车联网通信中蜂窝网络的应用

1 引言

 

近年来，随着汽车保有量持续增长，道路承载容量在许多城市已达到饱和，交通安全、出行效率、环境保护等问题日益突出。在此背景下，汽车的智能化和网联化作为解决这些问题的重要途径，受到了业界的高度重视。车联网的诞生及飞速发展带动着汽车产业变革，同时改变着人们的生活。车联网已经成为实现中国智能网联汽车2025年目标的唯一手段(见图1)。

在车联网发展过程中，无线通信技术对车联网通信的发展及演进起着基石性的关键作用。在车载终端急速增加、车辆通信需求不断增强的物联网时代，如何在高密度场景下满足车辆通信的低时延、高可靠性、高传输速率、高容量等需求，是无线通信网络面临的关键挑战。

2 车联网通信的必要性

车联网是车与一切事物相联的网络(V2X：Vehicle to Everything)，利用车载电子传感装置，通过移动通信技术、汽车导航系统、智能终端设备与信息网络平台，使车与路、车与车、车与人、车与互联网之间实时联网，实现信息互联互通，从而对车、人、物、路、位置等进行有效的智能监控、调度、管理的网络系统。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。

作为车辆智能化的单车智能技术，先进驾驶辅助系统(ADAS：Advanced Driver Assistant System)是车辆智能化的初级阶段，属于提高安全性的主动安全技术。ADAS利用安装于车上的各种传感器(摄像头、雷达、激光和超声波等)，收集车内外的环境数据，进行静、动态物体的辨识、侦测与追踪从而能够让驾驶者在最快的时间察觉可能发生的危险，从而提高安全性。早期的ADAS技术主要以被动式报警为主，当车辆检测到潜在危险时，会发出警报提醒驾车者注意异常的车辆或道路情况;而最新的ADAS技术已经实现主动式干预。但是，ADAS技术应用上也存在一定的局限性：

(1)ADAS以毫米波雷达加摄像头的感知系统无法做到全天候全路况的准确感知。由于ADAS是单车智能技术，传感器成本高且作用距离有限，同时受到雨雪雾霾等天气状况的影响较大，容易造成系统判断失误，从而导致安全事故的发生。

(2)ADAS技术不能涵盖智能交通基本应用集合。欧洲电信标准化协会(ETSI：European TelecommunicaTIons Standards InsTItute)在其技术报告TR 102 638中定义了智能交通基本应用集合，包含了54个应用。TelemaTIcs车载信息服务可提供25个信息服务应用，ADAS可提供18个预警类驾驶辅助应用，但剩余的11个关键驾驶辅助功能ADAS则无法提供服务，如交叉口碰撞预警等。

车联网V2X技术能够将车辆感知范围扩展到数百米，这与ADAS系统中的雷达、光学摄像头的探测范围相比有很大优势。将车联网V2X技术与ADAS系统的多种探测手段相结合，借助融合信息处理技术，能够有效提升行车安全和交通效率问题。单车智能化与车联网的有机结合最终实现无人驾驶。

3 车联网通信场景

车联网主要包括4个应用场景：车与互联网互连(V2N ：Vehicle to Network)、车车互联(V2V：Vehicle to Vehicle)、车路互联(V2I：Vehicle to Infrastructure)以及车人互联(V2P：Vehicle to Pedestrian)，通过人、车、路的有效协同实现智能交通的目的。

(1)V2N是目前应用最广泛的车联网场景，其主要功能是使车辆通过移动网络连接到云服务器，使用云服务器提供的导航、娱乐和防盗等应用。

(2)V2V用于车辆之间的双向数据传输。通过V2V，车辆可实时采集周边车辆的速度、位置、方向以及告警等信息，主要应用于车辆间防碰撞安全系统。此外，也可通过车辆间通信实现图片、短信、音视频等信息的实施交换功能。

(3)V2I是车辆与道路甚至其他基础设施(如交通信号灯、路障等)进行通信的应用。通过V2I系统，车辆可获取交通灯信号时序等道路管理信息、基于位置的车辆服务信息，主要应用于实时的信息服务、车辆的运行监控、电子收费的管理等。

(4)V2P是指行人使用移动电子设备，如便携式电脑、智能手机或其他手持设备与车载电子设备之间进行的通信，重要应用场景是车辆给道路上行人或非机动车发送安全警告。

4 现有车联网通信技术比较

目前，车联网通信技术分为IEEE 802.11p(DSRC专用短程通信使用的底层无线通信技术)和3GPP C-V2X(基于蜂窝网的V2X无线通信技术)两个阵营。

4.1 DSRC/IEEE 802.11p

专用短程通信(DSRC：Dedicated Short Range CommunicaTIons)是一种短程无线通信技术，专门用于V2VV2I的通信标准。DSRC可以实现小范围内图像、语音和数据的实时、准确和可靠地双向传输。DSRC发展相对成熟，国际上DSRC标准主要有欧、美、日三大阵营，美国的ASTM/IEEE，日本的ARIBSTD-T75和ARIBSTD-T88标准以及欧洲的CEN/TC278。

