数年前、蘇州の試験場でV2Xのシナリオテストを実施していたとき、厄介な問題にぶつかった。テスト車両は路側機から信号機データを受信することができたが、何らかのアクションを起こすまでに常に3～5秒の遅延があった。自律走行シナリオでは、この遅れは致命的だ。時速50キロの場合、車両は5秒で70メートルを通過する。.

問題を突き止めるのに丸1週間かかった。車両ゲートウェイがV2Xメッセージを通常のビジネス・データとして扱い、膨大なセンサー・データ・ストリームと一緒にキューに入れていたことが判明しました。優先度設定を調整したところ、待ち時間は80ミリ秒に短縮されました。問題は解決した。.

この出来事は、車両ゲートウェイとV2X路側機がどのように連携する必要があるのか、私の目を開かせた。今日は、現場からの実践的な洞察を紹介しよう。.

V2Xが実際に解決する問題とは

まずV2Xの意味から説明しよう。V2V（車対車）、V2I（車対インフラ）、V2P（車対歩行者）、V2N（車対ネットワーク）がVehicle-to-Everythingに含まれる。.

自律走行車にはすでにLiDAR、カメラ、ミリ波レーダーが搭載されているのに、なぜV2Xが必要なのかと思う人もいるだろう。現実問題として、車載センサーの通信距離は限られている。LiDARの最大到達距離は200～300メートルだ。カーブや坂道、障害物が加わると、その範囲は急速に狭まる。.

V2Xは見通し線の制限を突破する。交差点に路側機を設置すると、信号機の状態、車両の位置、歩行者の位置をブロードキャストする。車両はこの情報を数百メートル先で受信し、それに応じて計画を立てることができる。.

もう一つの重要なユースケースは、死角警告である。前方の車両が急ブレーキをかけると、V2Xを介してそのイベントがブロードキャストされる。後続車両は、トラックに遮られたとしても警告を受ける。高速道路では非常に便利だ。.

そしてプラトゥーニングだ。複数の自律走行車両がV2X通信を通じて隊列を維持し、速度変更を同期させる。あるいは交差点では、従来の信号機よりも効率的なV2Xを通じて、車両が進路交渉を行う。.

これらのシナリオはすべて、路側機とのインターフェイスに車両ゲートウェイを必要とする。.

DSRCとC-V2X技術の選択

 

 

V2Xには2つの競合規格がある：DSRCとC-V2Xだ。DSRCは北米で普及しているWiFi技術をベースにしている。C-V2Xはセルラーネットワーク技術を活用し、中国やヨーロッパで普及している。.

C-V2Xは2つのモードで動作する。Uuモードは、車両間通信に4G/5G基地局を使用する。PC5モードは、セルラーインフラをバイパスして、車両間または車両と路側機間の直接通信を可能にする。.

衝突警告や交差点管理のようなコアV2Xアプリケーションは、PC5ダイレクトモードに依存している。セルラーのルーティングでは、待ち時間の要件が厳しすぎます。PC5は理論的には20ms以下のレイテンシを実現できます。.

PC5には専用の周波数帯が必要である。中国は5905-5925MHzをV2X専用に20MHzの帯域幅で割り当てている。.

C-V2Xをサポートする車両ゲートウェイには、専用のC-V2Xモジュールが必要です。これらは、どちらも3GPP標準に準拠しているにもかかわらず、標準的な4G/5Gモジュールとは異なり、プロトコル・スタックが異なる。C-V2Xチップセットの主なプレーヤーには、クアルコム、HiSilicon、Datang Telecomなどがある。.

一部のゲートウェイは、4G/5GとC-V2Xモジュールの両方を統合している。4G/5Gは、車両-クラウド接続用のUuモードを処理する。C-V2Xは、車両-インフラおよび車両-車両リンクのPC5を処理します。各モジュールはそれぞれ異なる機能を提供する。.

