探索車聯網技術於5G關鍵應用

工研院資通所 徐志偉 嚴育岱 蘇子翔

據市場研究機構IHS報告顯示,2017年全球車聯網通訊系統銷售量已達七十萬套,2020年時數量將成長至五百六十萬套,到2025年更預估突破五千五百萬套。這些車聯網通訊系統產品的主要市場,大多在於採用專用短距離通訊(DSRC, Dedicated Short Range Communication)和蜂巢式車聯網(C-V2X, Cellular Vehicle-to-Everything)標準的歐美地區、中國與日本。上述的DSRC與C-V2X車聯網通訊標準,它們分別隸屬於IEEE與3GPP組織,皆可在5.9GHz智慧交通運輸系統(ITS, Intelligent Transportation System)頻譜上運行,並且都能在沒有蜂巢式網路、行動訊號覆蓋或網路營運商的地方正常運作。目前DSRC技術的推動者大多來自美國與歐洲,他們在DSRC上進行了大量投資,也一直積極推動立法要求汽車產業使用DSRC技術;而蜂巢式通訊技術和產業的製造與研發重心則是在歐洲、美國、中國、日本與韓國。以中國市場為例,不管政府還是企業,皆看好C-V2X,規劃2019至2020年就能看到C-V2X實現在量產汽車中的商用部署;美國政府的態度則是保持技術中立,讓車廠在DSRC和C-V2X之間自由選擇技術。此外5G車聯網的技術與應用發展,其中車廠、營運商的態度也非常關鍵。現今,在V2N應用中,車廠與營運商之間已經形成了良好的合作關係,營運商希望把路側單元(RSU)整合到基地台來提供公共服務,車廠傾向於在車輛中整合C-V2X直接通訊能力和V2N網路通訊能力,因為這樣可以利用傳統營運商提供的網路能力、規模化的成本效益以及其能夠幫助建立的認證能力,帶動整個5G車聯網產業的發展。


精彩內容

1. 兩大車聯網技術與系統 相互融合成未來趨勢
2. 車聯網於5G應用多形式 提升行車安全
3. 工研院於5G車聯網應用情境與成果

 

兩大車聯網技術與系統 相互融合成未來趨勢

車聯網技術可區分為兩大類,分別為短距無線通訊DSRC與C-V2X。圖1為現今全球短距無線通訊DSRC與C-V2X技術發展走向,美國致力於DSRC系統開發與應用驗證,其實體層採用IEEE 802.11p,目前DSRC系統已進入到成熟期,全球已有多個城市與公路建置DSRC-based測試場域,以驗證其標準與應用,DSRC目前已有美國電機工程協會 (IEEE, Institute of Electrical and Electronics Engineers)與歐洲電信標準協會 (ETSI, European Telecommunications Standards Institute)兩大標準組織制定多年;反觀C-V2X於技術標準的制定,則以中國與歐盟(如電信商)最為積極參與投入,C-V2X系統以建置電信基地台為主,與C-V2X技術標準相關的有3GPP eV2X(enhanced V2X)標準,該標準底層採用LTE-Uu/PC5架構。


DSRC與C-V2X技術標準發展
圖1 DSRC與C-V2X技術標準發展

 

無論是DSRC或C-V2X,兩項標準相互融合是未來發展方向,因為各有其優劣勢之分,如在有網路、有基地台狀況下,採用C-V2X會更有效率,同時C-V2X具備技術前瞻性,有逐漸升級可能;相對而言,DSRC目前標準亦已成熟,其優勢是系統的穩定,與隨時可進入量產階段的能力。綜合這兩項技術的各種面向,預期兩種通訊未來將採取相互融合發展趨勢前進。如圖2所示,DSRC跟C-V2X車聯網於標準制定上雖底層(L1~L3)不同,但兩大標準的上層(App)可共用,亦可透過Gateway連接與串聯兩大系統,形成車聯網單一整合之解決方案。


DSRC與C-V2X通訊協定架構
圖2 DSRC與C-V2X通訊協定架構

 

台灣具有優異的IC設計與通訊模組/設備製造能力,但缺乏C-V2X 關鍵技術以及相關安全應用與整合經驗。工研院深耕DSRC相關車用電子產品導入經驗,同時,基於過去DSRC技術與應用開發的能量,可運用在C-V2X URLLC系統,並自主研發具雙模DSRC/C-V2X車聯網系統,該系統結合RSU路側設備、V2X MEC(Mobile edge computing)、V2X Application Server、毫米波雷達與號誌狀態,可透過RSU連結號誌狀態資訊,並廣播違規車輛資訊(ITS G5 CAM訊息)給行人(具有行動訊息接收裝置)。除此之外,系統可於車輛發生事故前三秒提供駕駛人來車警示,並同步以路口電子看板提供用路人來車警示,更透過路側基地台與車載機之間的通訊,提供駕駛人車內警示,達到降低肇事率的目的。車聯網系統包含下列四項功能,如圖3所示:

