V2X：圆梦自动驾驶，我们不可不知车联网技术！
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Vehicle to Everything（V2X），车联万物，简单来说，就是赋予车辆通信能力，通过多种通信形式将车辆连接到任何可以与车辆交互的对象，包括其他车辆、行人、路边基础设施和网络。V2X连接了行人、车辆、道路、云和其他交通要素，允许车辆收集更多信息，并促进自主驾驶技术的创新和应用。此外，V2X还有助于构建智能交通系统，开发新的车辆和交通服务模式和形式，提高交通效率，节约资源，减少污染，避免交通事故，改善交通管理。
在很大程度上，V2X技术正在成为决定未来几年自动驾驶汽车成功的关键因素之一。许多顶级汽车制造商， 包括宝马、梅赛德斯、路虎、雷诺 、大众等 均已加入V2X发展阵营。
什么是V2X技术？
V2X是新一代无线电通信技术，它可以实现车辆与其环境要素之间的实时通信，如其他车辆、道路基础设施、行人、摩托车、骑自行车的人，以及使用道路的任何人或任何其他东西。根据初始设计，这项技术主要依赖于5.9GHz频段的专用短程通信建立起可靠的无线电链路。
V2X的主要目标是拯救生命，这可以通过在紧急情况下控制车辆移动来实现。另一个涉及车辆控制的重要目标是通过改善与周围车辆的协调来提高交通效率。V2X技术允许车辆在半径近1,000米的范围内与其周围的车辆和基础设施交换信息。如果将V2X的交换信息与当前ADAS输入数据相结合，能有效扩大实际可视性并防止事故。
连接的车辆会交换几种类型的V2X消息，共享的数据包括从位置、速度和方向到任何周围障碍物等信息。分散环境信息（DENM）允许连接的车辆发送/接收有关危险驾驶行为、事故、危险天气条件和交通的警报。这些警报可用于确定必要的警告和相关措施。
根据V2X数据降低速度，可以防止或显著降低可能发生事故的严重性。相隔几百米的车辆可以使用V2X进行通信。在驾驶员或其他驾驶辅助传感器观察到危险之前，可以很早就检测到危险情况。在大多数情况下，不需要急刹车或快速操纵，因为此前的预警让驾驶员有足够的时间减速并稍微改变车辆的行驶路线以规避潜在的危险。
创建嵌入式系统安全的四个步骤
保证嵌入式系统足够安全绝非易事，目前行业里尚无针对所有嵌入式设备的通用安全策略。不过，设计人员可以尝试从以下四个方面入手去开发一个安全可靠的嵌入式系统。
一是评估潜在的威胁和漏洞。具体操作包括：分析产品的生命周期，评估开发商、硬件制造商、软件供应商、电信运营商、用户和任何相关方对最终产品安全的影响，确定所有可能的软件和物理攻击点及其发生的可能性，制定有安全要求的技术规范。
二是根据需求设计可靠的软件体系架构。充分利用中间件和虚拟化技术，进行组件划分，还应允许在共享平台上运行多个操作系统。
三是选择工具和组件。为嵌入式系统选择的软件开发平台其安全性至关重要，它必须符合国际或地区安全标准。系统硬件的选择亦是如此，从制造商和分销商处购买的所有电路板、传感器和外围设备都应符合解决方案所需的安全标准。
四是进行安全测试。嵌入式系统中硬件和软件组件的安全测试不应被忽视，要作为必选项独立于系统其他测试功能。
V2X体系结构
V2X技术有多种通信形式，包括V2V（车辆到车辆）和V2I（车辆到基础设施）、V2P（车辆到行人）、V2C（车辆到云）等技术。
图1：V2X体系结构（图源：ADI）
V2V（车辆到车辆）：V2V使得车辆之间能够无线交换有关其速度、位置和行驶方向的数据，其目标是通过预测潜在的碰撞来缓解道路拥堵，减少交通事故。V2V还可用于提醒周围车辆紧急制动、危险交通状况和天气状况等。
V2P（车辆对行人）：世界卫生组织报告称，全世界每年有近27万行人死于交通事故。V2P技术有可能大幅减少这一数字。此外，能智能手机和其他智能设备上的V2P技术还能帮助行人与车辆交换有用的数据。除了分享位置信息，行人的设备还可以警告司机，比如他们需要更多的时间过街。这项技术对老人和儿童将起到一定的保护作用，是一个很实用的功能。
