车联网标准化及其演进策略*

邱佳慧 陈祎 刘琪

【摘 要】车联网作为5G万物互联的形式之一，已成为各行业关注和研究的焦点。但目前车联网产业链尚不成熟，这是运营商在新型产业中从传统的通信管道提供商向新业务提供商转型的契机。介绍了车联网在国内外的发展概况，总结了车联网在3GPP标准中的关键技术，从业务需求和技术研究两个方面分析了车联网未来的演进方向。最后，给出了运营商在车联网网络架构建设以及业务发展方向的建议，对运营商在未来车联网产业中的转型具有指导意义。

【关键词】车联网；DSRC；车联网标准化；运营商V2X演进策略

Research on V2X Standardization and Evolution Strategy

QIU Jiahui， CHEN Yi， LIU Qi

[Abstract] As one of the forms of Internet of 5G Everything， V2X has become the focus of attention and research in various industries. However， the fact that the industry chain of V2X is not mature yet is a chance for operators to change the role from the communication aisle provider to the new business provider. This paper introduced the development of V2X at home and abroad， and summarized the key technologies in 3GPP V2X standards. Additionally， the evolution of V2X was analyzed from the service requirements and the corresponding technologies， respectively. Finally， the network architecture and service development of V2X for telecommunication operators in the future were discussed， which could provide references to the transformation of operators in the future V2X industry chain.

[Key words]V2X； DSRC； V2X standardization； V2X evolution strategy

1 引言

随着通信技术的发展，越来越多的实体被加入到通信网中，成为網络的元素。在智能交通领域，为了提高交通效率和驾驶安全性以及提升用户体验，汽车、行人和交通设施都被接入到通信网中，享受通信技术发展带来的红利。以汽车行驶安全、效率提升和信息服务为主要应用场景的车联网技术成为这种趋势中的焦点。

车联网是以车辆内部网络、车辆之间的V2V网络以及车载终端与基站之间的网络为基础，按照规定的通信协议和数据传输标准，在车与车、路边设施、行人以及互联网之间，通过无线通信进行数据交换的网络，实现车辆智能控制、交通智能管理以及动态信息交互的综合化一体网。车联网的提出和发展，可以有效缓解或解决由于城市迅速发展以及汽车保有量快速增长而带来的各种问题，大大提升交通网络的安全水平，交通效率和环保水平，并有可能彻底改变人们未来的出行模式，这是实现智慧城市和绿色城市的有效途径之一。

2 车联网国内外发展概述

车联网最早被提出和发展的是DSRC（Dedicated Short Range Communications，专用短程通信）技术，该技术已在美国、欧洲、日本等国家进行了广泛应用。1999年，美国FCC（Federal Communications Commission，联邦通信委员会）在5.9 GHz区域为V2X留出75 MHz的带宽（5 850 MHz—5 925 MHz），用于实现车辆在高速状态下的短程通讯，以保障公共交通安全。2016年9月1日，美国交通部在三个地点启动了连接车辆试点部署项目的设计、建造和测试，包括怀俄明州、纽约市和坦帕[1]。另外，美国交通部于2016年提出了一项提议，该提议要求未来生产的所有轻型汽车以及卡车配备V2V通信设备（DSRC技术）。欧洲在车联网技术上同时考虑ETSI-ITS-G5（基于IEEE 802.11p/DSRC）和蜂窝V2X（4G和5G），称为C-ITS（Cooperative Intelligent Transport System）。欧洲政府也将5.9 GHz的频谱（5 855 MHz—5 925 MHz）分配给C-ITS，目前已经开展过许多大型项目的实施与部署。例如，COOPERS[2]、CVIS[3]以及NordicWay Project[4]。日本的VICS（Vehicle Information and Communication System，道路交通信息通讯系统）于1996年开始提供车联网信息服务，2003年便已基本覆盖全日本。但DSRC技术也存在明显不足，例如覆盖距离短、接入冲突以及数据包路由复杂等。随着LTE技术的普及，另一种车联网标准应运而生，该标准克服了DSRC技术的不足，在蜂窝网技术的基础上加以改进，实现了车车、车路、车人之间的直接或间接通信。中国的车联网发展起步较晚，并以LTE-V2X为主要技术手段，不管从国家政策方面，还是市场需求方面，中国车联网发展都具有强大的驱动力。国内的车联网试验主要基于LTE-V2X技术。2015年工信部发布国内首个“智能网联汽车试点示范区”项目，在上海安亭镇建设了国内首个智能网联汽车研发和试验基地。随后工业和信息化部又先后在杭州、北京、重庆、长春等地建立车联网实验基地，基于LTE-V2X和5G技术，支撑开展智能驾驶、智慧交通的相关示范应用。

