汽車自動駕駛和V2X標準進展現狀

呂玉琦，丁啟楓，杜 昊，劉瑞婷

（國家無線電監測中心檢測中心，北京 100041）

1 引言

自動駕駛正成為時下最時髦的關鍵詞，那么，何為自動駕駛？根據我國工信部、公安部、交通部于2018年4月3日聯合發布的《關于印發智能網聯汽車道路測試管理規范（試行）》，將智能網聯汽車、智能汽車、自動駕駛汽車視作同一個概念，并給出定義：搭載先進的車載傳感器、控制器、執行器等裝置；并融合現代通信與網絡技術，實現車與X智能信息交換、共享；具備復雜環境感知、智能決策、協同控制等功能；可實現安全、高效、舒適、節能行駛，并最終可實現替代人來操作的新一代汽車。對自動駕駛汽車的研究可以追溯到20世紀50年代，美國Barrett Electronics公司開發出的世界上第一臺自動引導車輛系統。20世紀80年代，伴隨著計算機技術和機器人計算的崛起，電子、通信技術的飛速發展，相關領域掀起對智能機器人的研究熱潮。幾乎同時誕生于19世紀末的汽車技術和無線通信技術在21世紀出現了融合趨勢，通過無線通信技術將大量汽車、基礎設施、行人、云連接起來，形成一種大范圍、全方位發揮作用的綜合運輸和管理體系。自動駕駛汽車的實際應用能夠從不同角度實現汽車的安全高效行駛，有望降低交通事故的發生概率；提高道路利用率，緩解交通壓力；提高駕駛員方便性，減輕駕駛員在駕駛過程中的負擔。

2 自動駕駛實現階段及關鍵技術

2.1 實現階段

自動駕駛汽車的基本功能需要通過感知、決策和控制階段實現，即感知→決策→執行。感知系統又稱“中層控制系統”，負責周圍環境感知、識別和分析；決策系統又稱“上層控制系統”，負責路徑規劃和導航；執行系統又稱“底層控制系統”，負責加速、剎車和轉向等操作。

2.1.1 感知系統

感知系統扮演自動駕駛汽車的“眼睛”角色，通過多傳感器分工合作，收集周圍環境的數據信息，傳感器包括光學攝像頭、光學雷達、微波雷達、導航系統等。

2.1.2 決策系統

決策系統基本功能的實現，需要自動駕駛汽車、高精度地圖（又稱高清數字地圖）以及V2X通信網絡的協作支持。

其中，高精度地圖實現路線規劃和實時導航功能。高精度地圖在精確度、信息量方面上與普通地圖存在較大差異，不同于普通地圖的粗糙簡單，其精度通常在厘米級，以立體三維視圖呈現道路信息（包括車道線、周圍設施的坐標位置等行車輔助信息），且會收集道路激光雷達信息確定當前車輛的位置信息。

同時，路線規劃需要V2X通信網絡的支持。自動駕駛汽車主動或被動獲取信號燈、道路擁堵情況等信息，在很大程度上避免事故的發生。

2.1.3 執行系統

執行系統是底層控制系統，通過“線控裝置”和子系統相互配合，實現穩定、準確地剎車、加速、轉向等具體操作。

其中，“線控裝置”用來控制方向盤和油門，替代人在即使過程中手和腳的作用。而子系統包括引擎控制單元（ECU）、制動防抱死系統（ABS）、自動變速箱控制系統（TCU）等。

2.2 關鍵技術

自動駕駛汽車的感知、決策和控制階段，主要通過“自主式”和“網聯式”兩大技術路線實現。

2.2.1 “自主式”駕駛技術

“自主式”駕駛以傳感器技術為基礎，其核心在于通過傳感器來實現對周圍環境信息的感知。傳感器在類別上主要包括攝像頭、毫米波雷達、超聲波傳感器、激光雷達等設備。其中：攝像頭的功能在一定程度上與眼睛類似，可以獲取一定范圍內的圖像信息并將其傳輸至處理系統；激光雷達是自動駕駛領域技術發展最成熟的傳感器，多安裝在汽車頂部，通過高速旋轉獲取周圍空間的點云數據，實時繪制一定范圍內的三維空間地圖；毫米波雷達是自動駕駛領域技術相對成熟的傳感器，具有波長短、頻帶寬、穿透能力強的特點，能夠準確地探測到與附近車輛之間的距離。

2.2.2 “網聯式”駕駛技術

“網聯式”駕駛，是指利用V2X等通信、網聯技術與其他車輛、行人、路側交通設施及云進行通信，將信息通過云端進行信息融合和整體決策后再下發到車輛上，從而實現車-車、車-人、車-路邊單元的協同控制駕駛模式。在高速移動場景下，“網聯式”駕駛汽車的信息采集能力具有良好的穩定性和抗干擾能力，能夠在行駛安全、駕乘體驗和交通效率方面實現改進。

V2X是指通過蜂窩網絡或直連通信輔助完成自動駕駛的技術，包括LTE-V2X和5G-V2X。基于車輛優先級、絕對速度和相對速度等信息，LTEV2X和5G-V2X能夠實現對控制信號占用資源的動態調整；當處于緊急情況下，借助增強型多媒體機制分發安全信息，能夠降低車輛節點發送頻率，避免擁堵。

