蜂窝车联网(C-V2X)技术与产业发展态势前沿报告2020

本报告在前期报告的基础上,结合最新技术与产业进展,更新并分析了全球发展态势和我国发展现状,对车联网技术与产业发展态势和技术预见进行了预测,探讨了车联网工程建设中的难题,提出了技术和产业政策建议。报告内容涉及面广,可作为高校、研究机构以及汽车、交通、通信、互联网、集成电路等车联网相关行业的技术产业发展参考,也可作为政府部门制定政策的参考。

一、车联网研究概述

汽车的发明和广泛应用,极大地提高了人类的生产力和生活质量。汽车在给大家带来舒适和方便的同时,随着其数量的快速增长,道路安全、城市拥堵等问题日趋严重。政府管理部门、交通行业、汽车行业一直在探索和实践解决之道。以信息通信技术、人工智能等全新技术为主的第三次、第四次工业革命,为汽车的智能化发展带来了强大推力,车联网技术应运而生。美、欧、亚等国家和地区政府高度重视车联网产业发展,均将车联网产业作为战略制高点,通过制定国家政策或通过立法推动产业发展。车联网行业进入发展快车道。

车联网(V2X)是实现车辆与周围的车、人、交通基础设施和网络等全方位连接和通信的新一代信息通信技术。车联网通信包括车与车之间(V2V)、车与路之间(V2I)、车与人之间(V2P)、车与网络之间(V2N)等,具有低时延、高可靠等特殊严苛的通信要求。通过V2X 将“人、车、路、云”等交通参与要素有机地联系在一起,一方面能够获取更为丰富的感知信息,促进自动驾驶技术发展;另一方面通过构建智慧交通系统,提升交通效率、提高驾驶安全、降低事故发生率、改善交通管理、减少污染等。

车联网标准体系可分为无线和应用两大部分。目前,国际上主流的车联网无线通信技术有 IEEE 802.11p 和 C-V2X 两条技术路线,而应用层标准则由各国家和地区根据区域性的应用定义进行制定。其中IEEE 802.11p 技术基于 WiFi 标准改进,在 IEEE 进行标准化工作。C-V2X 是基于蜂窝通信和终端直通通信融合的车联网技术,其标准工作在 3GPP 开展,包括基于 LTE 技术的版本 LTE-V2X 和面向新空

口的 NR-V2X。无论是 IEEE 主导的 802.11p 技术还是 3GPP 的 C-V2X技术,目前都已经完成阶段性技术研究和标准化工作,车联网产业化的技术条件已具备,全球车联网产业化阶段已经到来。目前我国已将车联网产业上升到国家战略高度,产业政策持续利好。车联网技术标准体系已经从国家标准层面完成顶层设计。我国车联网产业化进程逐步加快,围绕 LTE-V2X 形成包括通信芯片、通信模组、终端设备、整车制造、运营服务、测试认证、高精度定位及地图服务等较为完整的产业链生态。为推动 C-V2X 产业尽快落地,包括工业和信息化部、交通运输部、公安部等积极与地方政府合作,在全国各地先后支持建设 16 个智能网联汽车测试示范区;工信部积极推动国家级车联网先导区建设,已经批复支持无锡、天津、长沙建立国家级先导区,还有多处积极申报中,为后续大规模产业化及商业化奠定了基础。

C-V2X 应用可以分近期和中远期两大阶段。近期通过车车协同、车路协同实现辅助驾驶,提高驾驶安全,提升交通效率;以及特定场景的中低速无人驾驶,提高生产效率,降低成本。中长期将结合人工智能、大数据等新技术,融合雷达、视频感知等技术,通过车联网实现从单车智能到网联智能,最终实现完全自动驾驶。

本报告分析了全球发展态势和我国发展现状,对车联网技术与产业发展态势和技术预见进行了预测,探讨了车联网工程建设中的重大难题,提出了技术和产业政策建议。报告内容涉及面广,可作为高校、研究机构以及汽车、交通、通信、互联网、集成电路等行业的技术产业发展参考,也可作为政府部门制定政策的参考。

二、全球发展态势

(一)全球发展态势综述

随着通信技术、信息技术和汽车工业的发展,智能网联汽车已经成为未来汽车的发展趋势。汽车网联化催生的车联网产业已经成为包括美、欧、亚等汽车发达国家和地区的重要战略性方向,各国家和地区纷纷加快产业布局、制定发展规划,通过政策法规、技术标准、示范建设等全方位措施,推进车联网的产业化进程。本部分从政策法规、技术标准及示范建设等维度梳理以美、欧、亚为代表的全球车联网发展态势。

(二)各国政府积极推动,政策规划利好

美国政府高度重视智能交通和智能网联汽车产业发展,目前已经明确将汽车智能化、网联化作为两大核心战略,并出台一系列政策法规推进相关产业体系的建立。欧盟委员会通过建立合作智能交通系统平台(C-ITS platform)推进欧盟国家的车联网部署,促进整个欧盟范围内的投资和监管框架的融合,推动从 2019 年开始部署 C-ITS 业务的计划。为协调部署和测试活动,欧盟国家和道路运营管理机构建立 C-Roads 平台(C-Road platform),共同制定和分享技术规范,并进行跨站点的互操作测试验证。

亚洲范围,日本政府重视自动驾驶汽车和车联网的发展,于 2016年发布高速公路自动驾驶的实施路线报告书,明确期望于 2020 年在部分地区实现自动驾驶功能。韩国制定长期车联网发展规划(Long-term ICV development plan up to 2040),其目标是在全国范围内实现智能道路交通系统,通过连接车、路和人,实现高度自动化和交通资源利用最大化,其目标是到 2040 年实现零交通事故。新加坡制定 2022“新城”计划(2022 new city plan),规划在 2022 年在全国范围进行自动驾驶的部署,成为全球第一个实现自动驾驶的国家。

综上,美、欧、亚主要国家政府高度重视车联网产业发展,均将车联网产业作为战略制高点产业,通过制定国家政策或通过立法推动产业发展。车联网行业将进入发展快车道。

(三)技术标准逐渐成熟,频谱规划明确

车联网标准体系可分为无线和应用两大部分。目前,国际上主流的车联网无线通信技术有 IEEE 802.11p 和 C-V2X 两条技术路线,而应用层标准则由各国家和地区根据区域性的应用定义进行制定。

IEEE 802.11p 技术由 IEEE(Institute of Electrical and ElectronicsEngineers,电气和电子工程师协会)于 2010 年完成标准化工作,该技术支持车辆在 5.9GHz 专用频段进行 V2V、V2I 的直通通信。应用层部分标准由 SAE(Society of Automotive Engineers,汽车工程学会)完成,包括 SAE J2735、J2945 等标准。基于 IEEE 802.11p 技术的车联网标准体系架构如图 2.1 所示。

蜂窝车联网(C-V2X)技术与产业发展态势前沿报告2020

C-V2X(Cellular-V2X)是 3GPP 主导推动的、基于 4G/5G 蜂窝网通信技术演进形成的 V2X 技术,可实现长距离和更大范围的通信,在技术先进性、性能及后续演进等方面,相对 IEEE 802.11p 具有优势。C-V2X 包含 LTE-V2X 和 NR-V2X,其中 LTE-V2X 最早由大唐在 2013年 5 月提出,确定了 C-V2X 的蜂窝与直通融合的系统架构及直通链路的关键技术框架。由大唐、华为等中国企业和 LG 等国际公司牵头推动,3GPP 分别于 2017 年 3 月和 2018 年 6 月正式发布 R14、R15版本的 LTE-V2X 标准。3GPP 于 2018 年 6 月启动 NR-V2X 标准化工作,于 2019 年 3 月完成研究项目,于 2020 年 6 月 R16 标准冻结;同期,3GPP 启动 R17 研究,针对直通链路特性进一步增强,预计 2021年底左右完成。3GPP C-V2X 标准演进时间表如图 2.2 所示。

