LTE—V車路通信技術(shù)淺析與探討

溫志勇+修戰(zhàn)宇+陳俊先

【摘 要】LTE-V已經(jīng)成為汽車、通信行業(yè)的研究熱點(diǎn)，它是車聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)。對(duì)LTE-V進(jìn)行了介紹，并對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析說(shuō)明，針對(duì)其在交通行業(yè)的應(yīng)用進(jìn)行了探討，進(jìn)而闡述了LTE-V技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展情況及方向。

【關(guān)鍵詞】LTE-V 車路通信 車聯(lián)網(wǎng) 自動(dòng)駕駛

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2016.24.009 中圖分類號(hào)：TN929.53 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-1010（2016）24-0041-05

1 引言

車路通信簡(jiǎn)稱V2X（Vehicle to Everything），是指車輛與車輛、路側(cè)設(shè)備、行人及網(wǎng)絡(luò)等外界對(duì)象之間的信息交換，是實(shí)現(xiàn)交通安全、效率提升的前提，是未來(lái)智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)的核心技術(shù)。

V2X包括V2V（Vehicle to Vehicle，車-車）、V2I（Vehicle to Infrastructure，車-基礎(chǔ)設(shè)施）、V2P（Vehicle to Pedestrian，車-行人）、V2N（Vehicle to Network，車-網(wǎng)絡(luò)）等通信模式及技術(shù)。V2X應(yīng)用對(duì)象主體是交通環(huán)境下的車輛，其具有高速移動(dòng)、高速率數(shù)據(jù)傳輸、低延時(shí)、多用戶、高可靠性等特性，從而對(duì)技術(shù)方案的性能指標(biāo)提出了較高的要求。

車路通信技術(shù)不僅增加行駛安全，也將提升交通效率；同時(shí)以V2X為核心的車路通信也是自動(dòng)駕駛的必要條件。本文的工作以LTE-V技術(shù)為中心展開，其是V2X應(yīng)用的核心技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，是車聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)。

2 LTE-V概述

LTE-V（Long Term Evolution-Vehicle，長(zhǎng)期演進(jìn)-V2X）是我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的V2X技術(shù)，是基于TD-LTE（Time Division-Long Term Evolution，分時(shí)長(zhǎng)期演進(jìn)）的ITS（Intelligent Transport System，智能交通系統(tǒng)）系統(tǒng)解決方案，屬于LTE后續(xù)演進(jìn)技術(shù)的重要應(yīng)用分支。2015年2月，3GPP工作組LTE-V標(biāo)準(zhǔn)化研究工作正式啟動(dòng)，Release 14的提出標(biāo)志著LTE-V技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定工作在3GPP工作組計(jì)劃中的正式開始，同時(shí)也將在5G中得到兼容和性能的大幅提升。預(yù)計(jì)LTE V2V Core part將于2016年底完結(jié)，LTE V2X Core part將在2017年初完結(jié)，V2V為L(zhǎng)TE-V的核心，預(yù)計(jì)2018年完結(jié)，基于LTE-V技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)和設(shè)備預(yù)計(jì)將于2020年后開始商用。

我國(guó)在國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)LTE-V技術(shù)中具有一定話語(yǔ)權(quán)。國(guó)內(nèi)廠商大唐電信、華為等企業(yè)為3GPP LTE-V標(biāo)準(zhǔn)化研究工作的主導(dǎo)方，是LTE-V標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程中SI（Study Item，研究組）和WI（Work Item，工作組）的主要報(bào)告起草人。2016年國(guó)家科技重大專項(xiàng)發(fā)布“新一代寬帶無(wú)線移動(dòng)通訊網(wǎng)”的子課題“LTE-V無(wú)線傳輸技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化及樣機(jī)研發(fā)驗(yàn)證”的確立，以及隨著重慶郵電大學(xué)、長(zhǎng)安集團(tuán)、上汽集團(tuán)和高通（Qualcomm）等重量級(jí)單位的加入，大大地助推了LTE-V標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，從而奠定了LTE-V技術(shù)在V2X應(yīng)用中的發(fā)展趨勢(shì)及方向。

