Пару лет назад, проводя испытания сценариев V2X на полигоне в Сучжоу, мы столкнулись с неприятной проблемой. Тестовые автомобили могли получать данные о светофорах от придорожных устройств, но всегда наблюдалась 3-5-секундная задержка перед началом каких-либо действий. В сценариях автономного вождения такая задержка смертельно опасна. На скорости 50 км/ч автомобиль преодолевает 70 метров за 5 секунд - и это уже после красного сигнала светофора.

Нам потребовалась целая неделя, чтобы отследить проблему. Оказалось, что автомобильный шлюз рассматривал сообщения V2X как обычные рабочие данные, ставя их в очередь вместе с массивными потоками данных датчиков. Как только мы изменили настройки приоритетов, задержка снизилась до 80 миллисекунд. Проблема решена.

Этот инцидент открыл мне глаза на то, как автомобильные шлюзы и придорожные устройства V2X должны работать вместе. Сегодня я поделюсь с вами некоторыми практическими соображениями.

Какую проблему на самом деле решает V2X

Давайте начнем с того, что означает V2X. Понятие Vehicle-to-Everything включает в себя V2V (vehicle-to-vehicle), V2I (vehicle-to-infrastructure), V2P (vehicle-to-pedestrian) и V2N (vehicle-to-network).

Некоторые задаются вопросом, зачем автономным автомобилям нужен V2X, если они уже оснащены LiDAR, камерами и радарами миллиметровых волн. Реальность такова, что бортовые датчики имеют ограниченный радиус действия. Максимальная дальность действия LiDAR составляет около 200-300 метров. Если добавить повороты, холмы или препятствия, радиус действия быстро уменьшится.

V2X преодолевает ограничения прямой видимости. Установите придорожное устройство на перекрестке, и оно будет передавать информацию о состоянии светофора, положении автомобилей и местонахождении пешеходов. Транспортные средства могут получать эту информацию на расстоянии сотен метров и планировать соответствующим образом.

Еще один ключевой вариант использования - предупреждение о слепых зонах. Когда впереди идущий автомобиль резко тормозит, он передает это событие по каналу V2X. Следующие автомобили получают предупреждение, даже если они заблокированы грузовиком. Очень полезно на автомагистралях.

А еще есть взвод. Несколько автономных автомобилей поддерживают строй и синхронно меняют скорость с помощью связи V2X. А на перекрестках автомобили договариваются о праве проезда через V2X - эффективнее, чем традиционные светофоры.

Все эти сценарии требуют наличия автомобильных шлюзов для взаимодействия с придорожными устройствами.

Выбор между технологиями DSRC и C-V2X

 

 

У V2X есть два конкурирующих стандарта: DSRC и C-V2X. DSRC основан на технологии WiFi, популярной в Северной Америке. C-V2X использует технологию сотовых сетей, которая набирает обороты в Китае и Европе.

C-V2X работает в двух режимах. Режим Uu использует базовые станции 4G/5G для связи между автомобилями и облаком. Режим PC5 обеспечивает прямую связь между автомобилями или между автомобилями и придорожными устройствами, минуя сотовую инфраструктуру.

Основные приложения V2X, такие как предупреждение о столкновении и управление перекрестками, работают в прямом режиме PC5. Требования к задержке слишком жесткие для сотовой маршрутизации. Теоретически PC5 может достичь задержки менее 20 мс.

Для PC5 требуется выделенный спектр. Китай выделил 5905-5925 МГц с полосой 20 МГц исключительно для использования V2X.

Автомобильные шлюзы, поддерживающие C-V2X, нуждаются в специализированных модулях C-V2X. Они отличаются от стандартных модулей 4G/5G, несмотря на то, что оба соответствуют стандартам 3GPP - стек протоколов разный. Основными игроками на рынке чипсетов C-V2X являются Qualcomm, HiSilicon и Datang Telecom.

В некоторых шлюзах интегрированы модули 4G/5G и C-V2X. 4G/5G работает в режиме Uu для связи транспортного средства с облаком. C-V2X работает в режиме PC5 для связи "автомобиль-инфраструктура" и "автомобиль-автомобиль". Каждый модуль выполняет свои функции.

