V2X技术在通信系统架构中的应用

2023-03-27王小磊毛生发杜江鹏

汽车实用技术 2023年6期

薄涛，王小磊，冯凯，毛生发，杜江鹏

（陕西重型汽车有限公司，陕西西安 710200）

目前，无论是人工驾驶还是自动驾驶，在单车感知方面均存在诸多限制因素，如感知距离有限、易受障碍物遮挡等。而通过车用无线通信（Vehicle to Everything, V2X）技术能够实现车辆与其他交通参与者或基础设施之间的数据交互、共享，可以建立实时、可靠的通信网络，使车与车、车与路、车与云之间的结构化数据能够有效相互利用，弥补单车感知缺陷。同时，基于 V2X的车路协同决策可以有效提高交通效率，降低事故发生率，提升车辆驾乘体验。

1 V2X技术路线

V2X是指车与周边环境和网络的全方位通信，包括车与车（Vehicle to Vehicle, V2V）、车与基础设施（Vehicle to Infrastructure, V2I)、车与人（Vehicle to Pedestrian, V2P）、车与网络（Vehicle to Network, V2N）四种通信方式，这些通信方式共同构成交通环境中不同实体间的信息交互网络[1]。以依靠V2X技术实现的多车编队行驶为例，此场景的主要通信方式为V2V通信，编队行驶车辆成员车之间、成员车与周边车之间，通过实时交换车辆状态、定位和车辆控制等信息，保证编队车辆安全、高效地行驶。

V2X主要包括两种技术路线，专用短程通信技术（Dedicated Short Range Communication,DSRC）和蜂窝车联网通信技术（Cellular Vehicle to Everything, C-V2X）。其中，DSRC的发展以电气与电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE）发布的 802.11P 和1609.X系列标准为理论依据，属于无线连接（Wireless Fidelity, WI-FI）技术的拓展变种，我国由于缺少相关核心知识产权布局，产业基础较为薄弱，在 DSRC技术发展与应用方面并不具备优势。C-V2X则是由国际标准化组织——第三代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project,3GPP）提出，最开始出现在Release14版标准中，此版本确立了以长期演进（Long Term Evolution,LTE）-V2X为基础的技术演进路线；在Release16版标准中提出基于 5G技术实现的新空口（New Radio, NR）-V2X通信方案，C-V2X技术标准的演进过程如图1所示[2]。LTE-V2X作为现行技术，未来会向NR-V2X平滑演进，两种技术并不会互相取代，而是作为互补长期保持共存。

图1 3GPP C-V2X标准演进进展

相较于DSRC，C-V2X技术具有以下优点：

1）发展空间更加广阔，DSRC技术已于2010年停止更新，多国正逐步放弃DSRC向C-V2X进行技术转型；C-V2X技术相关标准则仍在持续更新，支持LTE-V2X和NR-V2X混合应用。

2）技术更加先进，LTE-V2X技术在数据传输效率、通信带宽等多个方面均优于 DSRC技术，可靠性更高，未来NR-V2X技术落地后性能还将进一步提升，如表1所示。

表1 LTE-V通信制式与DSRC的性能比较

3）经济性更高，C-V2X通信芯片集成度高，可同时支持 PC5（LTE-V-Direct）和 UU（LTE-VCell）接口通信，有效降低功能拓展成本；借助于传统的蜂窝网络联网方式，C-V2X可支持更为丰富的应用生态系统[3]。

2 LTE-V2X通信方式

在LTE-V2X通信中，当前技术能够实现两种通信接口：一种是基于设备间通信（Device to Device, D2D）的PC5通信接口[4]，支持多个V2X终端，如车载设备（On Board Unit, OBU）、路侧设备（Road Side Unit, RSU）等，间距较小时的直连通信；另一种是针对终端与网络基站间通信的UU接口，适用于V2X终端间距较大，直连通信质量难以得到保证，需借助4G/5G网络作为载体进行通信的情况。

PC5接口的传输资源分配方式主要包括两种：第一种是集中式资源分配（Mode3），需要由用户设备（User Equipment, UE）作为传输资源请求的发起者， PC5基站（eNodeB）收到请求后，通过半连续动态调度的方式进行资源分配；第二种是分布式资源分配（Mode4），它无需使用基站作为通信辅助设备，资源选择时也无需用户设备发出请求，只需用户设备自身独立进行资源选择即可[5]。由于集中式资源分配是以 PC5基站作为调度中心，单个节点通信负荷较大，覆盖范围受基站通信能力影响，在时延和开销方面并不具备优势，同时道路中高速行驶的车辆无法仅与单一基站通信，通信连接的不断切换亦会大幅影响其效率与质量。因此，在实际交通场景中，分布式资源分配方式有着更为广阔的应用前景。

当处于V2V通信方式时，主要实现车辆间的数据传输。由于通信双方往往处于高速运动状态，有着较高的相对速度，这就使得V2V通信对定位精准度、通信实时性与稳定性有着较高需求。同时，由于交通环境不断变化，单个OBU信号覆盖范围内通信链路条数、信息交互需求存在较大不稳定性，通信信道与通信环境相对复杂，因此，目前行业V2X技术研究重点在于探索如何高效、稳定地进行V2V通信[6]。PC5接口利用其直连通信无需基站辅助的特点，实现低时延、高稳定通信，提高V2V通信方式的效率。

