C-V2X标准演进及产业化综述

张天 汤利顺 王彦聪 李长龙

（中国第一汽车股份有限公司 智能网联开发院，长春 130013）

主题词：V2X DSRC C-V2X 标准演进 产业架构

1 前言

随着通信技术的成熟，汽车交通将朝着更加智能化和网络化的方向发展。5G技术具有高可靠、低时延、大带宽的特性，将应用于物物通信，使“万物互联”成为可能。车联网作为5G技术的一大应用场景，其市场潜力将会被进一步挖掘。

车联网业界热点逐步从“单车智能”向“车-路-云”协同发展的车用无线通信技术（Vehicle to Everything，V2X）演进。现阶段，单车智能化技术能够起到辅助安全驾驶的作用，但由于车辆仅依靠自身传感器获取有限的外界信息，极易受到恶劣天气、遮挡物等条件影响，且无法有效获取视距外的信息，并不能很大程度上提高车辆的安全系数。据世界卫生组织（World Health Organization,WHO）统计，全球每年有近125万人因交通事故丧生，由此造成的经济损失占到相应政府的国内生产总值的3%左右[1]。通过V2X通信，车辆能够自主地与附近车辆、路侧单元、行人进行信息交互，极大程度地规避道路碰撞。因此，V2X的研究受到了产业界的广泛关注。

V2X目前有两种标准：一种是专用短行程通信（Dedicated Short Range Communication，DSRC）标准，主要由美国、欧洲和日本自20世纪90年代开始研究开发；另一种是第三代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project，3GPP)于2015年立项启动的基于蜂窝网络车用无线通信技术（Cellular Vehicle to Everything，C-V2X）标准，其中包括LTE-V2X标准和5G V2X标准，由中国主导完成。C-V2X技术在我国得到大力扶植，各级政府加强顶层设计和指导，营造产业发展的良好环境。由于基于5G蜂窝网络的5G V2X技术仍在标准制定中，因此本文分别就DSRC与LTE-V2X的关键技术与底层性能指标进行对比，并概述C-V2X标准在我国的演进历程、产业架构。

2 V2X技术原理与性能比对

2.1 V2X技术应用场景

V2X是利用安装在车辆上的各类传感器将车辆与一切事物相连接的新一代信息通信技术。汽车在行进过程中，不断感应环境，进行数据的运算与分析，从而预判风险，保障车辆安全。V2X的信息交互模式包括车与车之间的通信V2V、车与路之间的通信V2I、车与人之间的通信V2P（Vehicle to Pedestrian）和车与网络之间的通信V2N（Vehicle to Network），如图1所示[2-3]。

图1 车联网V2X情景

（1）V2V是指车载终端间进行通信。适用于自适应巡航、自动紧急刹车、盲区预警、前车防撞预警等场景。

（2）V2I是指车载设备与路侧单元进行通信。适用于自动泊车、交通信号及标志牌识别、不停车收费、限速预警等场景。

（3）V2P是指弱势交通群体使用移动终端与车载终端进行通信。适用于行人碰撞预警等场景。

（4）V2N是指车载设备与网络进行连接与信息交互。适用于导航、紧急救援和信息娱乐等场景。

2.2DSRC技术原理

DSRC 技术是基于 IEEE 802.11p、IEEE 1609、SAE J2735和SAE J2945的通信标准[4]，由路侧单元（Road Side Unit，RSU），车载单元（On Board Unit，OBU）和通信链路组成，主要用于V2I和V2V系统。其中车与车通信主要基于802.11p协议，802.11p是802.11协议在汽车环境的扩充，以增加一定计算复杂度为代价支持移动环境、加强无线通信安全性。RSU与网络的连接通过光纤来完成，光纤能够提高通信速率并且具有更高的安全性。由于DSRC属于视距技术且车载终端与云端的信息交互离不开RSU，因此，DSRC网络架构中需要部署大量RSU，如图2所示。

