定檔(鑒於LTE的多種配置可能性),不切實際的定時要求,對於可支援的汽車數量的不確定性,以及延遲性的限制,都是額外是還沒有解決的其他懸而未決的問題。這些情況也反映出LTE-V2X與ETSI ITS-G5的不同成熟度水準。


結論

如上文各節所述,可以得出結論,LTE-V2X目前反而使V2X通訊技術倒退。LTE-V2X(基於 Rel-14)還沒有準備好,也沒有像LTE-V2X利益攸關方建議的那樣帶來巨大的收益和改進。


上述的比較進一步說明LTE-V2X的不成熟性、未經測試的和未經驗證的技術狀態,以及在未來LTE-V2X版本中缺乏真正的向後相容性,特別是與安全關鍵用途有關。


ITS Directive 2010/40/EU的向後相容、互通性和成熟性定義為其規範和部署的關鍵原則,以及發佈標準的授權。這顯然不是在LTE-V2X下發生,或在一般行動產業內的準則。我們認為,減少道路死亡和增加道路安全的最佳途徑是一種混合通訊方法,讓兩種通訊技術共同合作:


‧ ETSI ITS-G5在分配給V2X應用程式的5.9 GHz頻譜中提供安全資訊;


‧ LTE-V2X為更多與基礎設施相關的服務提供I2V資訊,如分配給行動產業的3.2-3.8 GHz 頻譜中的通訊管理資訊。


這一觀點得到了大多數汽車工業和道路基礎設施行業的認同,例如在最近美國交通部的US-DOT & FCC公佈的「安全聯盟」公開信當中即獲得認可。


(作者Andrew Turley、Kees Moerman、Alessio Filippi、Vincent Martinez任職於恩智浦半導體公司)


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