为了促进DSRC的标准化和产业化，IEEE2004年成立了车辆无线接入(WAVE)工作组，负责研究美国ASTM制定的5.9 GHz频段DSRC标准，并对其进行升级完善，设计制定统一的、全球通用的车联网通信标准。2010年7月，WAVE工作组正式发布了IEEE 802.11p车联网通信标准，实现了DSRC标准向802.11p协议和IEEE 1069/WAVE(Wireless Access in the Vehicles Environment)系列标准的融合演进。

IEEE 802.11p是一个由IEEE 802.11标准扩充的通信协议，能够支持相邻车辆之间行车安全数据的相互通信和数据交换，符合智能交通系统的相关应用。从技术上来看，IEEE 802.11p标准对IEEE 802.11进行了多项针对车辆特殊环境的改进，例如增强了热点间切换、更好地支持移动环境、增强了安全性、加强了身份认证等。

IEEE 1609系列标准则是为了完善DSRC标准的应用层功能而提出，是以IEEE802.11p标准为基础的高层系列标准，定义了包括车辆之间以及车辆与路边基础设施之间的数据交换格式以及安全等。

4.2 3GPP C-V2X

C-V2X(Cellular Based V2X)是基于移动蜂窝网的车联网通信技术。以LTE蜂窝网络作为基础的C-V2X称为LTE-V2X，3GPP已于2017年3月完成LTE-V2X的标准制定工作。未来基于5G New Radio(新空口)蜂窝网络的C-V2X称为NR-V2X。

LTE-V2X系统的空中接口分为两种，一种是Uu接口，需要基站作为控制中心，车辆与基础设施、其他车辆之间需要通过将数据在基站进行中转来实现通信;另一种是PC5接口，可以实现车辆间数据的直接传输(见图2)。LTE-V2X的工作场景有两种，一种是基于蜂窝网络覆盖的场景，此时即可以由蜂窝网络的Uu接口提供服务，实现大带宽、大覆盖通信，也可以通过PC5接口提供服务，实现车辆与周边环境节点低时延、高可靠的直接通信;另一种是独立于蜂窝网络的工作场景，在无网络部署的区域通过PC5接口提供车联网道路服务，满足行车安全需求。在有蜂窝网络覆盖的场景下，数据传输可以在Uu接口和PC5接口之间进行灵活的无缝切换。

 

LTE-V2X的Uu接口在LTE的Uu接口基础上进行了针对性的增强，例如优化了LTE广播多播技术来有效支持车联网这种广播范围小且区域灵活可变的业务，对控制信道进行裁剪以便进一步降低延迟。

LTE-V2X的PC5接口是在Release 12 LTE-D2D(Device to Device)基础上进行了多方面的增强设计，从而支持车辆之间的车辆动态信息(例如位置、速度、行驶方向等)的快速交换和高效的无线资源分配机制，此外，还对物理层结构进行了增强以便支持更高的移动速度(500km/h)。

4.3 802.11p和LTE-V2X的比较

802.11p具有客观的先发优势，技术趋于成熟。而LTE-V2X作为一种基于LTE演进的车联网技术，则具备诸多后发优势。

(1)技术层面

LTE-V2X在设计过程中充分借鉴了802.11p的经验和不足，在系统容量、覆盖范围等方面具有显著的性能优势，LTE-V2X采用集中式控制传输与分布式传输相结合的方式，将V2N、V2I、V2V以及V2P结合成一个有机整体。LTE-V2X底层具备更好的链路预算，借助更加精细的信道设计及资源分配方案来获得高可靠、广覆盖、低时延的传输保障。而802.11p是一个纯粹的分布式系统，无法实现整体最优。二者在技术层面的具体比较如表1所示。

 

(2)终端层面

一方面，LTE-V2X的Telematics模块和V2X通信模块可共用同一块芯片，有效降低芯片复杂度，从而降低芯片成本;另一方面，LTE-V2X进一步丰富了Telematics车载信息服务，让用户更愿意续费Telematics业务;同时，Telematics的渗透率也提升了V2X的渗透率。

