基于整車道路試驗的V2X研究

黃鑫

【摘 要】在整車道路試驗中，需要車與地面設備之間進行信息交互，地面設備和服務器端通過對試驗車上采集到的數(shù)據(jù)進行實時計算和分析，確定試驗的工況結(jié)果。高效、高可靠性、低成本的車地通信是整車試驗的重要環(huán)節(jié)。本文根據(jù)整車試驗的車地通信需求，對車地通信的系統(tǒng)進行了研究分析，提出了一種未來車地通信的系統(tǒng)設計，在提升傳輸效率，降低成本的同時，提升了車地通信系統(tǒng)的通用性。

【關(guān)鍵詞】車地通信；車輛試驗；蜂窩車地通信系統(tǒng)

【Abstract】The information exchanges between the vehicle and the road side unit are necessary in the vehicles road test. The server will calculate and analyze the data got by the road side unit and feed back the results. It is very important for the vehicle road test to get efficient， reliable and low cost vehicle-to-roadside system. A promised vehicle-to-roadside system based on the requirements of the vehicle road test is proposed in this paper. It can not only improve the transmission efficiency and the cost but also the universality of the communication systems.

【Key words】Vehicle-to-roadside communication； Vehicle road test； Cellular-based vehicle-to-roadside communication system

0 前言

車地通信系統(tǒng)是高效整車道路試驗不可或缺的關(guān)鍵部分。試驗過程中，試驗車輛上大量的傳感器采集到海量的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)需要及時回傳給地面計算系統(tǒng)，以便及時監(jiān)控車輛的運行狀態(tài)，反饋測試調(diào)整信息，保證整個測試過程的順利進行。由于車輛道路試驗需要大量的人力、物力和時間，在特定的工況條件下進行試驗，因此高效的車地系統(tǒng)，可以減少多次重復試驗，提升試驗效率的同時，解決特定工況的局限性。

整車道路試驗中的車地通信，屬于車輛對基礎設施（V2I，Vehicle to Infrastructure）通信。V2I通過車載通信系統(tǒng)與地面路邊的基礎設施通信系統(tǒng)進行信息交互。隨著智能交通和自動駕駛技術(shù)的快速發(fā)展，車輛與車輛（V2V，Vehicle to Vehicle）通信，車輛與行人（V2P， Vehicle to Pedestrian）被廣泛研究。V2I、V2V和V2P被統(tǒng)稱為V2X（Vehicle to Everything）技術(shù)[1]。本文對當前V2X的主流技術(shù)進行了分析，并基于當前通信技術(shù)的演進，提出了一種新的V2X高效通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在高效地進行車地通信的同時，有效降低了網(wǎng)絡的運營成本，解決了當前V2X通信系統(tǒng)中的瓶頸問題。

1 V2X通信系統(tǒng)模型

V2X是車輛系統(tǒng)與其它帶有通信系統(tǒng)的物體進行通信的統(tǒng)稱。如圖1所示，正在行進中的車輛，通過車載通信模塊可以與地面的通信設施進行通信（V2I），可以與其它車輛進行通信（V2V），也可以與行人的手持終端進行通信（V2P）。

V2I中車輛需要通過移動網(wǎng)絡運營商網(wǎng)絡（MNO）或者專用的網(wǎng)絡，車與其它設施進行信息交互。V2V和V2P可以通過運營商網(wǎng)絡，也可以在沒有運營商網(wǎng)絡的條件下，通過設備與設備（D2D）通信或者自組織網(wǎng)絡的形式，進行信息傳輸。第三代移動通信合作伙伴計劃（3GPP， the 3rd Generation Partner Project）組織的V2X技術(shù)報告中，定義了沒有通信網(wǎng)絡的D2D式的V2X場景，單個移動網(wǎng)絡運營商的V2X場景以及多個網(wǎng)絡運營商服務的V2X場景[1]。

基于整車道路試驗的V2X主要是V2I通信。試驗車輛上采集的數(shù)據(jù)可以通過MNO與地面服務器進行V2I通信，獲取車輛的試驗數(shù)據(jù)。

2 基于Wi-Fi和LTE的V2X通信

隨著智能交通、自動駕駛等需求的增加，V2X通信被廣泛研究。美國主導的以IEEE 802.11p為基礎的專用短距離通信（Dedicated Short-Range Communications，DSRC）與3GPP主導的基于3GPP的長期演進（LTE，Long Term Evolution）項目的V2X是被廣泛認可的兩個V2X標準。