3 V2X关键技术

2015年2月，3GPP SA1小组开启了关于LTE-V2X业务需求的研究，3GPP对LTE-V2X的标准化工作正式启动[5]。此后，3GPP分别在SA2、SA3以及RAN各小组立项开展LTE-V2X标准化研究，并于2017年3月完成V2X第一阶段标准的制定。

按业务模式，LTE-V2X可以分为以下四类[6]，如图1所示，包括：

（1）V2V（Vehicle-to-Vehicle）通信。例如防碰撞预警，拥塞控制等车辆安全效率类应用，此类应用不受网络覆盖的限制，可实现随时随地通信。

（2）V2P（Vehicle-to-Pedestrian）通信。例如行人防碰撞预警等行人安全类应用。

（3）V2I（Vehicle-to-Infrastructure）通信。例如道路安全预警、排队预警等安全效率类应用，主要涉及车与路边基础设施的通信。

（4）V2N（Vehicle-to-Network）通信。例如路况信息播报、路线规划、地图下载等信息类应用。

根据接口的不同，LTE-V2X可分为LTE-V2X-Direct和LTE-V2X-Cellular两种通信方式[7]。V2X-Direct通过Pc5接口，采用车联网专用频段（如5.9 GHz），实现车车、车路、车人之间直接通信，适用于无线蜂窝网络覆盖有限的场景，时延较低，支持的移动速度较高，但需要有良好的资源配置及拥塞控制算法。V2X-Cellular则通过蜂窝网络Uu接口转发，采用蜂窝网频段（如1.8 GHz），使得V2X通信范围更广且更稳定。具体的Pc5口和Uu口对比如表1所示。

总体来看，LTE-V2X是在D2D标准的基础上进行的增强和演进，包含的技术演进总结如下：

（1）V2X控制单元。在核心网增加逻辑单元V2X Control Function，该逻辑功能用于实现LTE-V2X业务，提供相关参数及授权等。

（2）接口设计。LTE-V2X-Cellular（Uu接口）和LTE-V2X-Direct（Pc5接口）。

（3）物理信道设计。与D2D相比，车联网需要支持更高的移动速度（500 km/h），并且LTE-V2X可能占用较高的频段（5.9 GHz）。为了降低高频段以及高速移动带来的频偏影响，考虑在每一子帧内增加参考信号密度，导频序列从2列增加为4列。每一子帧的最后一个符号空缺作为收发的调整间隔，支持normal CP（Cyclic Prefix），不支持extended CP。

（4）新的控制信道和数据信道分配方式。为降低时延，控制信息和数据信息在同一子帧内，频域分布上相邻或不相邻，其中控制信道占用两个PRB（Physical Resource Block）。

（5）同步增强。在网络覆盖内，由基站配置基站同步和GNSS（Global Navigation Satellite System）同步的优先级，在无覆盖场景下优先配置GNSS为同步源。

（6）资源分配增强。资源分配支持基站配置模式（Mode 3）和自主选择模式（Mode 4）。Mode 3是一种基站向用户分配资源的通信方式，用户在通信前首先向基站发送资源使用请求，基站根据用户位置以及资源利用情况分配资源给用户。而Mode 4是一种用户终端自由选择资源的方式，基于地理位置选择相应的资源池，每一个资源池里配置一个区域ID。

（7）支持SPS（Semi-Persistent Scheduling）传输。为了满足多种业务需求，支持8种SPS配置，增加UE辅助的SPS配置，增加20 ms和50 ms的传输周期，支持更低时延需求。

（8）拥塞控制。Pc5模式下，定义CBR（Channel Busy Ratio）和CR（Channel occupancy Ratio）。当UE检测CBR超出某一门限，将采用eNB辅助或者UE自主调整发送参数的方式（例如最大发送功率、重传次数、调制编码方式等），降低信道利用率从而降低资源选择冲突。

