基于5G V2X服务的停车信息系统研究

魏文勇 张 晖 赵 峰

中通服咨询设计研究院有限公司

0 引言

随着我国经济快速发展，车辆也快速增长，导致了停车需求的增长，停车难一直是我国许多城市普遍面临的问题，这一问题在大城市尤为严重。很多城市的停车场规划相对滞后，远不能满足不断增长的停车需求。有限的停车服务将大大降低居民的生活质量。

日益严重的停车问题已成为制约我国汽车产业发展和城市交通畅通的一大瓶颈。因此，根据停车需求信息和停车设施布局，开发能够快速、准确地支持停车规划的停车辅助系统，对于准确配置城市有限的停车资源，提高停车场利用率以及服务水平，缓解停车难问题，有较为重要的意义。本文主要探讨基于5G V2X服务的停车位信息共享系统的可能性以及基于C-V2X服务的停车位信息共享系统的实现方案。

1 V2X服务

1.1 V2X技术

越来越多的车辆接入物联网（IoT），车联网（IoV）也随之发展。车联网系统由车载终端、云计算平台和数据分析平台三部分组成。传感器、数据采集器和无线发射模块构成车载终端，对车辆运行数据实时采集，实现车辆所有工作信息的采集、存储和传输。车辆的实时运行数据包括驾驶员与配电系统的数据信息；云计算平台对车辆信息进行处理和过滤；数据分析平台主要是向管理人员提交报告。通过连接人、车、车内系统和道路基础设施，IoV可以实现车间网络的无缝连接，并在移动环境中提供智能管理和信息服务，这将提高驾驶体验、交通效率和安全性，并降低运营成本。

近年来，随着通信技术的发展而新兴的一个技术是vehicle to everything（V2X）。V2X是指车与外界进行百分百的互联，这是未来智能汽车、自动驾驶、智能交通运输系统的基础和关键技术，包括车-车（V2V）、车-基础设施（V2I）、车-行人（V2P）、车辆到网络（V2N）。V2V是指车辆间通过车载终端进行通信，实时获得附近车辆的速度、位置等信息，车辆间形成共享平台，实时信息交换。V2I是指车载设备与路边设备之间的通信，路外设备能从附近车辆获得信息，也能发布实时信息。V2P是指用户设备（如手机和笔记本电脑）与车内设备进行通信。V2N指车载设备接入云平台，车辆与云平台之间进行通信。

根据使用的不同底层技术情况，介绍两种V2X通信技术，即基于WLAN的V2X和基于蜂窝的V2X。

1.2 DSRC

最初的V2X通信采用WLAN技术，直接在V2V和V2I之间工作，这种V2X基于一种称为专用短程通信（DSRC）的标准。DSRC利用IEEE802.11p在车辆环境中增加无线接入。它支持车辆之间以及车辆与路外设备之间的基本安全信息的低延迟通信。DSRC的顶层协议栈是基于IEEE1609标准开发的。V2V信息交互使用WAVE短消息协议而非TCP/IP协议，TCP/IP协议用于V2I和V2N信息交互。

1.3 C-V2X

C-V2X最初定义于3GPP R14中的LTE，设计用于V2I和V2N。在3GPP R15中，V2X功能扩展到支持5G。与802.11p一样，C-V2X直接通信支持广域覆盖连接，通过在5.9 GHz ITS频段使用高质量传输来检测和交换信息，增强了安全机制。

随着人、车、路和云平台之间的全方位连接和高效信息交互，C-V2X目前正在从信息服务应用程序向交通安全和效率应用程序发展，并将逐步支持自动驾驶协作。C-V2X的一些典型应用场景包括：

（1）交通效率

交通效率是C-V2X的重要应用场景，对缓解城市交通拥堵、节能减排具有重要意义。典型的交通效率应用是速度引导。车速引导是指利用路边单元（RSU）采集交通信号灯和信号灯的时间信息，并向周围车辆广播信号灯的当前状态和当前状态的剩余时间等信息。收到信息后，车辆根据当前速度、位置和其他信息计算建议的行驶速度，并提示车主确保车辆不会停止通过交叉口。这种情况要求RSU能够收集交通信号信息并向车辆广播V2X消息，而周围车辆能够发送和接收V2X消息。

（2）交通安全

交通安全是C-V2X最重要的应用场景之一，对避免交通事故、减少事故造成的生命财产损失都有重要作用。典型的交通安全应用场景是交叉口的碰撞警告。碰撞警告是指在交叉口，当车辆检测到车辆横向行驶的碰撞风险时，驾驶员会收到预警声音或图像以避免碰撞。这种情况下的车辆需要能够广播和接收V2X消息。

（3）信息服务

信息服务是提高驾驶体验的重要应用。典型的信息服务应用场景包括紧急呼叫服务。紧急呼叫服务是指当车辆发生紧急情况（如安全气囊引爆、翻车等）时，车辆能够通过网络自动或人工启动紧急救援信号，并提供基本信息如车辆类型、交通事故时间和地点等。服务提供商可以是政府应急救援中心或其他应急救援中心，要求车辆具有C-V2X通信能力。

