交通運輸領域新興技術案例集/5.9GHz頻段共享

摘要

1999年，美國聯邦通訊委員會（FCC）在5.9千兆赫頻段分配了75兆赫的頻譜，供汽車行業開始測試和實施使用專用短程通訊（DSRC）的車對車安全功能。憑藉V2V功能，美國國家公路交通安全管理局（NHTSA）希望消除每年超過32,000起交通事故死亡的大部分事故。

NHTSA計劃超越個別汽車安全技術，進入麻省理工學院《科技評論》稱之為2015年突破性技術之一的領域。在《擬議規則預先通知》（ID NHTSA-2014-0022-0002）中，NHTSA已收集了關於強制在所有新型輕型車輛（乘用車和皮卡車）上安裝無線裝置的意見，預計很快將釋出擬議規則。無線V2V通訊將使汽車能夠相互“通訊”並交換基本資訊，例如位置、速度、制動和轉向功能。汽車可以使用這些資訊在危險發生之前警告駕駛員潛在的危險。NHTSA認為，透過預警，許多碰撞事故可以完全避免或在發生時減輕嚴重程度。需要指出的是，車聯網技術僅旨在警告駕駛員危險。它無法“接管”並提供任何駕駛輔助，例如轉向或制動。這些操作將留給駕駛員。沒有說明擬議授權的年份，但許多訊息來源認為這可能在未來幾年內發生。

頻譜是一種有限的資源，目前為V2V功能保留的5.9頻段是頻譜中一個特別有價值的部分，因為它具有足夠寬的頻段以允許部署千兆位Wi-Fi網路。最近，兩位FCC委員（傑西卡·羅森沃塞爾和邁克爾·奧萊利）以及參議院財政委員會的桑恩、布克和魯比奧參議員都支援在汽車行業和非許可使用者之間共享5.9頻段。FCC目前已建立一個框架來測試各種提案——特別是高通和思科提出的提案——關於如何在避免干擾V2V通訊安全操作的同時共享5.9頻段。

參與者註釋列表

• 聯邦通訊委員會（FCC）：負責監管商業頻譜頻段。
• 美國交通部（USDOT）
• 國家公路交通安全管理局（NHTSA）：交通部的安全部門。負責減少交通事故並提高美國道路的安全。NHTSA

被賦予了實現這一目標的相當大的權力，包括制定和執行機動車輛和機動車輛裝置的安全效能標準。

• 電氣和電子工程師協會（IEEE）：專業組織，也幫助制定該領域的標準。
• 高通：晶片和Wi-Fi功能的生產商。提出了關於如何在5.9頻段最佳共享頻譜空間的競爭性提案。
• 思科：晶片和Wi-Fi功能的生產商。提出了關於如何在5.9頻段最佳共享頻譜空間的競爭性提案。
• 美國智慧交通系統協會（ITS America）：汽車行業的行業協會。代表汽車製造商提交了最初的請願書，以保留5.9頻段用於DSRC V2V服務。
• 汽車製造商

