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下世代車聯網技術應用趨勢
整合多方資訊 兼顧駕駛安全及體驗

【作者: 曾蕙如】   2018年04月16日 星期一

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由於科技及經濟的快速成長,人類對擁有車的需求更為強烈,同時也造成安全、壅塞、污染等全球面臨的行車環境三大議題,迫使各國政府機構及汽車產業積極投入車聯網技術的開發,以共同邁向潔淨、安全及舒適/便捷之行車環境新願景。


車聯網(Internet of Vehicles, IoV)把人、車、路、雲端平台串聯在一起,其運作原理是讓車輛彼此能夠「溝通」,並以服務創新模式導向,藉由汽車將人、車、油、貨、客、路況等無縫連結,更可進一步進行大數據的管理和運用。針對歐美車聯網政策發展近況方面,歐盟政府於2016年11月在比利時布魯塞爾宣布C-ITS Strategy正式啟動,此策略為歐盟正式邁向cooperative, connected and automated mobility的初始里程碑,為2019年歐盟道路車輛能彼此並與交通基礎設施通訊,運用ETSI(European Telecommunications Standards Institute) ITS G5與Cellular通訊技術,並結合C-ROADS與C-ITS Platform成果,預計於2018年將C-ITS服務納入歐盟層級之法規框架(legal framework)。


美國方面,2016年12月美國交通部發布NPRM法規制定通知,將立法強制新小型車輛具備V2V通訊技術,並附上法規影響評估報告,其中預估2023年出廠輕型車輛V2V通訊技術普及率將達到100%。此外,美國交通部於2015年至2020年進行WAVE 1與WAVE 2兩階段之Connected Vehicles Pilot Deployment (CVPD)試煉場域建置計畫,並已於2015年9月宣布CVPD WAVE1計畫獲補助城市,包括New York City、Tampa,以及Wyoming。美國州公路及運輸協會(AASHTO)於2016年12月啟動國家級Signal Phase & Timing (SPaT) Challenge,採用DSRC技術,目標為2020年境內50州每個州至少有20個SPaT智慧時相路口,並發布SPaT Implementation Guidance,鼓勵各州投入智慧時相路口建置,目前California, Arizona, Utah, Michigan, Pennsylvania, Virginia等州已完成SPaT建置。


車間通訊技術及應用

為達到有效的交通事故預防與安全警示以提高車輛行駛的安全性,車間通訊環境對於資訊傳遞延遲時間的要求特別嚴苛,因此V2X通訊技術因應而生。美國聯邦通訊委員會(FCC)於1999年決定將5.9GHz (5.850-5.925GHz)頻段分配予汽車通訊使用。圖1為美國5.9GHz DSRC的頻段規劃,其以10MHz頻寬為單位,將75MHz頻寬劃分成7個頻道,頻道178為控制頻道(CCH),其餘6個頻道為服務頻道(SCH),其包含2個公共安全專用服務頻道(頻道172為車與車間公共安全專用服務頻道,頻道184為交叉路口公共安全專用服務頻道),2個中距離公共安全/私用共享服務頻道(頻道174與176),以及2個短距離公共安全/私用共享服務頻道(頻道180與182)。



圖1 : 美國5.9GHz DSRC頻段規劃(source:IEEE 802.11 WAVE SG)
圖1 : 美國5.9GHz DSRC頻段規劃(source:IEEE 802.11 WAVE SG)

美國材料試驗學會(ASTM)於2003年將新版標準E2213-03送交FCC,經同意後成為北美地區DSRC標準。此外ASTM亦將該標準推往電機電子工程師協會(IEEE)以促成IEEE 802.11p標準的誕生,而此標準已於2012年整合至IEEE 802.11標準中。


美國交通部所規範之V2X應用可參考圖2,其中許多高優先權安全性應用之通訊範圍與延遲時間需求,大部份所要求之延遲時間低於0.1秒,而碰撞前感測應用則更進一步要求其低於0.02秒。相較於現有的藍牙(Bluetooth)、無線區域網路(WLAN)、蜂巢式通訊系統(Cellular System)、無線都會網路(WMAN)、衛星通訊等無線通訊技術,WAVE/DSRC具有低傳輸延遲(0.002秒)、高傳輸距離(1000公尺)與高傳輸速度(27Mbps)等特性,不但能夠符合上述行車環境安全性應用之需求,更因而被視為車間通訊的最佳無線傳輸技術,使用於提供安全與非安全性的行車服務應用。



圖2 : V2X應用 (source:U.S. DOT)
圖2 : V2X應用 (source:U.S. DOT)

