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# System prepended metadata

title: 第七週 Connectivity
tags: [智慧型汽車導論]

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# Intro

這週在簡單的介紹車聯網的通訊協定。主要在講 DSRC，CV2X會簡單帶過，因為還沒制定完整，此外也會提到由 ACC 加上考量周遭而升級的 CACC。

# Dedicated Short-Range Communication / DSRC

它是由很多的協議組成的，其中包含 IEEE 的 Wireless Access in Vehicular Environment，簡稱 WAVE。

DSRC 令一個更常見的名稱是 V2X。

:::danger
不確定到底是 V2V 還是 V2X，V2X 好像是 5G 的。
:::

- Advantages
    - 簡單來說除了資料可以更精準的交換，一台車子可以看到的範圍更廣了，不再只侷限本身 sensor 的範圍，以及避免 sensor 可能會有看不到 non-line-sight 的風險。
- Disadvantages
    - 需要依賴其他車子，如果其他車子帶有惡意就不妙了，例如詐保
    - 也因此 DSRC 雖然發展很早，但是推行的並不順利

## V2V Safety Concept / Basic Safety Messages (BSM)

車子會週期性的廣播自己車子的車速、加速度等等資訊給其他周圍的車子，其他車子收到之後會做出反應。

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# Protocol Layer

>請搭配講義的圖

- 從下往上看可以發現底層是 IEEE 802.11p，再來是 IEEE 的 1609.4、1609.3、1609.2：
    - 如果是 Safety Applications，就一定得要使用 1609.2 跟 1609.3
    - 如果是 Non-Safety Applications，不一定要使用 1609.2 跟 1609.3，也可以用傳統的 TCP/UDP 加上 IP
- 1609.2 這個是近期加上的 Security Services。
- 再上去可以看到 SAE J2945.1 跟 J2735

可以看到 DSRC 包含了 IEEE、IETF(TCP/UDP、IP) 跟 SAE 三種組織。

## Physical Layer

從 802.11 這個名稱可以知道跟 WiFi 師出同源；但不是這課的重點。
>可以參考我的無線網路導論筆記

- 有比 802.11a 更窄的 Spectral Mask
- 跟 5G(3GPP) 的 LTE V2X 競爭相同頻段

## MAC Sublayer

就是使用 WiFi 的 CSMA/CA。
>可以參考我的無線網路導論筆記

但不一樣的是沒有 AP，因為是希望透過車子跟車子直接溝通減少 Delay。

:::info
當初會採用 802.11 來去延伸是因為希望晶片廠在轉換時的改動可以越少越好，也就越容易使晶片廠投入到市場裡面。
:::

## MAC Sublayer Extension / IEEE 1609.4

將頻譜每 10 MHz 化分成不同 channel 供不同應用；如果有需要兩個 channel 可以合併在一起。

- 5.855~5.865：V2V and Safety of Life
    - 前面提到的 BSM 傳送的 channel
- 5.865~5.885：Medium Range Service
    - 中距離傳輸
- 5.885~5.895：Control channel
    - DSRC 控制 protocol 用
- 5.895~5.915：Short Range Service
- 5.915~5.925：Long Range Intersections

## Networking Services / IEEE 1609.3

其實是由兩個協議組成

- WAVE Short Message Protocol / WSMP
    - WSMP 的 Packet 簡稱 WSMs
- WAVE Service Advertisement / WSA
    - 透過 Control channel 傳輸，告知當前 Service channel 有多少頻段可以使用

WSM 內有個關鍵的參數：Provider Service ID / PSID

- 當一個車收到其他車子的 WSM 時，會判斷這個 ID，以及自己會有一個 table，來查找當前這個 ID 所提供的訊息是不是自己想要的，不是的話就不理這個訊息。
- 這個 ID 在安全上同時也做為可以傳訊息的一種認證