別の設計では、Uu と PC5 の両方をサポートするデュアルモードモジュールを使用する。コストを節約できるが、性能はトレードオフとなる。.

ロードサイド・ユニットの展開戦略

 

 

ロードサイド・ユニットをどこに、どのように配置するかは、通信性能に劇的に影響する。.

信号交差点は最も一般的な配備である。. .RSUは通常、高さ5～8メートルの信号柱に取り付けられる。RSUは交通信号コントローラに接続し、現在の位相（赤か青か）とカウントダウン・タイマーを決定する。この情報はC-V2X経由でブロードキャストされる。.

ブロードキャスト・レートは通常10Hz、つまり100ミリ秒ごとに1メッセージ。メッセージ内容には、交差点ID、信号位相、カウントダウン、車線情報が含まれる。メッセージ・フォーマットはSAE J2735標準、特にSPAT（信号位相とタイミング）に従う。.

車両ゲートウェイはSPATメッセージを受信すると、解析、検証を行い、ドメインコントローラに転送する。ドメインコントローラは、信号の状態に基づいて交差点の横断を決定する。.

高速道路への配備は2番目の主要カテゴリーである。. .RSUは、急カーブ、長い下り坂、トンネルの入り口など、事故の起こりやすい区間に設置される。道路状況、天候の最新情報、渋滞警報などを放送する。.

高速道路では、より長い通信距離が要求される。標準的な RSU の有効範囲は 300-500 メートルである。高速道路では800メートルから1キロメートルの範囲が必要になる。つまり、アンテナの仕様と送信出力が高くなる。.

キャンパスと鉱業は第3のカテゴリーに属する。. .このような閉ざされた環境では、一般的に高密度の RSU ネットワークが展開される。交通信号や警告だけでなく、RSUは配車を調整する。各車両の位置と速度を把握することで、RSUは交通の流れを調整し、衝突を防ぎます。.

閉鎖環境 RSU は通常、集中配車プラットフォームに接続する。車両ゲートウェイは RSU のブロードキャストを受信するだけでなく、通行権の要求や異常の報告など、積極的に RSU に送信する。.

プロトコル・スタックの詳細

C-V2XのPC5モード・プロトコル・スタック：

物理層とMAC層 は、LTE 技術に特化した最適化機能を活用しています。基地局のスケジューリングを必要とする従来のLTEとは異なり、PC5は中央ノードを持たない分散型です。デバイスはセンシングとリソース予約を通じて自律的に送信機会を選択します。.

ネットワーク層とトランスポート層 通常、V2XメッセージはUDPでカプセル化される。TCPも可能だが、UDPの方がリアルタイムの要件に適している。IPアドレスは、膨大な数のV2Xデバイスを考慮し、通常はIPv6を採用する。.

アプリケーション層 には、実際のV2Xビジネスロジックが含まれる。ここで重要な規格は、SAE J2735とISO TS 19091である。これらはメッセージタイプを定義している：BSM（基本安全メッセージ）、SPAT（信号位相）、MAP（地図データ）、RSI（路側情報）、RSM（路側ユニットメッセージ）。.

各メッセージタイプには詳細なデータ構造の定義がある。例えばBSMには、車両ID、位置、速度、方位、加速度、寸法、方向指示器の状態が含まれる。データはASN.1形式でエンコードされ、およそ200～400バイトに圧縮される。.

車両ゲートウェイがV2Xメッセージを受信すると、いくつかのタスクが実行される：

まず、デコードと検証である。. .メッセージ・フォーマットの正しさとデータの完全性を検証する。暗号化されたメッセージは復号化が必要。.

2つ目はタイムスタンプの検証. .すべてのV2Xメッセージはタイムスタンプを持つ。タイムスタンプが妥当な範囲内にあることを確認する。現在時刻との乖離が大きい場合は、リプレイ攻撃の可能性があります。.