國際車間通訊標準制定趨勢

IEEE 1609標準制定趨勢

美規車間通訊技術底層採用IEEE 802.11p標準,而上層則採用IEEE 1609系列標準。圖3為IEEE 1609標準架構圖,對應至開放系統互連參考模型,IEEE 802.11p標準制定實體層(PHY)與資料鏈結層中的媒介存取控制層(MAC)之通訊協定,而媒介存取控制層中的多頻道運作至應用層之通訊協定則由IEEE 1609各個子標準所規範制定。


子標準介紹


(1) IEEE 1609.0 (Architecture):描述WAVE/DSRC架構與提供多通道WAVE/DSRC裝置於移動車載環境的服務。


(2) IEEE 1609.2 (Security Services):定義WAVE裝置使用的安全訊息封包格式及其處理程序,包含WAVE管理訊息與應用訊息的安全保護方式,其亦描述必要的管理功能以提供核心安全性功能,並搭配美國交通部所推動的安全憑證管理系統。


(3) IEEE 1609.3(Networking Services):定義WAVE裝置管理與資料服務,並建立WAVE短訊協定(WAVE Short Message Protocol, WSMP)。同時,IEEE 1609.3可向後相容傳統網際網路之通訊協定,如IP、UDP及TCP等現行網路服務常用的通訊協定。


(4) IEEE 1609.4(Multi-channel Operation):描述多通道無線電運作、WAVE模式、媒體存取控制及實體層,包含控制通道與服務通道區間時間的運作、優先存取的參數,以及通道切換的規範及管理服務。


(5) IEEE 1609.6(Remote Management Services):歸類於應用層,提供可相互操作服務以管理WAVE裝置。其主要描述一遠端管理服務,包含WAVE裝置的識別服務,並採用IEEE 1609.3標準定義之WAVE管理服務及WSMP識別服務。


(6) IEEE 1609.11(Over-the-Air Electronic Payment Exchange Protocol for Intelligent Transport Systems):具體描述付款與身分確認所需的電子付款服務層及配置,並描述WAVE/DSRC應用的付款傳送機制。此標準並未完整定義電子付款服務之應用層協定,其主要功能為定義介接ISO組織所訂立的電子付款應用層標準與IEEE 1609.3的功能介面與必要資訊轉換處理。


(7) IEEE 1609.12 (Identifier Allocations):描述IEEE 1609系列標準中所使用的提供服務識別值定義。其列出現行WAVE系統中ID分配之規範,及目前已分配使用的ID值。



圖3 : IEEE 1609標準架構
圖3 : IEEE 1609標準架構

ETSI TC-ITS標準制定趨勢

歐洲方面,歐洲電信標準組織(European Telecommunications Standard Institute, ETSI)為EC(European Commission)官方認可的歐洲標準發展組織,ETSI TC-ITS以發展智慧型運輸架構相關標準為主要目的,其標準制定架構如圖4所示,ETSI TC-ITS由5個WG組成,各個WG簡述如下:


(1) WG1(Application Requirements and Services):規範ITS中基礎應用之需求與服務,並制定Applications與Facilities兩層之通訊協定。


(2) WG2(Architecture and Cross Layer):發展適合所有ITS之通訊架構與跨層管理協定,並扮演歐洲ITS通訊架構之協調者角色。


(3) WG3(Transport and Network):規範Networking和Transport兩層之協定,並利用車載網路特有之地理位置資訊特性,發展制定GeoNetworking及IPv6相關協定。


(4) WG4(Media and Medium related):規範MAC和PHY兩層相關之標準,其將歐洲ITS使用的頻譜劃分為ITS-G5A、ITS-G5B與ITS-G5C三個部分,並兼顧其中的相容性。


(5) WG5(Security):制定ITS相關的安全性議題,筆者自2014年4月擔任WG5副主席職務迄今,協助規劃與推動ETSI ITS通訊安全標準制定方向,負責TR 102 893 TVRA安全標準制定,此草案為車載安全通訊標準制定之基準,規範車載環境中威脅、弱點與風險分析,該草案已於2017年3月正式出版,並推動惡意行為偵測(Misbehavior Detection)新工作項目TR 103 460成立,並為此工作項目之負責人。


歐洲標準化委員會(European Committee for Standardization, CEN)與ETSI於2014年2月ETSI ITS Workshop宣佈協同式智慧型運輸系統(C-ITS)第一版標準正式發佈,其主要依據2009年歐盟指令(Mandate M/453),希望滿足不同製造商所生產之設備能彼此與道路系統通訊之需求,達到day-one application布建之成熟度,而目前ETSI目前正著手制定第二版標準,主要涵蓋更多使用案例,包括自動跟車、協同式可適應性巡航控制(C-ACC),以及弱勢道路使用者(VRU)等。