LTE-V標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議架構(gòu)由三部分組成，包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層。物理層是LTE-V系統(tǒng)的底層協(xié)議，主要提供幀傳輸控制服務(wù)和信道的激活、失效服務(wù)，收發(fā)定時(shí)及同步功能。數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)信息的可靠傳輸，提供差錯(cuò)和流量控制，對(duì)上層提供無(wú)差錯(cuò)的鏈路鏈接。應(yīng)用層基于數(shù)據(jù)鏈路層提供的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)通信初始化和釋放程序、廣播服務(wù)、遠(yuǎn)程應(yīng)用等相關(guān)操作。

LTE-V系統(tǒng)設(shè)備組成包含了UE（User Equipment，用戶終端）、RSU（Road Side Unit，路側(cè)單元）、eNB（E-UTRAN Node B，E-UTRAN基站）三部分，具體組成如圖1所示。UE包含了車載設(shè)備、個(gè)人用戶便攜設(shè)備等。RSU提供了V2I服務(wù)，處于eNB和UE之間，承擔(dān)著雙方的數(shù)據(jù)通信任務(wù)。eNB是承擔(dān)了LTE-V系統(tǒng)的無(wú)線接入控制功能的設(shè)備，主要完成無(wú)線接入功能，包括管理空中接口、用戶資源分配、接入控制、移動(dòng)性控制等無(wú)線資源管理功能。

3 LTE-V關(guān)鍵技術(shù)分析

V2X技術(shù)影響用戶體驗(yàn)的主要系統(tǒng)指標(biāo)有延時(shí)時(shí)間、可靠性、數(shù)據(jù)速率、通信覆蓋范圍、移動(dòng)性、用戶密度、安全性等。其相關(guān)指標(biāo)有安全類時(shí)延≤20 ms，非安全類時(shí)延≤100 ms，峰值速率上行500 Mbps、下行1 Gbps，支持車速280 km/h，在后續(xù)演進(jìn)版本及5G版本中將提升至500 km/h，可靠性幾乎為100%，覆蓋范圍與LTE范圍相當(dāng)。本節(jié)內(nèi)容針對(duì)影響上述指標(biāo)的LTE-V關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。

3.1 通信方式

LTE-V系統(tǒng)的通信方式采用了“廣域集中式蜂窩通信”（LTE-V-Cell，LTE-V蜂窩）和“短程分布式直通通信”（LTE-V-Direct，LTE-V直通）兩種技術(shù)方案，如圖2所示，分別對(duì)應(yīng)基于LTE-Uu（UTRAN-UE，接入網(wǎng)-用戶終端）和PC5（ProSe Direct Communication，ProSe直接通信）接口的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。廣域集中式蜂窩通信技術(shù)是基于現(xiàn)有蜂窩技術(shù)的擴(kuò)展，主要承載傳統(tǒng)的車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，滿足系統(tǒng)與終端間大數(shù)據(jù)量的要求。短程分布式直通通信技術(shù)引入LTE D2D（Device-to-Device，端-端），實(shí)現(xiàn)V2V、V2I直接通信，承載了車輛主動(dòng)安全業(yè)務(wù)，主要滿足終端之間低時(shí)延、高可靠性的要求。

傳統(tǒng)TD-LTE通信技術(shù)由于在數(shù)據(jù)速率、數(shù)據(jù)量的上下行需求等因素的差異，采用非對(duì)稱技術(shù)，但是在V2X應(yīng)用的車輛之間要求能夠進(jìn)行對(duì)稱通信，同時(shí)終端之間由于能夠繞過(guò)RSU進(jìn)行直接通信，從而大大降低了通信時(shí)延。短程分布式直通通信正是面對(duì)這一需求而產(chǎn)生的自組織對(duì)稱通信技術(shù)。根據(jù)通信方式的多樣性，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用了靈活的扁平化架構(gòu)，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度，減少了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，降低了系統(tǒng)時(shí)延，也降低了網(wǎng)絡(luò)部署和維護(hù)成本。

