5G通讯技术在V2X中的应用

2020-12-23王天军叶则南曾繁俊姚西峰刘敏

汽车实用技术 2020年23期

王天军，叶则南，曾繁俊，姚西峰，刘敏

（上汽通用汽车有限公司，上海 201203）

关键字：V2X；5G；车联网

引言

V2X（Vehicle to Everything车辆与万物互联）技术，此技术通常指拥有先进的高精度传感器、车载控制器和执行机构等设备的车辆，结合无线通讯技术和网络技术的科技融合，通过这样科技融合可以实现车与道路、车辆、行人等任何事物进行通讯，利用多方面，多维度的信息融合处理，感知或识别人、物体和环境的状态，再通过共享、信息交互和智能决策等手段实现车与车、车与人、车与道路、车与万物之间的协同控制，通过V2X通信，车辆能够自主地与附近其他车辆和路边基础设施通信，获得实时路况和道路信息以及行人信息等一系列交通信息，从而实现汽车的安全高效行驶，减少交通事故的发生，提高道路利用率，缓解交通压力以及提供道路安全紧急救助信息和丰富的娱乐信息，以提升驾驶体验[1,2]，从而使车辆拥有更高效的、更节能、更舒适、更安全驾驶体验。是未来新一代汽车的必备配置。

1 V2X的功能组成

V2X（Vehicle-To-Everything）大致可以分为四个功能块，分别是 V2P（Vehicle-To-Pedestrian，车联行人）、V2V（Vehicle-To-Vehicle，车辆互联）、V2I（Vehicle-To-Infrastructure，车联路边基础设施如RSU（Road Side Unit）等）和V2N（Vehicle-To-Network，车联网络）。

V2P（Vehicle-To-Pedestrian，车联行人）通常定义为车辆通过摄像机和各种传感器及行人所使用的联网终端等实现人与车辆的互联。

V2V（Vehicle-To-Vehicle，车辆互联）通常定义为车辆和车辆之间通过组网和无线通讯以达到车辆之间的互相信息交流，甚至可以实现在无基站状态下车辆互相通讯，感知到对方状态。

V2I（Vehicle-To-Infrastructure），车联路边基础设施如RSU（Road Side Unit）等，通常定义为通过车辆与交通部门专用设备、道路和路边的基础设施之间的数据交流，例如可以获取加油站位置信息和状态、红绿灯状态和其他道路指示信息以及拥堵状态等。

V2N（Vehicle-To-Network，车联网络）通常定义为车与车通讯网络。通过移动互联网络，云服务等互联网科技让车辆可以获得大量的数据信息，通过智能处理、智能决策等手段实现导航、辅助驾驶、防盗、娱乐等功能。

车辆在通讯设备、传感器和智能芯片等科技的配合下与外部世界建立联系，同时也是未来全自动驾驶、智能交运系统、智能驾驶汽车等的关键技术和基石。

2 V2X技术标准

V2X目前有两大通信标准是DSRC和C-V2X。两者之间的标准差异如下：

2.1 DSRC(Dedicated Short Range Communication）专用短程通信技术

DSRC是一种高效的无线通信技术，基于802.11P标准，802.11p物理层架构与802.11a（现今使用的WiFi技术标准）基本类似，采用正交频分复用（OFDM，Orthogonal Frequency-Division Multiplexing）等调变技术，同时搭配向前错误校正技术（FEC，Forward Error Correction）等，可以提高高速移动下信息传递的实时性。为了能够实现车辆与道路之间的有机连接，需要在某些特定区域内实现针对高速运动目标的识别和通信，图像和数据信息、实时传输语音等功能。应用DSRC技术在这些方面比较合适。

2.2 C-V2X（Cellular-Vehicle to Everything）基于蜂窝通讯的车用无线通信技术

它是基于移动蜂窝网络的V2X通信技术，它是一种基于蜂窝（Cellular）通信演进的车载无线通信技术，可提供PC5接口（直接连接通信接口）和Uu接口（蜂窝通信接口）。随着如今5G蜂窝移动通讯技术的到来，C-V2X技术蓬勃发展，相对DSRC技术需要建立专门的WiFi基站而言，C-V2X可以利用现有5G基站，硬件成本较低，因此在覆盖范围、感知距离、承接数量、短时延上比DSRC更为先进。目前在标准方面也有明确的技术路线，包括首个阶段的LTE-V2X以及后续R15的LTE-V2X方案以及基于新空口技术的R16 NRV2X（New Radio，新空口）。