## 為何不用 IP

雖然用了 IP ，只要有一個 IP Address，就可以連上現今的網路的任何地方，還有現成好用的 routing protocol 可以使用。

但是缺點是大多 DSRC 都是 1-hop transmission，也就是傳送一個訊息不會有中介者；並且 IP 的封包太大了，UDP/IPv6 的封包有 52 bytes，但是 WSM 最小只能容忍 5 bytes，就算有某些擴充，最多也不超過 20 bytes。

## Security IEEE 1609.2

內容大致為認證跟加密：

- 認證：為了避免資料被修改，還有確保不被冒充
    - 也就是上面 BSM 內在傳的東西
    - 會透過 Elliptic Curve Digital Signature Algorithm 跟 Public Key Infrastructure
- 加密
    - 其實車子的封包不會做加密，因為大多是已經可以透過 sensor 等手段得知的訊息
    - 而且加密的話還要解密，更花時間

美國有設置機構專門處理車子的加密時需要的各種 key，叫做 Security Certificate Management System (SCMs)

## SAE standard

已經接近最上層，定義的內容是跟 application 有關的 message。

定義的內容大都會叫 XX application requirements，都是跟 sender 有關，像是 sender 要多少 power ，在哪個頻段等等。

這裡介紹其中的 BSM application requirements，也就是上面提到過的。

:::info
DSRC 的 Message 有很多種，像 Basic Safety Message 就是其中一種，其他像是 Signal Phase and Timing Message。
可以參見講義的表。
:::

### Basic Safety Message Part 1

講義的圖上可以看到各種資訊是什麼，佔了多少 bytes ，例如經緯度，海拔，還有車子的 ID 等等，大多是跟物理有關的資訊。

### Basic Safety Message Part 2

- EventFlags element：
    - 用來傳遞各種重大事件的 flag 的欄位
- PathHistory
    - 顧名思義就是車子的路徑歷史
- PathPrediction
    - 這台車的預測路徑，提供給其他車以評估風險

## V2V Application

- 緊急煞車量燈警示
- 前方追撞警示
- 死角、換道警示
- 不可超車警示
- 左轉輔助
- 路口通行輔助

## Challenge

- Cellular Network、WiFi、5G 會搶頻寬
- Scalability：如果塞車時，車太多的話反應的過來嗎，channel 夠不夠用、前面提到的 Security Infrastructure 有辦法應付嗎
- Security 跟 Privacy：想要這兩點的話，會降低 Data Efficiency

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# C-V2X

# From ACC to Cooperative ACC (CACC)

原本 ACC 會在 Collision Avoidance Mode 跟 Gap Control Mode 做切換：

- Collision Avoidance Mode：太靠近前車
- Gap Control Mode：離前車太遠

除了基本的物理資訊可以靠既有的 sensor 來推算出來，有了車聯網的輔助，可以知道前車未來的路徑，前車目前發生了什麼事等等資訊，變得更安全。
>sensor 大多是用 radar，其他如 Tesla 用 camera，更貴的用 lidar

## Random Stuff

其實除了上面兩個 mode，正常來說會有第三個 mode：

- Speed Control Mode：當前車太遠時，就會啟動原本 CC 的定速效果

在 Collision Avoidance 跟 Gap Control 之間，是藉由判斷 $g_{\text{safe}}$，也就是中間的 gap，來決定要不要切換。

$$
g_{\text{safe}}=0.1v+\frac{v^2}{2D}-\frac{v'^2}{2D'}+1.0
$$

- 0.1 是 CACC message/task 的 period
- $v$ 是後車速度
- $v'$ 是前車速度
- $D$ 是後車最大減速度
- $D'$ 是前車最大減速度
- 1.0 是最小的要求 gap 寬度

$0.1v$ 是為了考慮 worst case，需要等到一個週期後才發出煞車的命令。

## 煞車越煞越大力

老師提供的影片中，名古屋大學做的實驗可以發現，人們依照自己的習慣開車，前車踩煞車後車也跟著踩，後後車也接著踩，會越踩越大力，最終導致塞車，而 ACC 也會有這個現象。

不過 CACC 就可以避免掉這個情況。