2.2.3 “自主式”+“網聯式”駕駛技術

盡管自主式駕駛與網聯式駕駛都可實現汽車的自動駕駛，但僅依靠各自的單一技術發展存在一定局限性，包括：“自主式”駕駛，傳感器設備性能受到不同因素影響，攝像頭會受環境影響導致信息識別率較低，毫米波雷達存在難以識別目標且探測角度比較小等；“網聯式”駕駛，技術發展尚且不成熟，車聯網通信技術沒有真正落地，汽車廠商對新型技術的導入相對謹慎緩慢等。

“自主式”+“網聯式”駕駛融合重組是自動駕駛的必然形態，能夠極大程度提升自動駕駛的安全性能保障。一方面，有利于提升汽車的智能化和網聯化，使兩者的功能互補；另一方面，兩者融合能夠使得汽車擁有“大腦”、“眼睛”、“耳朵”、“嘴巴”等，確保汽車獲取全面、及時且有效的信息。

3 V2X通信技術標準進展

3.1 3GPP

3GPP為汽車智能通信進行了標準研究和開發，目前已經取得了一定進展。3GPP對V2X的標準化可以分為3個階段，如圖1所示。支持LTE-V2X的3GPP R14版本標準于2017年完成相應的制定工作；支持LTE-V2X增強（LTE-eV2X）的3GPP R15版本標準于2018年完成；而支持5G-V2X的3GPP R16+版本標準已于2018年6月啟動研究，完成后將與LTEV2X/LTE-eV2X形成完善互補。

圖1 3GPP V2X標準研究進展

3.1.1 LTE-V2X標準進展

3GPP R14版本中針對LTE-V2X標準化的研究工作，主要包括業務需求、系統架構、空口技術和安全研究四個方面。一是業務需求方面。對包含車-車、車-路、車-人、車-云平臺的27個用例和LTEV2X支持的業務要求進行定義。二是系統架構方面。對在PC5接口的Prose和Uu接口的LTE蜂窩通信的架構基礎上增強支持V2X業務進行定義，并明確增強結構至少要支持采用PC5傳輸的V2X業務和采用LTE-Uu的V2X業務。三是空口技術方面。對PC5接口的信道結構、同步過程、資源分配、同載波和相鄰載波間的PC5和Uu接口共存、無線資源控制（RRC）信令和相關的射頻指標及性能要求等，并且，研究了如何通過增強Uu傳輸與PC5傳輸來支持基于LTE的V2X業務。四是安全方面。對支持V2X業務的LTE架構增強的安全方面進行研究。

3.1.2 LTE-eV2X標準進展

LTE-eV2X是指支持V2X高級業務場景的增強型技術研究階段（R15）。在保持與R14后向兼容性的要求下，進一步提升V2X直連通信模式的可靠性、數據速率和時延性能，以部分滿足V2X高級業務要求。

3GPP標準TS22.886中已經定義了5大類共25個用例的增強V2X業務需求，包括基本需求、車輛編隊行駛、半/全自動駕駛、傳感器信息交互和遠程駕駛。目前正在進行的3GPP V2X第二階段標準研究主要包括了載波聚合、發送分集、高階調制、資源池共享及減少時延、縮短傳輸間隔（TTI）的可行性及增益等增強技術。

3.1.3 5G-V2X標準進展

5G-V2X是指基于5G NR的技術研究階段（16+），用于支持V2X的高級業務場景。5G-V2X與LTE-V2X在業務能力上體現差異化，在5G-V2X支持更先進業務能力，同時結合LTE能力，考慮對LTE-V2X增強。

3GPP已立項（RP 170837）進行仿真方法的研究工作，該立項根據業務場景需求完成TR38.913和TR38.802中仿真方法的制定，包括仿真場景、性能指標和業務模型。

3.2 我國V2X標準發展

近年來，我國在汽車制造、通信與信息、道路基礎設施建設等方面均取得了一定實質性進步，使我國具備推動V2X產業發展的基礎環境，能夠進一步推動V2X技術的產業化發展和應用大范圍推廣。

中國通信標準化協會、中國智能交通產業聯盟等組織高度重視V2X標準的推進工作，已經初步形成覆蓋V2X標準協議棧各層次、各層面的標準體系，如圖2所示。

圖2 國內V2X標準體系

國內各標準組織的相關標準化工作已支持形成我國V2X標準體系，包括應用定義及需求、總體技術要求、關鍵技術、信息安全等多方面。但是，大部分標準是分散在不同的團體組織或行業標準化委員會內，需要相互之間的統籌協調，因此應加快推進形成體系完整的統一國家標準。

4 結束語

自動駕駛技術的實現和推廣，對未來的實際意義是極其巨大的。不僅將駕駛員從繁重的、機械的駕駛任務中解脫出來，降低因駕駛員引起的道路交通安全事故；而且基于大數據和人工智能技術的輔助通信技術，有效提高通行效率和能源利用率。在自動駕駛愿景實現的探索道路上，還有諸多亟待解決的問題。例如，道路測試中，目前缺乏完善的高自動駕駛測試理論和方法，尚未形成覆蓋不同等級自動駕駛的完整測試體系；根據我國人口密集、交通環境復雜的背景特點，已有測試道路和測試場景尚無法滿足各類測試需求等。