蜂窝车联网(C-V2X)技术与产业发展态势前沿报告2020

为了推动美国 C-V2X 相关标准和产业化进展,SAE 于 2017 年成立了 C-V2X 技术委员会,计划针对 C-V2X 制定类似 J2945.1 的车载V2V 安全通信技术要求标准(J3161),相关标准工作持续进展中。5GAA 对 IEEE 802.11p 和 C-V2X 进行了技术对比(表 2.2),从物理层设计、MAC 层调度等角度对比分析,表明 C-V2X 在资源利用率、可靠性和稳定性方面具有理论优势。

2018 年 4 月 5GAA 华盛顿会议,福特发布与大唐、高通的联合测试结果,对比 IEEE 802.11p 和 C-V2X(LTE-V2X)实际道路测试性能。测试结果(如图 2.3 所示)表明,在相同的测试环境下,通信距离在 400 米到 1200 米之间时,LTE-V2X 系统的误码率明显低于DSRC(IEEE 802.11p)系统, C-V2X 的通信性能在可靠性和稳定性方面均明显优于 IEEE 802.11p。

蜂窝车联网(C-V2X)技术与产业发展态势前沿报告2020
蜂窝车联网(C-V2X)技术与产业发展态势前沿报告2020

在技术路径选择上,由于 IEEE 802.11p 技术标准成熟较早,产业链相对较成熟,因此车联网起步较早的发达国家如美国、日本等早期均倾向部署 IEEE 802.11p 技术。C-V2X 作为后起之秀,以技术先进、性能优越以及可长期演进等优势获得产业界支持:中国企业主推LTE-V2X 技术;美国电信运营商、福特等国际主流车企明确表示倾向于 LTE-V2X 技术;欧洲的奥迪、宝马、标志雪铁龙等国际主流车企也已转向支持 C-V2X 技术;日本 ITS 行业标准和产业组织ITS-forum 宣布技术中立,将 LTE-V2X 作为备选技术。然而随着C-V2X 技术持续发展,产业参与度日益广泛,形势逐渐有所改变:美国已将 5.9G 频段 5.895-5.925GHz 的 30MHz 分配给 C-V2X 车联网技术;欧洲也修改了 5.9G 频段使用,扩展 ITS 道路安全应用为5875-5925MHz,采用技术中立方式,不限制具体技术。

频率资源分配方面,各国基于其技术路径选择策略进行相应规划。无论是 IEEE 主推的 802.11p 技术还是 3GPP 的 LTE-V2X技术,目前都已经完成技术研究和标准化制定,车联网产业化的技术条件已具备。各方都已经将车联网技术及应用作为未来极其重要的产业方向进行规划部署,通过分配频谱资源予以支持,全球车联网产业化阶段已经到来。

(四)验证示范同步推进,产业化进程加速

随着车联网技术标准的成熟,各国纷纷加速产业化进程,通过建设和运营示范区、测试区等方式进行技术验证和商业模式探索,为后续产业化和商业化奠定基础。

美国目前有将近 50 个 DSRC 车联网示范项目,各个示范项目的道路长度从几英里到几百英里不等,主要选取典型的 V2V、V2I、V2P用例进行示范应用。美国约有 35 万个交叉路口,部署约 5315 套 DSRCRSU,分布在 26 个州,覆盖超过美国 50%的州。车载终端方面,部署了大约 18000 套车载终端 OBU(包括前装设备和后装设备)。欧洲车联网产业推进起步较早,在不同国家和城市开展实际道路的部署和验证项目。日本工业界积极推进车联网产业进展,在技术评估、测试等方面已经形成跨行业合作的态势。韩国自 2014 年起,已开始在全国多个地区部署智能交通试点。

在 C-V2X 快速发展的形势下,5GAA 在 2019 年组织了两次C-V2X 相关的互操作(IOT,Interoperability)测试 ,即多厂商互联互通测试,分别是 2019 年 4 月在德国举办的 1st 5GAA C-V2X IoT 测试及 2019 年 12 月在西班牙与 ETSI 联合举办的 1st ETSI C-V2XPlugtest。

美国、欧洲、日本、韩国等汽车发达国家纷纷通过开展测试示范区建设,模拟多种道路和场景,验证在实际运行及运营中关键系统的技术能力,进一步加速车联网产业化进程。

(五)各方企业纷纷加入,产业链逐渐完善

产业化推进方面,由欧美主流车企、全球主流电信运营商及通信芯片厂商发起,于 2016 年 9 月成立的 5G 汽车联盟(5GAA),致力于推动 C-V2X 技术在全球的产业化落地(现阶段是 LTE-V2X)。该联盟成员覆盖全球主要车企、电信运营商、芯片供应商、汽车电子企业、电信设备商及信息服务企业等,我国主要的通信设备制造商及电信运营商也是其成员,目前成员已达 130 余家(图 2.4)。

蜂窝车联网(C-V2X)技术与产业发展态势前沿报告2020

随着车联网产业化推进,产业链上下游企业纷纷进入该领域,呈现出北美信息技术引领、初创企业众多,欧洲技术实力突出、企业加速转型,中国企业异军突起,亚洲市场优势明显,发展潜力巨大的全球车联网产业布局态势(图 2.5),全球范围已经形成较为完整的车联网产业链。

(六)小结

本部分对美国、欧洲、亚洲等国家和地区的车联网产业,从政策规划、技术标准、测试验证及产业链构建等维度进行梳理,可以看到,虽然各国家和地区在具体的技术路径选择方面有着不同的立场和观点,各地区的技术标准体系、产业推进方式和示范验证进展也各不相同,但是各方都就车联网能够带来巨大的社会价值(如提升交通效率、减少交通事故、减少环境污染)和经济价值形成共识,并将车联网作为战略性产业方向和技术创新突破点。随着各国利好政策纷纷出台、标准技术日渐成熟以及示范验证持续推进,全球车联网产业将迎来大发展。

三、我国发展现状

(一)我国发展现状综述

近年来,我国在汽车制造、通信与信息以及道路基础设施建设等方面取得迅速发展。汽车制造领域,我国汽车产业在整体规模保持世界领先,自主品牌市场份额逐步提高,核心技术也不断取得突破。信息通信领域,经过 3G 突破、4G 并跑的发展阶段,我国通信企业已跻身世界领先地位,在国际 C-V2X、5G 等新一代通信标准制定中发挥着越来越重要的作用。基础设施建设方面,我国宽带网络和高速公路网快速发展、规模位居世界首位,北斗卫星导航系统可面向全国提供高精度时空服务。可见,我国具备推动车联网产业发展的基础环境,能够推动自主知识产权的 C-V2X 车联网通信技术的产业化发展和应用推广。

目前,我国在车联网相关的政策规划、标准制定、技术研发、产业落地方面均已进行全方位布局和推进,并取得阶段性成果。

(二)政策及发展规划

中国政府已将车联网提升到国家战略高度,国务院及相关部委对车联网产业升级和业务创新进行了顶层设计、战略布局和发展规划,并形成系统的组织保障和工作体系。我国成立的国家制造强国建设领导小组车联网产业发展专项委员会,由 20 个部门和单位组成,负责组织制定车联网发展规划、政策和措施,协调解决车联网发展重大问题,督促检查相关工作落实情况,统筹推进产业发展。国务院和工业和信息化部、交通运输部、科学技术部、发展改革委、公安部等部委出台一系列规划及政策推动我国车联网产业发展。

蜂窝车联网(C-V2X)技术与产业发展态势前沿报告2020

(三)标准与技术进展

1、 标准组织与产业联盟

C-V2X 应用涉及到汽车、交通等多个行业领域,不同的业务应用提出了不同的业务需求和通信需求。汽车行业、交通行业、通信行业、信息服务以及跨行业产业联盟纷纷开展业务应用以及需求的研究。国内以中国汽车工程学会、中国通信标准化协会、车载信息服务联盟、未来移动通信论坛、IMT-2020(5G)推进组 C-V2X 工作组等为主要的研究平台,各组织之间分工合作,共同推进车联网技术标准体系及测试验证体系的制定和完善。

2018 年 11 月,全国汽车标准化技术委员会、全国智能运输系统标准化技术委员会、全国通信标准化技术委员会以及全国道路交通管理标准化技术委员会共同签署了加强汽车、智能交通、通信及交通管理 C-V2X 标准合作的框架协议,推进 C-V2X 标准制定和产业落地。以下对各标准化组织和产业联盟概况进行介绍。

