中国联通：车联网关键技术及演进方案研究 | 厚势 | 自由微信

中国联通：车联网关键技术及演进方案研究 | 厚势

原创 2017-10-26 邱佳慧、陈祎等 厚势

厚势按：本文为中国联通网络技术研究院邱佳慧博士、陈祎研究员、刘珊研究员、刘琪博士发表在 2017 年 8 月 20 日出版的《.邮电设计技术》上关于车联网技术（V2X）的综述文章。

文章首先简要介绍了车联网的发展历程，总结了 V2X 所涉及的业务场景和相应的技术指标，然后介绍了 V2X 关键技术，包括网络架构和资源调度等，最后给出了中国联通车联网的演进策略。

目前各家研究机构在研发各级别的自动驾驶汽车时，主要依赖车辆自身的传感器，这会限制车辆的行驶速度和计算负荷。但伴随着 3GPP LTE-V2X 标准的研究与制定，基于蜂窝网的 V2X 技术将自动驾驶汽车提供为高可靠、低时延的通信环境，使自动驾驶的实现变得更加简便、可靠、安全。

引言

随着社会的发展，汽车保有量持续增长，导致市区内车流日益升高，堵车成为社会性问题。据统计，2015年北京市平均每天堵车约3h，比2013年增加了近1h［1］。另外，交通事故已经成为全球公共的交通安全问题。虽然近年来我国在交通设施建设、交通法规完成程度、驾驶员和行人的交通安全意识等方面取得了一定成绩，交通事故死伤人数有所减少，但相比主要发达国家仍有较大差距。

车联网的提出和发展，可以有效缓解或解决由于车辆快速增长而带来的各种问题，并有可能彻底改变人们未来的出行模式，大大提升道路交通网络的运输效率、安全水平、智能化水平及环保水平，为建成一种适应现代道路交通网络运输发展的建设、运营、管理模式提供突破口。

另外，车联网的发展会带来巨大的经济效益。据统计 2012 年全球车联网市场的总体规模约 131 亿欧元，2013 年该市场规模达 164 亿欧元，同比增长 25%，到 2018 年车联网的市场规模有望达到 390 亿欧元，2020 年全球 V2X 市场达到 500 亿欧元。对于中国市场，2015 年中国车联网用户的渗透率突破 10% 的临界值，中国车联网的市场规模将超过 1500 亿元；而 2020 年车联网用户将超过 4000 万，渗透率将超过 20%，市场规模将达到 2000 亿元［2］。

1. 车联网发展

车联网技术的发展大致经历了 2 个阶段。

首先是专用短程通信技术（Dedicated Short Range Communications，DSRC）的提出和发展。它基于 802.11p 协议的延伸扩展，起源于 20 世纪 90 年代，其典型应用场景分为安全相关的应用和非安全相关的应用［3］。由于 DSRC 技术针对车辆的高移动性和数据传输的高可靠、低延迟等需求进行了优化，适合应用在 V2V（车与车）和 V2I（车与路边设施）场景下，尤其是一些和安全相关的场景［4-5］。

然而，DSRC 技术也存在明显不足：

首先是短距离覆盖问题。如果汽车通过 DSRC 网关接入互联网，会受到 DSRC 沿路边覆盖范围的约束，尤其是在高速公路上。即使通过多跳通信来扩展 DSRC 的覆盖范围，但也不能保证在任意时刻可以为车辆接入提供一条可用的链路。另外，即使链路存在，考虑到高速移动环境下复杂的网络拓扑结构，数据包的路由问题也是一个挑战。多级连跳通信以及路由问题大大降低了 DSRC 高可靠和低
时延的性能［6］。

DSRC 的另外一个弊端就是基于 CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）的接入技术［7］。在高密度场景下，车辆之间的信道接入竞争会变得更加强烈，从而导致由高速数据传输碰撞以及信道接入延迟而引发的性能下降。

