车联网通信技术及应用前景研究

2021-04-09赵津张博潘霞谢蓉

时代汽车 2021年6期

赵津　张博　潘霞　谢蓉

摘要：车联网是物联网技术在交通系统领域的典型应用。本文通过研究车联网体系架构，从技术发展、市场应用等角度对比了DSRC及C-V2X两种车联网关键通信技术。最后指出车联网体系构建面临的机遇与挑战，为车联网发展路径提供智力支持。

关键词：车联网 DSRC C-V2X 商业化

随着人类对于交通安全与效率的要求逐步提高，交通工具以及道路被赋予更多智能化的功能。车联网作为打通交通各个要素环节，实现数据共通的网络载体，能够将交通实时产生的海量数据，进行感知与传输，是实现未来交通智能化的关键环节，是构建新型交通生态的关键物联网载体。

1 车联网体系模型架构

作为物联网的应用之一，未来车联网将是智能的立体化架构，包括数据感知层、网络传输层以及平台应用层。

（1）数据感知层，是车联网体系的神经末梢。通过传感器、RSU、OBU等设备，实时对车况、道路环境、车辆当前位置等信息感知，实现道路的全面检测，进而完成感知数据的结构化处理。感知层的数据来源包括车端、路端以及第三方信息。车端数据是指车辆自身的感知，通过读取总线、GPS及其他传感设备来实现例如速度、加速度、位置等信息的获取。路端数据是指道路环境的感知，例如交通信号状态、道路拥堵程度、车道驾驶方向。第三方信息指的是设备与第三方应用交互来获取更多的数据，比如天气、公交车调度、特殊车辆优先调度请求等。

（2）网络传输层，是基础设施层与平台应用层连接的管道，一方面将基础设施的结构化数据上传到平台层，另一方面，基于不同的需求提供隔离的网络资源，为车车、车路、车人、之间实现信息的共享。通信网络作为信息传输的通道，必须具备带宽大、时延低、可靠性高、海量连接等特性，因此5G等新一代通信技术将是实现万物互联的必要手段。

（3）平台应用层，是车联网应用管理与运营单元，实现车辆交通管理、车辆安全控制、交通事件预警等功能，同时还为车联网用户提供信息查询、事件告知、信息订阅等服务。同时运用云计算平台，面向包括政府职能部门、整车企业、信息服务运营企业及个人用户等在内的不同类型用户，实现云端和终端设备的协调控制。

2 车联网通信技术研究综述

V2X技术使用无线信号与兼容系统进行通信，从而使车辆能够改善对环境中物体和事件的态势感知。目前，车联网的通信标准分为专用短程通信（dedicated short range communication，DSRC）和蜂窝车联网（cellular vehicle to everything，C-V2X）两种主流技术路线。

（1）DSRC

DSRC（IEEE 802.11p）本质上是由电气和电子工程师协会（IEEE）于2009年标准化的Wi-Fi衍生产品（802.11a）。由美国最先提出相关标准，后续欧盟、日本、新加坡等国基于美国的标准，相继推出自己的通信标准。虽然各国是基于美国的DSRC标准制定的，但在频段划分、定义、使用方面存在差异。美国最早授权了5.850～5.925 GHz频段作为V2X通信专有频段，日本分别授权了5.79～5.81GHz和5.83～5.85 GHz作为V2X通信专有频段，而欧洲则采用了5.795～5.815 GHz和5.855～5.925GHz频段作为V2X专有通信频段。DSRC具备专属带宽和短距离通信的技术特点。在IEEE标准中802.11的信道只定义了核心频率，并没有定义特定带宽，而美国和欧盟的标准中对不同的编号信道提出特定的信道带宽。将75MHz的带宽作为 DSRC 专属的交通安全频谱，并将75MHz 的带宽分为7个频道。

