C-V2X的意义、关键技术及通信技术发展趋势分析

□ 文 靳欣欣

作者单位：中国信息通信研究院产业与规划研究所

1.引言

车联网依托信息通信技术，通过车内、车与车、车与人、车与服务平台的全方位连接和数据交互，提供综合信息服务，形成汽车、电子、信息通信、道路交通运输等行业深度融合的新型产业生态。车路协同主要聚焦三大问题：一是提升驾驶安全，实现车与车、车与人的实时信息交互，降低因人为因素或者可预测因素等发生的危险，提升驾驶安全；二是加速自动驾驶，基于车路协同，实现自动避障、自动规划、自动导航等，在低等级人工智能下提前实现自动驾驶商用，降低单车智能成本，使能自动驾驶；三是提升交通效率，实现车路数据实时交互，实现智能交通调度，从而减少拥堵、提升通行效率。因此V2X能够实现车辆与周围的车、人、交通基础设施和网络等全方位连接和通信，在提升交通效率、提高驾驶安全、降低事故发生率、节能减排等方面表现出突出优势。

从车联网本身所聚焦的需求痛点来看，其对于网络的可靠性、传输速率等方面提出了更高要求，5G具备大带宽、低延时、高传输速率、高可靠性等特点，因此车联网是5G技术最重要的应用领域。随着R16标准冻结，我国已具备大力发展C-V2X技术的基础条件，随着5G推广、技术进一步成熟及政策催化，车联网市场近两年有望呈现加速发展态势。本文就C-V2X技术出现的必然性、意义以及5G在其中的优势进行了探讨，并对其中的关键技术进行了研究，结合车联网发展的整体技术需求，分析了车联网中通信技术的演进趋势。

车联网依托信息通信技术，通过车内、车与车、车与人、车与服务平台的全方位连接和数据交互，提供综合信息服务，形成汽车、电子、信息通信、道路交通运输等行业深度融合的新型产业生态。

2.基于5G技术的C-V2X的优势和意义

2.1 中国正在进入基于C-V2X的3级自动驾驶阶段

车联网在政策、标准、频谱、芯片等方面已基本准备就绪，如图1所示，随着5G网络来临迎来新一轮发展机遇，商业模式逐步清晰。

根据发改委、网信办、科技部、工信部等11个部、委、办联合发布的《智能汽车创新发展战略》，到2025年，我国将正式向基于5G技术的全面自动驾驶时代加速推进，车用无线通信网络（LTEV2X等）实现区域覆盖，新一代车用无线通信网络（5G-V2X）在部分城市、高速公路逐步开展应用，高精度时空基准服务网络实现全覆盖。中国智能网联车技术路线图如图2所示。

图1 V2X相关政策、产品准备就绪

图2 中国智能网联车技术路线图

2.2 5G在车联网应用具备显著优势

网联化是智能车联网的必然发展，车联网的最终目标是实现自动驾驶。“云—管—端”是车联网整体系统架构，如图3所示，“管”是网络层，即车联网的通信技术，是车联网系统架构演进过程中技术标准的必争之地。

目前国际上主流的通信技术路线有两种：专用短程通信（dedicated short range communication，DSRC）和基于蜂窝网络的车对外（cellular-V2X，C-V2X）通信。DSRC技术能支持V2V和V2I场景，最早被美国、日本等国家广泛认同，发展时间较长，形成了完善的标准体系和产业布局。随着车联网进程的不断加深，由于缺少充裕的频谱资源和足够的路边基础设施，DSRC暴露出扩展性能有限、传输范围小、用户服务质量无法保

图3 车联网整体架构

（1）在场景应用中的网络性能优势显著。基于3GPP TS22.886文件，5G-V2X车联网将支持共计4个主要领域（编队驾驶、先进行驶、远程驾驶、传感器共享），同时细分为22个场景，还将为L1～L5级别的自动驾驶提供全方位信息。如图5所示，5G-V2X在时延、传输率具备较为显著的优势，在车联网一些特殊的应用场景时延在5～10ms，能提供稳定的10～100MHz带宽，可靠性要大于99.999%。5G技术相对于DSRC，有更大的传输距离，最远可达1000m，是DSRC支持范围的3倍；可支持的最高移动速度为500km/h，远高于DSRC的200km/h；同时，与5G技术相关的关键技术参数的突破性发展都会使得车联网的高密度集群通信、高速通信以及低时延等要求得到更好的保障。证、未来技术演进路线不明确等问题，因此基于蜂窝移动通信的C-V2X解决方案应运而生。C-V2X应用示意如图4所示。