除此之外，DSRC 难以实现大规模商用，其路边设施投入大，商业盈利模式不清晰，且 DSRC 主要针对道路难以覆盖，无法满足车辆离路后获取服务的应用场景［8-9］。

随着 LTE（Long Term Evolution，长期演进）通信技术的普及，尤其是 LTE-D2D 通信标准的制定，使得基于 LTE 技术实现车-车、车-路、车-人之间直接通信成为可能，从而满足车-车、车-路、车-人之间低时延、高可靠性的通信需求。2015 年 2 月，3GPP SA1 正式启动了 LTE-V2X 业务需求研究项目，拉开了 LTE-V2X 技术在 3GPP（The 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划）各小组的标准化序幕。

基于蜂窝网的 V2X 技术优势包括以下几点：

基于现有的蜂窝网，部署简单；
覆盖范围广，可实现无缝覆盖；
传输更可靠，半静态调度使得资源分配更合理，降低竞争冲突丢包；
GPP 持续演进，可支持未来 ITS 业务需求；
网络运营模式灵活，盈利模式多样化。

当然，LTE-V2X 的缺点也同样突出：标准尚在制定过程中，技术成熟度较低，面向车-车主动安全与智能驾驶的服务性能还需要充分的测试验证。目前，3GPP 于 2016 年 9 月完成 LTE-V2V 相关标准的制定与布，LTE-V2X 标准于 2017 年 3 月完成。

国内对于 DSRC的研究较晚，目前主要推动 LTEV2X 的产业发展。通信标准化协会（CCSA）、中国智能交通产业联盟（C-ITS）、车载信息服务产业应用联盟（TIAA）等多个标准组织与产业联盟开展了 V2X 方面的通信标准研发和场景测试。
另外，2016 年 9 月，奥迪、宝马、戴姆勒、爱立信、华为、英特尔、诺基亚及高通发起成立的会员式组织 5G 汽车联盟（5GAA），着眼于开发、测试、推动用于自动驾驶、业务泛在接入、智慧城市整合及智能交通等应用的通信解决方案，助推标准，促进产品的商用化发展与全球市场渗透，以满足人们对社会移动互连与道路安全的需求。各组织与联盟重点关注内容及相关成果如表 1 所示。

表 1 车联网标准组织与产业联盟简介

2015 年工业和信息化部发布国内首个「智能网联汽车试点示范区」项目，由上海国际汽车城承担，在上海安亭镇建设世界上最大的智能网联汽车研发和试验基地。其中基于 LTE 的 V2X 试验在 2016 年 6 月开园，主要进行智能网联汽车总体测试和指挥交通示范，可为无人驾驶、自动驾驶和 V2X 网联汽车提供近 30 种场景的测试验证。

工业和信息化部又先后推动在杭州、北京、重庆、长春建立车联网实验基地，基于LTE-V/5G 的通信环境建设，支撑开展智能驾驶、智慧交通相关示范应用。目前国内大唐和华为已有基于 LTE-V 架构的原型样机，可进行车路协同实景演示。

2. LTE-V2X 业务需求

图 1 LTE-V2X 的通信模式

按业务模式，LTE-V2X 可以分为以下 4 类［11］，如图 1 所示，包括：

V2N（Vehicle-to- Network）通信，动态地图下载，自动驾驶相关线路规划、远程控制等，最高优先级；
V2V（Vehicle-to-Vehicle）通信，核心防碰撞，避拥塞等安全类应用，优先级取决于技术路线，但 V2V 安全类应用不受限于网络覆盖。
V2P（Vehicle-to-Pedestrian）通信，车与人之间通信，主要用于行人安全，低优先级。
V2I（Vehicle-to-Infrastructure）通信，用于车与道路设施之间通信，提供或接受本地道路交通信息，低优先级。

目前 3GPP 对 LTE-V2X 以及 5G 的 eV2X 定义了 27 种（3GPP TR 22.885［11］）和 25 种（3GPP TR 22.886［12］）应用场景：