从路端与车端的部署来看，美国已有26个州在试点部署应用DSRC的路侧设备，路侧设备使用5.9 GHz频谱的已达9000多个，截止到2020年1月份有超过18000辆支持后装V2X的车辆在路上。通信连接技术具有快速更新迭代的特性，一个新的通信技术，如果在短期内没有得到广泛支持，该技术就面临着可能被其他技术替代的风险。但是美国自2016年开始布局DSRC技术，就现在的部署规模及应用覆盖率，美国的DSRC发展依旧缓慢。2019年12月，美国联邦通讯委员会（ Federal Communications Commission）提出一项提议，将原本分配给DSRC的5.850-5.925 GHz频段重新分配。5.850-5.895GHz的频段被分配给WIFI设备，5.895GHz-5.905GHz分配给DSRC或者C-V2X，5.905GHz-5.925GHz分配给C-V2X设备。虽然这一提议引起众多反对，但可以看出DSRC确实存在被取代的风险。造成这个现象的原因主要有几个方面，从政策标准角度来看，虽然美国起步较早，但是缺少一个强势部门进行政策指导，由于国家体制因素，政策不断变化，缺乏始终如一的政策引导。同时美国交通部崇尚技术中立性，在美国出现DSRC和C-V2X技术路线摇摆的时候并没有出手干预选择，因此整个产业环境进入了“内耗”的状态。从技术角度来看，DSRC不能平滑过渡到5G，而5G是车联网通信的未来技术，由于技术兼容的成本非常高昂，如果选择DSRC，当5G大规模应用时，搭载DSRC的车辆将成为无法连通的部分。从市场角度来看，DSRC的商業模式不清晰，相比于C-V2X，DSRC绕过了通信运营商，无法得到相关通信产业利益方的支持。

（2）C-V2X

蜂窝车联网（C-V2X，Cellular Vehicle to Everything）是5GAA（5GAutomotive Association）提出的新术语，目的是为了区别IEEE 802.11p，专指基于蜂窝移动通信系统的V2X无线通信技术。C-V2X技术是我国基于3GPP R14版本，主导推动的车用无线通信技术。早期由大唐电信、高通、华为、乐金电子等企业共同在3GPP研究LTE-V2X国际标准的制定，标准化工作已于2017年3月完成。随着智能网联汽车研发的深入，对通信传输速率、低时延、高可靠性等提出了更高要求，LTE-eV2X的Release-15标准，已于2018年6月正式发布。同时LTE-V2X向NR-V2X演进，3GPP在5G新空口无线传输基础上制定NR-V2X的Release-16 标准，相关研究工作已于 2018 年 6 月启动。由于疫情影响，该版本冻结时间多次延后，于2020年7月3日宣布正式冻结，这是基于5G NR新空口的第一版V2X标准。同时支持增强 5G-V2X 的Release-17 标准，相关准备工作已于 2019 年底开展，目前该阶段的工作正在制定中。

C-V2X技术，包括蜂窝方式和直通方式两种工作模式。蜂窝方式是指终端和基站之间通过Uu接口通信，利用基站作为集中式的控制中心和数据信息转发中心，由基站完成集中式调度、拥塞控制和干扰协调等，可以显著提高C-V2X的接入和组网效率，保证业务的连续性和可靠性。直通方式是指车与车、车与路、车与人间通过PC5接口实现直接通信，这种通信方式满足了自动驾驶低时延高可靠、节点高速运动、隐藏终端等传输要求。蜂窝通信（Uu）和直通通信（PC5）两种模式优势互补，通过合理分配系统负荷，自适应快速实现车联网业务高可靠和连续通信。C-V2X在LTE蜂窝网络的基础上，在帧结构、最大发射功率、拥塞控制、信息安全机制等方面优化了系统性能。采用感知信道与半持续调度结合的分布式资源调度机制，在兼顾其它发送节点的需求和业务的周期性严苛要求下，既减少了系统干扰也减少了信令开销，又提高了信息传输的可靠性。相比于DSRC具有更高的鏈路预算、系统性能、覆盖范围、移动性支持和可靠性。同时C-V2X支持不同网络参与者之间的实时、低延迟通信，可以提供从LTE到5G的演进路径。

（3）DSRC与C-V2X对比

从物理层来看，DSRC与C-V2X主要有两点差异。一方面，C-V2X可使用部分带宽发送，DSRC则是使用全部带宽发送，C-V2X 功率谱密度较高。另一方面，DSRC属于视距传输技术，障碍物过多的场景会影响其传输效率，C-V2X使用Turbo码，编码增益高，而且C-V2X CP长度为4.7μs，更适合室外环境。