3 C-V2X技术方案

3.1 C-V2X总体架构

C-V2X总体架构如图1所示，主要涉及到云端、路侧端和车载端三个组成模块。其中云端可以连接第三方业务应用的信息中心，为路侧端和车载端发送全局的业务控制、业务共享信息，并存储全局设施、环境、用户、业务信息；路侧端与路侧信号控制器或者边缘服务器相连，收集驾驶、交通环境状态信息，进行路侧决策并发送路侧业务控制到车载端；车载端收集路侧控制信息、全局信息、周边环境信息进行动态感知及实时决策。

图1 C-V2X总体架构图

交互数据主要包括发送速率为10Hz的上传类BSM信息（Basic Safety Message，基本安全消息）；下行类信息速率为2Hz的SPAT（Signal Phase And Timing Message，信号灯消息）；下发类发送速率2Hz的信息MAP（Map，地图消息），发送频率2Hz；下发类消息RSI（Road Side Information，路侧单元消息）；发送速率1Hz的下发类消息RSM（Road Side Message，路侧消息）。

车载终端主要通过车载单元（OBU，On Board Unit）实现。OBU是安装在车辆上实现 V2X 通信的硬件设备，可实现和其他车辆的 OBU（PC5）、行人（PC5）路侧单元 RSU（PC5）、和V2X平台（Uu）之间的通信。OBU需要集成通讯网络，包括 LTE-V2X/5G NR-V2X通信芯片和模块，4G/5G Uu通信芯片和模块。

路侧端主要包括：通信基础设施，C-V2X专用通信基础设施，4G/5G蜂窝基站；路侧单元（RSU，Road Side Unit）；路侧智能设施，包括护栏、交通信号灯、标线、标志等交通控制设施智能化，以及在路侧部署摄像头、激光雷达、毫米波雷达等各种环境感知设备，移动边缘计算（MEC，Mobile Edge Computing）设备等。

3.2 5G在C-V2X中的应用

5G网络通过移动边缘计算 (MEC）和网络切片两大核心技术与车联网深度融合，为C-V2X提供高度的灵活性和健壮性的网络能力。

3.2.1 MEC技术

MEC是指将整个云计算大平台的运算能力向靠近终端的地方下沉，融合网络传输、计算、储存和应用的能力，来提高边缘计算的效率和反馈速度。它能够连接多个设备，访问RSU、摄像头、OBU、智能化交通控制设施、激光雷达、毫米波雷达等，与之进行通讯从而获得有用信息，同时利用向上连接的云平台丰富信息处理手段；MEC可以收集并集成多个传感器数据，再进行这对收集信息的融合处理，例如针对多种车载或路边环境中雷达和摄像头的融合分析算法；MEC也应该具备多种相关协议的处理能力，例如MEC要分析判断车辆的速度、轨迹、位置，分析可能的碰撞风险在它通过交叉口的时候，然后通过对RSU的信息传输到车载OBU进行预警。

3.2.2 网络切片技术

网络切片是5G网络的关键业务， 5G网络切片相对4G是一个更强大的概念，它包括整个PLMN(Public Land Mobile Network)。网络切片是一个包括业务应用、传输网络、有线网络、无线网络、核心网络等，并且涵盖所有网段端到端的逻辑网络，它同时可以为网络切片需求方灵活地提供一个或多个网络服务。随着我国5G技术的推广以及道路基础设施的快速发展，未来的汽车交通朝着更加智能化和网络化发展，5G 的超可靠性、低时延、切片网络等关键技术为车联网提供强有力的支撑，使车联网的体系结构得到优化，进一步激发了车联网的市场潜力[3,4]。

5G网络可以为车联网提供多种不同类型的网络切片，例如 eMBB（增强型移动宽带）、mMTC（海量机器类通信）、uRLLC（超可靠、低时延通信）等，eMBB切片可承载车载虚拟现实全景合成、实时通讯等大流量业务；mMTC切片可承载汽车分时租赁等大规模物联网服务；uRLLC切片可承载AR导航、无人驾驶等高可靠性业务。