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克服C-V2X合规性的挑战

Dylan McGrath, Keysight Technologies

每年有130多万人在汽车事故中死亡。美国国家公路运输安全管理局估计，在这些死亡事故中，94%到96%是人为错误造成的。改善汽车安全，减少甚至消除汽车死亡和事故，是蜂窝式车对万物（C-V2X）通信兴起背后的主要动机之一。C-V2X是一种无线技术，通过使车辆与其他车辆以及交通系统的其他部分（包括路边的基础设施、自行车和行人）不断进行实时通信，促进车辆更高水平的自主运行。

随着汽车制造商越来越多地在新车上使用5G C-V2X技术，以提高安全性、效率、流动性和生活质量，5G C-V2X技术的使用在未来几年将成倍增加。然而，将C-V2X纳入车辆和车辆模块会带来挑战。这些挑战包括与移动的车辆、拥挤的道路和金属物体有关的射频传播的复杂问题。C-V2X还因不同组织制定的大量标准以及各地区在标准、交通安全法律和政策方面的差异而变得复杂。

C-V2X的历史

V2X技术可以追溯到1970年代在美国和日本的研究。然而，直到2016年，第一批配备V2X通信的大规模生产的车辆才出现。早期的V2X车辆没有使用蜂窝技术；相反，美国和日本的这些车辆使用了一种基于WLAN的技术，称为直接短程通信（DSRC）。2017年，V2X首次进入3GPP第14版的蜂窝网络标准。第一批支持基于LTE的C-V2X的商用C-V2X芯片组于2018年推出。2020年，第一批纳入C-V2X的大众市场车辆在中国下线。

第一个5G新无线电（NR）C-V2X规范包含在3GPP Release 15中，这是最初的5G标准，在2019年中期实现了ASN.1冻结。在此之后，3GPP第16版增加了大量支持C-V2X的增强功能，包括侧链。侧链使用户设备（主要是车辆）能够直接通信而不涉及网络，促进了实时传感器数据的共享。侧链是C-V2X的一个主要组成部分，因为车辆对车辆和车辆对基础设施的直接通信使车辆能够了解实时交通和道路状况，使用非视线数据传感可以看到转弯处，并警告对方有危险。第16版中包含的其他重要改进使C-V2X功能得以实现和加强，这些改进包括：

·         可扩展的OFDM接口

·         具有即时反馈的自足时隙结构，使一个非常可靠的通信系统具有低延时性

·         先进的信道编码，以低复杂度提高可靠性

·         支持宽频载波

·         支持大规模MIMO，以获得更高的数据速率、更远的距离和更高的可靠性。

第17版在今年早些时候实现了ASN.1冻结，它建立在第16版的功能基础上，增加了几个侧链增强功能，如网络控制的互动服务（NCIS）、提高能源效率和广泛覆盖的增强型中继（REFEC）和视听服务制作（AVPROD）。

区域差异

使C-V2X模块的设计和测试具有挑战性的主要复杂因素之一是智能交通系统（ITS），这是一个旨在加强许多国家和地区的交通管理的综合系统。大多数国家已经指定5.9GHz频段为官方ITS频段。

ITS堆栈是由位于物理层之上的几个元素组成的（见图1）。该堆栈被倒置以反映更实际的安排。例如，物理层，通常连接到车辆顶棚的天线，显示在图的顶部。ITS堆栈元素包括传输、信息和应用层，每一层都拥有管理能力和安全性。尽管C-V2X的物理层是基于蜂窝技术的，与其他V2X系统如DSRC不同，但ITS堆栈中的每一层都改编自许多组织创建的标准，包括国际汽车工程师学会、欧洲电信标准协会（ETSI）、车对车通信联盟、中国通信标准协会（CCSA）、中国汽车工程学会等。即使ITS堆栈的各层是基于标准和重复使用的，但堆栈的上层包含区域差异。区域性ITS层的差异主要可归因于北美、欧洲和中国。每一层都执行类似的功能，而不考虑区域差异。C-V2X模块的设计必须考虑产品销售的每个地区的不同标准。测试设备和测试过程也必须反映这些差异，这意味着在多个地区销售的每个C-V2X模块或车辆可能需要不同的设计和测试工具及测试方法。