V2I（车辆到基础设施）：V2I是一种智能通信技术，它允许车辆与道路基础设施进行通信。这是一项世界性的技术，旨在帮助智慧城市的实现，使全球道路更加安全。V2X的路边单元（RSU）还用于警告车辆有关道路状况，比如道路施工情况，以便他们可以安全减速和变换车道，避免突然制动带来的潜在危险。据公开的数据，数千台配备V2X设备和摄像头的路边单元已经在美国、欧洲和亚洲使用，美国25多个州和20多个欧盟成员国已经启动了基础设施部署项目。
V2C（车辆到云）：V2C的目标是使车辆能够与云进行通信。事实上，车辆使用V2C技术来访问信息娱乐和其他领域的车内服务，能有效提高驾驶效率和乐趣。
V2X技术是决定未来几年自动驾驶汽车成功的关键因素之一。这项技术正在迅速崛起，并将有可能克服ADAS系统（高级驾驶员辅助系统）的局限性，同时确保道路安全，并通过缓解交通拥堵来减少能源/燃油消耗。奥迪美国是首家宣布通过V2X技术扩展交通信号灯信息的制造商，该技术包括绿灯优化速度咨询（GLOSA）系统，为奥迪驾驶员提供速度建议，以帮助他们赶上绿灯。
V2X发展路线图
V2X的应用进程将分阶段推出，称为“Day1”、“Day2”和“Day3”。其中，Day1 V2X提供救生情景感知；Day2 V2X应用程序可以利用其他车辆共享的传感器数据；Day3 V2X应用程序主要提供车辆之间协商的方式，以提高道路的使用效率和安全性。为了简化V2X的引入，早期的Day1实施只会提醒驾驶员，而不会控制车辆。
从一个V2X部署阶段转移到下一个阶段，例如从Day1到Day2，将受到多个因素的制约。
一是下一代通信标准的可用性：V2X每一个阶段的用例均需要高可靠性和极高级别的通信吞吐量，因此，应首选先进的新通信标准3GPP C-V2X Rel.16或IEEE 802.11bd。这些标准正在制定中，几年后产品将实现商业化。
二是自动车辆（AV）的普及程度：AV将在V2X上更可靠地运行，尤其是在具有丰富数据的可靠目标检测、交通灯指示、道路使用者之间的协调以及检测障碍物的能力方面。高度自动化车辆的普及率越高，V2X Day2 / Day3部署的需求就越高。
对V2X的发展，市场预期是这样的：Day1的服务从2019年开始大规模部署；Day2的服务部署计划在2024年底开始；Day3预计将在2028年。
图2：预期的V2X发展路线图（图源：Auototalk）
V2X中的两种无线接入技术
目前，有两种无线技术通过相互补充用以满足V2X服务的关键需求。这两种技术分别是C-V2X和DSRC/ITS-G5，它们在许可和非许可两个不同频段上运行。
#01
DSRC/ITS-G5
DSRC是由IEEE制定并且有主要车辆制造商支持的标准，它的标准化流程可以追溯至2004年，IEEE在802.11无线局域网（WLAN）标准系列下制定了新的车载通信标准，即IEEE 802.11p，直至2007年左右，IEEE 802.11p标准才趋于稳定。接下来，IEEE又着手制定了1609.x系列标准，用作V2X的安全性框架。与此同时，美国汽车工程师协会（SAE）从汽车工业的需求出发，开始制定关于V2V应用的标准，并将其称为DSRC，采用的通信标准即是IEEE 802.11p和1609.x。区别于其他常见的WiFi、蓝牙等通信协议，位于5.9GHz频带的一段75MHz带宽被划为DSRC的专属频谱。
#02
C-V2X
C-V2X（蜂窝V2X）是基于3GPP全球统一标准的通信技术，基于4G/5G等蜂窝网通信技术演进形成的车用无线通信技术，包含LTE-V2X和5G-V2X。
在过去几年中，DSRC是唯一可用的V2X技术。经过长时间的多次大规模现场测试，基于DSRC的V2X于2015年在日本投入生产，并于2017年在美国选定车型投入生产。2019年，大众发布了基于DSRC的高尔夫8，也是该公司市场上第一款使用V2X的汽车。在美国，数以千计的RSU装备了DSRC V2X。在此过程中，中国则力推C-V2X的部署。目前，有关DSRC和C-V2X这两项技术的发展以及应用场景的讨论仍在继续。
在V2X的部署上，欧洲走在了行业的前列。基于Wi-Fi的DSRC技术，继大众高尔夫8推出之后，大众汽车ID.electric系列也配备了基于DSRC的V2X技术，这是V2X在全球量产汽车中的极大规模实施。在基础设施建设方面，奥地利高速公路运营商ASFINAG已开始在全国范围内的高速公路上安装DSRC V2X技术。
V2X产品及用例