事件時間軸

1991年：國會通過了《跨部門地面運輸安全法》，指示交通部開始研究智慧車輛-公路系統。

1997年：交通部完成其對智慧車輛-公路系統的研究，並進行了自動駕駛演示。

1997年：美國智慧交通系統協會代表汽車製造商提交請願書，要求將5.9頻譜頻段專門用於智慧交通系統和DSRC。

1998年：國會通過了《21世紀交通公平法》，將碰撞避免列為國家優先事項。

1999年：FCC首次將5.9頻段分配給DSRC。

2006年：FCC完善了分配規則，以“促進DSRC作為獨立安全和非安全應用平臺的發展”。

2010年：FCC釋出《國家寬頻計劃》。

2012年：密歇根大學和交通部在安阿伯首次進行了V2V機制的大規模測試。

2013年初：FCC釋出擬議規則通知，允許與Wi-Fi裝置共享5.9頻段。

2013年底：IEEE成立了一個委員會（老虎隊）來研究共享5.9頻段的可行性。

2014年8月：NHSTA宣佈擬議規則預先通知，“徵求意見，以確定是否應釋出一項授權，要求所有未來的乘用車和輕型卡車都必須配備V2V安全技術”。

2015年：IEEE老虎隊釋出報告，未達成共識的政策建議，其中包括思科和高通的競爭性提案。

2015年8月：交通部發布DSRC - 無許可裝置測試計劃，以“瞭解DSRC頻段中無許可裝置執行的影響，以便透過NTIA向FCC提供建議”。

2015年9月：政府問責局在提交給國會的報告中對車輛到基礎設施部署的可行性表示懷疑。

2015年9月：布克、魯比奧和桑恩參議員（參議院商務委員會）致函FCC，要求他們帶頭促進提案的測試。

地點地圖

為運輸保留的寬頻頻譜包括從5850到5925的75兆赫。它是一個低延遲頻率，這意味著它傳播速度很快。這使其成為V2V通訊的理想選擇，因為在警告和碰撞之間可能只有很少的時間。在75兆赫時，它也是一個非常寬的頻段。相比之下，歐洲為運輸系統保留了30兆赫的頻譜。其中，只有20兆赫用於直接V2V通訊。其餘將分配給其他安全分配。美國交通部擔心頻譜內其他裝置的執行可能會干擾V2V。由於警告和碰撞之間的時間有限，任何干擾都可能抵消V2V的有效性。

政策問題的明確識別

隱私：在ANPRM評論部分經常提及。許多駕駛員認為這是政府的越權和侵犯，尤其是在尚未正式確定車輛之間將共享哪些資訊的情況下。誰擁有V2V裝置發射和收集的資料，以及誰擁有裝置本身。車輛所有者是否有權停用V2V裝置，如果裝置無法正常工作，車輛所有者是否負責更換？

消費者接受度：許多在ANPRM中表示的潛在購車者表示，他們不喜歡在車輛上增加另一個小工具的額外費用。這種論點讓人想起NHTSA的早期，當時汽車製造商辯稱安全帶是一項消費者不想要的額外費用。如果消費者確實想要它們，他們必須額外付費訂購。其他反對者擔心它根本無法很好地工作，如果它無法正常工作但駕駛員依賴它，甚至可能導致碰撞事故。例如，駕駛員可能會決定在盲區超車，因為V2V指示前方沒有來車。

責任：當聯網車輛參與事故時，誰承擔事故責任？汽車製造商或裝置製造商能否承擔責任？

解決是否允許非許可的國家資訊基礎設施裝置的問題。這些是將使用當前為V2V保留的頻寬的其他消費類裝置。許多使用者認為，為V2V分配的頻寬過高。不使用它或僅在非常有限的基礎上使用它，對於一個日益依賴無線通訊的國家來說，這是一個巨大的機會成本。美國交通部意識到了這一點，但擔心5.9頻段中其他裝置造成的通訊中斷。如果這些中斷導致車輛通訊延遲，可能會造成人員傷亡。

安全：這包括V2V裝置認證問題、測試程式、效能要求和駕駛員-車輛介面問題，以及建立支援V2V的安全和通訊系統。V2V的反對者擔心它可能成為駭客訪問車輛的入口。支持者指出，汽車製造商目前用於車載無線系統（如On-Star）的程式碼存在大量錯誤，更容易被入侵，因為它們是遠端的（而非DSRC），並且包含更多有價值的資訊。在當前狀態下，V2V將被強制設定為獨立元件，不連線到車輛中的其他計算機系統。如果駭客入侵V2V裝置，他們只能訪問車輛的基本安全訊息（BSM），其中包括速度、位置和制動功能等資訊。

案例敘述

1999年，聯邦通訊委員會將“5.850-5.925 GHz的75兆赫頻譜分配給移動服務，供在智慧運輸系統（ITS）無線電服務中執行的專用短程通訊（DSRC）系統使用”。授予此頻譜是為了使美國交通部能夠擁有一個專屬頻寬，從而為“聯網車輛”提供相互通訊以及與周圍基礎設施無線通訊的機會。這種型別的通訊稱為V2V（車對車）或V2I（車對基礎設施）。美國國家公路交通安全管理局（NHTSA）是交通部內負責旅客安全和事故減少的機構。必須瞭解和報告事故資訊，以便了解安全措施是否有效，因此NHTSA還收集和報告碰撞資料。根據他們的計算，2014年交通事故造成32,000多人死亡，另有230多萬人受傷。這些損失的經濟成本估計為2420億美元。包括生活質量等社會成本在內的總成本高達8360億美元。

美國國家公路交通安全管理局（NHTSA）的大部分安全改進措施旨在防止駕駛員在發生碰撞時受傷。安全帶、安全氣囊和其他形式的交通約束裝置就是這方面的例子。由於他們的努力，駕駛可能比以往任何時候都更加安全，儘管碰撞統計資料顯示仍然存在一些危險因素。現在，除了確保車輛能夠在碰撞期間保障乘客安全外，NHTSA還希望使車輛能夠在第一時間避免碰撞。電子穩定控制系統就是一項此類強制性要求。電子穩定控制系統於2011年底成為所有車輛的強制配置，它是車輛制動系統的一個補充，允許每個車輪獨立制動，而不是與其他所有車輪同步制動。