3つ目は位置情報に基づくフィルタリング. .車両は RSU や周辺車両から同時に数十のメッセージを受信する可能性がある。すべてのメッセージに関連性があるとは限らない。位置に基づいてフィルタリングする。例えば、東に向かう車両は西の交差点からの信号機メッセージを無視することができる。.

4番目はドメインコントローラーへの転送. .有用なメッセージを車載イーサネットを通してドメインコントローラーに転送する。転送には、ASN.1フォーマットをJSONやProtobufに変換してドメインコントローラーの処理を容易にするなど、プロトコル変換が必要になる場合がある。.

このシーケンス全体は、通常10ミリ秒以下という極めて短い時間で完了しなければならない。そうでなければ、エア・インターフェースの伝送とドメイン・コントローラーの処理時間が加わり、トータルの待ち時間は限界を超えてしまう。.

レイテンシー予算の割り当て

V2X通信では、エンド・ツー・エンドのレイテンシが厳しく要求される。RSUの送信から車両の受信と応答まで、完全なチェーンは100ミリ秒未満でなければならない。衝突警告のようないくつかのシナリオでは、50ミリ秒が必要です。.

その100msの予算をどう配分するか？

RSU内部処理：5-10ms. .交通信号の受信やデータの収集から、エンコード、パッケージング、V2Xメッセージの送信まで。.

エア・インターフェース伝送：10-20ms. .PC5モードは理論上の待ち時間は少ないが、実際の性能はチャネルの品質、リソースの競合、再送によって変化する。.

車両ゲートウェイの受信と処理10-15ミリ秒. .RF受信からデコード、検証、フィルタリング、転送まで。.

車載イーサネット伝送：5-10ms. .ドメインコントローラへのゲートウェイ。.

ドメインコントローラの処理30-50ミリ秒. .メッセージの解析、知覚結果との融合、プランニングの決定。.

実行待ち時間：10-20ms. .ドメインコントローラからドライブ・バイ・ワイヤ・システムへの制御コマンド、そしてアクチュエータの応答。.

チェーンのどのリンクも厳密な制御が必要だ。車両のゲートウェイは10-15ミリ秒しか考慮しないが、気を抜くことはできない。特に高負荷の場合、ゲートウェイがついていけないとレイテンシが急増する。.

ゲートウェイの処理待ち時間を短縮する方法には、専用のハードウェア・アクセラレーションがあります。V2Xメッセージのデコードと検証をFPGAまたはASICに実装する。また、ゼロコピー、マルチスレッド、ロックフリーキューを使用してソフトウェアアーキテクチャを最適化し、データ移動と待ち時間を最小限に抑えます。.

メッセージ認証とセキュリティ・メカニズム

V2X通信のセキュリティは絶対に欠かせない。攻撃者が「前方に障害物あり」メッセージを偽造すれば、それを受信した車両は急ブレーキをかけ、追突事故を引き起こす可能性がある。信号機のメッセージを偽造し、赤なのに青だと思わせることは、さらに悪い結果を招きます。.

V2Xメッセージにはセキュリティ・メカニズムが必要である。中国と欧州は、PKI（公開鍵基盤）に基づくV2Xセキュリティ認証システムを確立している。.

車両ゲートウェイやRSUを含むすべてのV2Xデバイスは、デジタル証明書を保持している。V2Xメッセージを送信する際、デバイスは秘密鍵で署名します。受信者は証明書を使用して署名を検証し、改ざんされていない正当なデバイスから発信されたメッセージであることを確認します。.

しかし、ここには矛盾がある。デジタル署名の生成と検証には暗号演算が必要であり、それには時間がかかる。256ビットのECDSA署名を検証するには、標準的なCPUで数ミリ秒かかる。車両は1秒間に数百のV2Xメッセージを処理する。その一つ一つを検証していては、レイテンシ・バジェットが吹っ飛んでしまう。.

