交通运输领域新兴技术案例集/5.9GHz频段共享

摘要

1999年，美国联邦通信委员会（FCC）在5.9千兆赫频段分配了75兆赫的频谱，供汽车行业开始测试和实施使用专用短程通信（DSRC）的车对车安全功能。凭借V2V功能，美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）希望消除每年超过32,000起交通事故死亡的大部分事故。

NHTSA计划超越个别汽车安全技术，进入麻省理工学院《科技评论》称之为2015年突破性技术之一的领域。在《拟议规则预先通知》（ID NHTSA-2014-0022-0002）中，NHTSA已收集了关于强制在所有新型轻型车辆（乘用车和皮卡车）上安装无线设备的意见，预计很快将发布拟议规则。无线V2V通信将使汽车能够相互“通信”并交换基本信息，例如位置、速度、制动和转向功能。汽车可以使用这些信息在危险发生之前警告驾驶员潜在的危险。NHTSA认为，通过预警，许多碰撞事故可以完全避免或在发生时减轻严重程度。需要指出的是，车联网技术仅旨在警告驾驶员危险。它无法“接管”并提供任何驾驶辅助，例如转向或制动。这些操作将留给驾驶员。没有说明拟议授权的年份，但许多消息来源认为这可能在未来几年内发生。

频谱是一种有限的资源，目前为V2V功能保留的5.9频段是频谱中一个特别有价值的部分，因为它具有足够宽的频段以允许部署千兆位Wi-Fi网络。最近，两位FCC委员（杰西卡·罗森沃塞尔和迈克尔·奥莱利）以及参议院财政委员会的桑恩、布克和鲁比奥参议员都支持在汽车行业和非许可用户之间共享5.9频段。FCC目前已建立一个框架来测试各种提案——特别是高通和思科提出的提案——关于如何在避免干扰V2V通信安全操作的同时共享5.9频段。

参与者注释列表

• 联邦通信委员会（FCC）：负责监管商业频谱频段。
• 美国交通部（USDOT）
• 国家公路交通安全管理局（NHTSA）：交通部的安全部门。负责减少交通事故并提高美国道路的安全。NHTSA

被赋予了实现这一目标的相当大的权力，包括制定和执行机动车辆和机动车辆设备的安全性能标准。

• 电气和电子工程师协会（IEEE）：专业组织，也帮助制定该领域的标准。
• 高通：芯片和Wi-Fi功能的生产商。提出了关于如何在5.9频段最佳共享频谱空间的竞争性提案。
• 思科：芯片和Wi-Fi功能的生产商。提出了关于如何在5.9频段最佳共享频谱空间的竞争性提案。
• 美国智能交通系统协会（ITS America）：汽车行业的行业协会。代表汽车制造商提交了最初的请愿书，以保留5.9频段用于DSRC V2V服务。
• 汽车制造商

事件时间轴

1991年：国会通过了《跨部门地面运输安全法》，指示交通部开始研究智能车辆-公路系统。

1997年：交通部完成其对智能车辆-公路系统的研究，并进行了自动驾驶演示。

1997年：美国智能交通系统协会代表汽车制造商提交请愿书，要求将5.9频谱频段专门用于智能交通系统和DSRC。

1998年：国会通过了《21世纪交通公平法》，将碰撞避免列为国家优先事项。

1999年：FCC首次将5.9频段分配给DSRC。

2006年：FCC完善了分配规则，以“促进DSRC作为独立安全和非安全应用平台的发展”。

2010年：FCC发布《国家宽带计划》。

2012年：密歇根大学和交通部在安阿伯首次进行了V2V机制的大规模测试。

2013年初：FCC发布拟议规则通知，允许与Wi-Fi设备共享5.9频段。

2013年底：IEEE成立了一个委员会（老虎队）来研究共享5.9频段的可行性。

2014年8月：NHSTA宣布拟议规则预先通知，“征求意见，以确定是否应发布一项授权，要求所有未来的乘用车和轻型卡车都必须配备V2V安全技术”。

2015年：IEEE老虎队发布报告，未达成共识的政策建议，其中包括思科和高通的竞争性提案。

2015年8月：交通部发布DSRC - 无许可设备测试计划，以“了解DSRC频段中无许可设备运行的影响，以便通过NTIA向FCC提供建议”。

2015年9月：政府问责局在提交给国会的报告中对车辆到基础设施部署的可行性表示怀疑。

2015年9月：布克、鲁比奥和桑恩参议员（参议院商务委员会）致函FCC，要求他们带头促进提案的测试。

地点地图

为运输保留的宽带频谱包括从5850到5925的75兆赫。它是一个低延迟频率，这意味着它传播速度很快。这使其成为V2V通信的理想选择，因为在警告和碰撞之间可能只有很少的时间。在75兆赫时，它也是一个非常宽的频段。相比之下，欧洲为运输系统保留了30兆赫的频谱。其中，只有20兆赫用于直接V2V通信。其余将分配给其他安全分配。美国交通部担心频谱内其他设备的运行可能会干扰V2V。由于警告和碰撞之间的时间有限，任何干扰都可能抵消V2V的有效性。