从MAC层来看，DSRC与C-V2X有三点差异。第一，DSRC资源调配方式为CSMA/CA，在节点数较多时竞争增大了冲突概率，C-V2X资源调配可以将分布式与集中式相结合来提高效率，而且资源分配具有周期性，一旦选择成功，可以持续使用一段时间，连续性好、调度效率高。第二，DSRC存在隐藏节点、时延上限不确定，C-V2X 可以根据地理位置选择资源池，相邻区域的LTE使用正交的资源池降低了冲突概率，解决了隐藏节点的问题。第三，DSRC在重负荷情况下不能保证节点接人信道的公平性，C-V2X采用网络控制的资源管理加QoS管理保证重负荷下的系统性能。

在基础技术指标上存在三点最根本差异。DSRC采用短距直连传输，C-V2X采用蜂窝通信（Uu）和直通通信（PC5），形成双链路互支撑和双冗余，保证业务的连续性和可靠性。在演进性上，DSRC缺乏演进路线，而C-V2X具备从LTE到5G的演进路线，可为自动驾驶提供高吞吐量、超低延迟和高可靠性的传输服务。在成熟度上，DSRC虽然发展较C-V2X成熟，但是国内C-V2X具备良好的研究基础，华为、爱立信、英特尔、高通和诺基亚等都在积极推动C-V2X芯片和设备产业化，车企也纷纷联合通信企业开展C-V2X技术测试，C-V2X在产业化进程方面与DSRC的差距逐渐减少。

随着国家层面强有力的指引和支持，目前来看C-V2X 技术发展更具长期发展的潜力。并且C-V2X属于中国主导的车联网技术，有利于国内企业规避专利风险，同时能够借助C-V2X技术发挥中国影响力并扩展到其他国家。

3 C-V2X 应用前景

C-V2X 产业链主要包括通信芯片、通信模组、终端设备、整车、智能道路、测试验证以及运营与服务环节，其中的参与方包括芯片厂商、设备厂商、主机厂、方案商、电信运营商、交通运营部门和交通管理部门等。此外，相关科研院所、标准组织、投资机构及关联的技术产业对C-V2X产业落地应用起到了支撑与推动的作用。

根据汽车零部件供应商博世的数据，到2025年，车联网汽车可以挽救11，000人的生命并减少260，000起事故，创造2530亿美元的应用收入，并且每年节省2.8亿小时的驾驶时间。由此可见C-V2X的商业前景十分可观，而有了5G的助力，车内外的场景也将变得更加多元化。汽车不再是简单的交通代步工具，未来形态将是人、车、路、网的全新融合。

目前，C-V2X商业化进程才刚刚处于起步阶段，还存在着诸多待解决的问题：

1、信息安全缺乏有力保护

在C-V2X中，联网汽车会实时向周围设备分享位置信息和驾驶意图，这导致驾驶员和汽车的数据被更大范围的暴露，极易被不法分子利用损害车主利益。如何保护用户的隐私数据安全，在国内业界还处在讨论阶段。

2、量产产品未达到商业化程度

虽然国内在车联网相关的关键产品如芯片、车载终端、道路智能化终端等方面加大自主研发投入，但整体形势距离商业化应用仍有差距。如何同步提升路端与车端联网设备覆盖率也是亟待解决的关键问题。

3、车联网发展商业模式不清晰

车联网产业链条较长，涵盖芯片、模组、终端、平台、测试验证、网络安全、系统集成等多个方面，目前竞争格局未定，缺少主导企业，没有完善的可持续建设运营模式等问题，导致整个产业没有核心凝聚力，产业推动力量发散。

总体来看，C-V2X真正实现商业化落地仍需要时间以及包括政府、相关企业在内的多方努力配合。

参考文献：

[1]和福建，田晓笛，王长园.车联网发展现状及趋势研究[J].中国汽车，2019（04）：55-58.

[2]缪立新，王发平.V2X车联网关键技术研究及应用综述[J].汽车工程学报，2020，10（01）：1-12.

[3]王伟力，石胜华，张恒博，蔡蕾.面向车路协同关键通信技术的研究[J].公路交通科技（应用技术版），2020，16（03）：311-315.