В альтернативных вариантах используются двухрежимные модули, поддерживающие как Uu, так и PC5. Это снижает стоимость, но приводит к снижению производительности.

Стратегии развертывания дорожных подразделений

 

 

Место и способ размещения придорожных устройств существенно влияют на эффективность связи.

Чаще всего на перекрестках устанавливаются светофоры.. RSU обычно устанавливаются на сигнальных столбах высотой 5-8 метров. Они подключаются к контроллерам светофоров для определения текущей фазы - красной или зеленой - и таймеров обратного отсчета. Эта информация передается по каналу C-V2X.

Частота вещания обычно составляет 10 Гц, то есть одно сообщение каждые 100 миллисекунд. Содержание сообщения включает в себя идентификатор перекрестка, фазу сигнала, обратный отсчет времени, информацию о полосе движения. Формат сообщений соответствует стандарту SAE J2735, в частности SPAT (Signal Phase and Timing).

Когда автомобильные шлюзы получают сообщения SPAT, они анализируют их, проверяют, а затем передают контроллерам домена. Контроллеры домена принимают решения о пересечении перекрестков на основании состояния сигналов.

Развертывание автодорог - вторая основная категория. RSU устанавливаются на аварийно-опасных участках, таких как резкие повороты, длинные спуски, въезды в тоннели. Они передают информацию о состоянии дорог, погоде, предупреждают о заторах.

Скоростные трассы требуют большей дальности связи. Стандартный радиус действия RSU составляет 300-500 метров. На автомагистралях может потребоваться покрытие от 800 метров до 1 километра. Это означает более высокие характеристики антенны и мощность передачи.

Кампусы и горнодобывающие предприятия представляют собой третью категорию. В таких закрытых средах обычно развертываются плотные сети RSU. Помимо светофоров и предупреждений, RSU координируют отправку транспортных средств. Зная положение и скорость каждого автомобиля, RSU организуют транспортный поток, чтобы предотвратить конфликты.

RSU с закрытой средой обычно подключаются к централизованным диспетчерским платформам. Автомобильные шлюзы не только принимают сообщения RSU, но и активно передают их RSU - запрашивают права на проезд, сообщают об аномалиях.

Детали стека протоколов

Стек протоколов режима PC5 в C-V2X, снизу вверх:

Физический и MAC-уровни использование технологии LTE с помощью специальных оптимизаций. В отличие от традиционного LTE, требующего планирования работы базовой станции, PC5 является распределенным, без центрального узла. Устройства автономно выбирают возможности передачи данных с помощью зондирования и резервирования ресурсов.

Сетевой и транспортный уровни Обычно сообщения V2X инкапсулируются в UDP. Можно использовать TCP, но UDP лучше соответствует требованиям реального времени. IP-адресация обычно использует IPv6, учитывая огромное количество устройств V2X - IPv4 не подходит.

Прикладной уровень содержит реальную бизнес-логику V2X. Ключевыми стандартами здесь являются SAE J2735 и ISO TS 19091. Они определяют типы сообщений: BSM (базовое сообщение безопасности), SPAT (фаза сигнала), MAP (данные карты), RSI (информация о дороге), RSM (сообщение о дорожной единице).

Каждый тип сообщения имеет подробное определение структуры данных. Например, BSM содержит идентификатор транспортного средства, положение, скорость, курс, ускорение, габариты, состояние сигнала поворота. Данные кодируются в формате ASN.1 и сжимаются до 200-400 байт.

Когда автомобильные шлюзы получают сообщения V2X, выполняется несколько задач:

Во-первых, это декодирование и проверка. Проверьте правильность формата сообщения и целостность данных. Зашифрованные сообщения требуют расшифровки.

Вторая - проверка временной метки. Все сообщения V2X содержат временные метки. Убедитесь, что временная метка находится в разумных пределах. Большое отклонение от текущего времени говорит о возможной атаке воспроизведения - отбросьте сообщение.