（4）自动驾驶

与现有的摄像机视频识别、毫米波雷达和激光雷达类似，V2X是另一种获取其他车辆和行人运动状态（速度、制动、车道变化）信息的方法，不受天气、障碍物和距离等因素的影响。同时，V2X还为自动驾驶产业化提供车客云协同的综合服务体系。目前，典型的自动驾驶场景包括车辆编组和远程驾驶。车辆编组是指第一辆车是载人车辆或者自动驾驶车辆，后续车辆通过V2X通信与头车保持实时的信息交互，以一定的车速实现一定车位的多车跟踪驾驶。具有车道保持与跟踪、协同自适应巡航、协同紧急制动、协同变道提醒等功能。远程驾驶是驾驶员通过驾驶控制台远程操控车辆。车载摄像头和雷达通过5G网络的大带宽，将多路传感信息实时传输到远程驾驶台；驾驶员对方向盘、车辆的油门和制动器的控制信号将通过可靠的低延迟5G网络传输至车辆。

5G技术将在C-V2X中发挥重要作用，提高车辆与道路环境通信的可靠性，并实现多种革命性服务的发展。

2 C-V2X服务在辅助停车方面的应用

2.1 停车问题

许多住宅楼在建设过程中，没有充分考虑停车需求，导致停车位不足。停车位信息不易获取，造成资源浪费。当前停车场使用中存在的问题主要体现在以下几个方面：

（1）路边停车容量不合理

城市道路设置停车位时，道路两侧停车位数量与道路通行能力的比值应在20%～33%之间。如果道路两侧停车位的比例超出了范围，造成道路两侧停车位和公共停车场分布不合理，必然增加城市交通量。

（2）停车位分配

大型公共停车位通常建在城市的核心商业区周围，如医院、购物中心、广场和学校。这些位置的交通量相对较高，当所有停车位都被占用时，许多车辆都在巡航寻找停车位，这将使交通状况更加恶化，从而加剧交通拥堵。停车场的合理布局对缓解交通压力有很大影响。因此，在停车位的选择和规划中，不宜只考虑交通流而忽略其他因素。

（3）停车位利用率

到停车场的距离和停车成本是司机在选择停车位时考虑的主要因素。为了节省时间，大多数车主会尽量把车停在最近的地方。但是，如果他们不熟悉附近的停车场布局，更多的时间将被花在选择合适的停车位上。这将导致一些公共停车场拥堵，而另一些停车场利用率不高。

（4）停车位搜索

在停车区内找到合适的停车位也很费时。在我们的日常驾驶活动中，巡游停车场占用了30%的时间，本文提出了一个结合C-V2X技术的停车位信息共享框架，以解决停车问题，引导公共停车，为智能交通系统的建设提供有益的参考。

2.2 停车服务模式设计

可共享的停车位有路边停车位和停车场两类，而从可用资源的角度考虑，停车位有空间共享和时间共享两种模式。

（1）可用点位信息共享

为了缓解交通拥堵，有必要减少寻找停车位的车辆数量，这将有助于减少交通流量。这可以通过在附近建筑物之间共享可用停车位的信息来实现。

（2）分时

对于某个停车位来说，不可能一直被占用。因此，不同的车辆可以在不同的时间段轮流使用同一个停车位。这个停车位空闲时间信息可以分发给其他驾驶员，以实现资源的充分利用。

2.2.1 停车服务模式框架

停车位信息共享系统的主要目标是通过平台上共享的停车位信息，使驾驶员能够找到所需的停车位，如图所示。停车位信息共享系统将从驾驶员、共享停车位和停车位信息共享平台三个方面进行介绍，如图1所示。

图1 停车服务模式示意图

车位搜索器主要是车辆设备，停车资源主要是路边设备，V2X通信系统包括通信协议、专用数据链路和管理系统。通信协议和专用通信链路包括V2X通信系统与车位查询人员之间的短距离通信；管理系统用于检查共享车位信息的真实性，并可将信息发送给车位查询人员。

在停车的过程中，首先需要考虑的是车辆的通行问题。好的车位信息共享系统不应对车位所在区域的第三方管理者带来影响，因而在车位信息共享系统的中，需要先进的车辆接入技术确保现有管理体系的运行。在现有的v2x技术下有许多可能的解决方案，例如：

（1）快速响应码（QR码）

停车位搜索者成功预订停车位后，通过扫描管理系统发送的二维码来向共享平台发送车主身份。

（2）车号识别

通过车号识别技术，停车位信息共享平台可以将预定成功车辆的车号识别信息传送给停车位管理系统。通过车号识别，车位搜索者可以更方便地停车，也方便第三方管理者的管理。如图2所示。

图2 停车系统示意图

（3）车位搜索器-车辆用户

主要包括车载设备，如无线收发模块、计算机处理模块和显示输出模块。其主要目的是根据自己的位置实时接收附近的停车位信息。本模块用于接收通信模块发送的车位信息，对车位信息进行处理，并将处理结果转换为司机能够理解的声光信号等提示信息。此外，还可以根据包含GPS位置的相对位置、车辆信息和可用空间提供导航引导。

