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作者:徐業良(2011-08-13);推薦:徐業良(2011-08-13)
附註:本文發表於汽車購買指南雜誌,2011年九月號,史丹福專欄。

福特公司的Wi-Fi汽車

不知道汽車科技是否也有淡旺季之分,最近幾個月幾乎沒有甚麼創新的汽車科技發表,史丹福專欄也很難找到好題材和讀友們分享。反而是一向不太以汽車科技見長的福特汽車公司,這兩個月在底特律廣邀各家汽車媒體展示他們最新的Wi-Fi汽車技術,搶佔了一些媒體的汽車科技版面。

長期以來福特汽車公司似乎對如何將Wi-Fi技術整合在汽車上情有獨鍾,2010年他們就將福特車內的SYNC系統連接上無線網卡,提供車內乘客無線上網,廣告詞是說,「將汽車變成移動式無線上網熱點」,「在您開車去祖母家的路上,太太可以繼續完成網路購物,孩子可以在Facebook上和朋友聊天…」

聽起來不是太驚人的技術。今年五月份台北市政府也宣布將在台北市公車上提供「WiFiWiMAX無線上網」,讓市民搭公車時可以行動上網瀏覽網頁、收發電子郵件等等,但這項措施最近反而遭到環保團體抗議,認為在顛簸又多是短暫搭乘的公車上,沒有多少人會需要上網,加裝無線上網基地台,反而讓多數搭公車的乘客承受不必要的電磁波風險。

其實我的HTC智慧型手機也可以當作基地台,在汽車內讓大家分享我的手機網路無線上網,不過如果大家都在車內上網的話可能讓駕駛人開車時更加分心,同時還會把汽車上與家人相處的愉悅時光,變成每個人盯著自己的小螢幕各玩各的…

2011年福特公司再度向大家推銷Wi-Fi汽車,不過這次的概念有趣許多,福特這回想的是利用Wi-Fi技術形成汽車之間的通訊網路-不是駕駛人之間的通訊,而是汽車和汽車彼此溝通-福特希望把大約1公里半徑之內的所有汽車組成一個大型無線通訊網路,汽車和汽車彼此溝通的主要目的不是娛樂也不是導航,而是汽車的行車安全。

福特公司理直氣壯地拿出美國國家高速公路交通安全管理局(National Highway Traffic Safety Administration, NHTSA)的報告,作為他們發展Wi-Fi汽車的立論基礎,在美國有記錄的汽車相撞意外事故中,僅有19%是歸因於駕駛人失能(如駕駛人酒醉駕車、打瞌睡等等),其餘81%的意外事故都是因為駕駛人未能及時察覺到來車,或突發緊急的路況應變不及。福特公司宣稱這項Wi-Fi汽車技術的目的,就是要讓汽車之間能夠互相溝通關鍵的汽車資訊,主要是GPS偵測出汽車本身目前位置和移動數據,分析本車和其他車輛的數據之後,如果查覺有可能和其他車輛發生相撞事故,例如前車突然急煞車、或是在一個十字路口有另一方向車輛行駛而來時,Wi-Fi汽車能夠提早警示駕駛人作出反應。

Mmm,未來的交通模式中,越來越多大型都會區,越來越多的汽車。要維護行車安全,汽車除了自己要越來越聰明之外,在擁擠的「汽車社會中」,汽車之間也必須能夠彼此溝通。

OK,有沒有人偷偷在問,Wi-Fi到底是甚麼意思?

這是一個跨領域的時代,特別是通訊科技當道,汽車專家也得熟悉一下通訊技術的名詞,這裡就先花點兒篇幅介紹一下。

「通訊」是指將聲音、文字、影像、數據等資料於兩地間傳輸,包括以實體線材(如電話線、同軸電纜線、光纖等)作為介質的有線通訊,以及無須透過介質的無線通訊等兩種形式。通訊技術考量的兩大重點:資料傳輸的距離以及傳輸的速率。資料傳輸的速率(data rate)是指每秒鐘傳輸之數據量,單位通常會使用kbpsKilo bits per second,每秒鐘傳輸多少千位元的數據量)、Mbps(Mega bits per second)Gbps(Giga bits per second)等。注意此處“Kbps”“Mbps”“Gbps”中,字母“b”都是小寫,指的是“bit”(位元,01),用來敘述傳輸的數據量;一般常用Megabyte(MB)Gigabyte(GB)來描述電腦檔案、記憶體、或儲存空間的大小,大寫字母“B”表示“Byte”(位元組,紀錄一筆資料的基本單位),而每1 Byte等於8 bits