Третье - фильтрация на основе местоположения.. Транспортные средства могут одновременно получать десятки сообщений от RSU и окружающих автомобилей. Не все сообщения являются релевантными. Фильтруйте их на основе местоположения. Например, автомобиль, движущийся на восток, может игнорировать сообщения о светофорах на западных перекрестках.

Четвертый - пересылка на контроллер домена. Перенаправление полезных сообщений через бортовой Ethernet на контроллер домена. Перенаправление может потребовать преобразования протокола, например, преобразования формата ASN.1 в JSON или Protobuf для упрощения обработки контроллером домена.

Вся эта последовательность должна выполняться за очень короткое время, обычно менее 10 миллисекунд. В противном случае, если добавить время передачи данных по воздушному интерфейсу и время обработки контроллером домена, общая задержка превысит допустимые пределы.

Распределение бюджета на задержку

Связь V2X требует строгих требований к сквозной задержке. От передачи данных RSU до приема и ответа транспортного средства вся цепочка не должна превышать 100 миллисекунд. Некоторые сценарии, например предупреждение о столкновении, требуют 50 миллисекунд.

Как распределить эти 100 мс?

Внутренняя обработка RSU: 5-10 мс. От приема сигнала светофора или сбора данных до кодирования, упаковки и отправки V2X-сообщения.

Передача данных по воздушному интерфейсу: 10-20 мс. Режим PC5 имеет низкую теоретическую задержку, но фактическая производительность зависит от качества канала, конфликтов ресурсов, ретрансляций.

Прием и обработка данных автомобильного шлюза: 10-15 мс. От приема радиосигнала до декодирования, проверки, фильтрации и пересылки.

Передача данных по Ethernet в автомобиле: 5-10 мс. Шлюз к контроллеру домена.

Обработка контроллера домена: 30-50 мс. Разбор сообщения, объединение с результатами восприятия, принятие решений по планированию.

Задержка выполнения: 10-20 мс. Команды управления от контроллера домена к системе drive-by-wire, затем реакция привода.

Каждое звено цепи требует жесткого контроля. На шлюзы автомобилей приходится всего 10-15 мс, но и они не могут халтурить. Особенно при высокой нагрузке, если шлюз не справляется, задержка возрастает.

Методы уменьшения задержки обработки шлюза включают специализированное аппаратное ускорение. Реализуйте декодирование и проверку сообщений V2X в FPGA или ASIC - это намного быстрее, чем программная обработка. Также оптимизируйте архитектуру программного обеспечения, используя нулевое копирование, многопоточность, очереди без блокировки, чтобы минимизировать перемещение данных и время ожидания.

Механизмы аутентификации и безопасности сообщений

Безопасность связи V2X абсолютно важна. Если злоумышленники подделают сообщение “препятствие впереди”, автомобили, получившие его, начнут экстренно тормозить, что может привести к столкновению сзади. Подделка сообщений светофора, заставляющая автомобили думать, что горит зеленый, а на самом деле красный, приводит к еще более серьезным последствиям.

Сообщения V2X требуют механизмов безопасности. В Китае и Европе созданы системы сертификации безопасности V2X, основанные на PKI (Public Key Infrastructure).

Каждое устройство V2X, включая автомобильные шлюзы и RSU, имеет цифровой сертификат. При отправке сообщений V2X устройства подписывают их с помощью закрытых ключей. Получатели используют сертификаты для проверки подписей, подтверждая, что сообщения исходят от легитимных устройств без подделок.

Но здесь возникает конфликт. Создание и проверка цифровой подписи требуют криптографических операций, которые занимают много времени. Проверка 256-битной подписи ECDSA занимает несколько миллисекунд на стандартных процессорах. Автомобили обрабатывают сотни сообщений V2X в секунду. Проверка каждого из них приведет к сокращению бюджета задержки.

Решение заключается в аппаратном ускорении. Автомобильные шлюзы нуждаются в специальных чипах безопасности или криптоускорителях, способных параллельно проверять подписи. Чипсеты Qualcomm V2X и HiSilicon Balong серии 5000 интегрируют такую возможность криптоускорения.

