汽车自动驾驶和V2X标准进展现状

吕玉琦，丁启枫，杜 昊，刘瑞婷

（国家无线电监测中心检测中心，北京 100041）

1 引言

自动驾驶正成为时下最时髦的关键词，那么，何为自动驾驶？根据我国工信部、公安部、交通部于2018年4月3日联合发布的《关于印发智能网联汽车道路测试管理规范（试行）》，将智能网联汽车、智能汽车、自动驾驶汽车视作同一个概念，并给出定义：搭载先进的车载传感器、控制器、执行器等装置；并融合现代通信与网络技术，实现车与X智能信息交换、共享；具备复杂环境感知、智能决策、协同控制等功能；可实现安全、高效、舒适、节能行驶，并最终可实现替代人来操作的新一代汽车。对自动驾驶汽车的研究可以追溯到20世纪50年代，美国Barrett Electronics公司开发出的世界上第一台自动引导车辆系统。20世纪80年代，伴随着计算机技术和机器人计算的崛起，电子、通信技术的飞速发展，相关领域掀起对智能机器人的研究热潮。几乎同时诞生于19世纪末的汽车技术和无线通信技术在21世纪出现了融合趋势，通过无线通信技术将大量汽车、基础设施、行人、云连接起来，形成一种大范围、全方位发挥作用的综合运输和管理体系。自动驾驶汽车的实际应用能够从不同角度实现汽车的安全高效行驶，有望降低交通事故的发生概率；提高道路利用率，缓解交通压力；提高驾驶员方便性，减轻驾驶员在驾驶过程中的负担。

2 自动驾驶实现阶段及关键技术

2.1 实现阶段

自动驾驶汽车的基本功能需要通过感知、决策和控制阶段实现，即感知→决策→执行。感知系统又称“中层控制系统”，负责周围环境感知、识别和分析；决策系统又称“上层控制系统”，负责路径规划和导航；执行系统又称“底层控制系统”，负责加速、刹车和转向等操作。

2.1.1 感知系统

感知系统扮演自动驾驶汽车的“眼睛”角色，通过多传感器分工合作，收集周围环境的数据信息，传感器包括光学摄像头、光学雷达、微波雷达、导航系统等。

2.1.2 决策系统

决策系统基本功能的实现，需要自动驾驶汽车、高精度地图（又称高清数字地图）以及V2X通信网络的协作支持。

其中，高精度地图实现路线规划和实时导航功能。高精度地图在精确度、信息量方面上与普通地图存在较大差异，不同于普通地图的粗糙简单，其精度通常在厘米级，以立体三维视图呈现道路信息（包括车道线、周围设施的坐标位置等行车辅助信息），且会收集道路激光雷达信息确定当前车辆的位置信息。

同时，路线规划需要V2X通信网络的支持。自动驾驶汽车主动或被动获取信号灯、道路拥堵情况等信息，在很大程度上避免事故的发生。

2.1.3 执行系统

执行系统是底层控制系统，通过“线控装置”和子系统相互配合，实现稳定、准确地刹车、加速、转向等具体操作。

其中，“线控装置”用来控制方向盘和油门，替代人在即使过程中手和脚的作用。而子系统包括引擎控制单元（ECU）、制动防抱死系统（ABS）、自动变速箱控制系统（TCU）等。

2.2 关键技术

自动驾驶汽车的感知、决策和控制阶段，主要通过“自主式”和“网联式”两大技术路线实现。

2.2.1 “自主式”驾驶技术

“自主式”驾驶以传感器技术为基础，其核心在于通过传感器来实现对周围环境信息的感知。传感器在类别上主要包括摄像头、毫米波雷达、超声波传感器、激光雷达等设备。其中：摄像头的功能在一定程度上与眼睛类似，可以获取一定范围内的图像信息并将其传输至处理系统；激光雷达是自动驾驶领域技术发展最成熟的传感器，多安装在汽车顶部，通过高速旋转获取周围空间的点云数据，实时绘制一定范围内的三维空间地图；毫米波雷达是自动驾驶领域技术相对成熟的传感器，具有波长短、频带宽、穿透能力强的特点，能够准确地探测到与附近车辆之间的距离。

2.2.2 “网联式”驾驶技术

“网联式”驾驶，是指利用V2X等通信、网联技术与其他车辆、行人、路侧交通设施及云进行通信，将信息通过云端进行信息融合和整体决策后再下发到车辆上，从而实现车-车、车-人、车-路边单元的协同控制驾驶模式。在高速移动场景下，“网联式”驾驶汽车的信息采集能力具有良好的稳定性和抗干扰能力，能够在行驶安全、驾乘体验和交通效率方面实现改进。

V2X是指通过蜂窝网络或直连通信辅助完成自动驾驶的技术，包括LTE-V2X和5G-V2X。基于车辆优先级、绝对速度和相对速度等信息，LTEV2X和5G-V2X能够实现对控制信号占用资源的动态调整；当处于紧急情况下，借助增强型多媒体机制分发安全信息，能够降低车辆节点发送频率，避免拥堵。

