LTE—V车路通信技术浅析与探讨

温志勇+修战宇+陈俊先

【摘 要】LTE-V已经成为汽车、通信行业的研究热点，它是车联网的核心技术。对LTE-V进行了介绍，并对其关键技术进行了分析说明，针对其在交通行业的应用进行了探讨，进而阐述了LTE-V技术在我国的发展情况及方向。

【关键词】LTE-V 车路通信 车联网 自动驾驶

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2016.24.009 中图分类号：TN929.53 文献标志码：A 文章编号：1006-1010（2016）24-0041-05

1 引言

车路通信简称V2X（Vehicle to Everything），是指车辆与车辆、路侧设备、行人及网络等外界对象之间的信息交换，是实现交通安全、效率提升的前提，是未来智能交通运输系统的核心技术。

V2X包括V2V（Vehicle to Vehicle，车-车）、V2I（Vehicle to Infrastructure，车-基础设施）、V2P（Vehicle to Pedestrian，車-行人）、V2N（Vehicle to Network，车-网络）等通信模式及技术。V2X应用对象主体是交通环境下的车辆，其具有高速移动、高速率数据传输、低延时、多用户、高可靠性等特性，从而对技术方案的性能指标提出了较高的要求。

车路通信技术不仅增加行驶安全，也将提升交通效率；同时以V2X为核心的车路通信也是自动驾驶的必要条件。本文的工作以LTE-V技术为中心展开，其是V2X应用的核心技术标准规范，是车联网的核心技术。

2 LTE-V概述

LTE-V（Long Term Evolution-Vehicle，长期演进-V2X）是我国具有自主知识产权的V2X技术，是基于TD-LTE（Time Division-Long Term Evolution，分时长期演进）的ITS（Intelligent Transport System，智能交通系统）系统解决方案，属于LTE后续演进技术的重要应用分支。2015年2月，3GPP工作组LTE-V标准化研究工作正式启动，Release 14的提出标志着LTE-V技术标准制定工作在3GPP工作组计划中的正式开始，同时也将在5G中得到兼容和性能的大幅提升。预计LTE V2V Core part将于2016年底完结，LTE V2X Core part将在2017年初完结，V2V为LTE-V的核心，预计2018年完结，基于LTE-V技术标准的系统和设备预计将于2020年后开始商用。

我国在国际化标准LTE-V技术中具有一定话语权。国内厂商大唐电信、华为等企业为3GPP LTE-V标准化研究工作的主导方，是LTE-V标准化过程中SI（Study Item，研究组）和WI（Work Item，工作组）的主要报告起草人。2016年国家科技重大专项发布“新一代宽带无线移动通讯网”的子课题“LTE-V无线传输技术标准化及样机研发验证”的确立，以及随着重庆邮电大学、长安集团、上汽集团和高通（Qualcomm）等重量级单位的加入，大大地助推了LTE-V标准的发展，从而奠定了LTE-V技术在V2X应用中的发展趋势及方向。

LTE-V标准协议架构由三部分组成，包括物理层、数据链路层、应用层。物理层是LTE-V系统的底层协议，主要提供帧传输控制服务和信道的激活、失效服务，收发定时及同步功能。数据链路层负责信息的可靠传输，提供差错和流量控制，对上层提供无差错的链路链接。应用层基于数据链路层提供的服务，实现通信初始化和释放程序、广播服务、远程应用等相关操作。

LTE-V系统设备组成包含了UE（User Equipment，用户终端）、RSU（Road Side Unit，路侧单元）、eNB（E-UTRAN Node B，E-UTRAN基站）三部分，具体组成如图1所示。UE包含了车载设备、个人用户便携设备等。RSU提供了V2I服务，处于eNB和UE之间，承担着双方的数据通信任务。eNB是承担了LTE-V系统的无线接入控制功能的设备，主要完成无线接入功能，包括管理空中接口、用户资源分配、接入控制、移动性控制等无线资源管理功能。

3 LTE-V关键技术分析

V2X技术影响用户体验的主要系统指标有延时时间、可靠性、数据速率、通信覆盖范围、移动性、用户密度、安全性等。其相关指标有安全类时延≤20 ms，非安全类时延≤100 ms，峰值速率上行500 Mbps、下行1 Gbps，支持车速280 km/h，在后续演进版本及5G版本中将提升至500 km/h，可靠性几乎为100%，覆盖范围与LTE范围相当。本节内容针对影响上述指标的LTE-V关键技术进行分析。