1999年，美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）分配了5GHz頻段的5.850-5.925GHz總共75MHz頻譜資源用于進行V2X通信。IEEE 802.11工作組與2006年發(fā)布了IEEE 802.11p標準的1.0版本的草案，并于2010年發(fā)布了11.0的最終版本[2]。IEEE 802.11p標準是當前被車載通信系統(tǒng)廣泛研究的一個重要標準，它是由IEEE 802.11進行演進擴充的無線局域網(wǎng)標準，因為被稱為基于Wi-Fi（Wireless Fidelity，無線高保真）的V2X通信標準。為了滿足車載通信的流動性高、連接時間短、傳輸距離長的特定，IEEE 802.11p標準任務組對傳統(tǒng)的802.11進行了一些調(diào)整，以滿足“連接更快速，傳輸更可靠”的V2X通信要求。由于IEEE 802.11標準主要定義了物理層和媒體接入控制（MAC）層的技術(shù)規(guī)范，因此IEEE 802.11p分別對IEEE 802.11傳統(tǒng)的技術(shù)規(guī)范進行了調(diào)整。在物理層，11p沿用了OFDM技術(shù)，但是將信道寬度由20MHz調(diào)整為10MHz，子載波間隔調(diào)整為原來的一半，符號間的保護間隔增加了一倍，由此可以較好地應對高移動速度帶來的多普勒干擾。傳輸距離是車輛行駛過程中的V2X的另外一個重要考慮因素。FCC允許在這個75MHz的頻段上以33dbm的功率進行發(fā)送，覆蓋范圍可達1000m，這個距離遠遠超過了傳統(tǒng)Wi-Fi的覆蓋范圍，更加適用于V2X的通信場景。在MAC層，傳統(tǒng)Wi-Fi的連接時延難以滿足V2X的通信需求，IEEE 802.11p統(tǒng)一了所有接入點的標識符，取消了鑒權(quán)和關(guān)聯(lián)的環(huán)節(jié)，大大縮短了建鏈時長。11p沿用了Wi-Fi用了增強分布式協(xié)調(diào)訪問機制，保證V2X不同業(yè)務的服務質(zhì)量（QoS）。

LTE-V2X正在被廣泛研究和討論，3GPP已經(jīng)在2015年底完成了了V2X研究項目[3]，并于2016年開始了工作項目，預計2017年完成R14的標準，2018年開始商用。V2X是基于LTE的D2D技術(shù)進行通信。LTE的D2D與R12立項，并完成了公共安全的通信功能。目前，LTE的D2D技術(shù)尚不支持商用點對點通信的功能。最新的LTE演進版本需要支持商用通信的D2D，進而才能進一步支持V2X。3GPP中的服務架構(gòu)（SA）組已經(jīng)完成了V2X的研究報告TR 22.885[1]。3GPP的接入網(wǎng)工作組正在基于該研究報告，進行V2X的研究項目[3]和V2V的工作項目[4]。V2V是LTE中新引入的特性，目前正在以工作項目的方式寫入LTE標準。LTE-V2X主要采用了LTE中的增強D2D技術(shù)，基站將某個上行資源調(diào)度用來進行D2D傳輸，V2X中調(diào)度用來進行V2X傳輸。除了傳輸過程，D2D還需要相鄰節(jié)點發(fā)現(xiàn)的技術(shù)環(huán)節(jié)。如果定義車輛與車輛、地面通信設施或者行人之間的發(fā)現(xiàn)，也是LTE-V2X要解決的一個重要問題，尤其是在車輛密集的環(huán)境中，大量車輛需要進行發(fā)現(xiàn)和通信，這對集中調(diào)度的LTE-V2X來說，是一個挑戰(zhàn)。

盡管兩大標準瞄準了巨大的V2X市場，但是IEEE 802.11p和LTE-V2X各自的優(yōu)缺點明顯，兩者目前都尚沒有成為市場的主流或者被廣泛應用。兩者的具體優(yōu)缺點對比如表1所示：

整車道路試驗通常是在試驗場或者特定工況的路段進行測試，可以通過部署低成本的IEEE 802.11p網(wǎng)絡進行V2X通信，其布網(wǎng)和通信成本較低，安全和服務質(zhì)量在這種小范圍布網(wǎng)的情況下可以得到有效保證。

3 基于融合的V2X通信系統(tǒng)