5G能够协助解决车辆感知、远程控制、协同驾驶等问题，是实现完全自动驾驶的关键通信技术。

图6 R16支持V2X基于5G技术演进

图7 5G-V2X技术演进：R16支持L4，R17+支持L5

（2）基于R16的C-V2X具备面向5G的清晰演进路径。目前5G网络已正式商用，我国进入3级自动驾驶，5G与LTE并存，从LTE-V2X到5G V2X的平滑演进，即C-V2X。2018年3GPP提出的R16 C-V2X拥有向基于5G新空口的C-V2X的清晰演进路径，如图6所示，不仅支持现有的LTE-V2X应用，还支持未来5G V2X的全新应用。5G能够协助解决车辆感知、远程控制、协同驾驶等问题，是实现完全自动驾驶的关键通信技术。基于5G新空口的C-V2X可提供高吞吐量、宽带载波支持、超低时延和高可靠，从而支持面向自动驾驶的先进用例，如传感器分享、3D高清地图更新等。如图7所示。

2.3 基于5G的C-V2X应用意义

（1）加速无人驾驶。车联网能够使道路状况变成数字化信息输入给决策系统，决策变简单，在低等级人工智能能力下实现高级别自动驾驶5G技术具有的超可靠、低时延的特点，基于5G网络的C-V2X能够自动跟车进行互动，具有交互式的感知，从而给无人驾驶中自动超车，协作式避免碰撞，行驶中车辆编队等场景给予高可靠性和低延时性的保证。

（2）优化交通管理。5G网络的高传输速率可以实时报告道路交通路况，实现路段上的收费站、监控设备、电子公告栏等系统的智能运作。实时收集车辆、路况和天气等信息，在车辆间进行信息交互，智能选择最优路段进行行驶，使车辆做出正确、迅速的反应，大大减少交通拥堵情况的发生。

（3）丰富车载系统。车载系统是车联网的一个重要节点，是用户获取信息并实现交互的一种方式。在5G网络的支持下，用户可以在车上享受更多的车载终端服务，而开发商也能根据用户需求开发更多的应用，丰富车上生活。5G的高带宽、低时延可以满足车内乘客对AR/VR、游戏、电影、移动办公等车载信息娱乐的需求，还能提供高精度地图，使车载导航的精确度得到极大地提高。

（4）助力应急救援。车上安装操作系统和定位系统，如果遇到紧急突发的事件，可以及时通过车联网设备进行消息互传。应用5G技术与云终端将消息发送到救援中心，救援中心可以迅速根据消息进行定位，分析周边路况，及时通知附近的车辆避免进入事故区，同时传递相关信息给

基于5G的C-V2X应用意义

（1）加速无人驾驶

（2）优化交通管理

（3）丰富车载系统

（4）助力应急救援

（5）保障通信稳定救援人员，使救援更加精准、快速，大大减少事故造成的损失。

（5）保障通信稳定。如果因地震、洪涝、台风等自然灾害被破坏，目前的通信基础设施无法为车载单元提供通信服务。但5G车载单元可以在基础设施遭到破坏的情况下，通过单跳或多跳的D2D（设备到设备通信）方式与其他5G车载单元实现通讯，也可以作为通信中继，与附近的5G车载终端交互信息。从而给行驶在路上的驾驶人和乘客或正准备驾乘车辆离开的人们传递信息，提高人们安全撤离的可能性，大大降低自然灾害造成的损失。

3.C-V2X关键技术

3.1 接入层Uu接口和PC5接口关键技术

C-V2 X有V2 X-Di re c t 和V2 XCelluar两种通信方式。V2X-Direct通过PC5接口（直连通信接口）实现，采用车联网专用频段，具有低时延、高可靠、短距离的特点，用于V2V、V2I、V2P等短距离交互场景。V2X-Celluar通过Uu接口（蜂窝通信接口）实现，采用蜂窝网频段，相对来说具有大带宽、长距离等特点，用于大数据量、长距离传输、时延不敏感的应用场景。

（1）PC5接口关键技术：C-V2X在PC5接口的机制设计用于满足不同终端设备的短距离信息交互，为满足不同应用场景对V2X信息交互的技术要求，C-V2X对物理层结构进行了加强；为保证通信性能，C-V2X支持全球卫星系统导航同步；为了进行更高效的资源分配，PC5接口支持调度式的资源分配方式(Mode-3)和终端自主式的资源分配方式(Mode-4)。其中Mode-3需要通过基站，采用动态的方式进行资源调度，而Mode-4则不需要通过基站，通过终端间的分布式算法来实现资源分配。

（2）Uu接口关键技术：Uu接口需要通过基站和核心网进行中转，随着中转环节的增加，覆盖范围增加的同时传输时延也增加了，这有可能导致传输时延不满足C-V2X业务的要求[6-7]。针对这一问题，可在增强上下行传输的同时，采用多接入边缘计算技术(MEC)，将数据的存储和处理环节从云端管理平台转移到路侧单元(RSU)中完成，来实现低时延和高可靠性的应用场景。