3.2 多用戶終端的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制

V2X車路通信的數(shù)據(jù)具有小包、突發(fā)、頻繁等特性，在LTE-V協(xié)議中數(shù)據(jù)傳輸資源的分配是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)調(diào)度程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在eNB的配置管理中，沖突和相互干擾得到了最小化，調(diào)度程序提供了QoS服務(wù)，根據(jù)優(yōu)先級(jí)來(lái)分配無(wú)線電資源，這對(duì)于高網(wǎng)絡(luò)負(fù)載來(lái)說(shuō)非常重要。和基于CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，載波監(jiān)聽多路訪問(wèn)/沖突避免機(jī)制）協(xié)議比較來(lái)說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)調(diào)度的方式可以承擔(dān)更高的用戶量，從而進(jìn)一步降低了通信時(shí)延。V2X應(yīng)用層針對(duì)不同場(chǎng)景賦予了通信的優(yōu)先級(jí)，例如安全類的消息通信優(yōu)先級(jí)最高，并被優(yōu)先予以響應(yīng)。

3.3 本地快速接入和多路徑、多無(wú)線制式連接

由于車輛具有高速移動(dòng)的特性，車輛在不同RSU覆蓋范圍內(nèi)頻繁切換。切換過(guò)程對(duì)系統(tǒng)性能的影響主要考慮切換的延時(shí)、成功率和數(shù)據(jù)包的丟失率等因素。降低切換的延時(shí)，即降低重新認(rèn)證和重新關(guān)聯(lián)的延時(shí)，尋找合適的切換算法，實(shí)現(xiàn)快速切換，提高系統(tǒng)性能。eNB根據(jù)檢測(cè)到當(dāng)前連接信號(hào)的質(zhì)量以及V2X應(yīng)用中車輛的位置、速度、方向等信息來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)智能切換行為，從而完成快速接入及無(wú)縫連接的實(shí)現(xiàn)。

V2V應(yīng)用中，車輛與周圍多輛車輛需要保持通信，為了達(dá)到低時(shí)延的要求，端到端的通信需要被保持，并建立多鏈接路徑，需要更好的時(shí)隙分配策略、鏈路保持、自組網(wǎng)等技術(shù)來(lái)保障。另外在V2I應(yīng)用中，由于網(wǎng)絡(luò)覆蓋存在多種制式，能夠兼容多種無(wú)線制式的V2X也是研究?jī)?nèi)容之一。

3.4 多天線系統(tǒng)

多天線技術(shù)采用對(duì)發(fā)射與接收信號(hào)在空域、時(shí)域、頻域上的處理，能極大地提高系統(tǒng)的容量，多天線技術(shù)在TD-LTE系統(tǒng)得到了應(yīng)用，同樣也可以應(yīng)用在LTE-V系統(tǒng)中。

RSU采用多天線系統(tǒng)，在下行鏈路，多天線發(fā)送方式包括發(fā)送分集、波束賦形和多用戶MIMO（Multi-input Multi-output，多輸入多輸出）等多種傳輸模式，如圖3、圖4所示。在上行鏈路，多用戶組成的虛擬MIMO也進(jìn)一步提高了上行的系統(tǒng)容量。

多天線技術(shù)對(duì)LTE-V系統(tǒng)有極大的好處，尤其是針對(duì)城市道路擁擠的特性。充分利用了頻譜效率，能夠極大地減少用戶間干擾，有效抵抗多徑衰落的影響，提高通信質(zhì)量，從而可以承擔(dān)更高的用戶密度。

3.5 高速率下載

空口技術(shù)最主要的指標(biāo)就是數(shù)據(jù)承載量，在有限頻譜資源條件下滿足高速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆FDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復(fù)用技術(shù)）技術(shù)在4G時(shí)代多載波技術(shù)中被采用，充分體現(xiàn)了其優(yōu)越的性能。

OFDM技術(shù)中的各個(gè)子載波是相互正交的，每個(gè)載波在一個(gè)符號(hào)時(shí)間內(nèi)有整數(shù)個(gè)載波周期，每個(gè)載波的頻譜峰值和相鄰載波的零點(diǎn)重疊，這樣便減小了載波間的干擾。由于載波間有部分重疊，所以它比傳統(tǒng)的FDMA（Frequency Division Multiple Access，頻分多址）提高了頻譜的利用率，頻譜利用分布示意圖如圖5所示：

