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移动互联网

低轨宽带星座细分应用分析之车联网

来源:艾瑞咨询 作者:钱室 艾瑞 2020/4/10 16:16:01

导语:本文将就车联网这一场景进行重点分析,剖析其对低轨宽带星座的需求并预测相关市场规模。

引言

3月3日,吉利集团宣布吉利卫星项目正式启动。该项目将在台州投资22.7亿人民币用于建造卫星制造工厂。由旗下子公司时空道宇自主设计完成的首发两颗低轨卫星目前已通过各项鉴定试验与测试,预计将于2020年内完成发射。前有马斯克星链计划,现有李书福吉利卫星,这两位汽车行业大佬似乎都将低轨宽带星座作为辅助汽车实现自动驾驶的重要方式之一。无独有偶,国内新兴商业航天企业银河航天也将车联网视作低轨宽带星座的一个重要应用场景。本文将就车联网这一场景进行重点分析,剖析其对低轨宽带星座的需求并预测相关市场规模。

一、车联网的前世今生

车联网(internet of vehicles)的概念引申自物联网(internet of things)。根据中国物联网校企联盟的定义,车联网是由车辆位置、速度和路线等信息构成的巨大交互网络。通过全球定位系统(GNSS)、车载雷达、传感器等传感器,车辆可以完成自身环境和状态信息的采集;通过互联网技术,所有的车辆可以将自身的各种信息传输汇聚到中央处理器;通过计算机技术,这些大量车辆的信息可以被分析和处理,从而计算出不同车辆的最佳路线、及时汇报路况和安排信号灯周期。

谈到车联网,总会有许多人将其与自动驾驶、智能网联汽车等概念混淆。那么我们首先有必要将这几个概念进行区分。如下图所示,智能汽车是智慧交通的一个属概念。智能汽车与车联网之间的交集部分是智能网联汽车。自动驾驶汽车必须借助智能网联技术,但不是所有智能网联汽车都能够实现自动驾驶,因此自动驾驶汽车是智能网联汽车的一个子集。

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车联网大体包含车载信息通信系统及服务(Telematics)、智能交通系统(Intelligent Transportation System,ITS)和汽车主动安全(Automobile Active Safety)三大板块业务。其中Telematics是“车联网”中的核心,它能为广大中国车主提供最便利的汽车移动互联服务。

车联网按照用户可以分为乘用车车联网和商用车车联网。这两者的需求有者极大不同之处。针对乘用车车联网,最初应用主要集中在安全防盗及车载信息娱乐方面,随着相关技术的发展以及人们对行车安全要求的提高,乘用车车联网在自动驾驶(感知手段)以及智慧交通管控方面起到了举足轻重的作用。商用车车联网主要是用来协助客户解决当前存在的公路运输乱象。主流商用车车联网平台,针对各类使用主体推出的功能不尽相同。针对车主,车联网主要针对车辆故障进行预警、诊断以及维修预约;针对物流企业,车联网助力企业降低成本、增加运输效率;针对整车厂,车联网帮助企业更好实现车辆营销,同时结合行驶过程的车辆状态数据辅助车辆进行生产。

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车联网的终极阶段,将乘用车与商用车的需求打通。通过新一代信息和通信技术,实现了车内、车与人、车与车、车与路、车与服务平台的全方位网络连接,提高了交通效率,改善驾乘体验,提高驾驶安全,为用户提供智能、舒适、安全、节能、高效的综合服务。

二、车联网通信技术

无论是乘用车或者是商用车车联网,最主要的一环都是通信技术。多种通信技术都渴望在车联网的舞台获得一席之地。目前IEEE(电气电子工程师学会)与3GPP分别提出各自的车联网技术标准C-V2X和DSRC。

C-V2X技术基于蜂窝移动通信技术,主要解决交通实体之间的“共享传感”(Sensor Sharing)问题。C-V2X主要包括车载单元(On Board Unit,OBU)、路侧单元(Road Site Unit,RSU)、UU接口和PC5接口。OBU可以采集路况、车况和行人信息,此外OBU具有移动网络接入能力,接入智能运输系统平台(ITS),同时OBU也可以实现与RSU和其他OBU进行交互;RSU可以在覆盖范围内对路况、信号灯、行人等方面信息进行广播,此外可以实现覆盖范围内车辆的时间同步和位置同步等,同时具有移动网络接入能力,接入智能运输系统平台(ITS);Uu接口是指OBU、RSU与基站之间的接口,实现与移动网络通信;PC5接口是指OBU与OBU,OBU与RSU之间的直联通信接口,即车辆与其他设施之间不借助移动网络而直接进行通信。因此在没有移动网络覆盖的场景下,车辆之间的通信只能使用PC5接口。

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DSRC可以实现在特定小区域内(通常为数十米)对高速运动下的移动目标的识别和双向通信,实时传输图像、语音和数据信息,将车辆和道路有机连接。DSRC系统包含OBU与RSU两项重要组件,透过OBU与RSU提供车间与车路间信息的双向传输,RSU再透过光纤或移动蜂窝网络将交通信息传送至后端智能运输系统平台(ITS)。

