基于业务的车联网规划与部署方案

汪况伦　韩剑　尧文彬

摘要：车联网业务多样，对网络带宽、时延、可靠性、定位精度的要求不一，且其发生的场景相对于传统网络较为复杂，对移动网络方案部署提出了更高要求。为解决此问题，首先对车联网业务与部署场景分类，并针对每种类型业务需求及场景网络参数进行全方面量化;其次分析传统网络、卫星网络、C-V2X专用网络在各方面支撑车联网业务的能力，并进行协同规划方案疏理，从规划方法、无线方案、传输方案三方面进行策略评估，并形成最终结论。经论证，传统无线网络、C-V2X专网、辅助卫星网络协同规划与组网部署方案可以最大化网络效率，减少投资浪费和能源损耗。

关键词：车联网;V2X;网络规划

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.11.002        中图分类号：TN929.5

文献标志码：A        文章编号：1006-1010（2019）11-0008-06

引用格式：汪况伦，韩剑，尧文彬. 基于业务的车联网规划与部署方案[J]. 移动通信， 2019，43（11）： 8-13.

Service-based Planning and Deployment of Internet of  Vehicles

WANG Kuanglun， HAN Jian， YAO Wenbin

（China Mobile Group Design Institute Co.， Ltd.， Beijing 100080， China）

[Abstract] The services in Internet of vehicles are diverse， and thus have different requirements for network bandwidth， delay， reliability and positioning accuracy. Compared with the traditional network， the scenarios of Internet of vehicles services are more complex， which raises higher requirements for the deployment solutions of mobile networks. In order to solve this problem， firstly， the Internet of vehicles services and deployment scenarios are classified， and each service requirement and scenario network parameters are quantified comprehensively; secondly， the ability of traditional networks， satellite networks and C-V2X networks to support the Internet of vehicles is analyzed， and collaborative planning schemes are arranged in terms of planning methods， wireless solutions and transmission solutions. It is demonstrated that the collaborative planning and network deployment solution of the traditional wireless networks， C-V2X networks， and auxiliary satellite networks maximizes the network efficiency and reduces investment and energy consumption.

[Key words]Internet of vehicles; V2X; network planning

0   引言

隨着全球工业化的进行，汽车行业快速发展，城市交通拥堵问题和交通事故问题越发严重，交通系统急需针对效率和安全两个方面进行优化与革新。车联网技术通过高速率、低时延、高可靠的网络，将机动车、交通设施、行人连入网络，通过先进的智能算法和运算处理能力，监控、分析车辆的行为，提供最优的交通管理，是解决这两方面问题最好的手段。同时，车联网的引入可以降低能耗，为智慧城市、智慧交通带来新的技术突破。

车联网V2X技术近年来成为全球关注和研究的热点，业界逐步开展试验与商用部署。V2X在无线通信中分为四个方面的内容：车与车之间的通信V2V，车与人之间的通信V2P，车与路边设施（RSU）以及交通信号装置之间的通信V2I，车辆与控制平台网络之间的通信V2N。这四种车联网的通信模式通过协作成为一个整体，为用户提供全面的交通智能服务。

1   车联网业务与部署场景

1.1  车联网业务

车联网业务可分为三大类：交通安全、交通效率、信息服务[1]。

交通安全类有以下几种典型业务：

（1）前向碰撞预警;（2）紧急制动预警;（3）车辆失控告警;（4）突发情况告警;（5）减速通知。

交通效率类有几下几种典型业务：

（1）紧急车辆警示通知;（2）拥堵通知;（3）信号灯通知;（4）编队行驶;（5）远程驾驶;（6）封闭区域自动驾驶;（7）自动泊车系统。

信息服务类有几下几种典型业务：

（1）智能导航系统;（2）多媒体系统;（3）交通管理信息服务。

不同业务对网络带宽、时延、可靠性、广播能力、定位能力的要求有共性也有差异，例如安全相关类业务对时延和可靠性有接近苛刻的要求，信息服务类业务对带宽要求较高，交通效率类业务通常发生在交通密集的区域，网络具备极强的广播能力才能支撑服务，各业务具体需求如表1所示。