政策问题的明确识别

隐私：在ANPRM评论部分经常提及。许多驾驶员认为这是政府的越权和侵犯，尤其是在尚未正式确定车辆之间将共享哪些信息的情况下。谁拥有V2V设备发射和收集的数据，以及谁拥有设备本身。车辆所有者是否有权禁用V2V设备，如果设备无法正常工作，车辆所有者是否负责更换？

消费者接受度：许多在ANPRM中表示的潜在购车者表示，他们不喜欢在车辆上增加另一个小工具的额外费用。这种论点让人想起NHTSA的早期，当时汽车制造商辩称安全带是一项消费者不想要的额外费用。如果消费者确实想要它们，他们必须额外付费订购。其他反对者担心它根本无法很好地工作，如果它无法正常工作但驾驶员依赖它，甚至可能导致碰撞事故。例如，驾驶员可能会决定在盲区超车，因为V2V指示前方没有来车。

责任：当联网车辆参与事故时，谁承担事故责任？汽车制造商或设备制造商能否承担责任？

解决是否允许非许可的国家信息基础设施设备的问题。这些是将使用当前为V2V保留的带宽的其他消费类设备。许多用户认为，为V2V分配的带宽过高。不使用它或仅在非常有限的基础上使用它，对于一个日益依赖无线通信的国家来说，这是一个巨大的机会成本。美国交通部意识到了这一点，但担心5.9频段中其他设备造成的通信中断。如果这些中断导致车辆通信延迟，可能会造成人员伤亡。

安全：这包括V2V设备认证问题、测试程序、性能要求和驾驶员-车辆界面问题，以及建立支持V2V的安全和通信系统。V2V的反对者担心它可能成为黑客访问车辆的入口。支持者指出，汽车制造商目前用于车载无线系统（如On-Star）的代码存在大量错误，更容易被入侵，因为它们是远程的（而非DSRC），并且包含更多有价值的信息。在当前状态下，V2V将被强制设置为独立组件，不连接到车辆中的其他计算机系统。如果黑客入侵V2V设备，他们只能访问车辆的基本安全消息（BSM），其中包括速度、位置和制动功能等信息。

案例叙述

1999年，联邦通信委员会将“5.850-5.925 GHz的75兆赫频谱分配给移动服务，供在智能运输系统（ITS）无线电服务中运行的专用短程通信（DSRC）系统使用”。授予此频谱是为了使美国交通部能够拥有一个专属带宽，从而为“联网车辆”提供相互通信以及与周围基础设施无线通信的机会。这种类型的通信称为V2V（车对车）或V2I（车对基础设施）。美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）是交通部内负责旅客安全和事故减少的机构。必须了解和报告事故信息，以便了解安全措施是否有效，因此NHTSA还收集和报告碰撞数据。根据他们的计算，2014年交通事故造成32,000多人死亡，另有230多万人受伤。这些损失的经济成本估计为2420亿美元。包括生活质量等社会成本在内的总成本高达8360亿美元。

美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）的大部分安全改进措施旨在防止驾驶员在发生碰撞时受伤。安全带、安全气囊和其他形式的交通约束装置就是这方面的例子。由于他们的努力，驾驶可能比以往任何时候都更加安全，尽管碰撞统计数据显示仍然存在一些危险因素。现在，除了确保车辆能够在碰撞期间保障乘客安全外，NHTSA还希望使车辆能够在第一时间避免碰撞。电子稳定控制系统就是一项此类强制性要求。电子稳定控制系统于2011年底成为所有车辆的强制配置，它是车辆制动系统的一个补充，允许每个车轮独立制动，而不是与其他所有车轮同步制动。

NHTSA正在考虑强制执行车辆之间的车联网 (V2V) 通信，并发布了一份拟议规则预告通知（ID NHTSA-2014-0022-0002），以收集汽车行业和公众的意见。许多媒体预计将在2015年中期发布拟议规则，但截至本文撰写之时，尚未发布任何规则。制定该规则是为了防止碰撞。NHTSA估计，如果涉及的车辆配备了V2V通信，则81%涉及两辆或两辆以上车辆的碰撞事故本可以避免。