作为“绿色交通”创新项目的一部分，德国汉堡港务局与恩智浦（NXP）、西门子（Siemens）等企业合作，利用NXP V2X技术改善繁忙港区的交通流量，V2X路侧单元（RSU）已经安装到当地的交通灯控制器上。自2021年初起，陆续有150辆卡车配备了以V2X技术为特色的车载单元（OBU）。RSU和OBU之间的双向通信使装有OBU的卡车司机能够在交通路口请求优先权，并且RSU向OBU发送速度建议信息和下一个路口绿灯的倒计时。这些V2X部署均是通过NXP的RoadLINK V2X产品系列实现的。采用的芯片组是单芯片V2X调制解调器SAF5400和完全认证的硬件安全元件SXF1800，符合通用标准EAL4+和FIPS 140-2 3级。
NXP RoadLINK SAF5400/V110是第二代V2X解决方案，支持欧洲、北美和韩国定义的全球DSRC标准，提供高性能椭圆曲线数字签名算法（ECDSA）验证引擎、MRC天线分集和远程天线控制。带有软件定义无线电（SDR）处理器的SAF5300/SAF5400收发器为V2V和V2I应用提供了系统解决方案，覆盖了世界各地的V2X应用，具有高质量的通信性能和AEC-Q100二级资质。收发机上集成了RFCMOS芯片，与基带处理器相结合，执行数字调制（PHY）和媒体访问控制（MAC）处理。
RoadLink方案中采用的SAF5400芯片是一款适用于V2X应用的汽车认证单芯片DSRC调制解调器，每秒接收和验证多达2,000条消息，基于软件定义的高 RX/TX质量，为传输和接收的消息提供更好的保障。此外，SAF5400采用球栅阵列（LFBGA249）封装，占据很小的PCB空间，非常适用于多层PCB。
图3：SAF5400 芯片方框图（图源：NXP）
DSRC和C-V2X源于不同的技术，源于WiFi的DSRC，在部署上可以借用现有的ETC资源和基础设施，易于推广，但也存在着传输可靠性和速率低、传输范围小、传输时延较大，以及通信传输穿透性不强等问题。源于LTE的C-V2X，尤其是5G的大规模商用，独有的高传输可靠性、百兆级传输速率，理论可达1,000米的传输范围，低至1-3毫秒的传输时延等技术，使其在V2X应用市场大有后来居上的趋势。然而，对于任何移动网络运营商来说，提供100%的蜂窝网络覆盖率都是一个非常困难的挑战。对于联网和自动驾驶而言，无线电覆盖漏洞将带来更糟糕的后果。ADI公司的RadioVerse方案为C-V2X提供了无线电增强功能，即便在没有网络覆盖的情况下也可以工作。
ADRV9026是RadioVerse组合在双波段软件无线电（SDR）方面的产品之一，是一个单芯片、高集成度射频IC。它有四个发射和四个接收通道，可以独立编程和控制。通过使用先进的本地振荡器结构，ADRV9026可以在6GHz以下的多个频段同时发射和接收。图4显示了使用单个射频IC ADRV9026在不同频带或不同无线接入中并发传输和接收的示例。
图4：ADRV9026能够在多个频段同时传输和接收（图源：ADI）
V2X前景展望
目前，世界各地的许多V2X试验都在进行中，美国、中国和诸多欧盟成员国都在积极部署与V2X基础设施相关的项目。支持V2X的汽车制造商有奥迪、宝马、戴姆勒、福特、路虎、雷诺、特斯拉和丰田等国际知名企业。除此之外，一大批的半导体企业也在全力布局V2X产业，NXP、ADI、高通、博世、Intel均已开发并推出了因此相应的V2X智能交通产品。也许，V2X这项技术将在未来十年内遍布世界的每个角落。
根据Industry Research预测，2022-2028年期间，在汽车市场，全球V2X规模预计将从2021年的18.65亿美元增长到2028年的193亿美元，年复合增长率（CAGR）达到38%。Markets and Markets Research则预计，到2027年，V2X技术的普及率将达到60%左右。从主要参与者来看，美国有望成为全球领导者，北美将是2017年至2025年期间最大的V2X市场，其次是欧盟国家。到2025年，仅V2X网络安全这一项就会有3.65亿美元的市场。尽管在今天看来V2X可能是一种新兴技术，但不久之后，它将成为大多数基础设施计划中的固定设备。
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