解決策はハードウェア・アクセラレーションだ。車両ゲートウェイには、並列署名検証が可能な専用のセキュリティ・チップまたは暗号アクセラレータが必要です。クアルコムのV2XチップセットとHiSilicon Balong 5000シリーズは、この暗号アクセラレーション機能を統合している。.

もう一つの問題は、証明書の管理である。V2Xの証明書は長持ちしない。プライバシーとセキュリティのため、各証明書の有効期限は通常数分から数時間である。車両は証明書のバッチを携帯し、ローテーションで使用する。残量が少なくなると、車両は証明書管理システムに新しい証明書を要求する。.

この証明書要求および更新プロセスでは、車両ゲートウェイが4G/5Gネットワークを介してバックエンドシステムと通信する必要がある。そのためゲートウェイは、V2Xメッセージング用のPC5モードと証明書管理用のUuモードの両方をサポートしなければならない。この2つの機能は連携しなければならない。.

カバー範囲と通信信頼性

RSUの有効通信距離は通常300～500メートル。しかし、これは理想的な条件である。実際の使用では多くの制約がある。.

建物の妨害が最大の問題. .高層ビルが立ち並ぶ都市環境では、V2X 信号が遮られたり反射したりする。交差点を曲がる車両は、建物が視線を遮ると、RSUメッセージを失う可能性がある。.

解決策はマルチポイント展開である。交差点では、異なる進入方向をカバーする2-4台のRSUが必要となる。ある方向がブロックされても、他の方向は機能する。しかし、これはインフラコストを増加させる。.

マルチパスフェージングはもう一つの課題. .RSU から車両への信号は、直接経路を通ることもあれば、複数の経路で建物に跳ね返ることもある。複数の経路の信号が組み合わさることで、互いに強め合ったり打ち消し合ったりする。そのため、通信品質が不安定になる。.

C-V2Xの物理層には、OFDM変調やチャネル・コーディングなどの最適化が組み込まれており、マルチパスの影響にある程度対抗できる。しかし、複雑な都市環境は依然として通信の成功率に影響を与えている。.

妨害も無視できない. .V2Xには専用の周波数帯があるとはいえ、同じ周波数で同時に送信する複数のデバイスは干渉する。交通量の多い交差点では、数十台の車両と複数のRSUが同時にブロードキャストすることがある。.

PC5モードには衝突回避機能があり、デバイスは送信前にチャネルを検知し、ビジー状態であれば待機する。しかし、これですべての衝突がなくなるわけではありません。パケットロスは依然として発生します。.

そのため、V2X通信の信頼性が100%に達することはない。一般的な設計目標は、200メートル以内で90～95%のメッセージ受信成功を目指す。残りの5-10%のパケットロスには、アプリケーションレベルのフォールトトレランスが必要です。.

例えば、RSUは信号機メッセージを100ミリ秒ごとに複数回連続して送信する。1つのパケットが落ちても、車両は後続のメッセージを受信する。ドメインコントローラもタイムアウト処理を実装している。V2Xメッセージが届かなくなったら、純粋な視覚ベースの信号機認識に切り替える。.

実際に遭遇したテストの問題

私たちは複数の試験場でV2Xの検証を行い、さまざまな問題にぶつかってきた。.

最初の問題はクロック同期. .V2X メッセージのタイムスタンプにはミリ秒単位の精度が必要です。車両ゲートウェイとRSUの時計が同期していない場合、タイムスタンプの検証は失敗し、メッセージは破棄される。.

RSUは通常、GPSまたはBeiDouをタイミングに使用し、マイクロ秒の精度を実現する。車両ゲートウェイもGPSタイミングを必要としますが、一部のゲートウェイはタイミング信号を接続せずに測位にのみGPSを使用します。これはクロック・ドリフトの原因となります。.

私たちは最終的に、ゲートウェイはGPSタイミングをサポートし、NTPサーバーと定期的に同期することを義務付けました。二重の保険が正確な時間を保証する。.