Еще одна проблема - управление сертификатами. Сертификаты V2X не могут быть долговечными. Для обеспечения конфиденциальности и безопасности каждый сертификат обычно действует от нескольких минут до нескольких часов. Автомобили перевозят партии сертификатов, чередуя их использование. Когда они заканчиваются, автомобили запрашивают новые сертификаты в системах управления сертификатами.

Процесс запроса и обновления сертификатов требует от автомобильных шлюзов связи с внутренними системами через сети 4G/5G. Поэтому шлюзы должны поддерживать как режим PC5 для обмена сообщениями V2X, так и режим Uu для управления сертификатами. Эти две функции должны координироваться.

Дальность покрытия и надежность связи

Эффективная дальность связи RSU обычно составляет 300-500 метров. Но это в идеальных условиях. Реальное использование сталкивается со многими ограничениями.

Непроходимость зданий - самая большая проблема. Городская среда с высокими зданиями блокирует или отражает сигналы V2X. Транспортные средства, поворачивающие на перекрестках, могут терять сообщения RSU, когда здания блокируют прямую видимость.

Решение заключается в многоточечном развертывании. На перекрестке может потребоваться 2-4 RSU, охватывающих разные направления движения. Если одно направление блокируется, другие продолжают работать. Но это увеличивает стоимость инфраструктуры.

Многолучевые замирания представляют собой еще одну проблему. Сигналы от RSU к транспортному средству могут проходить по прямым путям или отражаться от зданий по нескольким путям. Комбинирование сигналов по нескольким путям может либо усиливать, либо отменять друг друга. Это приводит к нестабильному качеству связи.

Физический уровень C-V2X включает в себя такие оптимизации, как модуляция OFDM и кодирование каналов для борьбы с некоторыми эффектами многолучевости. Однако сложные городские условия по-прежнему влияют на успешность связи.

Помехи также нельзя игнорировать. Хотя для V2X выделен специальный спектр, несколько устройств, одновременно передающих сигнал на одной и той же частоте, все равно создают помехи. На оживленных перекрестках десятки автомобилей и несколько RSU могут вести одновременную передачу.

Режим PC5 предусматривает предотвращение столкновений - устройства перед передачей ощущают канал и ждут, если он занят. Но это не устраняет все коллизии. Потеря пакетов все равно происходит.

Поэтому надежность связи V2X никогда не достигает 100%. Типичная цель при проектировании - 90-95% успешного приема сообщений в радиусе 200 метров. Оставшиеся 5-10% потери пакетов требуют обеспечения отказоустойчивости на уровне приложений.

Например, RSU отправляют сообщения о светофоре каждые 100 миллисекунд, несколько последовательных передач. Даже если один пакет обрывается, автомобили получают последующие сообщения. Контроллеры домена также реализуют обработку тайм-аута. Если сообщения V2X перестают поступать, переключитесь на распознавание светофора на основе чистого зрения.

Реальные проблемы тестирования, с которыми мы столкнулись

Мы проводили испытания V2X на нескольких полигонах и столкнулись с различными проблемами.

Первой проблемой была синхронизация часов.. Временные метки сообщений V2X требуют миллисекундной точности. Если часы автомобильного шлюза и RSU не синхронизированы, проверка временных меток не выполняется, и сообщения отбрасываются.

RSU обычно используют GPS или BeiDou для синхронизации, достигая микросекундной точности. Автомобильным шлюзам также необходима синхронизация по GPS, но некоторые шлюзы используют GPS только для определения местоположения, не подключая сигналы синхронизации. Это приводит к дрейфу часов.

В итоге мы обязали шлюзы поддерживать GPS-тайминг и периодически синхронизироваться с серверами NTP. Двойная страховка гарантирует точное время.