2.2.3 “自主式”+“网联式”驾驶技术

尽管自主式驾驶与网联式驾驶都可实现汽车的自动驾驶，但仅依靠各自的单一技术发展存在一定局限性，包括：“自主式”驾驶，传感器设备性能受到不同因素影响，摄像头会受环境影响导致信息识别率较低，毫米波雷达存在难以识别目标且探测角度比较小等；“网联式”驾驶，技术发展尚且不成熟，车联网通信技术没有真正落地，汽车厂商对新型技术的导入相对谨慎缓慢等。

“自主式”+“网联式”驾驶融合重组是自动驾驶的必然形态，能够极大程度提升自动驾驶的安全性能保障。一方面，有利于提升汽车的智能化和网联化，使两者的功能互补；另一方面，两者融合能够使得汽车拥有“大脑”、“眼睛”、“耳朵”、“嘴巴”等，确保汽车获取全面、及时且有效的信息。

3 V2X通信技术标准进展

3.1 3GPP

3GPP为汽车智能通信进行了标准研究和开发，目前已经取得了一定进展。3GPP对V2X的标准化可以分为3个阶段，如图1所示。支持LTE-V2X的3GPP R14版本标准于2017年完成相应的制定工作；支持LTE-V2X增强（LTE-eV2X）的3GPP R15版本标准于2018年完成；而支持5G-V2X的3GPP R16+版本标准已于2018年6月启动研究，完成后将与LTEV2X/LTE-eV2X形成完善互补。

图1 3GPP V2X标准研究进展

3.1.1 LTE-V2X标准进展

3GPP R14版本中针对LTE-V2X标准化的研究工作，主要包括业务需求、系统架构、空口技术和安全研究四个方面。一是业务需求方面。对包含车-车、车-路、车-人、车-云平台的27个用例和LTEV2X支持的业务要求进行定义。二是系统架构方面。对在PC5接口的Prose和Uu接口的LTE蜂窝通信的架构基础上增强支持V2X业务进行定义，并明确增强结构至少要支持采用PC5传输的V2X业务和采用LTE-Uu的V2X业务。三是空口技术方面。对PC5接口的信道结构、同步过程、资源分配、同载波和相邻载波间的PC5和Uu接口共存、无线资源控制（RRC）信令和相关的射频指标及性能要求等，并且，研究了如何通过增强Uu传输与PC5传输来支持基于LTE的V2X业务。四是安全方面。对支持V2X业务的LTE架构增强的安全方面进行研究。

3.1.2 LTE-eV2X标准进展

LTE-eV2X是指支持V2X高级业务场景的增强型技术研究阶段（R15）。在保持与R14后向兼容性的要求下，进一步提升V2X直连通信模式的可靠性、数据速率和时延性能，以部分满足V2X高级业务要求。

3GPP标准TS22.886中已经定义了5大类共25个用例的增强V2X业务需求，包括基本需求、车辆编队行驶、半/全自动驾驶、传感器信息交互和远程驾驶。目前正在进行的3GPP V2X第二阶段标准研究主要包括了载波聚合、发送分集、高阶调制、资源池共享及减少时延、缩短传输间隔（TTI）的可行性及增益等增强技术。

3.1.3 5G-V2X标准进展

5G-V2X是指基于5G NR的技术研究阶段（16+），用于支持V2X的高级业务场景。5G-V2X与LTE-V2X在业务能力上体现差异化，在5G-V2X支持更先进业务能力，同时结合LTE能力，考虑对LTE-V2X增强。

3GPP已立项（RP 170837）进行仿真方法的研究工作，该立项根据业务场景需求完成TR38.913和TR38.802中仿真方法的制定，包括仿真场景、性能指标和业务模型。

3.2 我国V2X标准发展

近年来，我国在汽车制造、通信与信息、道路基础设施建设等方面均取得了一定实质性进步，使我国具备推动V2X产业发展的基础环境，能够进一步推动V2X技术的产业化发展和应用大范围推广。

中国通信标准化协会、中国智能交通产业联盟等组织高度重视V2X标准的推进工作，已经初步形成覆盖V2X标准协议栈各层次、各层面的标准体系，如图2所示。

图2 国内V2X标准体系

国内各标准组织的相关标准化工作已支持形成我国V2X标准体系，包括应用定义及需求、总体技术要求、关键技术、信息安全等多方面。但是，大部分标准是分散在不同的团体组织或行业标准化委员会内，需要相互之间的统筹协调，因此应加快推进形成体系完整的统一国家标准。

4 结束语

自动驾驶技术的实现和推广，对未来的实际意义是极其巨大的。不仅将驾驶员从繁重的、机械的驾驶任务中解脱出来，降低因驾驶员引起的道路交通安全事故；而且基于大数据和人工智能技术的辅助通信技术，有效提高通行效率和能源利用率。在自动驾驶愿景实现的探索道路上，还有诸多亟待解决的问题。例如，道路测试中，目前缺乏完善的高自动驾驶测试理论和方法，尚未形成覆盖不同等级自动驾驶的完整测试体系；根据我国人口密集、交通环境复杂的背景特点，已有测试道路和测试场景尚无法满足各类测试需求等。