NHTSA正在考慮強制執行車輛之間的車聯網 (V2V) 通訊，併發布了一份擬議規則預告通知（ID NHTSA-2014-0022-0002），以收集汽車行業和公眾的意見。許多媒體預計將在2015年中期釋出擬議規則，但截至本文撰寫之時，尚未釋出任何規則。制定該規則是為了防止碰撞。NHTSA估計，如果涉及的車輛配備了V2V通訊，則81%涉及兩輛或兩輛以上車輛的碰撞事故本可以避免。

V2V功能

V2V通訊將在5.9 GHz頻段進行。DSRC系統將允許車輛相互通訊並交換基本資訊，包括車輛速度、位置以及加速或制動功能。到目前為止，連線不會與任何駕駛功能配對，並且車輛不允許根據其他車輛的資訊提供任何駕駛輔助。與目前出於安全原因安裝在車輛上的車載感測器和攝像頭相比，V2V的優勢在於它可以看到拐角和超車區域之外的潛在危險。許多當前的車載感測器需要視線才能正常工作。

根據NHTSA的說法，V2V的有效範圍約為300米。在許多應用中，V2V可能能夠在發生碰撞情況之前發出警告。例如，V2V可以檢測到從山坡另一側駛來的迎面而來的車輛，或者檢測到即將停在停車標誌或訊號燈前的駕駛員沒有踩剎車。通過了解迎面而來的車輛速度，V2V可以指示迎面而來的車輛速度是否過快，以至於駕駛員無法左轉。

美國V2V測試

2012年，美國交通部（USDOT）啟動了其網站稱為“有史以來規模最大的聯網車輛碰撞避免技術道路測試”。該測試名為“安全試點”，涉及“在約2800輛汽車、卡車、公共汽車、摩托車和腳踏車上安裝聯網車輛技術；在73車道英里的主幹道和有限通行高速公路上部署路側裝置；並配備設施來處理由此產生的資料，用於評估聯網車輛的安全效益，並支援美國交通部在輕型車輛中強制使用聯網車輛安全裝置的監管流程的決定。”

基於該研究結果，NHTSA釋出了關於V2V通訊有效性的幾個結論。在討論V2V通訊是否會使車輛更安全時，NHTSA寫道：“作為聯網車輛安全試點模型部署的一部分，安裝在輕型車輛上的V2V裝置能夠相互發送和接收訊息，安全管理系統在模型部署期間為車輛之間提供了可信和安全的通訊。根據模型部署中的測試，由V2V啟用的安全應用（例如IMA（交叉路口通行輔助）、FCW（前向碰撞預警）和LTA（左轉輔助））已被證明能夠有效減輕或防止潛在的碰撞。”

NHTSA還提供了V2V通訊避免或減少的碰撞事故的估計數量。“在安全影響方面，該機構估計，每年僅兩個可能的V2V安全應用（IMA和LTA）每年可能會分別防止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級受傷事故，並減少31,000至728,000起僅造成財產損失的碰撞事故，這將是V2V技術普及到整個車隊的時間。”

除了V2V的可行性之外，安全試點還確定了一些政策問題。確定了以下問題：

• 是否允許“未經許可的國家資訊基礎設施”裝置。
• V2V裝置認證問題。
• 測試程式、效能要求和駕駛員-車輛介面問題。
• 建立安全和通訊系統以支援V2V。
• 來自[汽車]行業的責任問題。
• 隱私。
• 消費者接受度。

歐洲V2V功能

歐盟電子通訊委員會（ECC）於2008年分配了5855至5925兆赫茲頻段內的頻譜，用於部署V2V安全服務。這與美國非常相似；但是，歐盟區分了安全服務和非安全服務。具體而言，歐盟已將30兆赫茲頻譜專門用於安全特定的V2V操作——兩個10兆赫茲通道分配給關鍵的安全特定DSRC通訊，另外一個10兆赫茲通道分配給非關鍵安全用途。此頻段的其餘部分（40兆赫茲）在未經許可的裝置和與安全無關的智慧交通服務之間共享。

日本V2V功能

日本引入了車輛通訊，但更多地集中在車路協同 (V2I) 技術上。2015年美國政府問責局（GAO）的一份報告指出，“日本透過部署ITS Spot系統實施了V2I。ITS Spot使用路側裝置收集和共享資料與車輛，以便為駕駛員提供三項基本服務：動態路線引導、安全駕駛支援和電子收費。日本的龐大V2I網路包括當地道路上大約55,000件V2I裝置，以及其約11,000公里高速公路上大約1,600件V2I裝置。”汽車製造商豐田計劃到2015年底在其三款車型上提供V2V和V2I通訊。這些車輛將在日本的標準ITS頻率760 MHz上進行通訊。