つ目の問題は座標変換. .V2Xメッセージは、WGS84緯度経度座標の位置データを含む。しかし、ドメイン・コントローラーは通常、車両の現在位置を原点とするローカルのデカルト座標系を使用します。RSU メッセージを受信するゲートウェイは、座標を変換する必要があります。.

座標変換は簡単なように見えるが、高精度が要求される場合、投影誤差、地球の曲率、標高のすべてが問題となる。不正確な座標変換は、ドメインコントローラーがRSUの位置を見誤る原因となり、意思決定に影響を与える可能性がある。.

その後、高精度の座標変換ライブラリをゲートウェイに統合し、複数の座標系と投影をサポートした。また、混乱を避けるため、統一座標系についてドメインコントローラーと合意した。.

3つ目の問題はメッセージの嵐だった。. .交通量の多い大きな交差点や高速道路の料金所のような特定のシナリオでは、各車両がBSMメッセージをブロードキャストする。ゲートウェイは同時に数百のメッセージを受信することがあります。.

すべてのメッセージをドメインコントローラーに転送すると、車載ネットワークが洪水になる。ゲートウェイは集約とフィルタリングをしなければならない。例えば、200メートル以内の車からのメッセージだけを転送し、それ以上遠くのものは無視する。あるいは、メッセージに優先順位をつけ、最も重要なものだけを転送する。.

4つ目の問題はデバイスの互換性. .V2X には標準規格があるが、ベンダーによって実装は異なる。テスト中、特定の RSU ブランドのメッセージが、特定のゲートウェイブランドで解析できないことがわかりました。パケットキャプチャでは、ASN.1エンコーディングのオプションフィールドの処理に一貫性がないことが明らかになりました。.

最終的には、両ベンダーと連絡を取り、実装を標準に合わせる必要があった。このような相互運用性の問題は、大規模なV2X展開の前に解決しなければならない。.

アプリケーション・シナリオによる違い

V2Xアプリケーションはシナリオによって大きく異なる。.

都市部の道路シナリオ 交通信号情報と交差点の衝突警告に重点を置いている。RSUの密度は比較的高く、基本的にすべての信号交差点に配備される。車両ゲートウェイは、消費電力を管理しながら、高頻度のメッセージ受信を処理しなければならない。.

ハイウェイ・シナリオ 前方衝突警告、緊急ブレーキ警告、道路危険警告を強調する。これらのメッセージは、より高い優先度を持ち、より厳しいレイテンシ要件があります。高速道路のV2Xメッセージを処理する際、ゲートウェイは最優先事項を割り当て、他のビジネスデータがそれらをブロックするのを防がなければなりません。.

鉱業と港湾のシナリオ V2Xは安全警告だけでなく、配車にも使用される。RSUは運転指示を出し、車両は指定された位置までコマンドに従う必要があります。これらのシナリオでは、絶対的なV2Xメッセージの信頼性が要求されます。.

通常、確認メカニズムと連動している。配車指示を受けた車両は、V2X 経由で確認メッセージを返信する。RSUが確認を受け取らなかった場合、指示を再送する。このため、車両ゲートウェイは受信と送信の双方向通信をサポートする必要がある。.

キャンパスと公園のシナリオ V2Xは、より低速で、それほど厳しくない安全要件が含まれる。V2Xは、青信号の進行や交差点の協調横断など、交通の流れの効率を最適化することに重点を置くかもしれない。これらのシナリオでは、遅延要件は緩和されますが、死角のない完全なカバレッジが要求されます。.

他のセンサーとの融合

V2X情報は最終的に車載センサーデータと融合する。この融合は通常ドメインコントローラーで行われるが、ゲートウェイも協力しなければならない。.