图2DSRC系统网络架构

2.3 C-V2X技术原理

C-V2X是基于3GPP LTE-V/5G底层通信和CSAR 0053应用标准的通信标准。C-V2X针对车辆定义了集中式（LTE-V-Cell，广域蜂窝式）与分布式（LTE-V-Direct，短程直通式）两种通信方式[5]，并提供Uu接口（用于蜂窝网络与车载终端之间）与PC5接口（用于终端与终端之间）两种通信接口。两种接口的共同作用可满足V2X业务的传输，保证车辆行驶安全。C-V2X技术中路侧单元可集中在通信基站上，如图3所示。

图3C-V2X系统网络架构

2.4DSRC与C-V2X性能对比

DSRC与C-V2X技术标准均可用于V2X系统，然而两种技术的起步时间、关键技术、网络架构、演进路线都不尽相同。为了对DSRC与C-V2X技术进行直观比对，表1给出了二者的关键技术指标。

通过表1对比可见，整体上C-V2X技术在传输距离等方面优于DSRC技术[8]。

DSRC技术在美国、欧洲、日本得到了研究和发展，形成了成熟的技术规范，基于DSRC标准的汽车已投入实验，但DSRC技术仍存在一定缺陷。第一，DSRC技术物理层应用的802.11p标准使用正交频分复 用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技术，这种技术虽然能够满足实时性与可靠性的需求，然而限制了信号的最大传输功率与传输范围，很难完全覆盖汽车的应用环境；第二，DSRC技术属于视距传输技术，恶劣的气象环境、较多的干扰物都会对通信产生影响；第三，DSRC技术的信息交互需要部署大量的基础设施；第四，DSRC技术缺乏未来的演进路线。

表1 DSRC与C-V2X关键指标对比[6-7]

虽然DSRC技术起步早，技术成熟度高，但在技术演进、商业模式、V2N等场景存在局限性。相比于DSRC技术，C-V2X技术建设相对容易，并且伴随着3GPP组织的持续推动，C-V2X可以处理DSRC在覆盖范围、建设成本、通信可靠以及安全等方面所存在的关键问题。但C-V2X也存在着一些十分明显的缺点。第一，C-V2X标准还在起步阶段中，系统侧的产品基本具备试验条件，终端侧相关的RSU和OBU及芯片产业链相对滞后；第二，C-V2X技术尚需大规模测试验证；第三，仍需探索C-V2X运营和商业模式，安全监管主体、手段尚未明确。

3 DSRC与C-V2X射频指标对比[9-10]

汽车相较于其他电子通信设备而言，具有移动速度高，周边无线电磁环境不固定的特点，因此对V2X终端射频性能指标测试尤为重要。射频指标测试是V2X实现终端产业化的重要基础与保障[11]。符合射频指标的测试值能够保证终端发出有用信号的同时将无用杂散发射控制在一定水平之内，保证终端间的有效通信。射频性能主要关注以下5个指标：最大发射功率、频率范围、占用带宽、频谱发射模板与占用带宽。

3.1 最大发射功率

最大测试功率指标要求测试终端的发射功率在一定范围内以确保设备在不影响其他同频设备的同时保证设备的覆盖范围，DSRC的802.11p标准最大发射功率应符合表2要求。

表2 DSRC 802.11p标准最大发射功率[10]

3GPP的LTE-V标准规定OBU/RSU终端的最大发射功率应在23±2 dBm范围内。

3.2 频率范围

频率范围指标是指设备工作时功率包络下的频率范围，DSRC的802.11p标准规定[5 850 MHz，5 925 MHz]频率段为V2X通信专属频段；3GPP的LTE-V标准定义车联网C-V2X的频率范围为[5 905 MHz，5 925 MHz]。

3.3 占用带宽

占用带宽指标主要用于检验发射机的发射信号带宽是否超出发射机正常工作的频谱范围，以避免对其他通信系统造成干扰。DSRC的802.11p标准要求信号的信道带宽为10 MHz或20 MHz；3GPP的LTE-V标准信号占用带宽应小于表3中规定的信道带宽。

表3 3GPP LTE-V标准占用带宽[9]

3.4 频谱发射模板

频谱发射模板用于测量偏移载波中心频率的频谱杂散能量，描述无线发射器的非线性特性，同时可衡量设备造成的相邻信道干扰。DSRC的802.11p标准在10 MHz信道上的4种发射功率的频谱发射模板限值如表4所示（美国标准）：

表4 DSRC 802.11p标准频谱发射模板[10]

