基于5G和MEC的车联网综合测试基地研究

2021-03-16陈海燕

通信电源技术 2021年19期

陈海燕，刘冰

（安徽电信规划设计有限责任公司，安徽合肥 230031）

0 引言

车联网作为汽车、电子、信息通信等深度融合的新兴产业生态，对通信网络的传输时延、可靠性以及速率要求极高[1]。5G的高宽带、高可靠、低时延、广覆盖、大连接等特性为其广泛应用提供了支撑。在5G基础设施建设、汽车电子普及、电动汽车快速发展的3大基础上，车联网市场爆发成为确定性机遇，车联网有望成为5G最大的单体应用市场[2]。

多接入边缘计算（Multi-access Edge Computing，MEC）是信息和通信技术（Information and Communication Technology，ICT）融合的产物，支持多种形式的接入技术，其云数据中心的服务和功能转移到网络的边缘节点，在网络边缘提供计算、存储、网络以及通信资源，满足高密度计算、大流量、低时延等需求业务的就近部署，极大地提高了安全性、速率、可靠性[3,4]。

面对远程驾驶、自动驾驶等端到端时延要求极低且可靠性要求极高的业务场景，5G+MEC技术为其带来了可能，但仍存在以下诸多挑战。一是确定性网络。5G网络延续了传统蜂窝网络特性，满足公众通信要求，而公众通信与车联网通信在移动性（低速、高速）、区域范围（室内、室外）的需求恰好相反。此外，面向公众通信的5G网络只有在使用时才占用信道，而车联网基本是永远在线，需要一个高可靠的确定性网络[5]。二是信道模式。国内5G商用频段的工作模式以时分双工（Time Division Duplexing，TDD）为主，面向公众5G网络下行需求大于上行，而面向车联网则刚好相反，车端、路端智能传感器向云端反馈的信息量远大于下行。不同的上下行时隙配比在同一张网络下，如何避免干扰成为一大难题。三是频段差异带来的器件开发难度提升。5G商用频段在4 GHz以下，而目前分给车联网的频率是5.8 GHz。除了高频器件的开发成本较高，未来5G网络和蜂窝车联网（Cellular Vehicle-to-Everything，C-V2X）技术融合后器件更需要支持多频、宽频接入，开发难度巨大。四是缺乏行业技术标准。车联网涉及多个行业，行业间在网络信息传输标准上各不相同，且尚未形成统一的技术标准，导致网络互联互通难度巨大。

为了探索目前车联网行业中难题的解决方案，加快5G和车联网融合的步伐，文章从功能设计、架构设计、方案设计以及应用场景等方面来探讨如何搭建基于5G和MEC的车联网综合测试基地。

1 基于5G和MEC的车联网综合测试基地解决方案

1.1 功能设计

测试基地可基于5G R16及后续R17版本做高级C-V2X业务总集成测试，主要的C-V2X业务测试场景包括3类。一是前向防碰撞预警、交叉路口防碰撞预警、盲区预警、紧急制动、异常、紧急车辆预警、超视距防碰撞等安全类场景。二是基于V2X车路协同的绿波引导、智能车速控制、智慧路径引导等效率类场景。三是基于R16新空口（New Radio，NR）V2X的高效编队驾驶、智慧远程驾驶、感知数据共享、协同式汇入等更高级的应用场景[6]。

根据以上场景的业务特性，车联网综合测试基地的主要功能如下。首先是支持C-V2X应用测试，针对C-V2X的低时延和可靠性传输需求，验证5G网络切片技术和专网技术的应用，同时也为工业互联网等其他领域提供技术支撑。其次是测试验证5G毫米波技术在垂直行业的应用及对NR—V2X的应用支持。5G毫米波技术能为园区内丰富的智能业务提供大容量、高速率的专网服务[7]。再次是面向智慧交通，结合新一代全息路口融合感知技术，以“5G+视觉+AI+MEC”为技术底座，通过多维感知技术和智能算法，提供路口实时动态信息，驱动交通管理智能升级。最后是面向垂直行业，提供开放道路测试环境，推动车联网产业发展。