（9）增加新的QCI保证V2X的QoS。其中QCI 3和QCI 79用于单播V2X信息，QCI 75只用于MBMS承载发送V2X信息。

（10）P-UE资源选择。为节省电量，P-UE终端采用部分感应或者随机选择的方式进行资源选择。

（11）新实体。增加路侧单元RSU，支持UE型或者基站型。

（12）本地化MBMS。将MBMS整体或者用户面下沉到基站侧，支持更低的时延。

（13）与DSRC共存性研究。考虑到欧美车联网同时采用DSRC技术。

4 V2X演进方向

4.1 业务及需求指标

目前3GPP已经发布了对LTE-V2X以及5G-V2X定義的27种（3GPP TR 22.885[6]）和25种（3GPP TR 22.886[8]）应用场景。其中TR 22.885定义的27种应用场景主要实现辅助驾驶功能，包括主动安全（例如碰撞预警、紧急刹车等）、交通效率（例如车速引导）、信息服务等方面。而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、扩展传感器传输等。随着业务场景的演进（由辅助驾驶向自动驾驶演进），其需求指标也更加苛刻。图2对比了LTE-V2X与5G-V2X所支持的业务场景下的参数指标典型值。由图2可知，5G-V2X所支持的时延更低而可靠性更高，且对其他参数指标（例如移动速度、通信范围、数据速率等）的要求也更加严格。

4.2 技术演进

在RAN 75#会议上，通过了V2X演进的三个阶段，如图3所示：

图3 V2X演进示意图

（1）第一阶段：3GPP Rel-14于2016年9月完成LTE-V2V标准的制定，且于2017年3月完成LTE-V2X标准的制定，主要支持TR 22.885中的业务场景。

（2）第二阶段：目前3GPP已经开展第二阶段的工作。2017年3月3GPP在R15的标准立项中通过RP-170798[9]启动了第二阶段LTE-V2X技术增强研究，计划于2018年6月完成。R15的LTE-eV2X在与R14 LTE-V2X保持兼容性的前提下，进一步提升V2X的时延、速率以及可靠性等性能，以进一步满足更高级的V2X业务需求。其相关技术主要针对Pc5的增强，采用与Rel-14相同资源池设计理念和相同的资源分配格式，因此可以与Rel-14 V2X用户共存且不产生资源碰撞干扰影响。第二阶段中的增强技术主要包括载波聚合、高阶调制、发送分集、低时延研究和资源池共享等。

（3）第三阶段：V2X的第三阶段即5G-V2X，用于支持eV2X的所有业务场景。5G-V2X与LTE-V2X在业务能力上体现差异化，在5G NR支持更先进业务能力的同时，也结合LTE能力，考虑对LTE-V2X进行增强。目前3GPP立项仿真方法研究的study item（RP-170837[10]），该立项根据TR22.886制定的需求完成38.913和38.802中仿真方法的制定，包括仿真场景、性能指标和业务模型。其中包括6 GHz以上sidelink的信道模型研究。针对第三阶段的work item将在Rel-16中开展。

5 运营商对车联网演进策略分析

虽然车联网市场潜力巨大，但运营商传统业务优势在车联网市场中并不明显。据统计，在全球车联网的收入组成中，通信收入仅占10%，而服务业务占比为60%。另外，车联网运营正面临着颠覆性的变革，车联网业务开始由Telematics向辅助驾驶迁移，车联网可能会引入专业化运营模式，新进入者使目前的市场竞争更加激烈。因此，车联网产业格局处于变革期，运营商在提供通信管道的同时，需要探索新的营收增长点。

为满足车联网的业务需求，运营商在未来车联网网络将采用“终端—网络—平台—应用”的统一架构，打造“多模通信+车车协同+车云同步”的云网协同一体化网络，如图4所示。

5.1 立体化通信网络

运营商需要从横向和纵向两个维度打造立体化网络架构，实现多模接入、车车直通、支持多种低时延高可靠业务的车联网通信。横向实现3G/4G/5G网络共存，依据不同的业务需求（例如Telematics业务、V2X业务）选用不同的网络及技术，实现多模通信。纵向实现车车之间无缝联通，在有网络覆盖的情况下，可通过基站实现车车通信，而在无网络覆盖的情况下，可通过V2V实现车车之间直接通信。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、低成本部署，实现数据与业务分流，降低网络时延，避免资源冲突，完成数据与业务的回传。作为运营商，为了增强基于基站通信的低时延高可靠业务，加强对车联网业务的掌控，考虑沿公路部署光纤传输管道，根据用户的业务需求在网络不同位置引入边缘云计算，实现用户面的业务下沉，降低网络传输时延。