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三、低轨宽带星座应用到车联网中的优劣势分析

根据前文分析,目前主流车联网通信技术将卫星通信排除在外,主要是由于当前卫星通信成本高、延时高、带宽不足。未来低轨宽带星座可以满足车联网在主动安全(20-100ms)、交通效率(500ms)以及信息娱乐(1-10s)这三类应用在延时方面的要求。同时成千上万颗卫星的规划也极大增加了卫星通信系统的容量,同时通信成本也可以有效降低(成本降低原因在“低轨宽带星座细分应用分析之航空宽带”一文中有详细分析)。由此,低轨宽带星座消除了高轨卫星通信的劣势,敲开了车联网应用的大门。具体来说,低轨宽带星座应用于车联网有着如下的优势:

1、低轨宽带星座建成后,是天然的全球网。这种全球网体现在其覆盖全球任何位置时在成本没有显著差别,而且灵活性较好。对车联网中的许多服务如来说,这会带来很大的优势。如对于其中的自动驾驶服务,从驾驶的安全性和可靠性角度尤其需要保证这种服务的连续性(即不能突然“断网”),但由于车辆一般可在很大范围内移动,其所到之处又具有随意性,因此由低轨宽带星座来保障这种连续性和安全性则具有优势。

2、低轨星座提供车联网通信服务具有较好的容量弹性。相对于地面基站在局部地区信号带宽的固定性,卫星通信可以提供具有一定容量弹性的服务?梢陨柘肽掣鼍植康缆啡绻盗痉浅S刀,从而导致附近能够提供车联网服务的地面基站总带宽不够为每辆汽车提供车联网服务。此时如果汽车可以切换到卫星网,由于卫星点波束可以在一定时间范围内改变其覆盖区域,因此可以将一些卫星的闲置容量临时调到该区域进行信号增强,从而保证该拥堵地区的车联网能够提供稳定的接入服务。

3、低轨宽带星座的设计不同于任何高轨星座或北斗这样的大型星座?梢匀衔且恢帧翱攀健鄙杓,即可以根据用户数量的需求,在一个很大范围内增加卫星的数量,卫星可以简单理解为倒挂在天上的基站,而且具有更广的位置覆盖性和波束移动的灵活性。因此其总体服务的用户数量也可以不断增加。这不同于任何一颗高轨通信卫星或大卫星星座所提供的服务模式,其整体服务能力的可塑性非常强大。

相较于DSRC与C-V2X这两种技术,低轨宽带星座也有一定的局限性。在利用低轨宽带星座实现车与人、车与车、车与基础设施的通信时,如所有信息都需要经过运行在低轨道的卫星,这不仅增加了整个系统的延时,同时也会占用过多的带宽资源。因此低轨卫星通信在实现这三个场景的通信时,具有较大的劣势。在实现车与网络通信时,低轨宽带星座具有较大程度的优势。

四、低轨宽带星座与车联网结合的应用场景

基于前文分析,我们认为在车联网领域,未来通信导航一体化、天地网融合发展是必然趋势。车载终端预计将是可连接地面网络、卫星网络的多模终端,在一端网络拥堵的时候能快速自动接入到另一个网络中,并且可以通过北斗三代提供全球服务和增值服务,以提高自动驾驶等服务的安全性。这种天地一体化融合的趋势不仅在车联网领域可能发生,在其他通信领域也非常明显,3GPP、ITU等组织已经进行了非常多的天地一体化标准的研究和制定工作。

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在这一认知的基础上,我们将结合车联网具体应用场景进行分析。中国智能交通产业联盟、中国智慧交通管理产业联盟等四机构编写的《C-V2X产业化路径和时间表研究白皮书》详细列出基于C-V2X的应用场景。我们将从下列具体应用中筛选出可以与低轨宽带星座结合的主要场景。

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在交通安全方面的应用中,我们认为大部分V2I场景和V2V场景都可以由低轨星座和地面网络结合提供联网服务。如紧急车辆提示、前方拥堵/排队提醒以及超载/超员警告这三个细分场景下的应用,需要车联网平台在距离目标位置(紧急车辆、拥堵位置)1-2公里以外就给予车辆提示,因此在地面蜂窝网络出现带宽不足或者覆盖不够的情况下,低轨宽带星座可以作为补充提前给予车辆提示。

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在交通效率方面,上述场景都可以通过低轨星座提供服务而得到应用上的有效扩展。如在车速引导方面,车速引导是指为保证车辆高效率通过交通路口,车辆针对不同的交通路口的信号,针对被引导车辆采取的加速或减速行为。具体来说,在绿灯期间车辆在车辆到达引导区域内优化引导车辆行驶速度,尽量保证车辆在当前绿灯时间内通过停车线。而在红灯期间,车辆在进入引导区域后减速,尽可能使得车辆不需要停车就可以经过路口。通常引导区域需要超过100米,按照车速20m/s(72mk/h)考虑,通过引导区域至少需要5s。此时低轨宽带星座30ms的延时已然符合系统的标准。这就使得低轨宽带星座得以应用到车速引导中。

