车联网标准演进及典型业务解决方案

陈祎，邱佳慧，刘琪

（中国联合网络通信有限公司网络技术研究院，北京 100048）

1 引言

随着城市的快速发展，汽车保有量持续增长，交通安全与交通效率越来越受到人们的关注。国家安全监管总局、交通运输部2017年12月发布的研究报告显示，我国道路交通事故年死亡人数居世界第二位[1]。据高德地图发布的《2017年度中国主要城市交通分析报告》显示，中国最堵城市济南2017年有2 078个小时处于拥堵，平均每天拥堵5.7个小时[2]。因此，建设智慧交通，提供安全、高效的行车环境迫在眉睫。

在此背景下，伴随着通信及人工智能的快速发展，汽车的智能化和网联化被认为是解决上述问题最有效可靠的途径之一。车联网也将重点从信息共享、故障诊断等方向，逐步向交通安全、交通效率以及增强用户体验等方向转变。车联网通过车车、车人、车路之间的通信，实现交通的全信息共享、智能化管理等应用。DSRC（Dedicated Short Range Communication，专用短程通信）作为车联网最原始的技术，在欧美得到快速发展和广泛认可。而随着LTE在3GPP的不断完善，C-V2X已经成为车联网另一项强有势技术，C-V2X一方面可以跟DSRC一样实现D2D通信，另一方面，也可以通过基站转发实现车车通信，弥补了D2D通信范围有限以及容易产生资源冲突的缺陷。

在国家政策和市场需求的刺激下，车联网也进入了蓬勃发展的活跃期。目前国内的车联网技术主要以C-V2X为主。车联网试验基地以及示范城市在全国遍地开展，运营商、通信设备商、互联网公司等纷纷加入到车联网技术的研究中来。因此本文接下来将在介绍C-V2X在3GPP以及5GAA标准进展的基础上，分析车联网的业务愿景和业务需求，并给出车辆网典型业务应用场景的解决方案。

2 车联网标准进展

3GPP作为C-V2X标准制定的官方组织，于2015年便开始了LTE-V2X的需求研究，并于2017年3月冻结R14版本。另外，2016年9月27日，德国宝马、奥迪以及戴姆勒联合通讯公司爱立信、华为和诺基亚以及芯片制造商英特尔和高通共同联手创立了5GAA（5G Automotive Association，5G汽车通信技术联盟），目的是共同推进全球范围内5G网络在汽车联网技术方面和汽车领域内涉及到互联网的地方的发展。下面主要介绍两个标准组织和论坛的主要进展情况。

2.1 3GPP

3GPP在已经冻结的R14版本中，定义了基于LTEV2X的车联网网络架构，如图1所示，该架构是在蜂窝网架构基础上进行的增强和改进，其中涉及的关键网元及其功能如下：

图 1 车联网网络架构

V2X应用服务器：核心网侧逻辑单元，完成对UE数据的接收和处理，以及对广播信息的配置与发送，同时也是运营商间异网互通的接口。

V2X控制单元：核心网侧的逻辑控制单元，为V2X通信提供参数。

LTE-V基站：无线侧实体单元，实现Uu口通信的数据转发，在PC5口通信的mode 3下实现资源分配，在mode 4下修改预配置信息。

路侧单元（RSU）：终端实体单元，分为终端型RSU和基站型RSU，均可以实现V2X数据的发送和接收。

车载终端：终端实体单元，实现V2X数据的发送与接收，在PC5通信mode 4模式下实现资源选择的功能。

MEC（Mobile Edge Computing，移动边缘计算）服务器：提供基于Uu口的低时延业务，对V2X的数据进行本地化处理。

LTE-V2X支持V2X-Direct和V2X-Cellular两种通信方式，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，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。V2XCellular则通过蜂窝网络Uu接口转发，采用蜂窝网频段（如1.8 GHz）。LTE-V2X是在LTE技术的基础上对上述两种通信模式进行技术增强，其主要的技术增强如表1所示。LTE-V2X主要满足3GPP TR 22.885[3]中规定的关于辅助驾驶的业务场景，主要包括主动安全、交通效率和信息娱乐。

目前，R15版本正在研究LTE-V2X的增强（RP-170798[4]），计划于2018年6月完成。主要技术包括载波聚合、高阶调制、资源池共享、PC5的发送分集以及更短的TTI等，目的是支持3GPP TR 22.886[5]中定义的eV2X的业务应用场景，包括编队行驶、高级驾驶、传感器扩展以及远程驾驶。

另外3GPP也同时开展了5G-V2X的仿真研究工作（RP-170837[6]），用于支持eV2X的所有业务场景，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。

