自动驾驶系统与V2X技术详解

自动驾驶系统是一个复杂的综合系统，依赖于多个子系统的协同工作，从而实现不同级别的自动化驾驶。

中国汽车工业协会定义的自动驾驶汽车是这样一种车辆：它装备了先进的车载传感器、控制器、执行器等设备，并融合了现代通信和网络技术。这种车辆能够与周围的物体（包括人、车、道路基础设施和后台系统）进行智能信息交换，具备复杂环境感知、智能决策、协同控制等功能，并最终能够替代人类驾驶员。

在自动驾驶系统中，以V2X技术为基础的汽车网联化和道路智能化是实现自动驾驶的关键支持技术。

通过车与车、车与道路基础设施、车与行人之间的无线通信，可以实时感知车辆周边环境并进行预警，这是自动驾驶系统中的一个重要组成部分。

本文将详细介绍V2X技术在自动驾驶中的各个层面的应用。

一、V2X概述

1. V2X技术的发展历程

V2X（Vehicle to Everything）是一种将车辆与一切对象连接起来的无线通信技术。这项技术最早出现在2006年的凯迪拉克车型中。此后，许多汽车制造商和零部件供应商开始研究这项技术，但主要限于企业内部。

直到2000年代初，美国发生了两起严重的交通事故，促使V2X技术引起了官方的关注。美国国家运输安全委员会调查后认为，如果当时车辆配备了与其他车辆通信的系统，这两起事故是可以避免的。这推动了车联网相关标准的制定，V2X技术的研究进入了快速发展阶段。

2010年，美国发布了基于IEEE 802.11P和IEEE 1609系列标准的V2X网联通信标准。与此同时，中国也开始关注并跟进V2X技术的研究，并于2015年开始了相关工作。2016年，国家无线电委员会确定了中国的V2X专用频谱。2017年，《合作式智能交通系统车用通讯系统应用层及应用数据交互标准》正式发布。

2. V2X的主要作用

与传统自动驾驶技术中常用的摄像头或激光雷达相比，V2X技术具有突破视线障碍和遮挡物获取信息的能力，并且能够与其他车辆和设备共享实时驾驶状态信息。此外，V2X技术不受天气状况的影响，无论雨、雾或强光照射都不会影响其正常工作。因此，V2X技术在交通运输领域，尤其是在自动驾驶领域得到了广泛应用。

二、V2X的四大关键技术

V2X技术集成了V2N（车-互联网）、V2V（车-车）、V2I（车-基础设施）和V2P（车-行人）四种关键技术。

1. V2N（车-互联网）

V2N是指车载设备通过接入网/核心网与云平台连接，云平台与车辆之间进行数据交互，并对获取的数据进行存储和处理，提供车辆所需的各类应用服务。V2N通信主要用于车辆导航、远程监控、紧急救援、信息娱乐服务等。

2. V2V（车-车）

V2V是指车辆通过车载终端进行通信，获取周围车辆的速度、位置、行驶状态等信息，并形成一个互动平台，实时交换文字、图片和视频等信息。V2V通信主要用于防止或减少交通事故、车辆监管等。

3. V2I（车-基础设施）

V2I是指车载设备与道路基础设施（如红绿灯、交通摄像头、路侧单元等）进行通信，基础设施也可以获取附近区域车辆的信息并发布实时信息。V2I通信主要用于实时信息服务、车辆监管、不停车收费等。

4. V2P（车-行人）

V2P是指行人、骑行者等弱势交通群体通过用户设备（如手机、笔记本电脑等）与车载设备进行通信。V2P通信主要用于防止或减少交通事故、提供信息服务等。

通过将“人、车、路、云”等要素有机结合起来，V2X技术不仅可以增强车辆的信息获取能力，促进自动驾驶技术的创新与应用，还能够构建更加智慧的交通体系，推动汽车和交通服务的新模式发展。

三、V2X的两种无线通信技术

从全球来看，V2X技术主要包括两种无线通信技术：美国主推的基于IEEE 802.11p的通信技术和中国主推的基于移动蜂窝通信技术的C-V2X技术。

1. IEEE 802.11p通信技术

IEEE 802.11p是一种专门用于车载电子设备的无线通信协议，主要用于智能交通系统（ITS）。它基于IEEE 802.11标准扩展而来，具有更高级的切换机制、移动操作、安全识别、对等网络认证等功能，并能够在车载规定的频率上进行通信。

2. C-V2X通信技术

C-V2X（Cellular-V2X）是基于3GPP全球统一标准的通信技术，包括LTE-V2X和5G-V2X等。C-V2X技术基于蜂窝网络，提供Uu接口（蜂窝通信接口）和PC5接口（直连通信接口），能够复用蜂窝网络基础设施，部署成本较低，覆盖范围更广。在密集环境中，C-V2X支持更远的通信距离、更好的非视距通信功能、更高的可靠性和容量。

此外，C-V2X具有清晰的5G演进路径，利用5G技术的低延迟、高可靠性、高速率和大容量特点，不仅能够实现车辆之间的位置、速度、驾驶方向和意图交流，还适用于道路环境感知、远程驾驶、编队驾驶等场景。

四、车辆网联化等级划分

根据C-V2X技术提供的交互信息和参与协同控制的程度，车辆网联化大致可以分为三个层次：网联辅助信息交互、网联协同感知和网联协同决策与控制。

1. 网联辅助信息交互

基于V2I和V2N通信，实现导航、道路状况、交通信号灯等辅助信息的获取以及车辆行驶和驾驶操作数据的上传。

2. 网联协同感知

基于V2V、V2I、V2P、VIN通信，实时获取车辆周边交通环境信息，与车载传感器信息融合，作为自主决策与控制系统的输入。

3. 网联协同决策与控制

基于V2V、V2I、V2P、VIN通信，实时可靠获取车辆周边交通环境信息和决策信息，交通参与者之间进行信息交互融合，形成协同决策与控制。

五、V2X技术的发展现状

1. 国外发展情况

美国是802.11p技术的主要发源地，2015年发布了以“改变社会行进方式”为主题的ITS五年规划，目标是推动网联汽车的应用和自动驾驶的发展。2014年，美国国家公路交通安全管理局发布了车车通信预立法草案，并于2016年启动了NPRM（Federal Motor Vehicle Safety Standard, FMVSS）过程，强制要求轻型汽车采用基于IEEE 802.11p的V2V通信技术。

2. 国内发展情况

随着宽带网络和高速公路网的快速发展，以及北斗卫星导航系统的普及，中国C-V2X技术的应用具备了坚实的基础。目前，中国已经形成了覆盖C-V2X标准协议栈各层次的标准体系。

2019年发布的《C-V2X产业化路径及时间表研究》白皮书预测，2019-2021年为C-V2X产业化的导入期，2022-2025年为发展阶段，2025年后进入高速发展期。

在中国，V2X技术的推广主要集中在国家车联网示范区、先导区及特定园区，通过部署路侧设备，形成示范应用，逐步推广到全国范围，实现全国覆盖。