V2V功能

V2V通信将在5.9 GHz频段进行。DSRC系统将允许车辆相互通信并交换基本信息，包括车辆速度、位置以及加速或制动功能。到目前为止，连接不会与任何驾驶功能配对，并且车辆不允许根据其他车辆的信息提供任何驾驶辅助。与目前出于安全原因安装在车辆上的车载传感器和摄像头相比，V2V的优势在于它可以看到拐角和超车区域之外的潜在危险。许多当前的车载传感器需要视线才能正常工作。

根据NHTSA的说法，V2V的有效范围约为300米。在许多应用中，V2V可能能够在发生碰撞情况之前发出警告。例如，V2V可以检测到从山坡另一侧驶来的迎面而来的车辆，或者检测到即将停在停车标志或信号灯前的驾驶员没有踩刹车。通过了解迎面而来的车辆速度，V2V可以指示迎面而来的车辆速度是否过快，以至于驾驶员无法左转。

美国V2V测试

2012年，美国交通部（USDOT）启动了其网站称为“有史以来规模最大的联网车辆碰撞避免技术道路测试”。该测试名为“安全试点”，涉及“在约2800辆汽车、卡车、公共汽车、摩托车和自行车上安装联网车辆技术；在73车道英里的主干道和有限通行高速公路上部署路侧设备；并配备设施来处理由此产生的数据，用于评估联网车辆的安全效益，并支持美国交通部在轻型车辆中强制使用联网车辆安全设备的监管流程的决定。”

基于该研究结果，NHTSA发布了关于V2V通信有效性的几个结论。在讨论V2V通信是否会使车辆更安全时，NHTSA写道：“作为联网车辆安全试点模型部署的一部分，安装在轻型车辆上的V2V设备能够相互发送和接收消息，安全管理系统在模型部署期间为车辆之间提供了可信和安全的通信。根据模型部署中的测试，由V2V启用的安全应用（例如IMA（交叉路口通行辅助）、FCW（前向碰撞预警）和LTA（左转辅助））已被证明能够有效减轻或防止潜在的碰撞。”

NHTSA还提供了V2V通信避免或减少的碰撞事故的估计数量。“在安全影响方面，该机构估计，每年仅两个可能的V2V安全应用（IMA和LTA）每年可能会分别防止25,000至592,000起碰撞事故，挽救49至1,083人的生命，避免11,000至270,000起 MAIS 1-5级受伤事故，并减少31,000至728,000起仅造成财产损失的碰撞事故，这将是V2V技术普及到整个车队的时间。”

除了V2V的可行性之外，安全试点还确定了一些政策问题。确定了以下问题：

• 是否允许“未经许可的国家信息基础设施”设备。
• V2V设备认证问题。
• 测试程序、性能要求和驾驶员-车辆界面问题。
• 建立安全和通信系统以支持V2V。
• 来自[汽车]行业的责任问题。
• 隐私。
• 消费者接受度。

欧洲V2V功能

欧盟电子通信委员会（ECC）于2008年分配了5855至5925兆赫兹频段内的频谱，用于部署V2V安全服务。这与美国非常相似；但是，欧盟区分了安全服务和非安全服务。具体而言，欧盟已将30兆赫兹频谱专门用于安全特定的V2V操作——两个10兆赫兹通道分配给关键的安全特定DSRC通信，另外一个10兆赫兹通道分配给非关键安全用途。此频段的其余部分（40兆赫兹）在未经许可的设备和与安全无关的智能交通服务之间共享。

日本V2V功能

日本引入了车辆通信，但更多地集中在车路协同 (V2I) 技术上。2015年美国政府问责局（GAO）的一份报告指出，“日本通过部署ITS Spot系统实施了V2I。ITS Spot使用路侧设备收集和共享数据与车辆，以便为驾驶员提供三项基本服务：动态路线引导、安全驾驶支持和电子收费。日本的庞大V2I网络包括当地道路上大约55,000件V2I设备，以及其约11,000公里高速公路上大约1,600件V2I设备。”汽车制造商丰田计划到2015年底在其三款车型上提供V2V和V2I通信。这些车辆将在日本的标准ITS频率760 MHz上进行通信。