2.2 5GAA

5GAA成立于2016年9月，是全球电信行业与汽车行业的跨行业产业联盟，旨在研究未来移动交通服务端到端解决方案。5GAA目前已经拥有75家成员单位，涉及通信运营商、设备商、车企和汽车零部件厂商等。

表1 PC5与Uu口通信对比

5GAA组织主要包括董事会、执行委员会和工作组。5GAA下设的5个工作组中，WG1主要研究业务场景和技术指标要求，WG2主要研究系统架构和解决方案，WG3主要研究评估方法和试验试点，WG4主要研究行业标准化和频谱，WG5主要研究商业模式和市场策略。下面主要介绍上述5个工作组的主要工作进展：

WG1主要研究业务场景和技术指标需求，目前已经完成一阶段的业务需求分析，包括4类安全类业务、2类娱乐类业务、5类高级辅助驾驶类业务以及1类弱势群体类业务[7]。此外，考虑到业务的特殊性和紧迫性，WG1对安全类业务也做了第一阶段的分析，梳理了17个业务场景分析报告[8]。

WG2主要研究系统架构和解决方案，目前已经完成区域性V2X应用层标准和底层标准对齐、传感器数据共享研究、V2X定义和应用以及C-V2X网络架构。正在进行的工作包括V2X认证管理系统、增强型C-V2X研究、应用服务器研究和端到端切片及可预测QoS研究等内容。WG2已经基本完成了C-V2X网络架构，除了3GPP TS 23.285的网络架构研究内容之外，5GAA在此基础增加了基于PC5通信模式下的网络预配置等内容，并定义了相应的模块功能，如图2所示。该网络架构主要分为V2X应用服务器、PC5预配置云、终端和V2X控制功能模块。其中V2X应用服务器包括Common Cloud Entity（CCE）和Proprietary Cloud Entity（PCE）两部分：CCE指通用的云配置功能实体；PCE可以包含各个角色的云模块，例如OEM云、TSP云和RO云等。整个架构的基本思想是对于各个厂家的管理云进行更上层的统一调度和管理，其中该架构中各单元之间的接口部分已经在3GPP标准化，仍有一部分需要进一步标准化。

WG3主要研究评估方法和试验试点，目前具体工作内容包括试验基地的选择和测试方法评估、C-V2X互操作框架定义、C-V2X功能和性能测试和C-V2X&DSRC无线链路性能测试等。

图2 基于PC5通信的应用层预配置架构[9]

WG4主要研究行业标准化和频谱等内容，目前具体工作内容包括智能交通安全类业务的频谱需求分析以及与各个标准组织之间的联络互通等。基于WG4的理论和仿真分析，认为高速稀疏交通场景下的频谱需求为10 M，高速密集交通场景和城市密集交通场景下的频谱需求为20 M，高速稀疏交通场景和城市密集交通场景下的频谱需求为50 M[10]。

WG5主要研究商业模式和市场策略，目前工作内容包括5G商业模式和市场策略研究、基站和RSU的价值、网络切片需求以及价值研究等。WG5初步完成LTE-V2X的市场趋势研究，预计在2018年底到2019年初基于mode 4的芯片会商用，2018年中旬中国ITS 5.9G频谱发放，2020年车内LTE-V2X模组实车商用[11]。

3 车联网业务需求

3.1 业务愿景

“智能+网联”是未来车联网发展的基本路线。从智能交通业务发展态势看，未来车联网业务的发展趋势主要包括车载信息生活、智能安全驾驶和绿色安全出行三个方面。首先，未来的车载信息服务主要包括两个方面的内容：信息服务和生活娱乐服务。科技的进步使得车辆不仅仅是一个代步的工具，车内消费、影音娱乐等服务应运而生，语音识别、人眼动作识别等新技术将会被广泛应用在汽车上。信息服务主要是指利用网络的数据传输能力实时获取车主所需的数据信息，并发生下载、消费等行为的服务。信息服务使得人们的出行更加便利，车主可以随时随地、方便地从网络获取所需要的信息，使得出行更加高效、便捷；生活娱乐服务主要是指通过网络为车主提供娱乐服务，一般以大连接和大流量等业务类型为主。典型的应用场景包括高清视频下载、兴趣点提醒、车载智能家居等。智能安全驾驶是目前车联网发展的重要应用场景。随着传感器技术和人工智能技术的发展，车辆可以主动感知周围环境状态，获取周围路况信息，用于行车决策。但是智能化的弊端在于感知范围有限，且传感器受天气等因素影响较大，因此需要网联化弥补这一缺点。网联化使得车辆可以与周围的车辆、行人、路侧设备等任何具备通信能力的物体相连，通过数据传输，获取周围的环境信息。网联化的探测范围相比智能化更大，但是它只能在网络覆盖的区域才能发挥作用，且受网络的容量和传输速率的影响较大。因此，网联与智能相辅相成，缺一不可。