3.1 通信方式

LTE-V系统的通信方式采用了“广域集中式蜂窝通信”（LTE-V-Cell，LTE-V蜂窝）和“短程分布式直通通信”（LTE-V-Direct，LTE-V直通）两种技术方案，如图2所示，分别对应基于LTE-Uu（UTRAN-UE，接入网-用户终端）和PC5（ProSe Direct Communication，ProSe直接通信）接口的网络架构。广域集中式蜂窝通信技术是基于现有蜂窝技术的扩展，主要承载传统的车联网业务，满足系统与终端间大数据量的要求。短程分布式直通通信技术引入LTE D2D（Device-to-Device，端-端），实现V2V、V2I直接通信，承载了车辆主动安全业务，主要满足终端之间低时延、高可靠性的要求。

传统TD-LTE通信技术由于在数据速率、数据量的上下行需求等因素的差异，采用非对称技术，但是在V2X应用的车辆之间要求能够进行对称通信，同时终端之间由于能够绕过RSU进行直接通信，从而大大降低了通信时延。短程分布式直通通信正是面对这一需求而产生的自组织对称通信技术。根据通信方式的多样性，网络架构采用了灵活的扁平化架构，降低了系统的复杂度，减少了网络节点，降低了系统时延，也降低了网络部署和维护成本。

3.2 多用户终端的竞争机制

V2X车路通信的数据具有小包、突发、频繁等特性，在LTE-V协议中数据传输资源的分配是通过网络调度程序来实现的。在eNB的配置管理中，冲突和相互干扰得到了最小化，调度程序提供了QoS服务，根据优先级来分配无线电资源，这对于高网络负载来说非常重要。和基于CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，载波监听多路访问/冲突避免机制）协议比较来说，网络调度的方式可以承担更高的用户量，从而进一步降低了通信时延。V2X应用层针对不同场景赋予了通信的优先级，例如安全类的消息通信优先级最高，并被优先予以响应。

3.3 本地快速接入和多路径、多无线制式连接

由于车辆具有高速移动的特性，车辆在不同RSU覆盖范围内频繁切换。切换过程对系统性能的影响主要考虑切换的延时、成功率和数据包的丢失率等因素。降低切换的延时，即降低重新认证和重新关联的延时，寻找合适的切换算法，实现快速切换，提高系统性能。eNB根据检测到当前连接信号的质量以及V2X应用中车辆的位置、速度、方向等信息来进行动态智能切换行为，从而完成快速接入及无缝连接的实现。

V2V应用中，车辆与周围多辆车辆需要保持通信，为了达到低时延的要求，端到端的通信需要被保持，并建立多链接路径，需要更好的时隙分配策略、链路保持、自组网等技术来保障。另外在V2I应用中，由于网络覆盖存在多种制式，能够兼容多种无线制式的V2X也是研究内容之一。

3.4 多天线系统

多天线技术采用对发射与接收信号在空域、时域、频域上的处理，能极大地提高系统的容量，多天线技术在TD-LTE系统得到了应用，同样也可以应用在LTE-V系统中。

RSU采用多天线系统，在下行链路，多天线发送方式包括发送分集、波束赋形和多用户MIMO（Multi-input Multi-output，多输入多输出）等多种传输模式，如图3、图4所示。在上行链路，多用户组成的虚拟MIMO也进一步提高了上行的系统容量。

多天线技术对LTE-V系统有极大的好处，尤其是针对城市道路拥挤的特性。充分利用了频谱效率，能够极大地减少用户间干扰，有效抵抗多径衰落的影响，提高通信质量，从而可以承担更高的用户密度。

3.5 高速率下载

空口技术最主要的指标就是数据承载量，在有限频谱资源条件下满足高速率数据传输的需求。OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用技术）技术在4G时代多载波技术中被采用，充分体现了其优越的性能。

OFDM技术中的各个子载波是相互正交的，每个载波在一个符号时间内有整数个载波周期，每个载波的频谱峰值和相邻载波的零点重叠，这样便减小了载波间的干扰。由于载波间有部分重叠，所以它比传统的FDMA（Frequency Division Multiple Access，频分多址）提高了频谱的利用率，频谱利用分布示意图如图5所示：