CMS路側安全警示:為使一般未裝車機民眾也能體驗車聯網安全警示能力,透過CMS (Content Management System)安全警示看板做警示,此系統結合毫米波電達偵測與路口號誌狀態,可於最高車速高120 kph條件下,於橫向車輛即將闖越紅黃燈3秒前以CMS看板警示對向來車。

R2P行人安全警示:路側設備與雷達結合,感知車輛行為(如,行進方向、速度),V2X APP (運作於V2X AS)蒐集車輛行為,並連結道路號誌系統,分析是否發生車輛違規事件(如闖越紅黃燈),V2X APP判斷事件觸發,透過V2X AS以eMBMS系統發佈事件至終端,以達警示行人之綜效。

OBU車內安全警示:提供行經十字路口車輛防碰撞警示能力,可於最高車速120 kph條件下,於撞擊事件前3秒於車內提供安全警示。

即時車路資訊監控與管理:此平台為車聯網車路訊息整合平台,可同步監控路口之道路雷達、光達偵測物件動態、路口攝影機影像、路口交通號誌狀態,並可將車聯網車路警示訊息即時顯示在整合介面上,並提供路口資訊監控、遠端設備管理、車聯網應用驗證與車聯網績效評估分析等功能。


工研院車聯網系統產品整體解決方案
圖3 工研院車聯網系統產品整體解決方案

 

車聯網於5G應用多形式 提升行車安全

車聯網於5G的應用泛指汽車對各種物體通訊,是車輛與外部環境的連結,各個交通實體,包括車輛、交通基礎設施及任何道路使用者,都可以經由周遭的其他交通實體所提供之訊息而受益;進而延伸出車與車(V2V)、車與交通基礎設施(V2I)、車與行人(V2P)以及車與核心網路(V2N)等多種形式,如圖4所示。


5G於車聯網之通訊類型
圖4 5G於車聯網之通訊類型

5G支援車聯網的V2X通訊應用包含以下四種形式:

 

Vehicle-to-Vehicle (V2V)車間通訊:

以廣播為主要傳送方式,在不同使用者裝置 (UE, User Equipment)間交換V2V相關應用資訊。讓車輛之間能即時互傳訊息,了解彼此動態以避免碰撞發生。車輛間可以直接通訊;或者受限於通訊距離也可以透過支援V2V服務的基礎設施,如路側裝置(RSU, Roadside Unit)或是應用伺服器等來轉送訊息。以圖5前方碰撞預警應用為例,該應用警示駕駛即將發生與同車道及相同行駛方向的前車發生追撞。使用車間通訊可以減少甚至避免碰撞造成的傷害。前車週期性的廣播自己的位置、速度、加速度、行車方向等資訊。前車經計算周遭車輛行車資訊後發覺同車道後方即將發生碰撞,將此結果反應在廣播訊息中,後車接收到前車廣播出來的警示訊息後提醒駕駛採取相對應的措施來避免可能發生的追撞。


前方碰撞預警應用
圖5 前方碰撞預警應用

 

Vehicle-to-Infrastructure(V2I)車與交通基礎設施通訊:

支援V2I應用的使用者裝置與路側裝置互相傳送應用層資訊。V2I使車輛及路側裝置作為點對點網路中之通訊節點,互相傳遞有用訊息,特別是與交通壅塞及危險事故有關之訊息,大幅提升了行車安全與效能。以圖6彎道速限警示應用為例,一個支援V2I服務的路側裝置架設於彎道之前,週期性的廣播包括位置、彎道速限、坡度、路況等資訊的訊息。裝設支援V2I服務裝置之車輛進入該路側裝置的通訊範圍內,便開始接收到其所廣播的訊息;經計算車輛速度、加速度等資訊後警示駕駛採取對應措施,以達提醒駕駛以合適的速度過彎之綜效。


彎道速限警示應用
圖6 彎道速限警示應用

 

Vehicle-to-Network (V2N)車與核心網路通訊:

此通訊形式是指使用者裝置與服務實體彼此透過LTE網路互相溝通,V2N應用將相關資料傳輸至核心網路之後台應用伺服器進行資料儲存、使用與交換。由於路側裝置具有連網能力,以遠距診斷車況並提供及時維修通知為例,如圖7所示,當一輛已註冊該服務的汽車在進入支援V2N服務之路側裝置的通訊範圍後,開始回報目前功能狀態給遠端診斷中心並接收及時維修通知。車輛維修中心位於車輛服務中心內,需要週期性的獲得並分析車輛資訊,依據分析結果提供車主相關維修保養建議,此舉可優化車輛檢測並降低車輛功能失效的風險。支援V2N服務的車輛內建診斷裝置收集車內相關感測器的資料,包括引擎、傳動系統、穩定控制系統、安全氣囊、噴射系統、防鎖死煞車系統、胎壓等資訊,當車輛經過支援V2N服務的路側裝置時會將所收集之資料傳送給該路側裝置,路側裝置將資料傳送給汽車維修中心進行分析及診斷。若檢測到有零件需要維修或更換,汽車維修中心會將檢測資料、最接近的維修地點、維修的急迫性等資訊透過電子郵件或是支援V2N服務的裝置通知車主,車主可依此通知及時進行維修,並可要求車輛診斷中心刪除所儲存的車輛資料。


遠距診斷及時維修通知應用


圖7 遠距診斷及時維修通知應用

 

Vehicle-to-Pedestrian (V2P)車與行人通訊:

支援V2P應用的使用者裝置傳送應用層資訊,此資訊可被支援V2X服務的車輛廣播以對行人提供警示,或是由行人端支援V2X服務的使用者裝置向路過車輛廣播。車輛與行人間可直接交換V2P相關應用資訊;或者受到傳輸距離的限制,透過支援V2X服務的基礎設施來互傳資訊。如圖8所示,在行人附近,當一輛支援V2X服務的汽車即將穿越人行道或交叉路口,車上的使用者裝置週期性的傳送V2P通訊訊息,訊息中提供了該車輛的速度及方向等行車資訊。行人的裝置接收到附近車輛所傳送的V2X訊息後,得知周遭車輛的存在情況,計算碰撞風險並以視覺、聽覺、震動等方式提供必要的警示,使穿越路口的行人可以採取預防措施,以提前避開造成行人的傷害。


行人碰撞警示應用
圖8 行人碰撞警示應用

 

工研院於5G車聯網應用情境與成果

工研院於5G車聯網的應用情境開發分別為車對人及人對車,如圖9所示,首先,第一個應用情境為警示行人有車輛闖紅燈,藉由路測裝置RSU蒐集道路資訊,包括號誌狀態、雷達偵測結果等,將資料回傳至MEC上的Application Server,由Server判斷雷達偵測之車輛軌跡及號誌狀態,預測車輛是否有闖紅燈之行為。當判定出車輛闖紅燈之意圖時,藉由eMBMS系統將警示訊息廣播至範圍內具備接收eMBMS訊息能力之行人UE端,例如手機app或手錶等設備。圖10為車輛闖紅燈應用成果示意圖。

圖9 車輛闖紅燈警示應用情境
圖9 車輛闖紅燈警示應用情境

車輛闖紅燈應用成果示意圖
圖10 車輛闖紅燈應用成果示意圖

 

如圖11所示,第二個情境則為行人穿越馬路警示之應用,同樣藉由路測裝置RSU蒐集道路資訊,包括camera拍攝斑馬線之畫面,將此資訊回傳至MEC上之Application Server,由Server進行判斷收到的影像中,是否有行人穿越斑馬線之行為。若判斷出有行人正在穿越馬路,便會透過eMBMS系統,將警示訊息傳送至範圍內之車輛。圖12為車輛闖紅燈應用成果示意圖。


行人穿越馬路警示應用情境
圖11 行人穿越馬路警示應用情境

行人穿越馬路警示應用成果示意圖
圖12 行人穿越馬路警示應用成果示意圖

 

藉由5G車聯網系統,提早將判斷出之潛在危險傳達給使用者,達到警示進而降低道路風險的效果。而eMBMS系統透過廣播的方式,讓範圍內的使用者能夠同時收到相同的警訊,再加上採用MEC架構,能夠大幅地降低網路傳輸的延遲時間,即時的傳送警示訊息。


參考文獻

3GPP Specification TR 22.185

3GPP TR 22.885 Study on LTE support for Vehicle to Everything (V2X) services, 2016

3GPP TR 23.785 Study on architecture enhancements for LTE support of V2X services, 2016

SAE J2945/1 On-Board System Requirements for V2V Safety Communications, MAR 2016

https://www.elektrobit.com

 

文章轉載自工業技術研究月電腦與通訊月刊