图1 C-V2X ITS堆栈。

图1说明了验证远程车辆（RV）能够发送和接收主车辆（HV）信息的重要性。例如，如果一个消息，如电子紧急制动警告是由一辆车发起的，重要的是要确保这个警告消息在空中通过物理堆栈的各层，并通过应用层接收和解码出来。该图显示了一个逻辑上的理解，即信息是如何在一辆车中启动的，通过各层传到天线，被另一辆车通过其天线接收，然后被处理和解码出来。出于C-V2X认证的目的，对这一功能的正确测试需要准确测量这一传输过程，并考虑到区域差异。

压力测试

C-V2X最重要的属性之一是可靠性。因为乘客的安全和生命处于危险之中，所以该技术在所有道路和交通条件下都能使用是至关重要的。对C-V2X模块的设计和测试来说，最具挑战性的条件之一是严重的拥堵，这种情况每天都会出现在世界各地的高速公路上（见图2）。C-V2X模块必须发送和接收包含关键安全信息的消息，即使在同一区域内有数百或数千辆汽车也在转发和接收C-V2X信息的环境中。由于ITS频段上的资源共享可能是一个挑战，所以需要拥堵控制压力测试。进行拥堵控制压力测试需要将设备置于拥堵的环境中，例如有许多C-V2X模块和其他ITS站的密集交通情况。

图2 典型的高速公路场景。

适当运作的拥堵控制算法需要协调通道的适当使用。已经开发了算法来减轻这些情况的影响，如资源被平均共享，以保持信道尽可能不饱和。该标准定义了两个表征信道状态的指标。它们是信道繁忙率（CBR）和信道占用率（COR）。C-V2X模块将感知环境1000毫秒，并试图确定哪些资源块（每个资源块由子帧和子信道组成）由邻近的车辆传输。然后，该设备确定在某个频率或某个信道是否有空闲的资源块，然后决定何时在频谱中使用最少或能量最低的部分进行发射。决策是根据控制平面上传来的COR和CBR信息做出的，资源也因此被分配和传输。

除了CBR和COR，拥堵控制算法还根据各种指标和参数做出决定，包括功率、信道质量指标和距离。根据算法的输入，车站或设备可以使用各种技术。可以使用的一些技术有：

·         丢弃数据包重传：如果启用了重传功能，车站可以禁用它

·         丢弃数据包传输：该站简单地放弃数据包传输，包括重传（如果启用）；这是最简单的技术之一。

·         减少数据包传输周期：延长数据包传输间隔

·         自适应传输功率：该站可以降低其传输功率；因此，该地区的整体CBR将被降低，CBR限制值可能会增加。

由于标准没有规定使用哪种技术，因此将被测设备放在拥挤的环境中可能是有益的，可以看到哪些机制被触发，设备如何处理信息并做出相应反应。测试拥堵控制算法的工作情况是至关重要的。

共存和干扰测试

除了拥堵压力测试外，还需要进行共存和干扰测试，以确保C-V2X能与现代汽车内和周围运行的所有其他无线技术共存（见图3）。5G NR的频率范围1（FR1）包括410 MHz至7.125 GHz的频段，包括现有的无线通信系统、Wi-Fi和蓝牙使用的频谱或邻近的频谱。同样，考虑到C-V2X通信的安全影响，5G C-V2X模块在这个频谱范围内无干扰地运行是至关重要的。

图3 使用多种无线技术连接汽车和基础设施的未来场景。

全面的干扰测试包括测试带内和带外发射，以及测试C-V2X信号对其他无线电信号的影响，以确保5G C-V2X信号不会对同一车辆的其他无线电或信道或相邻频谱的其他无线电信号造成干扰。带外发射的干扰会降低C-V2X通信的可靠性，直接影响到运输安全。美国交通部的一项技术评估发现，在相邻信道中运行的DSRC、Wi-Fi和LTE C-V2X的带外干扰会泄漏到相邻频谱中，引起对C-V2X通信可靠性的担忧。C-V2X模块必须在共享频谱环境中运行而不对带宽产生负面影响。共享电波增加了半导体制造商、汽车制造商和设备制造商的责任，以确保C-V2X系统能与现有的商业无线基础设施共存。

与拥堵控制算法一样，C-V2X系统需要复杂的算法来监测和探测频谱中的其他用户，并相应地调整信号的传输和接收。

毫米波信号质量

5G NR的频率范围2（FR2）从24.25GHz延伸到71GHz。扩展到毫米波频率使5G NR能够使用更大的连续带宽，这意味着可以访问更多与交通和道路危险有关的数据，并从云端或附近的车辆中获取。但毫米波的波长较短，对信号质量和链路预算提出了挑战。影响毫米波信号质量的因素包括基带信号处理、调制、过滤和升频。另外，C-V2X模块在更高的频率和更宽的信道带宽下将面临更多的信号损伤问题。