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绝大多数以V2N作为实现方式的信息服务类车联网应用,都可以采用低轨宽带星座作为代替的解决方案。只有少数场景低轨星座难以提供服务,如地下停车场停车,由于较多的停车场都处在地下,卫星信号难以触达,自动停车引导及控制这一应用不适合采用低轨宽带星座方案。

五、车联网网络架构实现方式

基于前文分析,我们认为将C-V2X与低轨宽带星座融合的天地一体化的网络,更加适合车联网通信解决方案。天地一体化车联网的网络架构如下图所示。

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对于车载信息通信服务类业务可以利用卫星和C-V2X两种方式实现。工作流程如下:用户可以通过蜂窝基站或是低轨卫星连接到核心网进而与互联网和车联网云平台连接,从而实现媒体、路况等方面信息的获取。其中低轨宽带卫星主要在地面蜂窝网络出现难以覆盖或带宽不足的情况起到补充作用。对于智慧交通业务,大量信息需要依赖车辆与路侧单元通信,在边缘云平台进行计算和处理。对于交通安全方面的业务,主要依靠车辆之间的互相通信。至于高精度定位,目前依靠多种定位方式融合的模式,常见的定位方式包括:1. GNSS卫星与低轨卫星导航增强系统结合惯性传感器的定位方式;2. 基于激光雷达点云与高精地图的匹配;3. 基于计算机视觉技术的道路特征识别,GNSS卫星定位为辅助的形式。

六、车联网市场规模推算

未来车联网市场可能会采取类似北斗应用推广的方式。对有自动驾驶、车辆实时故障监测和诊断等需求的汽车来说,保持和互联网的稳定、持续的连接直接关系到车辆的可使用性和安全性,是一个必要条件。同时,由于低轨宽带星座的投资巨大,需要很大的用户数量才能体现出其优势,国家将很有可能采取类似北斗终端推广的方式通过立法、行政管理(如制定类似北斗的《卫星导航条例》)等方式强制在符合要求的车辆和轮船等载体进行安装。

参照北斗,预计将采取阶梯型发展方式推广低轨宽带星座在车联网中的应用。第一阶段由于星座中卫星数量和规模有限,可能将优先在商用车中推广。待卫星数量增加,星座整体能力增强后将在部分普通乘用车中进行推广。增量车辆可能在这种强制推广下主要采取ODM的方式直接在特定车型的汽车出厂时就拥有了所需要的终端设备。对存量汽车来说,预计将由车主自由选择是否安装相应车载终端。

预计国内运营商将垄断国内低轨宽带卫星运营市场。不同于GPS的民用化在中国的落地,卫星宽带业务本质上属于电信运营商业务,参照我国电信业务的现有运营模式,国家不太可能允许如Oneweb或Starlink等星座的运营在我国落地,至少应该不会允许其直接面向C端的业务落地我国境内。我国的相关业务极大概率将由我国企业垄断,这是不同于导航应用终端的一个重要特点(导航应用终端一般都能兼容北斗、GPS、伽利略等)。由于这个特点,当包括自动驾驶在内的车联网市场进一步成熟后,对数量庞大的存量车也将有很大动力进行相应改装,从而享受未来车联网所能提供的优质服务。

基于上述分析,我们就车联网卫星通信终端的市场规模进行估算。市场估算主要分为两部分进行,第一部分是车载终端设备市场,这部分市场包括车辆前装市场和后装市场。第二部分市场是指车联网运营服务市场。国内低轨宽带星座预计于2023年初步建成,因此市场规模预测从2023年开始。预测如下图所示:

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可以看到终端的市场规模呈现先增加后减小的趋势,原因主要有两点:1. 目前适合安装于车辆的相控阵天线市场价格较高,而价格较低的液晶天线出于材料的限制,信号衰减较大、成品率低、散热问题难以解决,无法大规模商用。我们预测在2029年,液晶天线的材料限制将会得以很好解决使得终端价格大幅降低。2. 另一方面,随着越来越多的车辆完成改装以及老旧车辆的报废,需要进行改装的车辆总量大幅下降,这令后装的市场规模大幅降低。

在运营服务市场方面,由于车联网服务将接入未来天地融合的“大网”中,低轨宽带卫星在其中占用的份额难以预测,因此本文车联网服务市场规模时没有区分采用低轨宽带通信或者C-V2X,而是估算车联网网服务的整体市场规模。

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由上述计算看出,未来10年来我国低轨星座+车联网的设备和运营市场相加大概能达到两三千亿元人民币。正是基于如此庞大的市场规模以及对于大批量制造的优势,车企才会考虑进入到低轨宽带星座的建设和运营之中,至于未来会不会有更多的车企考虑进入到这一市场,让我们拭目以待。

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