Второй проблемой было преобразование координат. Сообщения V2X содержат данные о местоположении в координатах широты/долготы WGS84. Но контроллеры домена обычно используют локальные декартовы системы координат с текущим положением транспортного средства в качестве начала координат. Шлюзы, принимающие сообщения RSU, должны преобразовывать координаты.

Преобразование координат кажется простым, но в условиях высоких требований к точности все это имеет значение: ошибки проекции, кривизна Земли, высота над уровнем моря. Неточное преобразование приводит к тому, что контроллеры домена неверно оценивают положение RSU, что может повлиять на принятие решений.

Позже мы интегрировали в шлюзы библиотеки высокоточных преобразований координат, поддерживающие множество систем координат и проекций. Мы также договорились с контроллерами доменов о единых системах координат, чтобы избежать путаницы.

Третьей проблемой были штормы сообщений.. В некоторых сценариях, например на больших перекрестках или платных автомагистралях с интенсивным движением, каждый автомобиль передает BSM-сообщения. Шлюзы могут одновременно принимать сотни сообщений.

Передача каждого сообщения контроллерам домена приведет к переполнению автомобильной сети. Шлюзы должны агрегировать и фильтровать. Например, пересылать только сообщения от автомобилей в радиусе 200 метров, игнорируя более удаленные. Или определять приоритеты сообщений, пересылая только самые важные.

Четвертая проблема - совместимость устройств. Несмотря на наличие стандартов V2X, их реализация различными производителями все еще отличается. Во время тестирования мы обнаружили, что сообщения некоторых марок RSU не могут быть разобраны определенными марками шлюзов. Перехват пакетов выявил несогласованную обработку необязательных полей кодировки ASN.1.

В итоге пришлось связаться с обоими поставщиками, чтобы привести их решения в соответствие со стандартами. Эти проблемы совместимости должны быть решены до широкомасштабного развертывания V2X, иначе оборудование разных производителей не сможет работать вместе.

Различия между сценариями применения

Приложения V2X значительно отличаются в зависимости от сценария.

Сценарии городских дорог сфокусированы на информации о светофорах и предупреждениях о конфликтах на перекрестках. Плотность RSU относительно высока, практически на каждом сигнальном перекрестке устанавливается система. Автомобильные шлюзы должны справляться с высокочастотным приемом сообщений и при этом контролировать энергопотребление - нельзя постоянно работать на полную мощность.

Сценарии развития автомобильных дорог Особое внимание уделяется предупреждениям о фронтальном столкновении, предупреждениям об экстренном торможении, предупреждениям об опасности на дороге. Эти сообщения имеют более высокий приоритет и более жесткие требования к задержке. При обработке сообщений V2X шлюзы должны присваивать им наивысший приоритет, не допуская блокировки другими бизнес-данными.

Сценарии развития горнодобывающей промышленности и портов Используйте V2X не только для предупреждения о безопасности, но и для диспетчеризации транспортных средств. RSU выдают инструкции по вождению, а транспортные средства должны следовать командам в назначенные места. Эти сценарии требуют абсолютной надежности сообщений V2X - потери недопустимы.

Обычно сочетается с механизмами подтверждения. Транспортные средства, получающие инструкции диспетчера, отвечают подтверждающими сообщениями через V2X. Если RSU не получают подтверждения, они отправляют инструкции повторно. Это требует от автомобильных шлюзов поддержки двунаправленной связи, как приема, так и передачи.

Сценарии развития кампуса и парка предполагают более низкие скорости с менее строгими требованиями к безопасности. V2X может быть больше нацелен на оптимизацию эффективности транспортного потока, например, на продвижение по зеленой волне или координированное пересечение перекрестков. Эти сценарии допускают ослабление требований к задержке, но требуют полного покрытия - без слепых зон.

Объединение с другими датчиками

Информация V2X в конечном итоге объединяется с данными бортовых датчиков. Это объединение обычно происходит в контроллерах домена, но шлюзы должны сотрудничать.

Например, камеры фиксируют красный свет и одновременно получают сообщение о красном свете через V2X. Если оба источника согласуются, уверенность возрастает. Если они противоречат друг другу, возможно, камера неправильно идентифицирована или возникла проблема с сообщением V2X, требующая дополнительного анализа.