1.2  车联网部署场景

针对不同的无线电传播环境以及空间和信道的传播特性，车联网部署场景可分为开放空间、半开放空间、开放+半开放空间、封闭空间等四类[2]。其中开放空间中高楼建筑、山地大树等大型障碍物少，具备良好的视距传输条件，如郊区、农村;半开放空间环境特点复杂，包含明显的反射物如山或楼宇，空间非完全封闭，如城市、高速公路;封闭空间则是面积局限在一个小的范围内，环境特点单一，如隧道、专用停车场。

除无线传播条件和电磁环境影响之外，根据不同人群密度、交通环境、业务流量等容量影响因素，车联网部署场景又可以细分为多个小类。城市可细分为交叉路口、校园、拥堵场景等;高速公路可细分为并线出口、收费区场景等，此外还单独包含桥梁、隧道、路堑等场景，具体如表2所示：

2   车联网规划方法

车联网V2N业务以及对时延要求不高的业务与传统通信数据业务类似，可以调整现有LTE网络业务优先级，如果对时延和可靠性有更高要求，可以通过未来5G NR网络切片能力以及空口BWP技术调整业务优先级和空口资源配置实现。

车联网安全相关类业务不同于一般数据业务，对时延、可靠性的要求极为苛刻，而对带宽速率的要求较低。且车辆与路边设施所发送数据包多为重复内容，更适宜采用广播多播形式向外发送，如采用传统网络的单播形式发送，会造成对空口资源大量的浪费，所以C-V2X网络（包括LTE-V2X以及演进中的LTE-eV2X）更加匹配车联网安全类业务需求。

C-V2X网络中，V2V和V2P继承了D2D直连通信技术，由两个终端之间直接通信，无需基站侧信令控制，相对传统网络具备扩展性好、灵活的优势，更加适应车联网场景中目标位置变化快、高速易产生多普勒效应的特点，也可以避免半开放场景基站难以部署的工程问题。但这两种通信模式的网络拓扑变化比较迅速且规律性不强，在正常车流的交通道路上，通过点对点网络连接可以很好地完成业务，无需道路周边建设任何设施，节省工程投资。但是在车辆拥堵或行人密集的区域，由于资源池能力有限，调度分配很难正常完成，资源会频繁发生碰撞，另外受制于网络容量问题会产生拥塞，通信可靠性与速率均急速下降，时延也会受到影响。而在车流人流密度过少的情况下，由于车与车之间间距会很大，超過200 m通信范围，网络会失去联通性，导致网络质量变差，远方信息不能及时传达，用户会有信号满格但业务无法进行的体验。V2I通信模式可以弥补V2V、V2P的不足，通过路侧通信单元RSU的引入，可以与其信号覆盖内的车辆之间直接通信，同时RSU可以通过光纤或无线链路接入互联网，作为中继将收集到的车辆与路况信息传输到网络中，实现数据的大范围共享，保障整体服务的平稳。RSU作为静态网元，设计位置固定，需要额外安装施工，对安装站址地形条件和物业协调要求较高且通常要部署在道路附近甚至安装在横跨道路的灯杆上，建设成本较传统基站高、投资较大，适宜在拥堵区域、核心交通路段以及车流较小需要网络中继的区域进行补充安装，不适宜连片覆盖。

车联网存在某些特殊的业务，比如自动泊车等面向未来的自动驾驶业务，这些业务对于定位能力要求极为苛刻，甚至达到厘米级精度。目前实现该类业务的手段通常是为车辆安装价格昂贵的传感器设备及车载整合系统，或是通过同时满足大带宽、低时延的网络进行实时高清地图更新，无论哪种手段都会造成资源的浪费且难以普及。而通信运营商通过部署卫星GNSS基准站网络可以解决这类应用需求，车辆仅通过安装成熟廉价的RTK终端接收机就可以直接获得厘米级定位服务。

3   传统移动网络解决方案

对于时延等要求相对低、无需广播能力的车联网封闭区域自动驾驶类业务、远程驾驶业务，可以通过传统移动网络方案来实现。

车联网封闭区域自动驾驶类业务，对业务环境要求高，车辆的运行多由网络平台控制，无线网络扮演着数据传输中介的角色。例如工厂园区班车的自动行驶、固定公交道公交车的编队行驶，这类业务对网络的要求在于覆盖连续性的保障以及稳定的上下行速率。此类需求完全可以应用传统移动网络解决，工程方案额外对MEC有部署需求，对网络的改造很小。