中国通信标准化协会(CCSA)

中国通信标准化协会于 2002 年 12 月 18 日在北京正式成立。该协会是国内企、事业单位自愿联合组织起来,经业务主管部门批准,国家社团登记管理机关登记,开展通信技术领域标准化活动的非营利性法人社会团体。协会的主要任务是为了更好地开展通信标准研究工作,把通信运营企业、制造企业、研究单位、大学等关注标准的企事业单位组织起来,进行通信标准制定、协调、把关,并将高技术、高水平、高质量的标准推荐给政府,把具有我国自主知识产权的标准推向世界,支撑我国的通信产业,为世界通信作出贡献。在车联网标准体系中,CCSA 负责与移动通信接入技术相关的车联网标准制定。

全国智能运输系统标准化技术委员会(TC/ITS)

由国家标准化管理委员会直接管理,具体从事全国性智能运输系统标准化工作的技术组织工作,负责智能运输系统领域的标准化技术归口工作。其主要工作范围包括:地面交通和运输领域的先进交通管理系统、先进交通信息服务系统、先进公共运输系统、电子收费与支付系统、货运车辆和车队管理系统、智能公路及先进的车辆控制系统、交通专用短程通信和信息交换,以及交通基础设施管理信息系统中的技术和设备标准化。

全国道路交通管理标准化技术委员会

全国道路交通管理标准化技术委员会于 2018 年成立,主要负责道路交通管理领域国家标准制修订工作,由公安部负责日常管理和业务指导。

中国智能交通产业联盟(C-ITS)

由国内智能交通相关的知名企业、科研院所、高等院校等 45 家单位自愿发起成立,以标准制定为抓手,测试检测为基础,开展智能交通相关标准制定、技术测试检测、项目申报、科技成果转化、知识产权交易与保护、国际交流与合作等相关工作。负责制定车联网网络层及应用侧技术标准。

车载信息服务产业应用联盟(TIAA)

TIAA 现有来自汽车、电子、软件、通信、互联网、信息服务六个领域的 600 多家成员。设立了市场、技术、标准、知识产权(法务)等 10 个委员会,承担国际电联智能交通全球频率统一等 40 多项中国政府部门委托任务,发布、立项、在研 54 项标准。负责组织推进车联网频谱测试。

中国智能网联汽车产业创新联盟(CAICV)

为贯彻落实《中国制造 2025》战略部署,跨行业整合资源,促进两化深度融合,推动产业协同创新,加强国际交流合作,中国汽车工程学会、中国汽车工业协会联合汽车、通信、交通、互联网等领域的企业、高校、研究机构,发起成立“中国智能网联汽车产业创新联盟”。工业和信息化部为该联盟的指导单位。

目前,联盟已经成为国内推动智能网联汽车发展的重要平台。受工信部委托,联盟组织于 2016 年 9 月编制完成并发布“智能网联汽车技术路线图”,为我国智能网联汽车技术和产业的发展发挥重要引导作用。根据产业进展,联盟组织对技术路线图进行更新,并在 2020年 11 月 11 日 2020 世界智能网联汽车大会上发布了 2.0 版本。

IMT-2020 推进组 C-V2X 工作组

IMT-2020(5G)推进组于 2013 年 2 月由我国工业和信息化部、国家发展和改革委员会、科学技术部联合推动成立,组织架构基于原IMT-Advanced 推进组,是聚合移动通信领域产学研用力量、推动第五代移动通信技术研究、开展国际交流与合作的基础工作平台。

C-V2X 工作组成立于 2017 年 5 月,专注于研究 V2X 关键技术,开展试验验证,进行中国自主知识产权的 C-V2X 技术产业与应用推广。C-V2X 工作组目前承担组织 LTE-V2X 技术测试验证工作,已发布一系列测试规范及测试结果。该平台已经汇聚了国内外整车厂商、信息通信服务企业、交通企业共 260 家,积极部署推进 C-V2X 技术研究、测试验证和应用推广等工作。

2、标准化进展

2018 年 6 月,工业和信息化部联合国家标准化管理委员会组织完成制定并印发《国家车联网产业标准体系建设指南》系列文件,明确了国家构建车联网生态环境的顶层设计思路,表明了积极引导和直接推动跨领域、跨行业、跨部门合作的战略意图。该系列文件包括总体要求、智能网联汽车、信息通信和电子产品与服务分册,其中信息通信和智能网联汽车分册分别从通信技术演进和智能网联汽车应用角度明确了 LTE-V2X 和 NR-V2X 的技术标准选择。继 2018 年工信部、国标委联合发布系列文件后,2020 年 4 月,工信部联合公安部、国标委发布了《国家车联网产业标准体系建设指南(车辆智能管理)》分册。2020 年 7 月,交通运输部就《国家车联网产业标准体系建设指南(智能交通相关)》分册公开向社会征求意见。图 3.1为车联网产业标准体系建设结构图。

蜂窝车联网(C-V2X)技术与产业发展态势前沿报告2020

目前,在信息通信标准体系方面,我国 LTE-V2X 接入层、网络层、消息层和安全等核心技术标准已制定完成,同时,LTE-V2X 设备规范、测试方法等标准已制定完成,技术标准体系基本形成,如图3.2。

蜂窝车联网(C-V2X)技术与产业发展态势前沿报告2020

3、频率资源分配

频率资源分配方面,为促进 LTE-V2X 技术的成熟和产业化加速,2016 年 12 月,中国将 5905-5925MHz 作为 LTE-V2X 的研究试验工作频段,产业界基于该频段进行了充分的频谱相关验证。2018 年6 月,工信部公开征求对《车联网(智能网联汽车)直连通信使用5905-5925MHz 频段的管理规定(征求意见稿)》的意见。2018年11月,工信部无线电管理局正式发布《车联网(智能网联汽车)直连通信使用 5905-5925MHz 频段的管理规定(暂行)》,规划 5905-5925MHz 频段作为基于 LTE-V2X 技术的车联网(智能网联汽车)直连通信的工作频段,标志着我国 LTE-V2X 正式进入产业化阶段。

(四)产业发展现状

1、产业链概述C-V2X 产业链从狭义上来说主要包括通信芯片、通信模组、终端与设备、整车制造、测试认证以及运营服务等环节,这其中包括了芯片厂商、设备厂商、主机厂、方案商、电信运营商等众多参与方。此外,若考虑到完整的 C-V2X 应用实现,还需要若干产业支撑环节,主要包括科研院所、标准组织、投资机构以及关联的技术与产业。整个产业链组成如图 3.3。

蜂窝车联网(C-V2X)技术与产业发展态势前沿报告2020

2、 产业化进展

目前,我国车联网产业化进程逐步加快,产业链上下游企业已经围绕 LTE-V2X 形成包括通信芯片、通信模组、终端设备、整车制造、运营服务、测试认证、高精度定位及地图服务等为主导的完整产业链生态,目前的产业链地图如图 3.4。

蜂窝车联网(C-V2X)技术与产业发展态势前沿报告2020

除以上产业链环节,在车路协同平台方面,百度 2018 年 9 月推出 Apollo 车路协同开源方案,向业界开放百度 Apollo 在车路协同领域的技术和服务,让自动驾驶进入“聪明的车”与“智能的路”相互协同的新阶段,构筑“人-车-路”全域数据感知的智能路网,迈出智能交通建设的关键一步。Apollo 在路侧感知传感器方案、路侧感知算法、车端感知融合算法、数据压缩与通信优化、V2X 终端硬件及软件、V2X 安全方面布局车路协同全栈技术,为推动车联网产业进展提供良好技术平台。百度宣布与大唐全面建立战略合作伙伴关系,双方已在 C-V2X 领域展开了深入沟通与合作,二者将共同推动协同式自动驾驶技术的发展。阿里、腾讯、滴滴等互联网企业也加入车联网产业链,加速 C-V2X 应用落地。阿里巴巴 AliOS 宣布与英特尔、大唐展开智能交通-车路协同领域的战略合作,未来将全面布局智能交通网络建设,致力打造数字化和智能化的交通体系。腾讯也发布了“生态车联网”解决方案、自动驾驶战略及 5G 车路协同开源平台,在智慧出行领域积极布局。