Другой случай - камеры не могут четко видеть светофоры из-за солнечных бликов или препятствий, создаваемых транспортными средствами. Если V2X получает сообщения о сигналах светофора, он предоставляет дополнительную информацию.

Или рассмотрим автомобили, находящиеся в слепой зоне. Лидар и камеры могут не заметить скрытые автомобили, но эти автомобили передают сообщения BSM. После того как контроллеры домена объединяют данные V2X, они воспринимают присутствие автомобилей в слепой зоне и заранее планируют маневры по уклонению.

В ходе этого процесса шлюзы должны обеспечить совпадение временных меток сообщений V2X с данными датчиков. Все данные нуждаются в единой временной привязке, чтобы контроллеры домена могли связать различные исходные данные, полученные в один и тот же момент, во время слияния.

Влияние нормативных документов и стандартов

На развертывание V2X в значительной степени влияют нормативные акты и стандарты. В разных странах и регионах действуют разные требования к V2X.

Китай продвигает C-V2X. MIIT выделил выделенный спектр, MOT разрабатывает стандарты приложений V2X. Некоторые города требуют, чтобы на новых дорогах были установлены RSU, а вновь зарегистрированные коммерческие автомобили должны быть оборудованы устройствами V2X.

Ранее Европа предпочитала DSRC, но теперь переключилась на C-V2X. Европейская комиссия разрабатывает единые стандарты V2X, требующие совместимости транспортных средств и инфраструктуры.

В США ситуация сложнее. FCC выделила часть спектра 5,9 ГГц для WiFi, оставив V2X только 30 МГц полосы. Американские автопроизводители поддерживают как C-V2X, так и DSRC. Рынок все еще разбирается с ситуацией.

Для автомобильных шлюзов необходима поддержка различных региональных стандартов V2X. В идеале - программно-конфигурируемые, адаптируемые к различным рынкам путем обновления прошивки. С аппаратной стороны радиочастотные фронтальные модули должны охватывать различные частотные диапазоны.

Сертификация безопасности также является требованием соответствия. Китайская организация CCSA разработала технические спецификации безопасности V2X - для коммерческого развертывания автомобильные устройства должны пройти сертификацию. В Европе действуют аналогичные стандарты. Шлюзы должны поддерживать технические протоколы и получить соответствующую сертификацию.

Направление будущей эволюции

Технология V2X продолжает стремительно развиваться. 5G NR V2X представляет собой технологию следующего поколения с существенными улучшениями по сравнению с LTE V2X. Более низкая задержка, более высокая надежность, поддержка более высоких скоростей и более плотного трафика.

Однако стоимость оборудования 5G V2X остается относительно высокой. Массовая коммерциализация требует времени. На текущем этапе LTE V2X и 5G V2X сосуществуют. Автомобильные шлюзы должны поддерживать обе технологии.

Еще одна тенденция - конвергенция сетей V2X и 5G. В будущих автомобильных шлюзах могут использоваться единые модули, одновременно поддерживающие режим 5G Uu и режим 5G PC5, что позволит отказаться от отдельных модулей C-V2X. Это позволит снизить стоимость и энергопотребление.

Пограничные вычисления также интегрируются с V2X. RSU больше не являются простыми узлами вещания, а приобретают вычислительные возможности. Они могут агрегировать данные о нескольких автомобилях, принимать решения о локальной координации, а затем распространять результаты через V2X. Автомобильные шлюзы должны обрабатывать более сложные взаимодействия.

Судя по моему опыту участия в проектах V2X за последние несколько лет, сама технология уже достаточно развита. Самая большая проблема заключается в масштабном развертывании. Стоимость инфраструктуры RSU, стоимость оборудования для транспортных средств, совместимость между различными производителями - все эти вопросы требуют времени для решения. Но направление развития очевидно. V2X станет стандартным оборудованием для интеллектуальных подключенных автомобилей, и координация между автомобильными шлюзами и RSU будет приобретать все большее значение.