V2V部署

部署對於V2V的成功至關重要。就像疫苗一樣，只有在可能發生碰撞的兩輛車輛都配備了V2V時，它才有效。根據美國車隊更新的當前速度，一些估計表明，從V2V成為強制配置的那一刻起，可能需要長達37年的時間才能使所有車輛都配備V2V。雖然NHTSA承認這一點，但它認為在實施後的第一年內就能看到一些好處。NHTSA估計，在新車上增加V2V通訊將使每輛車的價格增加約320美元，儘管隨著技術的普及，此價格可能會下降。通用汽車的凱迪拉克部門將成為首個銷售聯網車輛技術的汽車品牌。凱迪拉克計劃在其2017款車型上配備V2V，首批車型將於2016年中期生產。

為了解決部署延遲的問題，NHTSA探討了改裝舊車輛的可能性。舊車輛的車主可能會安裝售後裝置，以允許傳送和/或接收資訊。NHTSA甚至設想了一種可能的情況，即車主可以擁有一個獨立的手持裝置來傳輸基本資訊。NHTSA表示，保險公司可能會為舊車車主提供此類改裝的激勵措施。 原則上，如果一輛舊車被一輛新車“看到”，則發生事故的機率會降低。一輛車知道另一輛車的位置總比兩輛車都不知道要好。

V2V部署的另一個阻礙因素是美國交通部和NHTSA對擬議規則預告通知的延遲決策。ANPRM於2014年8月釋出，為期60天的意見徵集期已結束一年多。NHTSA和美國交通部尚未決定是否應在美國銷售的新車上強制使用V2V。

5.9頻段的潛在共享

根據新美國基金會開放技術研究所的說法，“即時V2V安全應用最多需要三個[頻譜]通道（30兆赫茲）。”V2V的安全特定功能包括前向碰撞預警、電子緊急制動燈、禁止超車警告、左轉輔助、交叉路口通行輔助、盲點和車道變更警告以及控制丟失警告。這使得保留的頻譜中有45兆赫茲可用於V2V的非安全特定功能，包括電子收費、電子停車、交通更新、旅行者資訊和導航、車載標牌、環境應用以及駕駛員通知。這導致FCC和許多Wi-Fi倡導團體推動探索共享5.9頻段的可能性。

2013年底，IEEE成立了一個委員會來研究在避免干擾V2V安全元件的情況下共享5.9頻段的可能性。儘管他們的報告未能就政策方向達成共識，但提出了兩個相互競爭但可行的政策建議，且未遭到反對。第一個建議由思科提出，將建立一個檢測和避免方案，允許Wi-Fi在整個5.9頻段內執行，但在檢測到V2V通訊時關閉。第二個建議由高通提出，推動重新組織整個頻段，將特定通道專門用於V2V，並將頻段的其餘部分用於Wi-Fi。2015年9月，參議院商務委員會的桑恩、布克和魯比奧三位參議員致函FCC，要求FCC牽頭對這些相互競爭的提案進行測試，以證明共享5.9頻段的可行性。在該信函之後，並在FCC委員羅森沃塞爾和奧賴利公開支援下，FCC成立了一個委員會來執行此項工作。該小組由九個利益相關方組成，包括汽車行業（他們沒有參與IEEE委員會）。羅森沃塞爾和奧賴利兩位委員目前已將注意力轉向加快研究程序。

討論問題

5.9頻段是否應在DSRC和Wi-Fi服務之間共享？

假設思科和高通的提案都可行，FCC應採用哪種提案？

鑑於制動輔助、雷射雷達和雷達等其他安全機制的進步，V2V通訊是否需要用於未來的事故減少服務？

是否應將整個5.9頻段保留給汽車製造商，用於包含非安全相關的無線通訊，例如天氣更新、轉彎導航和交通訊息？

V2V是否會像NHTSA預期的那樣減少碰撞事故？

V2V技術的區域性部署是否有任何益處？

改裝舊車輛是否實用或可能？

V2V裝置會導致安全漏洞嗎？

車輛到車輛（V2V）技術的實施能否透過對舊車輛進行改裝來加速？

其他閱讀材料

Michael Calabrese (2016). 從頻譜孤島到千兆 Wi-Fi，共享 5.9 GHz “汽車頻段”：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)。車載通訊：V2V 技術應用的準備情況。（報告編號：DOT HS 812 014）。華盛頓特區：國家公路交通安全管理局。

美國交通部。（未註明日期）。車輛到車輛通訊技術說明。檢索自國家公路交通安全管理局：file:///C:/Users/Peder/Downloads/V2V_Fact_Sheet_101414_v2a.pdf。這是一份 4 頁的說明書，很好地總結了 V2V 技術的目標。