在产业方面,中国 LTE-V2X 产业走在了世界前列,2018 年、2019年、2020 年举办的“三跨”、“四跨”和“新四跨”三次大型车联网互联互通测试活动,表明我国具备了实现 LTE-V2X 相关技术商业化的基础。

(1)V2X“三跨”互联互通应用

2018 年 11 月,由中国智能网联汽车创新联盟、IMT-2020(5G)推进组 C-V2X 工作组、上海国际汽车城(集团)有限公司举办 V2X“三跨”互联互通应用展示活动,实现了世界首例跨通信模组、跨终端、跨整车的互联互通。

蜂窝车联网(C-V2X)技术与产业发展态势前沿报告2020

参与此次活动的单位包括大唐、华为、高通共 3 家通信模组厂家,大唐、华为、星云互联、东软睿驰、金溢、SAVARI、华砺智行、千方科技共 8 家 LTE-V2X 终端提供商,北汽、长安、上汽、通用、福特、宝马、吉利、奥迪、长城、东风、北汽新能源共 11 家中外整车企业,中国信息通信研究院提供了实验室的端到端互操作和协议一致性测试验证。

V2X“三跨”展示底层采用 3GPP R14 LTE-V2X PC5 直通通信技术,选取了 7 个典型的车与车、车与路应用场景:包括车速引导、车辆变道/盲区提醒、紧急制动预警、前向碰撞预警、紧急特殊车辆预警、交叉路口碰撞预警和道路湿滑提醒。

“三跨”作为验证技术和应用成熟度、促进跨行业合作的重要实践,进一步推动我国 LTE-V2X 大规模应用部署和产业生态体系构建,对产业进展具有重大意义。

(2)C-V2X“四跨”互联互通应用

2019 年 10 月 22-24 日,C-V2X“四跨”互联互通应用示范活动在上海举办,首次实现国内“跨芯片模组、跨终端、跨整车、跨安全平台”C-V2X 应用展示。

该活动在 2018 年“三跨”互联互通应用演示的基础上,重点增加了通信安全演示场景。信息安全是车联网通信中至关重要的环节,基于国内已经完成的 LTE-V2X 安全标准,四跨活动验证了多家安全芯片企业、安全解决方案提供商、CA 证书管理服务提供商之间的互操作。

蜂窝车联网(C-V2X)技术与产业发展态势前沿报告2020

该活动共包含 4 类 V2I 场景、3 类 V2V 场景和 4 个安全机制验证场景;聚集了 26 家整车厂商、28 家终端设备和协议栈厂商、10 个芯片模组厂商、6 个安全解决方案厂商、2 个 CA 平台厂商。可以看到“四跨”的规模和参与度相对“三跨”都有了进一步的扩大,这也体现了 C-V2X 产业生态的蓬勃发展。“四跨”活动有效展示我国C-V2X 标准协议栈的成熟度,为 C-V2X 大规模商业化应用奠定基础。

(3)C-V2X 新“四跨”互联互通应用

2020 年 10 月 27-29 日,在工业和信息化部指导下,IMT-2020(5G)推进组 C-V2X 工作组、中国智能网联汽车产业创新联盟等在上海成功举办了 2020 智能网联汽车 C-V2X “新四跨”暨大规模先导应用示范活动。

本次活动在前两年“三跨”、“四跨”连续开展跨整车、跨通信终端、跨芯片模组、跨安全平台互联互通应用示范的基础上,部署了更贴近实际、更面向商业化应用的连续场景,采用全新数字证书格式,并增加高精度地图和高精度定位。本次活动重点验证了车联网 C-V2X规模化运行能力,充分验证了 C-V2X 技术在真实环境下的通信性能;同时,针对车联网应用中安全机制、地理坐标使用等进行了探索,并进行了多厂家的综合测试,为后续规模商用提供了重要的技术依据。特别值得一提的是此次“新四跨”LTE-V2X 人机界面友好。实车行驶体验 LTE-V2X 人机界面的道路安全提示,驾驶员使用方便、提示有效,参展车企对前装 LTE-V2X 意向很高。

蜂窝车联网(C-V2X)技术与产业发展态势前沿报告2020

本次活动参加单位超过 100 家,涵盖整车、模组、终端、安全、地图、定位等,产业参与度进一步扩展,通过跨行业的协同融合,促进了产业生态体系的构建,进一步促进了 C-V2X 技术的落地应用。

3、示范区及先导区建设

为推动 C-V2X 产业尽快产业落地,工业和信息化部、交通运输部、公安部等部门积极与地方政府合作,推进国内示范区建设。目前,各地区结合智能网联汽车发展状况,依托地区优势、特色资源,积极探索和建设示范区,我国车联网测试示范区建设工作蓬勃发展,截止2019 年底,由工信部支持推动的国家级智能网联(车联网)测试示范区已达到 10 个,见表 3.4。交通运输部直属并授牌的自动驾驶测试场有三个,分别是北京、重庆、西安自动驾驶封闭场地测试基地。工信部与交通运输部联合授牌的三个智能网联汽车自动驾驶封闭场地测试基地分别是泰兴、襄阳、上海临港。另外还有多个城市级及企业级测试示范点,车联网示范区经过四年发展已经覆盖了全部一线和中东部二线城市,辐射效应已经形成。

蜂窝车联网(C-V2X)技术与产业发展态势前沿报告2020

为了进一步推动车联网应用探索,2019 年 5 月,工信部复函江苏省工业和信息化厅,支持创建江苏(无锡)车联网先导区。无锡成为工信部批准的首个先导区,进一步实现规模部署 C-V2X 网络及设备。2020 年 6 月,在天津举办的第四届世界智能大会上,天津(西青)国家级车联网先导区揭牌。2020 年 10 月,工信部复函湖南省人民政府,支持湖南(长沙)创建国家级车联网先导区。目前已有多个示范区在积极申请升级为先导区,这也将进一步带动 C-V2X 产业发展。

(五)商业落地应用案例

中国正在走出一条与发达国家不一样的发展智能交通和自动驾驶的发展模式,即基于 C-V2X 的“聪明的车+智慧的路”的车路协同发展模式,支撑我国汽车产业和交通行业的变革,并将培育智慧路网运营商、出行服务提供商等新业态、新商业模式。

不同于移动通信手机、平板电脑等消费类产品追求极致的先进技术,相关需求随着科技进步快速迭代产品,产品生命周期短;而汽车工业对技术和产品的可靠性、产业链供货的稳定性有着极高的要求,因此有着自身独有的产品更新速度和更长生命周期。对于车联网产业也是如此,因为其服务于汽车工业和交通行业,不能拿 IT、CT 技术的迭代速度来进行比较,车路协同的车联网技术,涉及到人命关天的汽车和交通,产业界需要经过长期有规模的测试和验证,才能确定规模商用的可行性。

中国 C-V2X 车联网产业将经历三大发展阶段:

第一阶段是在城市道路和高速公路,针对乘用车和营运车辆,实现辅助驾驶安全、提高交通效率,由 LTE-V2X 和 4G 蜂窝支持。第二阶段是在封闭/半封闭的特定区域、特定场景,针对商用车的中低速自动驾驶,例如用于机场、工厂、码头、停车场的无人物流车、无人清扫车、无人摆渡车以及用于城市特定道路的 Robot Taxi,由 LTE-V2X 和 5G eMBB 支持。第三阶段是全天候、全场景的无人驾驶及高速公路车辆编队行驶,需要 NR-V2X 和 5G eMBB 的支持才能实现。这一阶段面临着需要与有人驾驶车辆、行人等并存以及应对中国的特殊交通环境等挑战。因此,更高级的自动驾驶还将需要我国的政策法规、交通管理和产业监管等方面的变革才能实现,需要长时间的跨界磨合、联合测试、实践去解决问题,达成共识。