(3)产业层面

首先，LTE-V2X借助成熟的LTE网络及产业链，通过对现有的LTE网络基站设备进行升级就可以实现部署，不需要再铺设大量的基础设施通信模块，产业更容易快速发展起来。来自GSA的最新报告显示[6]，截至2017年1月末，全球运营商已经签署764张LTE网络合同，覆盖196个国家，其中，已经商用部署的网络达到581张。LTE成熟的生态系统吸引电信运营商，通信设备制造商和汽车企业基于现有的LTE网络和技术支持车联网通信，从而LTE-V2X成为自然的选择。其次，LTE-V2X是运营商增加新连接(车、自行车、摩托、行人等)的重要卡位。基于LTE-V2X，运营商可以自然地参与到车联网产业中来，提供车连网相关业务，如具有最核心的竞争力的连接、数据、服务等业务。此外，LTE-V2X是中国主导的车联网技术，有利于国内企业规避专利风险，有利于发挥中国影响力并扩展到其他国家。

综上所述，尽管802.11p具备先发优势，技术和产业相对成熟，但其仅支持车车、车路之间的直接通信，从智能交通长远发展的角度来看，以LTE-V2X为代表的C-V2X技术实现了直通和蜂窝模式的融合，未来可以平滑演进到5G，应用前景更加光明。

5 5G车联网通信

作为智能驾驶的最终形式，自动驾驶汽车技术依靠通信、人工智能、视觉计算、雷达、监控装置和全球定位系统协同合作，让电脑可以在没有任何人类主动的操作下，自动安全地操作车辆。未来车辆在进行自动驾驶与车联网通信的过程中，需要进行海量、实时的数据交互。自动驾驶汽车和车联网通信的实现还需要网络实时传输汽车导航信息、位置信息以及汽车各个传感器的数据到云端或其他车辆终端，需要更高的网络带宽和更低的网络延时，而这仅靠LTE-V2X和DSRC等通信技术还无法实现。

相对于目前的车联网通信技术，5G系统的关键能力指标都有极大提升。5G网络传输时延可达毫秒级，满足车联网的严苛要求，保证车辆在高速行驶中的安全;5G峰值速率可达以10~20Gbit/s，连接数密度可达100万个/km2，可满足未来车联网环境的车辆与人、交通基础设施之间的通信需求。

目前，5G V2X正处于业务场景和需求确定阶段。3GPP的需求组(SA1)已经基本完成5G V2X的业务场景及需求的讨论，并在技术报告TR 22.886中将25个5G V2X业务场景分成了4组(见图3)，具体包括：

 

●车辆编队(Vehicles Platoonning)：车辆编队使车辆动态形成编队一起行驶。编队中的所有车辆从编队头车获取信息来管理这个编队，这些管理信息使车辆能够以比正常行驶更接近(编队车辆之间间隔仅2~5m)更协调的方式同向行驶。

●扩展传感器(Extended Sensors)：扩展传感器使车辆之间、车和路边单元之间、车和行人之间以及车和V2X服务器之间可以交互本地传感器信息和实时视频图像信息等，车辆可以获得额外的环境感知能力，更全面地了解周边环境。

 

●先进驾驶(Advanced Driving)：先进驾驶用于支持半自动或全自动驾驶。每个车辆把通过自身传感器获得的感知数据以及自身的驾驶意图分享给周围车辆，从而支持多个车辆之间同步和协调他们的行驶轨迹。

●远程驾驶(Remote Driving)：远程驾驶使远程司机或车联网应用服务器遥控车辆的行驶，适用于乘客不能自己驾车或远程车辆处于危险环境中等特殊场景。高可靠性和低延迟通信是远程驾驶的主要要求。

3GPP需求组从无线通信角度为5G V2X业务场景定义了相应的需求，具体如表2所示。

如何在高密度车辆场景下满足5G V2X通信的低时延、高可靠性、高传输速率、高容量等需求，是5G车联网通信网络面临的挑战，也是5G车联网的重点研究工作。3GPP RAN在2017年3月的第75次全会确定，将从2017年第三季度开始研究5G V2X的可用频谱、信道模型以及评估假设并有望于2018年启动基于5G新空口的V2X通信技术的研究，预计在2020年左右完成标准工作。

6 展望

尽管车联网通信的标准化工作已经基本完成，但由于涉及领域多、影响面大，无论是北美、欧盟以及日本这些发达国家还是我国，车联网尚处于测试推广阶段，还未实现大规模的商用。随着汽车工业的不断发展，无论是从道路交通安全、道路拥堵、尾气排放等角度，还是从消费者的需求角度，车联网通信实际商用需尽早提上日程。

整体而言，目前在中国，基于蜂窝网的车联网通信在政府的大力支持下发展态势很好，LTE-V2X技术有望于2018—2019年在中国率先实现商用部署。未来，LTE-V2X技术将逐渐升级到5G V2X技术并长期保持后向兼容，为实现中国智能网联汽车2025目标提供有力支撑。