V2V部署

部署对于V2V的成功至关重要。就像疫苗一样，只有在可能发生碰撞的两辆车辆都配备了V2V时，它才有效。根据美国车队更新的当前速度，一些估计表明，从V2V成为强制配置的那一刻起，可能需要长达37年的时间才能使所有车辆都配备V2V。虽然NHTSA承认这一点，但它认为在实施后的第一年内就能看到一些好处。NHTSA估计，在新车上增加V2V通信将使每辆车的价格增加约320美元，尽管随着技术的普及，此价格可能会下降。通用汽车的凯迪拉克部门将成为首个销售联网车辆技术的汽车品牌。凯迪拉克计划在其2017款车型上配备V2V，首批车型将于2016年中期生产。

为了解决部署延迟的问题，NHTSA探讨了改装旧车辆的可能性。旧车辆的车主可能会安装售后设备，以允许发送和/或接收信息。NHTSA甚至设想了一种可能的情况，即车主可以拥有一个独立的手持设备来传输基本信息。NHTSA表示，保险公司可能会为旧车车主提供此类改装的激励措施。 原则上，如果一辆旧车被一辆新车“看到”，则发生事故的几率会降低。一辆车知道另一辆车的位置总比两辆车都不知道要好。

V2V部署的另一个阻碍因素是美国交通部和NHTSA对拟议规则预告通知的延迟决策。ANPRM于2014年8月发布，为期60天的意见征集期已结束一年多。NHTSA和美国交通部尚未决定是否应在美国销售的新车上强制使用V2V。

5.9频段的潜在共享

根据新美国基金会开放技术研究所的说法，“实时V2V安全应用最多需要三个[频谱]通道（30兆赫兹）。”V2V的安全特定功能包括前向碰撞预警、电子紧急制动灯、禁止超车警告、左转辅助、交叉路口通行辅助、盲点和车道变更警告以及控制丢失警告。这使得保留的频谱中有45兆赫兹可用于V2V的非安全特定功能，包括电子收费、电子停车、交通更新、旅行者信息和导航、车载标牌、环境应用以及驾驶员通知。这导致FCC和许多Wi-Fi倡导团体推动探索共享5.9频段的可能性。

2013年底，IEEE成立了一个委员会来研究在避免干扰V2V安全组件的情况下共享5.9频段的可能性。尽管他们的报告未能就政策方向达成共识，但提出了两个相互竞争但可行的政策建议，且未遭到反对。第一个建议由思科提出，将创建一个检测和避免方案，允许Wi-Fi在整个5.9频段内运行，但在检测到V2V通信时关闭。第二个建议由高通提出，推动重新组织整个频段，将特定通道专门用于V2V，并将频段的其余部分用于Wi-Fi。2015年9月，参议院商务委员会的桑恩、布克和鲁比奥三位参议员致函FCC，要求FCC牵头对这些相互竞争的提案进行测试，以证明共享5.9频段的可行性。在该信函之后，并在FCC委员罗森沃塞尔和奥赖利公开支持下，FCC成立了一个委员会来执行此项工作。该小组由九个利益相关方组成，包括汽车行业（他们没有参与IEEE委员会）。罗森沃塞尔和奥赖利两位委员目前已将注意力转向加快研究进程。

讨论问题

5.9频段是否应在DSRC和Wi-Fi服务之间共享？

假设思科和高通的提案都可行，FCC应采用哪种提案？

鉴于制动辅助、激光雷达和雷达等其他安全机制的进步，V2V通信是否需要用于未来的事故减少服务？

是否应将整个5.9频段保留给汽车制造商，用于包含非安全相关的无线通信，例如天气更新、转弯导航和交通信息？

V2V是否会像NHTSA预期的那样减少碰撞事故？

V2V技术的局部部署是否有任何益处？

改装旧车辆是否实用或可能？

V2V设备会导致安全漏洞吗？

车辆到车辆（V2V）技术的实施能否通过对旧车辆进行改装来加速？

其他阅读材料

Michael Calabrese (2016). 从频谱孤岛到千兆 Wi-Fi，共享 5.9 GHz “汽车频段”：https://static.newamerica.org/attachments/12279-spectrum-silos-to-gigabit-wi-fi/OTI_5.9ghz_web.5de7495517f3416cae27fe811f0f985b.pdf

Harding, J., Powell, G., R., Yoon, R., Fikentscher, J., Doyle, C., Sade, D., Lukuc, M., Simons, J., & Wang, J. (2014 年 8 月)。车载通信：V2V 技术应用的准备情况。（报告编号：DOT HS 812 014）。华盛顿特区：国家公路交通安全管理局。

美国交通部。（未注明日期）。车辆到车辆通信技术说明。检索自国家公路交通安全管理局：file:///C:/Users/Peder/Downloads/V2V_Fact_Sheet_101414_v2a.pdf。这是一份 4 页的说明书，很好地总结了 V2V 技术的目标。