由表1可見，IEEE802.11p在2010年之后沒有進一步演進的計劃，很難支撐迅速發(fā)展的通信需求，例如TR 22.885中定義的典型V2X通信場景[1]。LTE-V2X基于D2D技術(shù)進行V2X通信，屬于LTE通信系統(tǒng)的特性補充，受限于LTE系統(tǒng)的原生設計和D2D技術(shù)的發(fā)展。目前LTE D2D技術(shù)尚不能支持數(shù)據(jù)通信，更無法滿足密集場景下的大數(shù)目連接條件下的通信要求。

第五代移動通信（5G）技術(shù)正在被如火如荼地討論，3GPP已經(jīng)完成了5G的通信場景和需求研究報告[5]，V2X是被重點考慮的場景之一。許多知名汽車制造商如BMW等都是5G研究計劃的重要伙伴，重點關(guān)注之一就是V2X通信，目標是5G移動通信系統(tǒng)可以原生支持V2X通信要求。RP-160315對V2X的關(guān)鍵性能指標，如傳輸速率，時延、帶寬以及覆蓋范圍等進行了深入討論[6]。

V2X在不同的場景下有不同的需求，例如視頻、通話、控制信息、文本信息、圖片等通信需求，也需要支持稀疏連接和高密連接的通信場景。這與5G的靈活接入，支持大數(shù)目連接，高速率傳輸和低時延等基本指標高度吻合。5G系統(tǒng)的頻譜范圍是0～100GHz，這其中可以包含授權(quán)和非授權(quán)頻段。這可以很好地解決LTE-V2X無法支持5.9GHz的非授權(quán)V2X專用頻段的缺陷?；?G架構(gòu)的D2D，用戶協(xié)作通信，中繼技術(shù)，可以充分解決大連接，廣覆蓋的V2X通信需求。對于V2X的不同業(yè)務需求，可以采用不同的QoS指標，如時頻業(yè)務可以采用大速率，相對時延要求放低的QoS要求，可以采用非授權(quán)頻段的傳輸方式?？刂菩帕顦I(yè)務可以采用高速低時延的要求在授權(quán)頻段進行可靠傳輸。對于不同的業(yè)務需求，用戶可以通過對宏基站和微蜂窩基站的雙鏈接，實現(xiàn)不同QoS業(yè)務的同時傳輸。對于遭受災害的應急通信場景，D2D的自組織通信模式可以實現(xiàn)臨時通信的要求。

基于支持授權(quán)頻段和非授權(quán)頻段，支持大數(shù)目連接、大數(shù)據(jù)量和低負載、小包業(yè)務的靈活接入，支持高效數(shù)據(jù)通信的D2D，中繼，協(xié)作通信，支持雙鏈接以及應急通信的5G融合 V2X系統(tǒng)，將能夠更好地實現(xiàn)V2X通信。對于整車道路試驗而言，這些多元化的技術(shù)和服務，可以滿足更多的試驗需求，例如實時試驗操作控制，海量數(shù)據(jù)的實時回傳，實驗人員的地面控制與交互等，提升試驗效率的同時，保證了試驗過程中的人員安全。

4 結(jié)束語

可靠的V2X通信系統(tǒng)可以提高的整車道路試驗效率，降低車輛道路試驗成本?，F(xiàn)有的兩大V2X系統(tǒng)中，基于IEEE 802.11p的V2X技術(shù)由于小范圍布網(wǎng)成本低，技術(shù)成熟度相對較高，安全和服務質(zhì)量可控等因素，更加適合于 整車道路試驗系統(tǒng)。未來基于融合的5G V2X系統(tǒng)，具備通用性強，實現(xiàn)靈活等特點，將能夠更好地支撐整車道路試驗的多方面要求，更完美地支撐整車道路試驗。

【參考文獻】

[1]3GPP TR 22.885， Study on LTE support for Vehicle to Everything（V2X） service[Z].

[2]IEEE Standard for Information technology--Telecommunications and information exchange between systems Local and metropolitan area networks--Specific requirements Part 11： Wireless LAN Medium Access Control（MAC） and Physical Layer （PHY） Specifications[Z].

[3]3GPP TR 36.885， Study on LTE-based V2X Services[Z].

[4]3GPP RP-160649 Revised WID： Support for V2V services based on LTE sidelink[Z].

[5]3GPP TR 38.913， Study on Scenarios and Requirements for Next Generation Access Technologies[Z].

[6]3GPP RP-160315， Summary of email discussion[5G-AH-09] on V2X[Z].

[責任編輯：楊玉潔]