当处于 V2I通信方式时，主要实现车辆与道路基础设施间的数据传输。由于基础设施本身并不具备V2X通信能力，因此，需要搭载RSU作为信息交互的载体，同时作为局部调度、管理与监测的设备。V2I通信不仅可以为车辆提供基础设施的实时信息，还可以向政府交通管理平台上传车辆信息和道路基础设施状态等相关数据以进行实时监控。V2I通信方式为车辆间通信提供中继节点，当车流量较小无法建立有效V2V通信链路时，RSU可以充当链路节点，减少对于周边车辆的依赖，有利于实现长距离的数据传递。

当处于V2P通信方式时，主要实现车辆与弱势交通参与者之间的数据传输。目前实现车辆对行人的识别及预警主要有两种方式：第一种为行人穿戴V2X通信设备与车辆直接交互；第二种为RSU通过连接感知设备对行人进行识别及预测，将行人数据传输给车辆，属于 V2I通信的一种变形。

3 LTE-V2X网络架构

国内 C-V2X 团体组织制定了 T∕CSAE 53—2020[7]和 T∕CSAE 157—2020[8]两个阶段的应用场景标准，主要包含三大类别：安全类场景、效率类场景及信息类场景。其中以车辆、行人等交通参与者的安全类应用为主，其次为交通效率提升类应用，因此，在通信架构设计时不能采用传统的网联通信架构（即通过核心网来传递相关数据内容），而应选择低时延、高可靠的架构设计。3GPP组织在其Release14版通信标准中加入D2D通信方式，定义了基于PC5接口的LTE-V2X网络架构，如图2所示[9]。

图2 基于PC5的LTE-V2X网络架构

该架构以传统LTE网络为基础，新增了两种功能实体：V2X控制功能实体（V2X Control Function）和V2X应用服务器（V2X Application Server）。V2X控制功能实体主要负责V2X应用服务的权限认证管理、授权发放、漫游管理，该实体并非独立存在，而是部署于每个包含V2X业务的公共陆地移动网络（Public Land Mobile Network,PLMN）中，通过 V3接口连接相邻的用户设备UE，并为之提供V2X通信所需参数。通过V4接口连接签约用户服务器（Home Subscriber Server,HSS）以调取用户V2X服务权限，并基于该权限为用户提供授权服务。V2X应用服务器主要提供用户数据存储服务，一个V2X应用服务器可以对应多个 V2X控制功能实体，两类实体间通过 V2接口进行通信。相邻的用户设备UE之间使用PC5接口进行直连通信，这种终端间的直接通信，可以满足车辆高速移动时V2X通信对时延和稳定性的需求，但是在大规模环境下信息交互压力大幅增加，这时就需要对资源池以及拥塞控制能力进行更细致的设计与优化。

4 软件定义下的通信链路恢复

在软件定义下的V2X通信技术中，包括通信连接建立、通信链路规划和通信链路恢复三项关键技术[10]。通过软件定义将V2X通信技术中的直连通信任务交由OBU内部协议栈进行决策，当所有车辆都处于V2X消息广播状态时，OBU内部决策模块请求建立V2X直连通信链路；当V2X通信链路处于保持状态时，OBU通过减少数据上报计算量，以降低通信数据量，减轻网络传输负担；当车辆需要获取V2X直连通信范围外的第n号车数据时，可通过蜂窝网络基站发送获取第n号车数据的请求，第n号车将数据上传至基站，由基站作为中继节点进行数据传递。

而在实际运行条件下，车辆间的高速相对运动、多样的支路和岔路、路况的好坏等不确定因素，都使得车辆行驶存在不确定性，导致V2X多跳通信受到影响，为了确保节点间通信链路正常、有效，需要建立通信链路恢复机制。当一条通信链路中的某个节点车辆急加速、急减速或改变行驶方向，导致OBU间的V2V通信受到影响时，与之相邻的两节点车辆OBU内部启动相应通信链路恢复机制，指导OBU与新的相邻节点建立通信，保证多跳通信及时恢复正常。

V2X通信链路恢复示例如图3所示。

图3 V2X通信链路恢复示例

假设原通信链路为

某时刻，当前通信链路P中的一节点车辆Va改变了原有行驶方向，其OBU检测到行驶状态转变并触发“行驶状态突变”信号，与之相邻的两节点车辆接收到该触发信号后，立即开始尝试在周边具备V2X功能的车辆中寻找备用节点，对两车之间的多跳通信链路进行修复。假设在原通信链路P中，车辆Va的上一跳节点为Va-1，车辆Va的下一跳节点为Va+1，则两节点车辆OBU尝试寻找的备份节点Va'，应处于两者之间且可以同时与Va-1、Va+1通信。假设两车 OBU成功找到可用备份节点，则使用新的备份链路P'为

代替原链路P，即式（1），同时对新路径P'中各节点内部通信链路成员表进行维护：在Va'节点内新增现有V1到Vn通信链路成员表，上一通信节点为Va-1，下一通信节点为Va+1，并向通信链路内所有节点发送“通信链路更新”信号；在Va-1节点原有V1到Vn通信链路成员表中，将下一通信节点由Va更新为Va'；在Va+1节点原有V1到Vn通信链路成员表中，将上一通信节点由Va更新为Va'；其余链路内节点仅对原Va节点进行信息更新，无需调整通信对象。若备份节点寻找失败，则Va-1和Va+1节点向原链路P中所有剩余节点发送“通信链路恢复失败”信号，各节点收到该信号后断开链路P，并删除相应成员表。在备份节点寻找过程中，可用节点Va'不局限于单个车辆，亦可是另一条多跳通信链路，虽然这种修复方式可能会增加链路整体传输时延，但修复后仅改变了Va-1和Va+1两个节点的通信对象，对其余节点的影响是最小的[10]。