無線通訊是透過電磁波進行資料的傳輸,使用上的便利性當然遠超過有線通訊。電磁波依照頻率低至高可分為無線電波、紅外線、可見光、紫外線、χ射線與γ射線等,其中可見光的頻段只是電磁波頻譜中一個很小的部分,約在 Hz~ Hz,而 Hz~ Hz的無線電波頻段,則是無線通訊所使用的頻段。日常生活中常使用的無線裝置,如收音機的調幅AM與調頻FM、無線電視頻道、家用無線電話、手機,以及全球定位系統GPS等,都使用不同頻率的特定無線電波頻段。

順帶告訴您,電磁波頻率越高能量也越大,無線通訊使用的無線電波的頻率(及能量)都遠低於可見光(幾千分之一或更低),紫外線、χ射線與γ射線等頻率和能量則都比較高,較容易對人體造成傷害。

您在日常生活中常用到的無線通訊技術包括「近距離無線通訊(Near Field Communication, NFC)」、「無線個人區域網路(Wireless Personal Area Network, WPAN)」、以及「無線區域網路(Wireless Local Area Network, WLAN)」等三類。NFC是一種近距離或接觸式的無線通訊技術,其使用頻段為13.56MHz,傳輸距離約0.2公尺,目前應用的層面含括門禁卡、有VisaWavePayPass功能的信用卡、悠遊卡等,市場上也已有商業化的產品將這些功能整合於手機中。無線個人區域網路WPAN則是利用短距離、低功率無線傳輸技術,連接個人隨身的行動應用裝置(如資訊周邊裝置、手機、PDA、筆記型電腦等),進行資料的傳輸與交換,主要是針對距離10公尺以內的區域網路所制定的通訊協定。紅外線是早期發展的短距離WPAN無線傳輸技術,利用直線光波進行傳輸,因此相互傳輸點之間不能有任何阻隔或其他電子設備干擾,傳輸角度也受到限制;近年來您比較常聽見的WPAN無線通訊技術,則包括藍牙(Bluetooth)ZigBee以及超寬頻(Ultra-Wide Band, UWB)等,使用2.4GHz的頻段,傳輸距離大約數十公尺,且不受物體屏蔽影響、無傳輸角度之限制,為全向性傳輸。

您家中是不是也裝了無線網路基地台(Access Point, AP),讓全家人的筆記型電腦無線上網?您使用的正是無線區域網路WLAN。在電機通訊領域一定會常聽到「電機電子工程師學會(Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE)」這個全世界最大的學會,WLAN採用由IEEE所制定的802.11無線網路標準,用來提供室內低移動率之高速無線傳輸服務,像是筆記型電腦或安裝有無線網路卡的資訊裝置無線上網,頻寬達100Mbps以上。

IEEE 802.11常被統稱為“Wi-Fi”,實際上Wi-Fi是一個無線通訊相容認證標誌,1999年工業界成立了「Wi-Fi聯盟(Wi-Fi Alliance)」,目的為推動一個全球公認的高速無線區域網路標準,並提供產品認證,凡通過Wi-Fi聯盟認證的無線通訊產品皆可貼上“Wi-Fi”標籤,以確保不同製造商的無線區域網路產品能夠彼此互通。Wi-Fi聯盟於201010月公佈了一項新的點對點通訊技術“Wi-Fi Direct”,企圖跨入行動通訊隨身傳輸的領域,讓3C產品或家用裝置如手機、印表機、數位相機等不需要再透過傳統的網路架構或無線基地台就可以直接互相連結,期望讓Wi-Fi成為大眾最常使用的無線傳輸協定。

扯了這麼多,希望您對Wi-Fi有比較完整的概念,福特公司的Wi-Fi汽車,採用的就是前面提到這種點對點通訊技術“Wi-Fi Direct”。福特公司將Wi-Fi頻寬降低到6Mbps,可以將一個100mW低功率的Wi-Fi傳輸器距離擴展到大約1公里。從這個Wi-Fi傳輸器,汽車的資料以每秒10次的頻率,在5.9GHz的頻段送出,這個頻段和前面提到無線區域網路WLAN使用的頻段不同,是美國FCC(等同於台灣的NCC)特許使用的頻段。福特公司的Wi-Fi汽車傳輸資料主要是GPS數據,包括目前位置和移動資訊,傳輸的每個封包(packet)都經過加密,封包大小大約是300400bytes,在傳遞範圍內的每一部裝置這種技術的車輛,都持續傳送和接收這些封包。

在汽車之間傳送這些封包的技術,現在看來不是太大的問題,如何利用這些封包內資訊,才是真正的大學問。

在高速公路開車,您最討厭的可能是前車突然慢下來,甚至緊急剎車,讓跟在後面的車子措手不及、險象環生,甚至發生追撞。Wi-Fi汽車的概念,就是藉由接收到前車位置和移動數據,判斷老遠地前方(不只是前一部車而已)有車子車速突然減緩、可能造成撞擊威脅時,提早警示駕駛人作出反應。福特公司對汽車媒體的展示中,Wi-Fi技術在這種類型的緊急路況反應十分完美,各家媒體的報導都普遍信服Wi-Fi技術未來會成為警告駕駛人可能發生撞擊之主要輔助系統。

這個警示功能和現在常見的「汽車防撞警示系統(Collision Warning System)」有何不同?