交通问题是制约经济增长的重要因素之一。车联网可以将交通基础设施、单车、新能源汽车等绿色交通工具与网络连接起来，为人们提供一个绿色、高效的行车环境，助力于新能源的普及和交通效率的提升。高效出行通过车联网技术、大数据分析技术获取用户行为信息，优化交通设施管理，提高交通效率，缓解城市拥堵；绿色出行可以结合车联网技术，利用单车、电动车、新能源汽车等绿色交通工具实现。

3.2 业务需求

R14版本的LTE-V2X，主要支持3GPP TR 22.885中定义的应用场景，时延要求为20 ms～1 000 ms，支持的最大绝对速度为250 km/h，数据包大小为300 bytes，最大传输包频率是10 Hz，通信范围为4 s的TTC（Time to Collision），典型场景下的通行性能指标如表2所示：

表2 LTE-V2X不同应该场景下的性能指标[3]

此外，3GPP TR 22.886定义了基于5G网络的V2X业务类别以及相关通信指标需求，其中业务类别主要包括高级驾驶、车辆编队行驶、离线驾驶、扩展传感器传输等，需求指标相对于LTE-V2X也更加苛刻，如表3所示。不同的业务场景，对无线侧的技术要求也不相同，表4列出5G-V2X的不同业务场景下的技术支持。

4 车联网典型业务解决方案

4.1 智能停车解决方案

未来城市停车将逐步进入智能时代，智能停车方案可以解决人工管理、施工难度大、运维复杂、车主体验差、收费管理混乱等问题，在此阶段停车方案将深入到城市各个角落，影响车主日常生活模式和停车服务运营商。图3是基于LTE网络的端管云全方位智能停车解决方案，该解决方案主要组成包括车位传感器、停车场出入口闸机、LTE微基站、MEC服务器以及停车APP。其中车位传感器用于收集车位状态信息，停车场出入口闸机用于车辆出入管理，LTE微基站用于车辆定位，MEC服务器用于实时导航、车辆管理和定位等，停车APP用于车位状态查询、停车位预定和费用支付等。

如图3所示，车辆从寻找停车场开始的整个智能停车流程为：

表3 典型业务场景性能指标[5]

表4 不同业务场景下的技术需求

（1）车主打开停车APP，在APP上查询车位状态，后台通过车位传感器获知当前车位状态，车主进行车位选择及车位预定；

（2）车主找到停车场，与出入口闸机进行V2I（Vehicle-to-Infrastructure）通信，闸机获取车辆预定成功信息和进入停车场时间，对车辆放行；

（3）车辆进入停车场，通过高精度地图、LTE微基站指纹定位和惯导辅助定位获取高精度定位信息，并获取车辆定位导航服务；

（4）车主顺利将车辆停到停车位，办完事情后，通过室内高精度定位导航找到车辆。

车辆出库，通过V2I通信告知闸机出停车场的时间，闸机将该信息传送到服务器，最终在APP上进行结算。

本方案区别于其他智能停车解决方案的不同点在于：

（1）定位解决方案。本方案中的停车场室内定位解决方案是依托于LTE微蜂窝定位，辅以惯性导航的定位，精度可以达到1 m以内，便于车主寻找车位及反向寻车。此方案通过在停车场布设LTE微基站实现，既解决停车场通讯，又可实现室内高精度定位。基于LTE微基站的定位精度还不算太高，未来基于5G网络的定位精度可达到亚米级。因此该方案在未来具有演进方案，即基于5G的室内定位。

（2）停车场出入管理。本方案中的停车场出入管理系统基于V2I通信技术实现。车辆在靠近停车场出入口时给闸机发送相关信息，闸机接收到之后反馈到服务器，若信息正确，即可放行。车辆出停车场时，给闸机发送离开时间，服务器计算费用，与用户进行结算。此方案利用V2I通信技术，实现停车场的智能化管理，该功能为车辆V2X通信的增值服务，未来车辆若配备V2X通信终端，不需要再加入新的模块便可进行功能升级，并可以通过5G-V2X实现技术演进。

（3）MEC。本方案中使用MEC边缘计算服务器，可实现停车取车实时室内高精度下载和导航，有效降低端到端时延，提升用户体验，未来可以根据需要集成更多时延敏感性业务。

4.2 行人防碰撞解决方案

图3 智能停车解决方案

车辆主动安全是当前技术研究的热点，主要的研究方向包括基于无线通信技术的主动安全和基于传感器的主动安全。其中基于无线通信技术的方案主要有基于蜂窝网络的C-V2X技术和基于802.11p无线局域网协议的DSRC技术，通过通信技术获取周围的环境信息，从而做出判断。基于传感器方案的主要传感器包括激光雷达、毫米波雷达、图像传感器等，通过传感器测距和道路状态感知来判断附近的环境状况，进而做出判断。