5.2 云网协同平台

打造车联网协同云平台，实现互联互通。在功能上，一方面车联网云平台具有网络管理能力，实现业务管理和连接管理，满足车车协同和车云协同；另一方面其具有网络开放能力，开放垂直行业应用以及第三方应用接入，提供大数据收集及分析能力，拓展新的业务渠道。统一的云平台是未来车联网的重要组成部分，需具备以下特性（如图5所示）：云平台作为连接网络与应用服务的桥梁，首先应支持共性平台建设，具有一定的通用性、灵活性、安全性、开发性以及稳定性；其次需要保证各类用户的体验，具有网络开放的能力，实现网络间的互联互通，支持泛在接入，通过模块化实现云平台的灵活性，保证用户永远在线，并对客户做出实时响应；最后，要实现多场景支撑功能，例如，主动安全、路径规划、共享数据以及协同感知等。

5.3 业务综合化和多样化

基于技术的发展以及设备服务能力的升级与改造，运营商要实现车联网业务的综合化和多样化，主要分三个阶段：第一阶段以已有的Telematics业务为主，主要依靠现有的蜂窝网3G/4G，实现定位导航、车载娱乐、远程管理等低速率数据服务；第二阶段以实现辅助驾驶功能为主，依靠LTE-V2X技术支撑，包括安全预警、交通管理等对时延及可靠性要求较高的中高速数据服务；第三阶段以实现自动驾驶、万物互联为目标，主要依靠5G技术，在该阶段，对时延及可靠性的要求进一步提高，同时需要大带宽以传输高速数据，实现包括自动驾驶、编队行驶、高清视频传输等业务。另外，在提供多种V2X业务的同时，针对海量数据，融合通信网络大数据、个人用户大数据以及智能汽车和智能交通数据，提供大数据分析及推广服务，打造基于互联网和汽车的大数据生态圈，如图6所示。

5.4 运营商的产业角色

在车联网产业链中，服務用户的不仅是车厂和4S店，还包括互联网应用提供商、软硬件提供商、汽车远程服务提供商以及电信运营商，如图7所示。其中直接服务于用户的有4S店、汽车后装设备提供商以及电信运营商，其他行业则是间接服务于用户。产业链呈现出各行业交错模式，资金的流动也呈现多向化、快速化的特点。

对电信运营商而言，车联网产业格局处于变革期，运营商的角色也在发生变化。传统运营商在车联网产业中主要负责提供通信管道、维护网络稳定与安全，以流量运营为主要营收点。随着车联网产业格局的变化，运营商也在探索新的服务角色，开始向掌控车联网平台，开展车联网业务运营转型，创造新的营收机会。目前的转型探索主要有以下三种方式：

（1）搭建专有车联网业务运营平台。例如：NTT DoCoMo与中国移动合作，基于GSMA标准化方案，推动由不同开发商联合开发eSIM平台；DT依托成熟的车联网云平台技术，提供丰富的车载信息服务。

（2）基于网络经验为汽车厂商提供车联网网络解决方案。例如：Verizon利用4G网络和云计算平台，向汽车厂商等提供全套网络连接解决方案。

（3）基于流量优势进行车联网相关的软硬件捆绑销售。例如：AT&T;重点定位车联网下行流量经营及车联网软硬件销售。

6 结束语

5G发展目标是实现网络连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低延迟高可靠性。与此同时，AR/VR、物联网、车联网、智慧医疗、工业互联网等各种新兴产业接踵而至，并逐渐改变人们的生活习惯和方式。“万物互联”是5G的重要特征，车联网作为其中的典型应用，受到广泛的关注，遇到了前所未有的发展机遇和挑战。

车联网的蓬勃发展为运营商带来新的商业契机和价值体系。一方面，运营商作为传统的通信管道提供商，需要通过网络演进及升级以支持低时延、高可靠性的业务；另一方面，运营商也正在积极探索在新形成的产业链中的角色转变，即从非透明的管道服务向透明的内容服务的转变。因此，运营商在关注车联网通信技术的同时，将持续发力平台建设和网络能力开放，开展垂直行业业务制定及第三方应用，尝试开辟新业务，开拓更多的盈利渠道，实现利润的持续增长。

参考文献：

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