3GPP TR 22.885 的 27 种应用场景根据应用业务进行分类，主要实现辅助驾驶功能，包括安全预警、交通效率等方面。
3GPP TR 22.886主要实现自动驾驶功能，包括高级驾驶、车辆编队行驶，离线驾驶、扩展传感器等。

在业务需求方面，在标准项目中，SA1 定义了 LTE-V2X 支持的最大移动速度、时延、消息发送频率、数据包大小、安全等通用的业务要求［13］，其中：

移动速度：最高绝对速度 160 km/h，最大相对速度 280 km/h。
数据包大小：典型的周期性数据包为 50～400 B，事件触发数据包最大到 1200 B。
消息发送频率：1～10 Hz。
时延：100～1000 ms，预碰撞感知场景下为 20 ms。
安全：通信设备需要被网络授权才能支持 V2X 业务，要支持用户的匿名性并保护用户隐私。
资源管理：网络覆盖内资源可控，网络覆盖外通过预配置方式。
通信范围：TTC（Time To Collision）为 4 s 的通信距离。

其中，V2V 通信场景大多属于交通安全类，时延要求比较高，大部分场景要求 100 ms 以内的时延，某些特殊场景要求 20 ms 以内的时延。定位精度要求2 m以内，数据包在 1200 B以内。

3. LTE-V2X 关键技术

3.1 网络架构

在已发布的 V2V 标准中，根据接口的不同又分为 V2V-Direct 和 V2V-Cellular 2 种通信方式 [14]，其中：

V2V-Direct 采用 PC5 接口，可实现车-车之间的直接通信，时延低，支持的移动速度较高，但需要有更好的资源池选择设计和拥塞控制，适用于无线蜂窝网络覆盖有限的场景;
而 V2V-Cellular 是通过网络转发，使得车-车通信可在更广域的范围实现，覆盖范围更广。

在 3GPP 23.785 [15] 中，定义了潜在的 LTE 支撑 V2X 服务的架构假设，包括基于 LTE-Uu 接口以及 PC5 接口的架构；基于这 2 种接口的架构均可以独立地支持 UE 收发信息。

图 2 LTE-V2X 网络架构

基于 PC5 及 LTE-Uu 接口的 V2X 架构参考模型如图 2 所示，相关新功能及部分接口定义如下：

V2X Control Function：该逻辑功能用于 V2X 所需要网络做出的响应。
V1：V2X 应用于 V2X 服务器之间的参考点。
V2：V2X 应用服务器与运营商网络内 V2X 控制功能间的参考点，其中 V2X 应用服务器可以与多个 PLMN 网络内的 V2X 控制功能相连接。
V3：具备 V2X 功能的 UE 与运营商网络内 V2X 控制功能间的参考点，它需要建立在服务授权且 PC3 配置的基础上，可应用于基于 PC5 的 V2X 与基于 Uu 口的V2X。
V4：HSS 和运营商网络内 V2X 控制功能间的参考点。
V5：V2X 应用之间的参考点。
V6：V2X 控制功能间的参考点。
LTE-Uu：具备 V2X 能力的 UE 与 EUTRAN 之间的参考点。
PC5：具备 V2X 能力的 UE 之间支持 V2V、V2I 与 V2P 业务的参考点。

3.2 资源调度

LTE-V2X 发送信道包括 PSCCH 和 PSSCH，其中PSCCH 传送的是 SA（Scheduling Assignment）信息，PSSCH 传送的是用户数据信息。同一用户的 SA 与数据信息是在同一子帧内传送的，这样可以降低带内辐射和半双工下数据接收失败的概率。在 LTE-V2X 标准中，数据资源池和 SA 资源池是一一对应的关系，每个数据传输都由一个 SA 调度，解出的 SA 信息指示数据传输资源的时频位置信息。