3GPP的LTE-V标准要求10 MHz与20 MHz带宽的频谱发射模板应符合表5的要求。

3.5 杂散发射

杂散发射是非期望发射，用以衡量该设备的发射功率对其他设备的干扰程度。DSRC的802.11p标准要求设备杂散发射限值符合表6的要求。

表5 3GPP LTE-V标准频谱发射模板[9]

表6 DSRC 802.11p标准杂散发射限值[10]

3GPP的LTE-V标准要求OBU/RSU终端杂散发射限值应符合表7要求。

表7 3GPP的LTE-V标准杂散发射限值[9]

3.6 本章小结

通过对DSRC与C-V2X的射频指标对比可见，CV2X射频指标更为严苛。因此，符合C-V2X标准的车辆在未来会具有更优的通信性能，其安全性与有效性将得到更好的保障。

4 我国C-V2X标准演进

我国C-V2X经过几年快速发展，标准体系初步建立、道路交通基础设施较为完备、产业链初具雏形、相关终端厂商和软件提供商具备了较高的技术实力。与此同时我国C-V2X国家战略路线清晰，具备实现V2X全球领先的优势条件。因此，应加快各领域标准的制定，推进我国C-V2X产业进一步发展。各行业协会和标准化组织高度重视我国C-V2X标准的制定与完善，如中国通信标准化协会、中国智能交通产业联盟、公安部交通管理科学研究所等都已积极开展相关工作[12-13]。

4.1 应用场景

基于C-V2X的应用场景可以划分为4大类：安全类、效率类、信息服务类和综合类。中国汽车工程学会发布了第I阶段的17个C-V2X基础业务场景，如表8所示；第II阶段的13个增强型业务场景如表9所示。目前，第I阶段的17个基础业务场景已进行了较为明确的定义，其中7项典型应用在2018年11月“3跨”（跨通信模组、跨终端和跨整车）互联互通应用展示活动中进行了演示。第II阶段增强型业务场景具体标准尚未制定完成。

表8 C-V2X基础业务场景[13]

4.2 C-V2X应用标准

C-V2X应用标准规定了基础业务场景标准、增强业务场景标准与各业务场景的应用层消息集；规定了道路交通信号控制系统的相关要求，及其与车联网平台进行信息交互的数据与通讯规程；规定了营运车辆车路协同架构、车路交互信息集结构、车路协同场景、编码原则和方法等。C-V2X应用标准如表10所示。

表9 C-V2X增强业务场景[13]

表10 C-V2X应用标准[13]

4.3 C-V2X相关标准

我国的C-V2X相关标准可以划分为接入层协议标准、网络层协议标准、消息层协议标准、安全标准以及技术要求规范。图4给出了C-V2X协议栈示意图，协议栈对物理层以上的C-V2X通信协议进行解析和打包，并提供了安全与管理等相关功能，完善的CV2X协议栈相关标准能够保证C-V2X通信的一致性、安全性与稳定性。我国已制定了第I阶段的C-V2X协议相关标准，第II阶段的相关标准尚未制定完成。

图4 C-V2X协议栈[13]

4.3.1 接入层协议

第I阶段我国共有两个接入层协议标准，如表11所示。标准规定了LTE-V2X的总体业务和技术要求、系统架构和基本功能，并且规定了各层的基本协议技术要求。

表11 接入层协议标准[13]

4.3.2 网络层协议

第I阶段我国共有3个网络层协议标准，如表12所示。标准对消息集进行了定义，规定了基本安全消息（BSM）、路侧单元发布的交通事件消息（RSM）、地图消息（MAP）、路侧交通信息消息（RSI）与信号灯消息（SPAT）；规定了网络层技术要求和与其配套的网络层测试方法。

表12 网络层协议标准[13]

4.3.3 消息层协议

第I阶段我国共有3个消息层协议标准，如表13所示。消息层协议制定同样以T/CSAE 53-2017《合作式智能运输系统车用通信系统应用层及应用数据交互标准》为基础，进一步规定了C-V2X消息层技术要求与对应测试方法。关于第II阶段的消息层协议制定标准工作已经开展。

表13 消息层协议标准[13]