例えば、カメラが赤信号を検知すると同時に、V2X経由で赤信号のメッセージを受信する。両方のソースが一致していれば、信頼度は高まる。両者が一致しない場合は、カメラの誤認かV2Xメッセージの問題である可能性があり、さらなる判断が必要。.

もう1つのケースは、太陽のまぶしさや車両の障害により、カメラが信号機をはっきりと見ることができない場合です。V2Xが信号機のメッセージを受信すれば、補足情報を提供できる。.

あるいは、死角車両を考えてみよう。LiDARとカメラは死角車両を見逃すかもしれないが、死角車両はBSMメッセージをブロードキャストする。ドメインコントローラーはV2Xデータを融合した後、死角車両の存在を認識し、事前に回避操作を計画する。.

このプロセスの間、ゲートウェイはV2Xメッセージのタイムスタンプがセンサーデータと一致していることを保証しなければならない。すべてのデータは、ドメインコントローラがフュージョン中に同じ瞬間からの異なるソースデータを関連付けることができるように、統一された時間参照が必要です。.

規制・規格への影響

V2Xの導入は、規制や規格に大きく影響される。国や地域によってV2Xの要件は異なる。.

中国はC-V2Xを推進している。MIITは専用周波数帯を割り当て、MOTはV2Xアプリケーション標準を策定している。一部の都市では、新しい道路にはRSUの配備を義務付け、新規登録の商用車にはV2Xデバイスの搭載を義務付けている。.

欧州はこれまでDSRCを推進してきたが、現在はC-V2Xに軸足を移している。欧州委員会は、車両とインフラの相互運用性を要求する統一V2X規格を制定しようとしている。.

米国の状況は複雑だ。FCCは5.9GHz帯の一部をWiFiに割り当て、V2Xには30MHzの帯域幅しか残していない。アメリカの自動車メーカーはC-V2XとDSRCの両方をサポートしている。市場はまだ事態を把握していない。.

車両ゲートウェイについては、異なる地域のV2X標準をサポートすることが必要である。ファームウェアのアップデートによって異なる市場に適応できるソフトウェア設定可能なものが理想的だ。ハードウェア面では、RFフロントエンドが異なる周波数帯域をカバーする必要がある。.

セキュリティ認証もコンプライアンス要件である。中国のCCSAは、V2Xセキュリティ技術仕様を策定した。欧州にも同様の基準がある。ゲートウェイは技術プロトコルをサポートし、対応する認証を取得しなければならない。.

今後の進化の方向性

V2X技術は急速な発展を続けている。5G NR V2Xは、LTE V2Xを大幅に改善した次世代技術である。低遅延、高信頼性、より高速で高密度なトラフィックをサポートする。.

しかし、5G V2X機器のコストはまだ比較的高い。大量商業化には時間がかかる。現在の段階では、LTE V2Xと5G V2Xが共存している。車両ゲートウェイは両方の技術をサポートする必要がある。.

もう一つのトレンドは、V2Xと5Gネットワークの融合である。将来の車両ゲートウェイは、5G Uuモードと5G PC5モードを同時にサポートする単一モジュールを使用し、個別のC-V2Xモジュールを排除する可能性がある。これにより、コストと消費電力が削減される。.

エッジコンピューティングもV2Xと統合されつつある。RSUはもはや単なるブロードキャスト・ノードではなく、コンピューティング機能を獲得している。RSUは複数の車両データを集約し、ローカルな調整を決定し、その結果をV2X経由で配信することができます。車両ゲートウェイは、より複雑な相互作用を処理しなければならない。.

ここ数年、V2Xプロジェクトに参加してきた経験から言うと、技術自体はかなり成熟している。最大の課題は大規模展開にある。RSUインフラのコスト、車両装備の料金、異なるベンダー間の相互運用性など、これらの問題を解決するには時間が必要だ。しかし、方向性は明確だ。V2Xはインテリジェントなコネクテッドカーの標準装備となり、車両ゲートウェイとRSUの連携はますます重要になるだろう。.