可见,车联网是一个跨界工程应用,即跨汽车、交通、公安、通信等行业,在推进过程中存在一定困难,需先基于成熟的 LTE-V2X进行一定时期的第一阶段和第二阶段车路协同测试和试验,在形成产业界共识后,再推进更高级的自动驾驶应用,即第三阶段。目前来看,我国车联网的发展已经进入第二阶段,LTE-V2X 已经能够很好地满足第一阶段和第二阶段的需求。

按照 3GPP 的 C-V2X 标准演进路径看,在未来很长的一段时间内,LTE-V2X 与 NR-V2X 长期共存,两者之间是互补关系,不是替代关系。R16 标准也特别制定了 LTE-V2X 与 NR-V2X 在设备内共存的规范。对于车联网产业而言,在演进过程中需要根据汽车和交通行业的需要及产业发展规律,稳步推进、平滑升级。除此之外,在国家政策层面,需要开展 NR-V2X 频谱需求研究,并为 NR-V2X 进行频率规划和分配,以满足后续的测试验证及未来商用的需求。

1、厦门 BRT 应用案例

(1)应用需求

厦门快速公交系统(简称 BRT)是目前国内快速公交系统建设中级别最高的公共交通项目,已经成为全国典范,被誉为“全球最优秀的高架快速公交系统”。厦门 BRT 系统使用近 300 辆高配置公交车,最高单日服务超 30 万人次的乘客,每日发车车次可达到 4000 余次,超过 8 万公里运营,运力和效率远超国内其他快速公交系统,是厦门最具特色的交通运输系统,是全国独一无二的全程封闭专有路权的快速公交系统。

厦门 BRT 系统的“全程封闭专有路权”非常适合车路协同驾驶,具有全国规模商用示范效应。同时,随着厦门市经济的高速发展和城市化进程的加快,BRT 实载率及道路交通量急剧增加。通过基于C-V2X 的 BRT 车路协同,可有效缓解厦门城市道路交通压力,提高客运输送能力和服务水平,有利于构建多层次、快速、效率出行的公共交通系统。

(2)系统部署

采用 C-V2X 与 5G 等先进通信技术,搭建了车内网、车际网、车云网“三网融合”的车联网系统架构。车内网通过智能车载终端,与车内传感设备相结合,提供融合感知算法,解决时延要求极高的车辆行驶安全类问题。车际网通过 V2V、V2I 通信,实现车辆与车辆、车辆与路侧基础设施(包括信号机等)的交互。车云网搭建车辆与5G 公网的交互通道,将 MEC 平台部署在靠近用户的网络边缘,提供路径行驶规划、节能减排策略等应用。车内、车际、车云三网融合,解决车辆智能网联中不同层面不同类别业务的实际应用。

蜂窝车联网(C-V2X)技术与产业发展态势前沿报告2020

(3)应用效益

建成运营后,厦门 BRT 智慧公交车路协同系统实现对车辆和道路运行状况的实时监控,结合智能防碰撞策略可有效减少交通事故50%-80%以上;同时依靠绿波通行以及人流、车流的智能统计及分析等手段大幅提高通行效率,有效缓解城市交通拥堵现象,提升交通资源调配效率,估计可提升城市整体出行效率 10%以上;每车耗能可降低 12%,省电超万元/车/年;另外车路协同系统可以为公共交通车辆提供更多的车路协同信息服务,使得车辆更高效、更经济、更平滑的执行动态驾驶任务,为普通市民乘客带来更舒适的搭乘体验。不仅如此,厦门 BRT 车路协同项目为城市培养更绿色的出行习惯、提供更高效安全的出行体验,必然进一步提升厦门的城市发展水平和整体形象,成为“鹭岛花园”一张极富现代感的新名片。

2、高速公路场景——以重庆石渝高速为例

(1)应用需求

重庆石渝(沪渝南线)高速是重庆的重要干线公路之一,是促进三峡库区发展的重要建设路段,是全球地质、气象条件最复杂的道路之一。示范路段西起龙桥枢纽,东至丰都东收费站,总长 64.5 公里,其中交通互通 8 处,隧道 12 处(总长 15.5 公里),服务区 1 处。示范路段是各种复杂工况最为集中的一段,包含隧道群、急弯、急下坡、多雾、积水等多种影响交通安全的不利因素,是事故高风险区域。

(2)部署方案

重庆石渝(沪渝南线)车路协同智慧高速部署 700 余台车路协同设备,是目前全球 C-V2X 车路协同智慧高速中规模最大、场景最复杂、可用性最高的常态运行的高速公路。

项目覆盖双向近 130 公里,共计在道路侧部署 350 余台 RSU,400 余套路侧感知、计算、显示设备;覆盖 12 处隧道、8 处交通互通、5 处事故多发区域;另新建 108 处立杆支架,加高/改造现有立柱 74处,高速主干光缆 64.5 公里,隧道光缆 36 公里,用于外场设备的架设及组网互通。建成后的车路协同系统可以实现道路动态风险提示、车路协同主动安全预警、异常驾驶行为纠正、重点车辆全程监控(隧道定位不丢失)等车路协同端侧应用。为了降低系统的部署难度,提升系统可用性,项目组采用了高性价比地图引擎,开发了车用路网地图的自动转换、分片、分发工具,提供一站式设备运维管控,提供设备的远程升级、配置及告警。

(3)应用效果

项目实施位于目前车路协同智慧高速场景最复杂、挑战最大的路段。桥隧比高达 42%,其中长隧道 7 条,里程超过 14 公里,给通信、定位带来巨大挑战。受限于山区地质条件,大量出入口紧邻桥梁、隧道,树木遮挡、山体遮挡、高边坡,这些都给项目实施带来实际的困难。项目组成功解决了上述难题,为车路协同智慧高速的推广积累了经验。

系统建成后,将能为道路管理提供丰富的可视化信息和远程管控手段,通过路侧融合感知设备、AI 系统、北斗高精度定位系统的部署,提升高速通行安全、通行效率和应急处置能力。基于车路协同的智慧高速,可以实现下述目标:

1)发挥智慧高速公路的智能安全、辅助驾驶的特点,提高道路的通行安全,提高对高速公路运行状态的实时监测和管理的能力,减少交通事故的发生,保障社会和人民生命财产安全。

2)提高高速公路应急保障能力,提高路网交通事件监测与快速响应协同救助的能力,减少交通事故人员伤亡。

3)提高高速公路综合运输效能,减少交通拥堵,降低公众出行时间成本和社会物流成本。

4)向出行者提供更加及时、有效、丰富的出行信息,提高出行时间的可预见性。

5)降低基础设施平均维护时间和成本,降低公路阻断时间和阻断次数。

3、中低速自动驾驶应用案例

(1)应用需求

一方面,机场、工厂、码头等场景的货运工作强度大、危险性高,安全事故时有发生;随着人口老龄化以及物流业快速发展,司机缺口制约了运力提升;不规范驾驶造成了更多油耗进而排放更多污染物。另一方面,车辆依靠单车感应(通常是雷达/激光雷达/单目或双目摄像头,即 ADAS)、单车智能(通常是车载计算平台)和通信(通常是 4G 通信模块),则具有以下缺陷:

1)感知能力有限。这主要是由于仅能进行视距范围的感知,在恶劣天气和光线急剧变化情况下不能进行稳健的感知,且时间和空间同步存在困难。

2)计算能力有限。所有复杂的计算任务都于车载计算平台上执行,价格很高,而且处理能力有限,从而阻碍了批量部署。

3)通信能力有限。使用 4G 通信模块无法满足各种道路安全应用对于低时延和高可靠的要求,并且无法为高清地图、虚拟现实和增强现实应用提供足够的数据速率支撑。

可见,“单车智能”无法实现“完全自动驾驶”。基于 C-V2X 与传感器技术的车路协同自动驾驶,从“单车智能”发展到“网联智能”,概括起来说就是,让“智慧”的道路支撑部分自动驾驶汽车的功能,让“智慧的路”配合“聪明的车”来实现自动驾驶。