汽車防撞警示系統主要是利用雷達技術偵測汽車周邊可能威脅本車的其他車輛、行人、或障礙物,發出警示或採取自動迴避的動作。雷達技術簡單地說,就是將一種非常高頻無線電波發送出去,然後再回收其反射訊號。如果偵測範圍內沒有物體,自然也沒什麼反射訊號,如果偵測範圍內有物體,反射訊號很強,雷達系統變會量測其發送訊號到接收到反射訊號所需要的時間。物體越遠的話,發射和接收差距時間越長,用這種方式來計算物體的距離。除此之外,雷達技術還可以利用您國中物理學過的「都普勒效應(Doppler Shift)」,量測物體正在靠近或遠離雷達接收天線的速度。

然而雷達技術有一個基本的限制,是雷達偵測障礙物必須是直線、沒有阻隔的狀況,例如您駛入一個十字路口時,雷達也偵測不到另一個方向駛來、被房屋擋住的車輛。而且雷達基本上會偵測到汽車周邊所有物體,很難辨別所偵測到的是路邊靜止的路樹,還是一部不預期地駛入您的車道的汽車。所以採用雷達技術的汽車防撞警示系統偵測的範圍都限於汽車周遭,留給駕駛人準備反應的時間也比較短。

比較起來,福特公司這套採用Wi-Fi技術的系統可以接收到到半徑1公里範圍內所有車輛的位置回報(但不會偵測到一大堆路旁靜止的路樹),而且是360度全方位接收,也不會有視線阻隔的問題。汽車安全的應用只是其一,利用Wi-Fi系統還有許多可能的擴充概念,如果每部汽車都裝置了Wi-Fi系統回報位置資訊,交通控制系統可由路邊數據接收單元傳遞數據給交通管理中心,路況掌握更加精準,也可以藉由Wi-Fi訊號指揮汽車繞路以避免交通阻塞。

福特公司這項Wi-Fi汽車科技雖然還沒到完全成熟商品化的階段,但也已經展示了完整的功能,預計在2013年正式商品化上市2013年便會正式上路。福特還為這項技術取了個時髦的名字,叫作“V2V”“Vehicle To Vehicle”,汽車對汽車。然而閱讀福特Wi-Fi汽車的許多報導,還看了幾段YouTube上的展示影片,我還是有幾項基本的疑惑。

福特的Wi-Fi汽車概念前提是,每部汽車都裝置了Wi-Fi系統,才能傳送位置和移動數據給您,也才收的到您的汽車傳出的位置和移動數據。擁擠的汽車社會中只要有幾部車沒有裝Wi-Fi系統,或者把系統關掉拒絕溝通,整個「汽車社會安全體系」就瓦解了。

福特公司聲稱他們已經將這些Wi-Fi訊號和資料封包都標準化,任何汽車廠都可以用。但要求每部汽車都裝置Wi-Fi系統絕不是一件容易的事,價格、隱私等等都會是問題。

但如果每部汽車都裝置了Wi-Fi系統,另外一個問題又來了,您車子會不斷接收到周遭所有汽車傳來的數據封包。福特的測試車上用了一個400MHz不算太快的處理器來處理這些封包,將一個封包解密就需要0.004秒的時間。想像您在交通擁擠的路段,方圓1公里所有汽車每秒都送出送10個封包給您的汽車,每一個封包都要被處理的話,再快的處理器都會很快被拖垮。

福特公司宣稱有個特殊技術,能夠過濾出那些可能是您汽車威脅的封包,加以處理,所需要的資訊儲存量可能還不到一般的智慧型手機。我的資訊技術的知識可能真的不太夠,不能理解收到資訊封包還沒解密、沒有讀出內容時,如何能夠過濾出那些可能是您汽車威脅的封包。

Wi-Fi汽車是否真的能把汽車安全科技推展到另一個層次,從單一汽車的智慧發展到集合眾車的智慧,還是只是另一項汽車科技的空中樓閣?您認為呢?