以在某市部署试验的公交自动编队系统为例，该业务场景发生在道路公交专线。系统通过在MEC服务器上部署软件平台实现对公交车辆编队间间隔、速度的控制，根据位置信息、速度信息制定最优行驶策略，保证公交道路上车辆的均匀分布，从而避免公交车辆到达不均匀的问题，降低乘客等待时间。这个业务对网络的速率和时延要求与一般的LTE业务近似，且流量密度低，对现网容量影响很小，所以采用共享LTE道路覆盖站加室外机柜安装MEC服务器的方案进行部署。

4   卫星网络解决方案

定位能力是车联网的重点关注问题之一，随着自动泊车、自动驾驶等面向未来的业务需求提出，对定位精度的要求也在逐步提升。

GNSS卫星定位系统是车联网获取定位能力的重要手段，但传统的GPS等服务只能达到10 m级经度，而面对厘米级精度的车联网高要求，通信运营商可以通过建设和运营GNSS高精定位网络，通过基准站提供差分信息，为车联网用户提供高精度定位服务。

基准站站间距建设要求不超过50 km，覆盖全国范围需要建设3 000个左右站点。在业务需求较大的发达省份、无线电磁环境复杂的城市和重点覆盖的高速公路，站址需要适当加密。

全国基准站网络分布图如图1所示：

除定位能力之外，卫星由于覆盖面积广的特点可以做到同时向大面积地区广播信息，也可以作为车联网交通信息管理业务的重要补充手段。

5   C-V2X网络解决方案

5.1  LTE-V2X网络架构

LTE-V2X是目前最成熟的车联网技术之一，预期在2020年会进行商业部署，LTE-V2X通信中存在两种传输接口[2]，PC5和uu口，其中PC5是车与车直接通信的接口，即无需LTE网络终端设备间直接进行通信，而uu口是基站与车辆通信的接口，需要LTE网络的覆盖，由基站控制车辆进行数据分发。

LTE-V2X网络架构如图2所示。

5.2  5.9 GHz信道模型分析

目前5 905 MHz—5 925 MHz作为中国地区LTE-V2X直连通信的试验频段，5.9 GHz频段也是国际部署ITS的主要频段。

5.9 GHz信道的小尺度电平包络分布与莱斯分布最为近似，在拟合过程中，莱斯K因子与信号收发两端的直接距离有线形变化的关系[2]。传播模型ITU-R 1411（upper bound）或Winner+B1 Manhattan LOS情况模型为路径损耗最接近模型，适用于5.9 GHz网络链路级方针。

5.3  RSU部署策略

车联网节点主要由车体和RSU组成，其中车体既是终端也是信号发射端。不同于传统基站发射台，车在道路中不是停止不动的，而是随时做着不规则的运动，车辆的行为时刻发生、不可控制、运动轨迹分布不均匀，车的数量也随时间持续变化，且运动速度很快，以上因素都造成车车之间网络连接不稳定、网络各性能指数差异变化大。RSU则类似于传统通信网络设备，是安装在选定区域，位置固定，RSU并非孤立部署，相互之间通过有线（光纤）传输连接。相对车与车之间的直连通信，RSU通信能力更强、设备具有较大的缓存、内部可设置运算平台，且由于是专用设备，通信时延较短，由RSU组成的网络是车联网的核心主干网，是车联网和智慧交通的基础，对目标部署网络的优劣起到了至关重要的作用[4]。

RSU部署成本高，安装到位后改变位置需要拆除、搬迁，不能随意更换站址，所以RSU的选址是车联网解决方案的重点问题。RSU选址除了传统规划设计中对目标覆盖物的确定、对数据流量的统计、对交通车辆密集程度的统计之外，也要考虑RSU对车车V2V通信的正面影响能力，即需要判断是否可以通过RSU作为网络中继给车与车之间构建额外通信的机会，将更多孤立的车辆组织进这个车联网体系中。RSU方案部署策略总结如下：

基于交通流量和业务流量热点的RSU部署原则。交流流量热点、业务流量热点通常可以从交管部门或运营商网优系统中获取，热点区域行驶的车辆和行人多，业务发生概率大，RSU服务的业务量也大，在热点区域进行RSU的重点部署、额外部署可以作为车联网组网规划的入口，从大热点到小热点逐步进行网络组织，这样可以有效解决RSU负载均衡的问题，同时解决资源竞争的问题。基于交通流量和业务流量热点的RSU部署是RSU网络规划的切入点和核心步骤。