目前行人防碰撞是车联网主动安全的重点研究场景之一，本解决方案主要实现交叉路口V2P避撞提醒功能，行人位置信息通过手机上传给基站，虚拟核心网服务器将位置信息有线传递给RSU，RSU广播行人位置信息给路口车辆。车辆基于来自RSU的信息判决是否需要发出碰撞预警。该场景的示意图如图4所示。

该系统具体的工作流程请如图5所示。

图4 行人防碰撞示意图

行人配有智能手机终端（安卓或iOS智能终端），手机上安装有行人状态信息上报APP。手机打开APP，获取行人状态信息（GPS和惯导信息，包括经纬度、运动速度、运动加速度、地面航向角度等），通过蜂窝网络发送给MEC服务器，MEC服务器将计算所得的行人位置和运动状态发送给相应的RSU，RSU广播给附近车辆。车辆收到之后，根据行人信息和车辆行驶状态作出决策。若车辆判断有发生事故的可能性，则需要作出警告，该警告可以但不限于声音及屏显的方式。

图5 行人防碰撞流程图

本方案已在上海嘉定汽车城进行了实地试验，试验由中国联通、中兴通讯、一汽、福特一起合作完成。该试验结合行人防碰撞、车辆透视、车辆防碰撞等多种车联网应用场景，实现人、车、路、云一体化协同，为未来智能交通的发展探索场景化业务模型。图6是该试验的部分图片，车-车-云协同是指车车之间通过云网进行连接通信，实现车辆透视场景，为了降低通信时延，采用边缘云计算方案；车-路-云协同是指车与路边基础设施以及云进行连接，实现交叉路口防碰撞场景；车-人-云协同是指车和人与云进行连接，车辆通过网络得到行人信息，防止事故发生，实现行人防碰撞场景，该场景除了行人外，还可以是骑自行车等弱势交通群体。

该方案中部分技术还需要进一步提升性能，以适应未来的落地发展以及进一步的场景探索：

（1）定位性能的进一步提升。本方案中采用提取手机GPS信息的方式获取行人位置信息，再加上惯导信息等获取的信息，定位精度可达到米级以内，但仍难以满足实际需求，为了进一步提升交通安全性，未来需要利用其它技术获取更高的定位精度，例如5G网络定位方案等。5G网络定位能够满足多种用户的多种性能需求，水平定位精度可以达到0.1 m，定位可靠性达99%[12]。

（2）打造专有的车联网服务平台。未来进一步需要打造专业的车联网服务平台，根据不同的业务模式划分不同的计算资源，更合理地支持多种车联网业务。

（3）网络的进一步升级改造。为了支持LTE-V2X的多种业务模式，网络需要具备管理车联网通信资源的能力。此外，面向自动驾驶等高级类的业务，则需要5G网络支持。

图6 上海嘉定汽车城试验场景图

5 结束语

智能交通与智慧城市是城市建设不可缺少的元素之一，而车联网的提出与部署，是解决密集城市交通安全、效率与节能的重要途径，是实现智能交通的重要手段。本文主要关注了车联网的标准进展以及业务需求，并给出了典型业务场景的解决方案，对未来车联网的建设和应用具有参考意义。

[1] 国家 应急广播. 两部委：2017年交通事故造成死亡人数约6.3万[EB/OL]. [2018-04-23]. http://www.cneb.gov.cn/2017/12/19/ARTI1513656505669693.shtml.

[2] 搜狐. 中国最堵城市排行榜出炉[EB/OL]. [2018-04-23].http://www.sohu.com/a/217947745_373593.

[3] 3GPP TR 22.885. Study on LTE support for Vehicle to Everything (V2X) services[R]. 2015.

[4] 3GPP RP-170798. 3GPP V2X Phase 2[R]. 2017.

[5] 3GPP TR 22.886. Study on enhancement of 3GPP Support for 5G V2X Services[R]. 2015.

[6] 3GPP RP-170837. Study on evaluation methodology of new V2X use cases[R]. 2017.

[7] 5GAA T-180029. Use Case and KPI requirements:Prioritization and Timeline[Z]. 2017.

[8] 5GAA T-180014. Day One Safety Use Cases Conclusion[Z]. 2017.

[9] 5GAA A-180061. C-V2X Arch_TR_Evaluation of available architectures[Z]. 2017.

[10] 5GAA S-180001. Spectrum Needs Study[Z]. 2017.

[11] 5GAA whitepaper. Timeline for deployment of LTEV2X[Z]. 2017.

[12] 3GPP TR 22.872. Study on positioning use cases[R].2018.★