3.2 C-V2X信息安全风险相关关键技术

V2X信息安全面临假冒终端风险、信息篡改风险和隐私泄露风险，有授权认证、鉴权保护、标识保护、标识匿名化等需求，因此目前业内共识采用基于非对称加密体制PKI(Public Key Infrastructure)安全机制[8-10]。整个安全加密环节涉及制造工厂、注册机构、授权机构、服务商、路侧设备以及车载设备。其中制造工厂负责车联网系统相关设备的生产，注册机构负责车载设备和路侧设备的认证，授权机构负责车载设备和路侧设备的授权，只有经过认证和授权的设备才能在系统中使用和收发授权许可信息。如图8所示。

图8 V2X信息安全架构示意图

（1）信息篡改风险：对发送信息通过HASH算法生成信息的摘要，用发送方私钥对摘要加密，形成数字签名，接收方使用发送方公钥对数字签名进行解密，得到信息的摘要，同时接收方再对信息本身使用HASH算法，将得到的摘要与解密得到的摘要进行对比，如果两者一致，说明发送信息是完整的且没有被篡改过。

（2）假冒终端风险：引入CA认证机制，发送方公钥发送到CA，CA用私钥对发送方的公钥和一些相关信息加密，生成数字证书，信息在发送时，除了要携带数字签名和数字证书，接收方使用CA公钥对数字证书解密得到发送方公钥，就能证明数字签名是否属于发送方。接下来，使用发送方公钥对数字签名进行解密，得到信息的摘要，同时接收方再对信息本身使用HASH算法，将得到的摘要与解密得到的摘要进行对比，如果两者一致，说明发送信息是完整的且没有被篡改过。如图9所示。

图9 PKI工作体系示意图

（3）隐私泄露风险：安全基础设施是V2X通信安全的重要组成部分，它的部署模式与车联网业务及其管理模式密切相关，分为集中式和分布式两种。为了实现车辆信息安全并保护用户隐私，采用由注册CA、V2V假名CA、V2I授权CA和证书撤销CA等构成的PKI体系，其中注册CA仅存在于集中式部署模式中。无论是集中式部署模式还是分布式部署模式，都包括V2X假名CA。假名CA负责向车载终端颁发假名证书，为保护用户隐私，假名CA使用密码技术对车载终端的身份信息进行加密。为避免泄露车辆行驶路径，假名CA向车载终端颁发多个假名证书，车载终端依据假名证书使用策略，定期更换用于消息签名的证书，以解决隐私泄露风险。

4.通信技术将向5G与其它技术协同方向演进

V2X若要进一步实现无人驾驶、道路安全等，必须将大带宽、低延时、高速率通信网络作为保障，同时5G技术将与AI、定位技术等协同发展，相互促进，共同推进车联网技术升级、应用升级。

（1）单车智能缺陷显著，5G可加速无人驾驶演进速度。特斯拉车祸事故暴露了当前人工智能和传感器的缺陷。当前单车自动驾驶系统感知依赖各类传感器，有自己无法克服的缺陷，一是信息孤岛，无法与其它车、终端等交互；二是成本高，激光雷达为代表的传感器方案占单车成本的30%以上；三是遇到恶劣天气，探测距离缩减，安全隐患大。

（2）更高级的自动驾驶需新一代信息技术协同AI算法共同演进。人工智能算法升级必须依赖于大规模数据训练，海量训练也是自动驾驶迈向L4/L5的关键，一辆自动驾驶汽车每天约产生4TB数据，需上传到云端进行处理，需大带宽网络支持。

（3）自动驾驶场景应用需低延时高可靠网络作为保障。3GPP SA1 (TS22.186)定义的自动驾驶需求，车辆编队、远程驾驶等场景，需要低延时、高可靠的网络作为保障。如图10所示。

用例 E2E时延（ms） 可靠性 速率（Mbit／s）车辆编队 10-25 99.99% 65扩展服务器 3-100 99.999% 53先进驾驶 3-100 99.999% 1000远程驾驶 5 99.999% UL：25 DL：1

图10 3GPP SA1 (TS22.186)定义的自动驾驶需求

（4）高精度定位对不同场景下的通信技术提出融合应用要求。RTK无法满足所有场景，需引入结合5G网络覆盖，结合LTE、GNSS等技术满足不同场景下的车联网通信需求。如图11所示。

图11 高精度定位技术需求示意图

（5）边缘计算也是C-V2X通信技术发展的重要方向。车联网具有多终端接入、大数据传输等特点，接入及数据传输、处理、存储需求，极大增加了网络负荷，并对网络带宽提出了更高的需求，以及上文所述Uu接口需要通过基站和核心网进行中转，着中转环节的增加，覆盖范围增加的同时传输时延也增加了，这有可能导致传输时延不满足C-V2X业务的要求。因此基于边缘计算，为C-V2X提供高可靠、低延时的通信也是车联网发展的重要方向。■