(2)系统部署

单车智能下,车辆的转弯、变道等处理迟钝,而 C-V2X 通过车路、车车协同可快速处理。单车智能对人群等群体性目标识别困难,而 C-V2X 通过人车协同可轻松地识别。在复杂路口处,单车智能的处理能力差,而 C-V2X 通过车路协同可轻松地处理。单车智能无法适应没有明显车道线的路况,但是 C-V2X 可通过车路协同很好地适应。此外,单车智能无法在非视距情况下发挥作用,而相同路况下,C-V2X 就可以“大显身手”,比如实际的测试、示范应用表明,C-V2X能够很好地辅助弯道行驶、处置前方大车遮挡等。

蜂窝车联网(C-V2X)技术与产业发展态势前沿报告2020

(3)应用效果

在封闭/半封闭的特定区域、特定场景,针对商用车的中低速自动驾驶能够解放人力和规范驾驶,提升道路安全,减少交通事故,缓解人力短缺,促进节能环保,释放显著的社会效益和经济效益。中低速自动驾驶已经赋能了多种商业场景,例如香港国际机场无人物流、北京/长沙 Robot Taxi 试运营。

(六)小结

结合对我国车联网产业政策及规划、标准技术进展、产业发展现状的扫描分析,可以看到:目前我国已将车联网产业上升到国家战略高度,产业政策持续利好;车联网技术标准体系已经从国标层面完成顶层设计,LTE-V2X 技术标准已经完成并可指导产业开发;我国已经形成较为完整的车联网产业链,在测试验证、应用示范方面形成一定规模,为后续大规模产业化及商业化提供参考并奠定基础。我国将迎来车联网产业的快速发展阶段。

四、技术与产业发展态势及技术预见

(一)技术发展态势

结合对车联网技术发展的分析和判断,车联网技术将呈现以下发展态势。

态势一:C-V2X 具有清晰的演进路线,NR-V2X 标准已经完成阶段工作

由于应用场景的多样性,带来车联网应用的丰富多元化。而且,随着车联网业务不断演进,逐渐向高载频、高速率、低时延、高可靠方向发展,对通信技术也提出更高要求。C-V2X 作为基于蜂窝移动通信系统,虽然最初由 LTE 系统发展而来的技术,但从技术根源上仍具有清晰的平滑演进路线。C-V2X的第一阶段 LTE-V2X 支持基本道路安全业务及更高级的 V2X 业务(如半自动驾驶),而基于新空口的 NR-V2X 则通过更先进的技术支持自动驾驶及未来车联网需求。如图 4.1,C-V2X 两个阶段的技术互为补充,长期并存,共同支持丰富的车联网业务应用。

蜂窝车联网(C-V2X)技术与产业发展态势前沿报告2020

目前,针对高载频、高速率、低时延、高可靠的应用承载需求的NR-V2X 已经于 2018 年 6 月在 3GPP 启动研究,2019 年 3 月完成研究项目, R16 标准于 2020 年 6 月冻结,从功能上主要支持了 V2V和 V2I 的直通通信,支持直通链路上的单播、组播和广播的通信模式。3GPP 已启动 R17 研究,针对直通链路特性进一步增强,例如需要设计节省功耗的机制,用于支持 V2P 的应用场景;R17 进一步增强提高可靠性和降低时延的资源分配机制,用以满足未来车联网业务严苛的通信需求。

态势二:移动边缘计算(MEC,Mobile Edge Computing)等新的技术将与车联网应用紧密结合,更好支持未来出行体验

车联网业务中有关驾驶安全类业务的主要特征是低时延、高可靠。在时延需求上,辅助驾驶要求 20-100ms,而自动驾驶要求时延低至 3ms。MEC 是在现有移动网络中实现低时延业务的使能技术之一,可以提供对 C-V2X 基础通信能力的支持,同时边缘计算平台可以承载部分车联网业务功能,实现车联网应用的业务逻辑,实现数据融合和业务协同,降低时延,减少网络拥塞。

MEC 还可以对 C-V2X 的其它前瞻性应用场景提供支持。例如交叉路口信号灯控制参数优化、车辆拥堵场景的分析与识别、区域内高精度地图的实时加载、区域内自动驾驶车辆的调度、交通流合流场景、突发恶劣条件预警、优先车辆通行、大范围协调调度、车辆违章预警、危险驾驶提醒、高速服务区、大车“See Through”等场景,由于场景比较复杂,要么需要大量的计算/存储/传输资源、要么需要对交通要素进行组织协调,则通过终端与边缘服务的协同会是更为典型的实现方式。

态势三:5G 网络新技术,如 SDN(Software Defined Network)、NFV(Network Function Virtualization)、网络切片等将在车联网应用中发挥重要作用

未来车辆在进行自动驾驶与车联网通信的过程中,需要进行海量、实时的数据交互。自动驾驶汽车和车联网通信的实现还需要网络实时传输汽车导航信息、位置信息以及汽车各个传感器的数据到云端或其他车辆终端,需要更高的网络带宽和更低的网络延时。相对于 4G 网络,5G 网络系统的关键能力指标都有极大提升,5G 的网络切片和边缘计算可以为车联网业务按需提供计算资源、存储资源和网络资源。

态势四:智能网联汽车整体技术不断发展,网联既服务智能化,也独立自身发展

网联技术,一方面发挥在 V2N 车云通信,通过云端能力,为车辆提供高清地图、实时路况、OTA 升级、共享车辆管理等各种网联服务,包括在自动驾驶测试阶段,都是必不可少的网联应用场景;另一方面,在车辆驾驶控制领域,D2D/URLLC 等网联技术将不断发挥感知、意图协调的作用,以 V2V/V2I/V2P/V2N 的形式补充并增强车辆的感知能力,为各等级自动驾驶提供支持。

态势五:车联网通信发挥的作用,从提升交通效率和辅助驾驶安全,最终发展到自动驾驶

自动驾驶是未来汽车的终极发展目标。但由于技术的发展规律,会经历不同的发展阶段。车联网通信在这一发展过程中将发挥重要作用,当前单车自动驾驶主要基于现有传感器技术,如雷达、摄像头等。现有传感器仍然存在距离、成本、LOS 限制、恶劣天气等重要缺陷,且成本奇高,而网联恰好可以在这些方面很好地发挥互补作用,提升驾驶安全。V2X 通信技术的发展及其在智能交通、自动驾驶中的应用,将经历三个发展阶段:基于 LTE-V2X 和 4G 蜂窝支持,通过车-车、车-路协同感知,以提高交通效率、提升驾驶辅助安全;基于LTE-V2X 和 5G eMBB 支持,结合区域部署的边缘云,实现指定道路或限定区域中,商用车的中低速自动驾驶/无人驾驶;基于 NR-V2X和 5G eMBB 支持,与广泛部署的云平台结合,实现开放道路的乘用车自动驾驶及高速公路的车辆编队行驶。为自动驾驶提供更加稳定、高速、低时延高可靠的通信服务,使得网联式自动驾驶成为未来重要发展方向。

(二)产业发展态势

态势一:LTE-V2X 将于 2020 年开始规模商业部署

根据前期预测,LTE-V2X 于 2020 年左右开始商业部署,随着我国 LTE-V2X 产业化进程,无锡、天津、长沙等先导区已经开始商业应用探索。结合目前 LTE-V2X 产业发展,可看到车联网产业链的各环节都在为 C-V2X 商用部署做积极准备并取得了长足的进展,包括芯片厂商、模组厂商、车厂等。5GAA 通过对多家成员调研,更新形成新的 C-V2X 规模部署的时间表,如图 4.2 所示。可以看到继 2020年 C-V2X 第一阶段 LTE-V2X 部署应用,未来 3-4 年是一个发展阶段。同时,针对增强安全应用和自动驾驶,业界预计将于 2024-2027 年开始商用部署。

蜂窝车联网(C-V2X)技术与产业发展态势前沿报告2020

态势二:基于蜂窝网络覆盖基础和通信产业的发展基础,车联网应用可快速普及

目前全球蜂窝网络人口覆盖率已达 90%以上,广泛的移动网络覆盖意味着良好的基础设施建设条件,包括光纤、供电、站址选择等,在车联网部署过程中可以最大程度复用基础设施,可有效减少投资。同时,移动通信产业的发展基础提供了良好的通信产业环境,能够加速车联网产业的发展。因此,随着车联网的部署展开,车联网应用具备快速普及的产业和工程条件。