1.2 架构设计

综合测试基地采用“端-管-云”的架构设计，如图1所示。

图1 “端—管—云”架构

“端”侧主要指可穿戴设备、车载终端、融合感知设备等交通基础设施，具体包括手机、车载单元（On Board Unit，OBU）、路侧单元（Road Side Unit，RSU），激光雷达、摄像机等。“管”侧主要是指基于PC5口的直通信系统以及基于5G网络的蜂窝通信系统。“云”侧实现对V2X设备的集中管控，进而实现对整个道路的实时动态管控，具体包括MEC边缘计算平台、高精地图定位系统和V2X云控平台[8]。其中，MEC边缘计算平台主要对端侧数据进行实时综合计算，高精地图定位系统提供车辆精确定位功能，V2X云控平台是与外界系统对接的应用和数据管理系统，对汇总的交通大数据提供非实时的管理、分析和决策功能，支持将高精度地图数据分发给边缘计算单元MEC做融合感知计算，提高计算的精度，同时结合高精度地图开发车道级的应用服务。

1.3 方案设计

总体方案包括底端的路侧基础设施建设、管侧的5G专网建设、V2X云控平台建设、智能网联汽车改造。

1.3.1 路侧基础设施建设

根据测试场地面积搭建V2X的测试场，包括主干道、非主干道等关键路口，形成闭环，可完成V2X典型应用场景测试。在关键路口处布置激光雷达、摄像机等感知设备和路侧RSU设备，进行路侧信息收集。RSU及感知设备布置如图2所示。

图2 RSU及感知设备布置

1.3.2 5G专网建设

5G网络采用基于MEC的5G专网方式，控制面和用户面均在本地处理，组网架构如图3所示。

图3 5G专网网络架构

采用新建5G核心网（5G Core Network，5GC）的方式，满足独立组网（Standalone，SA）的要求。5GC设备采用网络功能虚拟化（Network Function Virtualization，NFV）架构进行部署，支持接入和移动管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF）、会话管理功能（Session Management Function，SMF）以及用户面管理功能（User Plane Function，UPF）等，就近部署在测试基地[9]。

1.3.3 V2X云控平台建设

V2X云控平台是整个车联网架构的核心，处理人、车、路汇集过来的各类信息，通过对多源数据的建模分析，为各类车联网业务提供决策。

V2X云控平台至少需要包含以下功能。一是基础功能，包含权限管理、系统管理以及个人中心，支持系统操作日志存储、查询与个人消息管理。二是设备管理服务功能，主要指智能网联设备接入及运维服务功能，对路端及车端的设备提供监测、告警、升级等全生命周期运维服务。三是数据共享服务功能，提供数据转发、开放应用程序接口（Application Program Interface，API）、共享监测等全面的数据共享服务。四是V2X服务器提供感知设备管理、场景管理、算法管理等功能，实现V2X场景下数据融合、计算机下发，并对上层车路协同应用提供支撑。五是MEC服务器提供MEC设备的远程控制、运维状态监控、边缘侧算法管理、模型下发等功能，实现车路协同。六是高精度地图服务功能，高精度地图是实现自动驾驶业务和车联网V2X业务的基础，主要提供辅助感知、高精度定位、路径规划以及三维可视化仿真服务。七是场景服务功能，建立应用场景库，结合车联网V2X业务的需求开发相应的场景应用，包括交通安全类、交通效率类、信息服务类等[10]。

1.3.4 车辆的改造

为使车辆能够满足测试需求，需对车辆进行智能化的改造。搭载车规级5G-V2X通信模组的OBU，安装激光雷达、高清摄像头、毫米波雷达、全球定位系统（Global Positioning System，GPS）、惯导定位系统、高清显示屏、车载服务器等设备，实现车辆的决策、安全冗余、车身控制、自动泊车、局部路径规划、局部环境感知等功能，从而使车辆具备公开道路上的自动驾驶能力。

2 应用场景

综合测试基地提供基于5G的C-V2X业务演进和业务测试，主要包括以下内容。首先，基地本身可以被视为一个封闭园区，在此可以进行车辆前向防碰撞预警、车辆动态高精度定位、车辆盲区融合检测、车辆智慧远程驾驶、车辆高效编队驾驶等业务场景测试，这些在园区的智慧泊车、港口货运车辆远程操作、危险区域无人操作以及面向园区的智慧物流配送、无人巡检等应用中均有涉及。其次，在基地中能模拟城市道路的交叉路口场景，可进行车辆绿波通行、智慧车速引导、精准停靠、超视距防碰撞等业务场景测试，以便于提升交通出行效率。最后，面向智慧高速应用场景需求，测试基地可以通过设置多个场景进行测试，如车辆失控预警、紧急电子刹车灯预警、超车预警、协同式匝道汇入、异常事件感知共享等，从而保障交通安全。