图 3 LTE-V2X 资源分布方式
资源池的分布方式有 2 种：

一种是数据资源与 SA 资源是相邻的，如图 3（a），这样可以降低带内辐射，为降低用户间干扰，只需要对用户在频带上所占资源的两侧进行功率回退即可。
另一种是数据资源与 SA 资源不相邻，如图 3（b），这种资源分布的优势是由于SA 所在资源池较小，有利于 SA 的盲检测，进而进一步检测到数据资源。

无论哪种分布方式，SA 与对应的数据资源相比总处于较低的子信道上，用户总是选择整数倍的相邻子信道进行发送。

在资源调度上，LTE-V2X 有 Mode 3 和 Mode 4 2 种资源调度模式，即基站调度模式或自主选择模式，同时为减少空口信令开销，采用预约的半静态资源调度方式（SPS），以提高资源利用率和通信可靠性。一个终端在同一个时刻只能在基站调度模式或自主选择模式中选取一种，不能同时存在，并且 Mode 3 和 Mode4 的资源池是相互独立的。

针对基站调度模式（Mode 3），只能在 UE 连接态下使用，UE 首先向基站发送资源调度请求，基站根据用户位置以及资源利用情况通过 DCI format 5A 调度发送端 UE 发送 PSCCH 及 PSSCH，每个周期调度一次。
针对自主选择模式（Mode 4），IDLE 状态下只能用 SIB21 提供的传输资源池，连接状态下只能用 RRC 重配信息中提供的资源池。

资源的选择采用 Sensing + Reservation 的策略，即终端通过解调其他用户 PSCCH 中的 SA 数据并对 PSSCH 数据进行能量检测，来判决哪些资源已被占用，并在剩余资源中选择适合自己的资源。另外，在 Mode 4 模式下，资源池以地域的不同进行划分，即在同一地域的用户共用同一个资源池，每一个资源池对应一个地域 ID。

4. 中国联通车联网演进策略

对于运营商而言，车联网业务是运营商从传统业务转型的机遇。在提供传统通信管道的同时，也需要积极扩展综合服务支撑业务，开拓更多的盈利渠道，实现利润的持续增长。

中国联通作为国内对「车联网」最具网络数据基因的通信公司，已经将车联网业务定位为重要的战略发展方向。目前中国联通利用网络基础设施、IT 基础设施，从平台建设运营到服务体系，整合产业链资源，为智能汽车产业提供端到端的服务，在前向车联网市场份额达到 80%。

4.1 车联网架构演进策略

图 4 中国联通车联网总体架构演进
中国联通在目前的车联网市场占有巨大优势，但面对其他运营商的强烈冲击与竞争，中国联通也需要不断开拓业务，打造「终端—网络—平台—应用」的统一架构，如图 4 所示，实现车联网的平滑演进，打造开放的网络平台，吸引车企与第三方企业建立长期的合作关系。

在终端方面，实现 V2V、V2I、V2P 以及 V2N 的通信，建立路边单元和车载单元。通过网络实现路边设施信息回传与管理，实现 RSU（Road Side Unit）的快速、灵活、低成本的部署。另外，车企实现辅助驾驶主要依靠 ADAS 系统，为了将基于蜂窝网的 V2X 渗透到车企中，运营商需要考虑车载 ADAS 系统与 V2X 的结合，实现对 ADAS 系统的增强，完成信息交互与回传。

在网络方面，目前中国联通主要通过 2G/3G 网络实现数据回传，在车联网行业的市场占有率相对比较高，拥有丰富的客户资源。随着 4G LTE的商用，中国联通在网络上的优势减弱，未来车联网过渡到 4G 网络时，行业竞争会比较激烈。2017 年 3 月，3GPP LTE V2X 将完成标准化，联通将尽快开展 LTE-V2X 的网络部署，推动 V2X 的相关业务。同时为了增强基于基站通信的低时延高可靠业务，考虑引入移动边缘计算（MEC——Mobile Edge Computing），实现业务下沉，在靠近移动用户的位置上提供 IT 服务环境和云计算能力，并将业务存储和存储分发能力下沉至靠近用户侧（如基站），降低网络传输时延。在打造基于蜂窝网的车联网网络平台的同时，开展 V2X 网络与其他车联网网络（例如 DSRC，其他运营商网络）的共存性研究。