态势三:车和路协同发展,车联网在实现“聪明的车、智慧的路、智能的云”美好愿景中将起到关键使能的作用

车联网技术与车、路、云的深入结合,将走出“聪明的车、智慧的路、智能的云”融合的发展道路,支撑智能交通和自动驾驶应用的演进。车联网技术使得车、路、云之间的信息交互更加便捷、高效,从而实现车路协同感知、决策和控制,弥补单车信息感知、分析决策上的不足,提供超视距范围、面向多种出行场景、全局视角的信息感知、决策配置。车路协同发展,从而实现安全、快捷、高效、节能的出行服务。

从车车协同、车路协同实现路径角度,基于通信发展规律,通信技术的应用和部署都需要额外重视用户渗透率的问题。提升 RSU 覆盖和 OBU 渗透率是保证车联网用户体验的重要方面。产业将从车、路两个角度协同发力,促进 V2V/V2I/V2P 的发展,迅速提升车联网渗透率,尽早发挥车联网在驾驶目标感知方面的作用,实现安全和效率的提升。

态势四:共享出行成为智能驾驶技术落地的重要驱动力

共享出行将全面推动智能汽车产业和交通出行行业变革,改变消费者的汽车拥有模式,重构汽车产业链和价值链,让出行向服务演变。共享出行将为新能源车和智能汽车快速普及提供强大动力,同时,凭借成本上的巨大优势,共享出行也在推动智能汽车真正走进现实,为自动驾驶找到了最佳商业模式。

谷歌已于美国凤凰城区域向公众开放拿掉安全员的无人驾驶出租车,Uber 也已开始让匹兹堡和旧金山的客户乘坐自动驾驶沃尔沃专车。美国通用汽车向共享出行公司 Lyft 投入巨资,联合研发自动驾驶技术,以及基于该技术的汽车共享服务。Robotaxi 成为自动驾驶应用的重要方向,国内百度、滴滴、文远知行等公司也已开始在多处展开试点运营。

共享可提升智能驾驶技术的网络效率。以互联网为基础,车的流动性被视为一种服务。随着长途货车智能技术的推进,车辆运行时间更长、覆盖距离更远、人力成本更低、送货速度更快。同时,智能驾驶技术需要持续对软件模型进行训练和升级,共享出行提供了这样的场景。像滴滴出行这样每天拥有 2 亿公里行驶里程数据的共享出行平台,将为开发和迭代自动驾驶算法提供最佳场景。

根据普华永道预测,2030 年数字出行服务的市场估值将达 2.2 万亿美元,全球 4-5 级自动驾驶汽车将达到 8000 万辆左右,中国为 3300万辆左右,远超今天的智能手机市场。

(三)技术预见

技术预见一:车联网无线传播环境信道建模

完备、深入的无线信道知识和精确且实用的信道模型是成功设计任何无线通信系统的基石和根本。车联网也不例外,信道建模是车联网终端覆盖预测、天线部署与性能优化、网络连通性分析、传输误码率与服务质量预测、车联网辅助通信节点部署等技术研究的重要基础。车联网通信独特的传播环境、车辆高速移动、移动区域受限等特点,尤其是车-车通信双方高速相对移动、周边存在大量高速移动散射体,使得其信道与传统蜂窝通信信道具有显著差别,具有多普勒频移大且时变性强、深衰落特性、空-时-频三重联合非平稳特性等特点。未来 NR-V2X 的大带宽要求、更高通信频段,上述问题会更严重。针对这些特点并结合超大规模 MIMO、毫米波通信等车联网新技术,未来车联网的信道建模面临混合统计几何建模方法及标准化、毫米波频段快时变信道测量与建模、空间-时间-频率域的三域非平稳信道建模、高速移动环境下多径跟踪与动态成簇规律分析、基于机器学习和场景识别的信道预测方法、感知与通信融合系统下的车联网信道建模等挑战。

技术预见二:雷达与通信融合在车联网中的应用

车联网具有数据传输和目标探测的双重需求。由于车载雷达和未来 C-V2X 通信均使用毫米波频段,雷达与通信的融合与联合设计将成为未来车联网实现精准全面感知、快速高效通信组网能力的重要关键技术。通过通信与探测功能共享硬件设备和频谱资源,能够降低成本、节省空间,并提高频率利用率。使用通信手段将不同车辆雷达探测结果进行共享和联合处理,能够提高探测的准确度,实现更全面的感知效果。

雷达与通信的融合与联合设计仍然面临诸多挑战,具体包括:理论层面缺乏信息容量等基础理论的指导;物理层面需考虑低成本强动态自适应的电路设计和器件数目与位置的优化设计;感知层面面临高采样、强衰减、高移动挑战下的时间精准同步、微小信号快速提取的技术难题;通信层面面临多车雷达探测结果的共享与联合处理面临大带宽低时延通信传输、收发双方坐标系转换、通信波束与波束对准方向选择等技术挑战。

因此,雷达与通信融合技术应用于车联网,需研究通信辅助多车辆雷达探测信息实时共享与融合、雷达辅助通信网络快速构建、多种资源联合分配、快速信道估计和波束对齐、联合跨层优化设计、模型辅助感知学习等。

技术预见三:基于 5G 和 B5G 的高精度定位

亚米级甚至厘米级的高精度定位是车联网开展车辆自动行驶和道路安全业务决策的重要保障。而现有高精度定位技术分别存在响应速度慢、定位精度低、应用场景受限(易受环境变化影响稳定性和适应性)、覆盖范围有限(单一的定位技术无法满足室内外无缝切换的要求)等缺陷,以及各种定位技术和模块信息反馈独立、定位信息时间不同步、空间坐标系不一致等问题。

未来车联网的高精度定位,需研发基于 B5G(Beyond 5G)网络的高精度定位及高精度卫星定位为基础、并将惯性传感器和激光雷达等多层次定位技术实现可信融合,保障不同应用场景、不同业务的定位需求的一体化定位方法,包括:基于 B5G 信号的增强定位方法、高精度测量算法和多层次融合的位置解算算法、多制式协同的室内外无缝定位方法、基于 5G 信号的载波相位定位技术等。

技术预见四:基于区块链的车联网安全技术

区块链技术所倡导的问题场景和优势与车联网特征不谋而合。因此,借鉴区块链技术的优势,并将其应用于车联网的访问控制、通信安全、数据安全等方面,对于提升车联网的安全性具有重要意义。基于区块链的车联网安全技术在展现生命力的同时,仍然面临诸多低效的区块生成机制导致交易数据处理时延过高、海量车联网数据给区块链节点存储空间带来压力、区块链自身的安全隐患、不同区块链底层技术限制多链之间的互联互通、区块链的用户身份隐匿性阻碍了网络安全事件的追踪溯源、区块链的防篡改特性增加了内容管理的难度等挑战。

因此,未来基于区块链的车联网安全技术的研究包括:面向客户端的细粒度动态接入控制机制、基于密码学的通信协议辅助区块链的安全数据传输、面向通信协议的分布式密钥分配、轻量级共识机制设计、基于区块链的车联网安全体系架构设计等。

技术预见五:“5G+C-V2X”赋能无人驾驶

为了实现全天候、全场景无人驾驶,传统基于单车智能的车载感知/决策/控制将向网联智能的协同感知/决策/控制演进。未来车联网通信技术将融合雷达、视频感知等技术,与人工智能、大数据等新技术结合进一步赋能自动驾驶的实现。

自动驾驶对V2X性能提出了更高的要求。5G具有更高传输速率、超大容量的特性,5G+C-V2X 技术发展将进一步提升车联网的体验。

为了支持自动驾驶,需要现有 LTE-V2X 技术进一步演进。当前NR-V2X 已经开始标准研究工作,在新的工作频段、多频段技术、直通链路增强等方面展开讨论。在 5G 新空口的框架下,C-V2X 有非常清晰的演进路线,未来的 NR-V2X 与现有的 LTE-V2X 将很好地互补,共同支持未来高效安全舒适的出行,支撑自动驾驶技术的早日实现。同时 V2X 技术还将面临多模式协同通信与智能组网、基于数据特性的智能数据传输、通信与定位一体化等挑战。