（4）停车资源

停车位查询系统主要对公共停车位的使用情况进行实时统计和分析。在停车系统中，车位查询是车位查询人员与车位信息共享平台之间的交互。

对于公共停车位，检测停车位信息，并将信息及时发送到停车位共享平台。路边传感器包括摄像机和激光雷达，摄像机采集路段的视频图像，识别视频图像中的物体类型、形状和位置信息，并将信息发送给路边处理单元；激光雷达用于检测障碍物信息，将障碍物信息传输至路边处理单元。如图3所示。

图3 路边传感器的布置

（5）通信实体

C-V2X是一种基于3GPP标准的通信技术，包括LTEV2X和5G-V2X，LTE-V2X支持平滑演进到5G-V2X。C-V2X根据接口的不同可分为V2X直连和V2X蜂窝通信两种模式。V2X直连通过PC5接口采用车载网络的专用频段（如5.9GHz），实现V2V、V2I、V2P的直接通信，低延迟、高移动速度的支持，满足车位信息的决策和广播要求。V2X蜂窝通信通过蜂窝网络的Uu接口转发，使用蜂窝通信频带，并且广播下行链路。C-V2X通信的两种通信方式是相互依存、相辅相成的。基于PC5和Uu接口的V2X停车位信息共享通信框架的设计如图4所示。

图4 基于PC5和Uu接口的V2X停车位信息共享通信框架模型

RSU是V2X的重要模块，RSU部署可分为两种类型。当RSU通过PC5接口接收到V2X消息时，RSU被部署为UE和V2X应用程序的逻辑组合，这称为UE类型RSU。当RSU通过Uu接口接收到V2X消息时，RSU部署包括eNodeB、内置L-GW和V2X应用服务器，称为eNodeB类型RSU。

采用PC5和Uu同时进行V2X通信，UE经由PC5与其他UE（包括UE类型RSU）通信以发送和接收V2X消息，UE型RSU可以通过Uu与移动网络中的V2X应用服务器通信，并且可以根据需要用于管理超过PC5通信范围的V2X消息的通信，此时使用PC5和Uu V2X的混合通信。

基于C-V2X的通信系统由路侧系统组成，用于检测公共停车位信息和整合停车位信息；5G通信模块，用于接收和发送路侧系统发送的车辆位置信息；车辆子系统，设置在车辆上，用于接收5G通信模块发送的公共停车位信息，并对停车位信息进行处理、分析，并转换成声音和灯光等司机易于理解的信息。该系统可以将停车位信息与车辆连接起来，并将道路信息传递给驾驶员，从而保证驾驶员了解附近区域的停车位信息，增加停车的方便性和安全性。

2.2.2 动态V2X通信系统模型

实现对车辆的协调，解决停车问题，除了系统框架和基础设施外，还需要一个动态通信系统模型，如图5所示。

图5 通信系统模型

该多任务模型用来说明停车场合理共享实现、停车位的动态调度以及与停车位需求者的可靠信息交换。

索引：表示5G网络体系结构中必不可少、各种形式的传输节点或网关，如手机、移动车辆、服务器、第三方应用程序。通过该通信协议和算法模型，可在5G-v2x网络中进行会话协调、物理层数据采集甚至上边缘层计算等工作。

数据：模型中的锚点包含共享停车位和车辆信息等特征。

应用：在最高通信层，代表网络模型中的概念或节点、系统，如区域服务器、5G核心网等。

本文的动态调度队列处理模型中匹配请求的条件包括以下8个方面：（1）邻近停车场调度信息；（2）预计到达目标位置的时间；（3）收费类别；（4）停车和服务能力；（5）停车时间班次；（6）停车位与车辆的距离；（7）目标停车位和车辆的位置；（8）停车记录数据库。

V2X的优势之一是整合了各种第三方应用程序和运营商提供的信息和服务，从而能实现实时信息交换和无缝V2X连接。V2X服务器将停车信息同步到安装在车辆上的UE或车载单元（OBU）。停车场运营商根据不同的时间班次，为进入的客户提供停车区的总体布局、地址、点计数和收费率，以及服务类别。

将包含上述8个标准的用户移动性数据采集并传输到上层索引或根目录进行进一步分析或计算等，在停车位信息共享系统内触发实时停车协调。

通过5G RAN中的V2X通信链路，捕获并跟踪实时车辆/用户移动性和邻近条件，V2X通信将通过5G SBA和移动边缘计算（MEC）技术承载在车辆、共享停车场和停车服务平台之间。

3 结束语

本文结合共享停车场的现状，简要介绍了新兴的V2X技术，介绍了由车位搜索器、共享车位和停车服务平台组成的车位信息共享系统。在此基础上，建立了停车动态调度队列处理模型，这是包含8个优化判别指标的动态调度模型。结合停车位信息共享系统，可以实现满足上述条件的停车位的广播，也可以实现满足停车位要求的停车位信息共享。