OFDM技術在频率选择性、抗衰落、码间干扰、频率利用率以及基于DFT（Discrete Fourier Transform，离散傅里叶变换）的简化实现上体现了极大的优势。同时也面临着频率偏移、同步及系统的非线性问题比较敏感，峰均比过大，信道利用率降低等问题，有进一步提升的空间，需要联合其他技术来弥补现有缺陷。例如：F-OFDM（Filter OFDM，基于滤波器的OFDM）、SCMA（Sparse Code Multiple Access，多址技术）、FBMC（Filter Bank Multicarrier，基于滤波器组的多载波）等，新技术的诞生将为其注入新的活力。

LTE-V支持动态带宽，根据系统资源分配情况，LTE-V系统支持连续载波聚合以及频带内和频带间的非连续载波聚合。预计5G版本中最大能聚合带宽可达100 MHz，灵活动态地使用频谱资源，提升了用户体验，峰值数据传输速率可以达1 Gbps甚至更高。

3.6 数据处理及应用

数据处理及应用对V2X系统的使用至关重要，是利用LTE-V系统来收集整个交通环境的数据，包括了车辆、行人、基础设施、网络信息等相关信息，并从繁多的信息中筛选出有价值的信息。进一步做到能够识别安全隐患并对终端用户的智能提醒，根据安全信息的优先级、交通情况进行管理，从而提高交通安全并优化交通通行效率。

由于交通参与者众多、行为复杂等特性，其数据处理对象具有数据量大、用户多、实时性要求高等特点，数据处理及应用技术面临着巨大的挑战，堪称一项工程浩大的大数据应用项目。

3.7 安全认证技术

涉及交通时，其安全重要性不言而喻。由于车辆是一个高速移动的物体，LTE-V系统需要提供安全机制来保障使用者的信息安全，预防非法及伪装终端设备进入网络。对车辆间的高速认证和安全数据传输也提出了极高的要求，包括身份认证管理、异常用户检测、个人隐私保护、安全机制的更新、信息加密等。

目前在传统联网系统中经常采用集中式管理机制，其具有的安全性较高，但对于庞大的车辆管理数量来说，同时也会造成时延的问题；分布式管理机制相对较灵活，作为集中式的补充对LTE-V系统来说是个可行的解决方法。

4 LTE-V技术的应用探讨

LTE-V车路通信是车联网的核心技术，基于LTE-V的车联网，如图6所示。其完成了车辆、行人、基础设施、网络之间的互联互通，从而大大提高了交通的智慧化程度，可以在道路安全、交通管理、网络服务方面极大地提高交通的智能化程度。

在道路安全方面，进行道路维护提示、应用车辆提示、路口碰撞提示、静止车辆提示、变道辅助、预碰撞提示、前向碰撞提示、信号灯提示等应用。

在交通管理方面，进行车辆辅助或自动驾驶、交通灯协同控制、黑点提示、保险服务、交通检测、车队管理、路口管理等。

在网络信息服务方面，提供地图更新、多媒体娱乐、生活服务导航等应用；另外基于其低时延、安全性高的特点，同样可以应用于电子收费领域，尤其是高速公路电子不停车收费。

车路通信技术是自动驾驶的有力保障。自动驾驶技术由两部分组成：自主式车载探测系统和车路通信联网系统。通常在一定的视距范围、反应时间较短的情况下，自主式车载探测系统可以做到灵活、及时、识别多样化等要求；而在非视距范围及反应时间长的情况下，车路通信联网系统则更具优势，可以提前做到识别前方交通情况。两者各有所长，互相补充形成完善的自动驾驶技术。

5 结束语

LTE-V车路通信是实现车联网的重要技术，由于LTE-V起步较晚，目前LTE-V相关标准尚未发布，多项相关工作和议程尚处论证之中。从标准、芯片、硬件厂商、运营等方面尚未形成成熟的产业链，尚需各方共同努力，快速稳步推进，实现互赢。

本文对LTE-V现状及内容进行了介绍，并对关键技术进行了分析，综合考虑通信可靠性、部署成本、持续演进性、自主知识产权、信息安全等因素。根据我国公路存在覆盖范围广且路网复杂的特点，在很大程度上可以预见未来LTE-V较适合我国的国情，同时也是我国信息工业和汽车工业实现跨越式发展的一个良机。随着技术的发展和各方的大力推动，国家对“新一代宽带无线移动通信网”的推动，车辆智能网联的新型交通模式即将实现。其技术兼容LTE网络，无需重新进行选址、规划、重新建设等，充分利用现有基站的基础设施，大大降低了建设费用。

参考文献：

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