自动驾驶需要通信、感知和计算融合的车联网技术,实现多维资源/多域智能的学习、决策、协同、自组织优化和控制。此时,多级资源的能力分割与部署、群体智能协同、高速移动环境计算迁移成为新的技术挑战。

另外,在自动驾驶时代,零缺陷高可靠车联网芯片设计与制造面临工作温度、冷热冲击、电磁兼容、抗震、抗干扰等挑战。

五、工程难题

从技术到工程落地,车联网工程实践按照“车、路、云”三类区分,通过三者结合,对“聪明的车、智慧的路、智能的云”提供基础互联支撑。在这个过程中,工程实施问题是当前具体落地实施交付过程中较为突出的问题。车辆对车载终端的空间位置、成本、功耗、可靠性等有严格要求;路侧设备需要考虑建设、管理、运营、服务等全生命周期,还需要与路侧传感器相互配合;5G+C-V2X 车联网还可以满足多生态参与,尤其是 AI 大数据在智慧交通方面的重要作用,利用边缘计算节点,还可以实现云下沉本地化,对自动驾驶车辆决策提供服务,面对这样异构、负载的跨界工程,必定会遇到很多实际问题。解决这些问题,不但是车联网产业发展的挑战,也是推动产业成熟的机遇。车联网存在的工程难题主要有:车联网路侧网络建设运行维护工程难题,车联网车内网络工程难题,车联网安全工程难题等。

(一)车联网路侧网络建设运行维护工程难题

在产业落地方面,车联网路侧网络建设有别于传统的交通路侧标识建设,也与传统的通信设备建设不同,呈现出明显的跨界特点。在具体实践过程中,会面临诸多问题:在产业建设方面,面临跨部门跨行业协调问题;在网络工程建设、基础设施改造方面,存在施工以及安装规范性问题;在异构网络融合方面,存在协调与优化难题等。

1、C-V2X 车联网产业链环节多,各环节牵头主体不明确,跨行业建设难度大

我国车联网产业牵头政府部门主体尚未明确,各相关政府部门均已在自身职责下开展车联网政策、行业标准制定以及示范项目落地推进工作,后期车联网产业项目融合、跨部门协调工作难度大,需要在建设规模扩大的同时,不断探索新的合作建设模式。

2、C-V2X 路侧设备需要考虑与路口交通设施之间的工程安装、运维难题

当前在以辅助驾驶为主的商用化特色应用实践中,路侧设备主要部署在路口。由于不同路口交通设备配置不同,路口施工条件不同,树木、灯杆等环境因素也不同,会导致路侧设备在工程安装时,需要考虑多种工程建设方案,要因地制宜。路侧设备的 V2X 通信、供电、传输等相关设备要一体化考虑工程安装与运维要求。同时,也需要考虑和 4G、5G 基站之间的一定协同。后续在自动驾驶具备商用化条件后,路侧设备所需场景会扩大,同样也涉及到与道路各类设备的工程建设与运维要求。这也会一定程度上促进新的国家或地方标准出台,指导协同要求。

3、多源数据融合在工程实践中的设计、实施与优化难题

车联网路侧网络属于一种多源数据网络,具备通信、感知、定位、传输等多种数据融合需求,不同的感知数据类型对传送性价比、实时性、度量基准等的要求也不相同。未来车联网将是多源数据融合的体系,泛在、动态、多源的数据流如何形成低时延、高可信、高可靠路侧信息融合,将是一个较为复杂的应用要求。进一步融合后的方案实施与优化则更为复杂,多源数据融合的问题成为一项极具挑战性且亟需开展的研究工作。此问题已经成为车路协同一个重点研究方向,受到业内高度关注。

(二)车联网车内网络工程难题

1、车内硬件工程难题

车载级天线形态多,不同车辆的安装要求难以标准化。车联网硬件配置未形成标准,与车辆原有控制结合的安全性保障难度大。

(1)车载级天线形态多,不同车辆的安装要求难以标准化

车辆行驶环境复杂,车型众多,且天线形状各异,安装时需要考虑车载天线部署位置,以保障有效可靠的通信。如由于车型差异,造成天线高度不同,会造成通信性能差异;城市道路行驶中遇到树木遮挡、车辆拥挤等环境,天线通信距离也会大幅缩减。不同的车型对安装位置的要求也不一样,高度偏低的乘用车,可在车顶安装鲨鱼鳍天线,或车窗内侧安装;对于自身车高体长的商用车,天线尺寸可适度做大,在车头车尾侧安装较为合适,而在车顶就会受到车高尺寸限制。所以天线选型和适配就存在差异化的工程需求。

(2)车联网硬件配置未形成标准,存在与车辆原有控制结合的安全性保障难题

车辆在做智能化改装时,需要考虑新增智能网关与原有车辆控制网关的对接安全性。在接口上,要符合车辆原有车规要求和总线标准,同时在车载智能网关设计中,还需考虑对错误控制的纠错机制,防止误操作和错误指令下发,影响车辆安全。

目前产业界尚未出现标准的车联网传感器与车辆控制一体化解决方案。行业规范化的车联网解决方案还有待时日。

2、C-V2X 车载模块渗透率低,前期 V2X 设施建设及改造难题

C-V2X 应用带来的安全及交通效率提升收益需要具备一定规模才能够凸显,“首批 C-V2X 用户来源”成为一个需要解决的问题。无论是通过推行针对营运车辆的强制安装或针对乘用车辆的商业补贴等方式,都需要解决 C-V2X 商用初期所面临的终端渗透率低的问题。只有政府“有形的手”的前期推动和市场“无形的手”的后期发力,才能实现车联网的商业成功。我国通过示范道路、先导区、规模商用试点等形式,不断推动“5G+C-V2X 车联网”的规模商用进展。

(三)C-V2X 车联网安全工程难题

在 C-V2X 直通链路上,存在多种可能的安全威胁,包括拒绝服务、假冒攻击、重放攻击、用户跟踪等。针对上述安全威胁,国内已经形成共识,使用 PKI(Public Key Infrastructure)公钥体系建立车联网直通通信链路的通信安全体系架构。CCSA 行业标准《基于 LTE的车联网无线通信技术安全证书管理系统技术要求》规定了国内车联网安全证书体系架构、证书格式和证书申请过程等。在实际车联网网络部署中,如何落实上述行标的总体技术要求,还存在若干难题需要克服:

1、路侧设备、车载终端、手持设备,这三大类设备对应的管理机制和部门需要进一步明确。特别是车载终端方面,如何与现有车辆的生产、销售、上牌、年检、保养等全生命周期阶段的政府监管结合起来,如何与现有各个行政区划层级下的管理实体结合起来,如何与相关主管部门现存或者规划中的电子密码管理体系结合起来。

2、在车联网运营过程中,车载终端与 CA 系统的交互需要建立安全通道保证相关证书管理过程和协议的安全传输,同时车载终端存在多种安装方式,目前标准中定义了多种车载终端安全管理方式,例如可以通过设备配置管理方式、运营商提供的 GBA 方式及车厂自定义的方式来保证车载终端通信安全。如何将不同运营模式下的车载终端进行统一管理是急需解决的问题。

3、在车联网运营过程中,车载终端会有大量的证书存在,当车辆由于某种原因需要撤销证书时,如何快速地识别出车辆出现了异常情况,如何将异常行为检测与证书撤销进行关联,如何根据异常行为做出证书撤销的决策,需要进一步研究。

六、政策建议(略)

发表评论

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com 徽标

您正在使用您的 WordPress.com 账号评论。 注销 /  更改 )

Google photo

您正在使用您的 Google 账号评论。 注销 /  更改 )

Twitter picture

您正在使用您的 Twitter 账号评论。 注销 /  更改 )

Facebook photo

您正在使用您的 Facebook 账号评论。 注销 /  更改 )

Connecting to %s