4.3.4 安全标准

我国C-V2X第I阶段有3个安全标准规范，如表14所示。标准规定了C-V2X通信安全的总体技术要求；规定了安全过程、接口安全和显性证书管理及相关流程，并给出了安全认证技术要求与测试方法。

4.3.5 技术要求规范

我国C-V2X第I阶段有10个技术要求规范，如表15所示。技术要求规范是在以上标准基础上对设备或通信系统提出功能和性能相关技术要求。

表14 安全标准[13]

表15 技术要求规范[13]

4.4 本章小结

目前我国C-V2X第I阶段的相关标准已经初步制定完成，弥补了C-V2X标准方面的空白。相比于DSRC标准起步较早，发展较为成熟，大部分标准已冻结，C-V2X标准的进一步完善还需车企、供应商、交通监管部门、标准化组织的共同努力，尽早完成C-V2X第II阶段标准。

5 C-V2X产业架构

C-V2X的产业架构可以分为C-V2X产业链、CV2X产业支撑与C-V2X产业推进，如图5所示[13]。

图5 C-V2X产业架构图[13]

尽早实现C-V2X产业化落地意义巨大。C-V2X技术通过车载终端设备与路侧单元的信息交互，可以实时分析道路状况，提升交通效率、规避碰撞风险。车载终端和路侧单元是C-V2X系统的重要组成部分，加速推进车载终端与路侧单元的产业化是实现CV2X产业化的基础。

5.1 车载终端产业架构

车载终端是指在车内提供无线通信能力的电子设备，是构成C-V2X的关键节点。从产业架构的角度来看，车载终端主要产业参与者包括V2X应用软件提供商、V2X协议栈软件提供商、终端设备制造商、通信模组制造商、安全芯片制造商与通信芯片制造商，所提供的服务与相关厂商如表16所示。

表16 车载终端产业架构表

5.2 路侧单元产业架构

路侧单元（RSU）集成C-V2X技术，实现路与车、路与人、路与云平台之间的全方位连接，为联网车辆提供交通安全、交通效率和信息服务应用，同时也为交通协同管控提供有效监管。从产业结构的角度上看路侧单元主要产业参与者包括V2X应用软件提供商、V2X协议栈软件提供商、终端设备制造商、通信模组制造商、安全芯片制造商与通信芯片制造商，所提供的服务与相关厂商如表17所示。

表17 路侧单元产业架构表

6 总结与展望

随着人们生活水平的不断提高，近年来道路车辆数量迅猛增长。道路安全问题、交通拥堵问题日趋严重。V2X作为通信、交通与汽车行业的跨界融合产业，通过在车辆上增加传感器，在道路上增添路侧单元等，实现车载终端与车载终端、道路基础设施、行人等实时信息交互，提升驾驶员驾驶体验。

本文首先对比了V2X两大技术的射频标准：DSRC技术的802.11p标准与C-V2X的3GPP标准。并着重参考了最大发射功率、频率范围、占用带宽、频谱发射模板与占用带宽5项关键射频指标。通过分析对比可知，C-V2X标准规定更为严苛，车辆符合3GPP标准时具有更优的射频性能，从根本上保证C-V2X通信的有效性和可靠性。

其次，阐述了我国C-V2X标准的演进路线。在我国各个部门和组织的努力下，C-V2X标准初步完成，然而C-V2X标准仍需进一步完善以弥补和DSRC之间的差距。全面、可靠的测试标准是C-V2X进行大规模验证的保障，也是C-V2X实现产业化的先决条件。

最后，对我国C-V2X产业架构进行了分析。目前我国C-V2X产业架构清晰，各大厂商积极参与，终端设备不断成熟。但我国仍需加快标准制定，推动路侧单元基础设施的部署，确定路侧设施的商业发展模式，加速中国C-V2X产业化落地。

目前国内很多主机厂、软件提供商、标准化组织机构都致力于C-V2X的落地、推广、商用。然而我国C-V2X标准尚未完善，各个厂商和机构的测试验证标准还不统一，需要标准化组织尽快实现跨行业合作，完善C-V2X的测试验证规范与测试认证体系，保证各大车厂在进行外场验证时有据可依，推动C-V2X产业化落地。尤其在5G大环境下，需要尽早为NR V2X做充足的技术储备。