基于需求程度的RSU部署原则。此原则旨在最小化减少网络资源的浪费，例如目前存在联系的两个区域A1和A2，两区域在合理站距内，但经过A1区域的车辆通常会短时间内会行驶过区域A2，而区域A1、A2均不是交通热点，那么如果在A1区已部署了RSU，车辆行驶过A1区域就会收到相应的服务信息，而直到驶离A2区域也不会有新的内容更新，则A2区域完全没有必要再部署一台RSU。因为车是沿道路行驶的，而车联网广播信息复杂度较低，所以V2X网络规划完全没有必要按照传统蜂窝网络一样实现无缝覆盖，反而应该最大程度避免过覆盖造成无线资源与投资的浪费甚至网络干扰。

基于光纤资源RSU部署原则。RSU节点之间通常以光纤相连，并直接接入交管部门管控中心或互联网。光纤传送网是移动通信核心骨干网络，由于重要性高，建设难度大，不能轻易改变来适配车联网方案，所以RSU部署靠近光交箱等传输资源，可以更高效地保障网络开通，避免受传输能力不足造成的影响。

6   面向车联网的传输解决方案

一般来说，传送网分为接入层、汇聚层和骨干层，传统末端接入网络主要依托综合业务区接入，就是以行政区域或者用户多少等要素将接入的区域划分为网格状的平面，在每个网格中预先埋设一定长度的光缆、布置一定数量光交箱或基站，使之为未来业务增长留有足够接入资源。但是，随着5G的发展，越来越多的垂直行业应用对时延要求较高，原来的规划方式已经不能满足未来发展需要。尤其是车联网，如果还依靠原有接入方式，将所有运算交给核心层去处理，那么时延是不可能满足需求的，这就需要MEC，甚至UPF下沉来最大幅度减少网络时延。

在4G时代，MEC和UPF已经下沉到了骨干机房，甚至是个别汇聚机房，但是这对于车联网是显然不够的。因为在理想状态下，车联网需要能够随时应对道路中的突发情况，传感装置（车辆自载探测器、路口摄像头、行人穿戴设备、道路传感器等）迅速将整个事件可能发生的关联影响传递给UPF和MEC进行处理，所以UPF和MEC必须尽可能靠近事发地点。但是，对于网络建设，成本也是必须要考虑的关键因素，越密集的UPF/MEC组网就意味着越高的建设成本，所以UPF/MEC布置位置需要找到一个平衡点。就目前网络结构来看，比较经济的方式是充分利用现有光缆资源，将UPF和MEC下沉到现有5G基站，以此节省投资。因为相对于重新建设光缆，5G基站可以视为已经完成了光缆接入，同时布放了PTN或者SPN设备，这样MEC和UPF设备只需要一个端口和一根跳纤就可接入网络。而且随着技术发展，MEC和UPF可以融合为一台设备，这个设备可以理解为一个功能全面的MEC，它包括了UPF和MEC的功能，同时还可以融合PTN或SPN功能，这样就使得跳纤衰耗降低，进一步降低时延，增加计算效率。

传输网络目标结构如图3所示。

同时，随着RSU的引入，未来MEC、UPF、PTN/SPN、以及BBU和RRU甚至可以集中化为一个RSU，从而使边缘计算能力覆盖到智慧灯杆上，进一步降低系統时延，增加车联网的效率。

7   结束语

本文对不同车联网业务、场景的网络需求分类，提出延续传统无线网络，引入C-V2X专网，应对特定需求采用卫星网络辅助等多种规划与组网部署方案，并针对C-V2X网络RSU网元部署和传输网络适应性改变进行着重分析。车联网规划部署在满足各种业务要求的同时也要做到最大化网络效率，减少投资浪费和能源损耗。

参考文献：

[1] 3GPP. 3GPP TR 22.885： Study on LTE support for Vehicle to Everything（V2X） services （Release 14）[S]. 2019.

[2] 陈怡晨. 城区低速场景下5.9GHz无线信道测量与建模研究[D]. 武汉： 武汉理工大学， 2018.

[3] 3GPP. 3GPP TR 36.885： Study on LTE -based V2X services （Release 14）[S]. 2019.

[4] 王志坤. 一种基于实际交通数据的RSU网络构建策略[D]. 重庆： 重庆大学， 2016.