在平台方面，打造一体化车联网平台。一方面实现网络管理能力，包括业务管理和连接管理，另一方面实现网络能力开放，例如进行大数据分析拓展新的业务渠道；向第三方开展网络接入功能，允许第三方企业进行业务定制。

在业务应用方面，联通将保留已有的 Telematics 业务，同时增加 V2X 业务，在 LTE-V2X 阶段实现主动安全、交通管理，在 5G 的 V2X 阶段实现自动驾驶、编队行驶、高清视频传输等，同时注重实现 Telematics 和 V2X 业务的融合与互补。

4.2 无线侧网络架构演进策略

图 5 中国联通车联网无线侧网络架构演进

在 V2X 标准中，如果车辆在基站覆盖范围内，车车之间的通信既可通过 Uu 接口通信，又可通过 PC5 接口通信，而目前业界普遍关注的是基于车辆自主选择资源的 V2V 通信，从运营商的角度，积极推动基于基站调度的 V2V 通信技术和基于 Uu 口的 V2X-cellular 通信技术是未来联通车联网演进重点（如图 5 所示），有利于中国联通发展新的车联网业务。

另外，V2X 的主要功能包括主动安全、交通效率和信息娱乐，其中交通效率和信息娱乐是需要通过网络实现的，但目前车企主要通过 ADAS 系统来实现主动安全和自动驾驶。为了加强与车企的合作，需要积极推动 V2X 与 ADAS 技术的融合，加强车辆行驶安全性。

4.3 典型业务测试演进方案

图 6 中国联通车联网典型业务测试演进方案

中国联通在典型业务测试方面可分为 3个阶段，如图 6 所示。

目前已经在重庆开展了第 1 阶段的测试，关注典型场景业务需求，进而制定解决方案。主要包括的场景有紧急刹车警告、交叉路口防碰撞、路况警告、交通灯管理等。

在第 2 阶段，为加强与车企的联系与合作，使得运营商能够进入车企的前装市场，中国联通将开展基于 ADAS 与 V2X 相结合的测试。在数据方面将进行 V2X 与 ADAS 传感器信息的融合测试，并由 ADAS 辅助 V2X 进行判决，以此与基于 V2X 和 ADAS 的系统性能分别进行对比。

在第 3 阶段，即基于 5G 的 V2X，车联网的时延将进一步降低而可靠性将进一步提高。同时，随着智能网联汽车以及智慧城市的发展与完善，基于主动安全或者交通效率的业务，未来或许会成为基础性服务而不能给运营商带来利润的增长，因此运营商需要在此基础上拓展新的业务模式，并开展基于 5G 的 V2X 的业务演示。

5. 结束语

车联网是未来智能交通的发展方向，通信技术是车联网技术的关键支撑，决定了车联网信息传输的实时性和有效性。

与欧美、日本等国家相比，车联网技术在我国发展相对较晚。现在国家对于车联网的发展较为重视，以推动基于蜂窝网的 V2X 为主。工信部目前已推动在全国 5 处建立车联网测试基地，并确定 5.9 GHz 作为试验频谱，用于 V2V 技术测试和验证，大唐和华为也研发了基于 LTE-V2V 的设备进行测试。

对于运营商而言，车联网业务是运营商从传统业务转型的机遇，在提供传统通信管道的同时，也需要积极扩展综合服务支撑业务，开拓更多的盈利渠道，实现利润的持续增长。

参考文献

整理编辑：厚势分析师拉里佩

转载请注明来自厚势和厚势公号：iHoushi

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