OFDM系统固有的正交特性可以防止重叠的子载波之间的干扰。然而，诸如I/Q损伤、相位噪声、线性（AM到AM）和非线性（AM到PM）压缩以及频率误差等问题会导致调制信号失真。相位噪声是最具挑战性的问题之一：高相位噪声会导致高误差矢量幅度和子载波干扰，损害解调。

在毫米波下工作会带来路径损失、阻塞和信号传播的挑战。由于毫米波的波长较短，信道中的物理障碍物——包括其他车辆——会阻挡信号，而车辆安装的天线会使其严重程度加剧。波束赋形是克服这些传播问题的关键技术，使FR2的传输具有高度的方向性，并需要更高增益的有源天线，这些天线是可电动转向的。车身就像一个位于天线附近的大型地平面，造成了一系列额外的天线测试挑战和链路预算管理的复杂性。

克服与C-V2X模块中的毫米波信号有关的物理挑战，需要测试解决方案在不引入新问题的情况下准确测量和描述信号质量，以验证C-V2X的服务质量和网络性能。

用例

5G汽车协会（5GAA）等组织已经为测试C-V2X设备和应用创建了基本的安全用例。其中最突出的一些是：

·         紧急制动灯（EEBL）：当车辆的刹车被激活时，会向附近的车辆发出一个警告信号

·         来自交通灯的信号相位和时间：这对确定车辆接近交通信号灯时的适当速度很有用

·         交叉路口碰撞警告：车辆可发送EEBL信息以警告潜在的碰撞风险

·         转弯碰撞风险警告：车辆可发送EEBL信息以警告潜在的碰撞风险

·         易受伤害的道路使用者保护：使用智能手机提醒行人或其他非车辆使用者的潜在碰撞风险

·         慢速或静止车辆警告：这提供了在交通堵塞中或与其他停放或静止车辆发生潜在碰撞的警报。

除了这些基本的安全用例外，其他被称为"第一天用例（day one use cases）"的用例也涵盖了基本的安全问题。每个地区都有自己的第一天用例清单。例如，中国大约有17到20个具体用例。其他地区可能有类似的集合，但它们并不总是相同的。各种第一天用例可能包括前方碰撞警告、左转辅助和盲点警告。

认证挑战

像许多5G C-V2X技术一样，C-V2X模块的认证是具有挑战性的，因为标准不断发展，而且有许多组织参与了该技术的标准化，包括3GPP、SAE、ETSI、CCSA、IEEE、交通工程师协会、国家电气制造商协会和欧洲电信。ITS组织和道路运营商监管机构需要满足各自标准制定组织、电信和汽车行业管理机构制定的性能标准。

通常，C-V2X设备需要全球认证论坛（GCF）根据全球蜂窝通信标准进行射频/协议认证。根据设备运行的地区，它可能需要按照ITS上层标准进行测试，如IEEE 1609.2/3/4，北美的SAE J2945以及欧洲和中国的区域标准。此外，设备可能需要通过目前正在为ITS应用层开发的特定区域的测试用例。

制造商可能会得出结论，购买能够测试未来5G NR扩展的测试设备的投资太大。这不应该成为成功的障碍。经过全面审核的测试机构提供技术专长和最先进的测试技术。使用外部资源可以确保每个被测试的设备符合C-V2X不断发展的标准。鉴于C-V2X标准和测试要求的动态性质，使用独立的测试机构可以帮助公司确保产品使用最新的准则进行测试，并满足所有要求。使用测试和认证机构，如OmniAir Consortium，是及时和经济地获得C-V2X设备认证的一种方法，无论测试是在内部进行还是通过独立的第三方实验室进行。使用经过审核的最先进的设施进行台架、现场和安全测试，确保符合最新的测试标准。一旦实验室报告完成，管理机构就会批准测试结果，设备就会收到证明符合标准的认证标志。

结论

与5G领域的其他事情一样，C-V2X的测试和验证的重要性怎么强调都不过分。只有针对当前和未来的5G和C-V2X标准进行全面审核的测试设备，并严格遵守规范，才能确保认证，并最终确保5G NR C-V2X模块的成功性能。虽然广泛部署C-V2X的障碍并不小，但有了适当的测试设备和方法，这些障碍是可以克服的。消除这些障碍是通向更安全、更环保、更高效的交通的关键一步，这将成就未来的完全自主车辆。