圖4 : ETSI TC-ITS標準制定架構(source:ETSI EN 302 665)
圖4 : ETSI TC-ITS標準制定架構(source:ETSI EN 302 665)

3GPP V2X標準制定趨勢

3GPP(3rd Generation Partnership Project)為主要制定蜂巢式電信網路科技,包含無線接取技術、核心傳輸網路以及服務能力,從編碼技術、加密技術以及服務品質保證等議題皆提供完整定義與系統規範。3GPP下有4個技術規範委員會,分別為RAN、SA、CT與GERAN。


自2015年2月,SA委員會下的第1工作群,簡稱為SA1,其專責定義服務規範委員會,開始定義與討論LTE支援V2X服務應用的議題,目前SA1已完成V2X於LTE服務中相關的需求定義,制訂22項使用案例,分屬為車對車、車對路側、車對網路,以及與車對行人,SA2也陸續完成定義服務架構與網路存取的規範討論,包含2項群組識別碼與PC5介面規格制定、3G WCDMA、4G LTE、5G NR終端設備的近端通訊之規格制定。


ISO TC 204標準制定趨勢

ISO(International Organization for Standardization)是由世界各國國家標準制定機構代表與工商業廠商所成立的國際標準組織制定機構,目前共有161個國家會員,其中由119個full members,39個correspondent members,以及3個subscriber members組成。ITS相關的TC204於1992年成立,負責路運中有關資訊、通訊與控制的標準制定,並涵蓋ITS的相關應用,如旅行資訊、交通管理、大眾運輸、商業運輸、緊急服務與商業服務等,目前ISO TC 204 WG14標準組織已開始進行自動駕駛相關標準制定(圖5),包括自動代客停車系統、低速自動駕駛車輛,以及自動卡車列隊行駛系統等。



圖5 : ISO TC 204 WG14標準發展藍圖(source:ISO TC 204 WG14會議)
圖5 : ISO TC 204 WG14標準發展藍圖(source:ISO TC 204 WG14會議)

車間通訊產品研發與建置現況

隨著車間通訊標準的制定,各家廠商陸續開發出符合歐美規標準的車載設備與路側設備。例如工研院車載通訊組件(ITRI WAVE/DSRC Communications Units, IWCU)是為提供智慧型運輸系統及提升道路安全性而發展出的一套整合型無線通訊通道系統,符合美規標準IEEE 802.11p/1609、歐規ETSI與SAE J2735的產品。


基於上述車載通訊組件,工研院最新研發iRoadSafe智慧道路安全警示系統(圖7),為國際首套V2X系統解決方案,不但符合美國V2V Mandate應用趨勢,更創新結合路側通訊、路側感測與路側看板,克服V2V裝機普及率問題,提供所有用路人車V2V完整安全警示能力,目前已於全台多處建置示範場域。



圖6 : 工研院iRoadSafe智慧道路安全警示系統架構圖(source:ITRI)
圖6 : 工研院iRoadSafe智慧道路安全警示系統架構圖(source:ITRI)

結論

歐盟宣布C-ITS Strategy啟動與美國發布NPRM法規制定通知,加上各大車廠如Toyota、Mercedes Benz、Volkswagens、Honda及Ford等皆已投入大量資訊進行技術研發與設備車輛整裝測試,台灣的ICT產業具備良好的切入機會,未來人、車、路與環境的終端設備、服務中心、服務設施、路側設備等將透過異質網路無縫整合,使分散的資訊得以融合,促使用車人與車輛及周遭環境的互動。未來整合多方資訊,同時兼顧駕駛安全及使用者體驗,將成為下世代車聯網V2X技術發展之一大挑戰。


(本文作者曾蕙如為台灣資通產業標準協會TC8工作組組長暨工研院資通所車載資通訊與控制系統組車載資通訊系統設計與驗證部副經理)


車聯網與自動駕駛委員會組織簡介



圖7
圖7

針對車聯網通訊產業標準推動方面,台灣資通產業標準協會於2016年11月10日正式成立車聯網與自動駕駛委員會,此委員會主要為針對次世代智慧交通以及車聯網所帶動的V2X與自動駕駛發展,制定與國際接軌的產業共通標準,強化產業上下游的整合,以提升整體產業競爭力,後續將導入國際V2X通訊標準作為國內車聯網通訊產業標準制定之依據。


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