OFDM技術(shù)在頻率選擇性、抗衰落、碼間干擾、頻率利用率以及基于DFT（Discrete Fourier Transform，離散傅里葉變換）的簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)上體現(xiàn)了極大的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)也面臨著頻率偏移、同步及系統(tǒng)的非線性問(wèn)題比較敏感，峰均比過(guò)大，信道利用率降低等問(wèn)題，有進(jìn)一步提升的空間，需要聯(lián)合其他技術(shù)來(lái)彌補(bǔ)現(xiàn)有缺陷。例如：F-OFDM（Filter OFDM，基于濾波器的OFDM）、SCMA（Sparse Code Multiple Access，多址技術(shù)）、FBMC（Filter Bank Multicarrier，基于濾波器組的多載波）等，新技術(shù)的誕生將為其注入新的活力。

LTE-V支持動(dòng)態(tài)帶寬，根據(jù)系統(tǒng)資源分配情況，LTE-V系統(tǒng)支持連續(xù)載波聚合以及頻帶內(nèi)和頻帶間的非連續(xù)載波聚合。預(yù)計(jì)5G版本中最大能聚合帶寬可達(dá)100 MHz，靈活動(dòng)態(tài)地使用頻譜資源，提升了用戶體驗(yàn)，峰值數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)1 Gbps甚至更高。

3.6 數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用

數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用對(duì)V2X系統(tǒng)的使用至關(guān)重要，是利用LTE-V系統(tǒng)來(lái)收集整個(gè)交通環(huán)境的數(shù)據(jù)，包括了車輛、行人、基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)信息等相關(guān)信息，并從繁多的信息中篩選出有價(jià)值的信息。進(jìn)一步做到能夠識(shí)別安全隱患并對(duì)終端用戶的智能提醒，根據(jù)安全信息的優(yōu)先級(jí)、交通情況進(jìn)行管理，從而提高交通安全并優(yōu)化交通通行效率。

由于交通參與者眾多、行為復(fù)雜等特性，其數(shù)據(jù)處理對(duì)象具有數(shù)據(jù)量大、用戶多、實(shí)時(shí)性要求高等特點(diǎn)，數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用技術(shù)面臨著巨大的挑戰(zhàn)，堪稱一項(xiàng)工程浩大的大數(shù)據(jù)應(yīng)用項(xiàng)目。

3.7 安全認(rèn)證技術(shù)

涉及交通時(shí)，其安全重要性不言而喻。由于車輛是一個(gè)高速移動(dòng)的物體，LTE-V系統(tǒng)需要提供安全機(jī)制來(lái)保障使用者的信息安全，預(yù)防非法及偽裝終端設(shè)備進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。對(duì)車輛間的高速認(rèn)證和安全數(shù)據(jù)傳輸也提出了極高的要求，包括身份認(rèn)證管理、異常用戶檢測(cè)、個(gè)人隱私保護(hù)、安全機(jī)制的更新、信息加密等。

目前在傳統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中經(jīng)常采用集中式管理機(jī)制，其具有的安全性較高，但對(duì)于龐大的車輛管理數(shù)量來(lái)說(shuō)，同時(shí)也會(huì)造成時(shí)延的問(wèn)題；分布式管理機(jī)制相對(duì)較靈活，作為集中式的補(bǔ)充對(duì)LTE-V系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是個(gè)可行的解決方法。

4 LTE-V技術(shù)的應(yīng)用探討

LTE-V車路通信是車聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)，基于LTE-V的車聯(lián)網(wǎng)，如圖6所示。其完成了車輛、行人、基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)互通，從而大大提高了交通的智慧化程度，可以在道路安全、交通管理、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)方面極大地提高交通的智能化程度。

在道路安全方面，進(jìn)行道路維護(hù)提示、應(yīng)用車輛提示、路口碰撞提示、靜止車輛提示、變道輔助、預(yù)碰撞提示、前向碰撞提示、信號(hào)燈提示等應(yīng)用。

在交通管理方面，進(jìn)行車輛輔助或自動(dòng)駕駛、交通燈協(xié)同控制、黑點(diǎn)提示、保險(xiǎn)服務(wù)、交通檢測(cè)、車隊(duì)管理、路口管理等。

在網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)方面，提供地圖更新、多媒體娛樂(lè)、生活服務(wù)導(dǎo)航等應(yīng)用；另外基于其低時(shí)延、安全性高的特點(diǎn)，同樣可以應(yīng)用于電子收費(fèi)領(lǐng)域，尤其是高速公路電子不停車收費(fèi)。

車路通信技術(shù)是自動(dòng)駕駛的有力保障。自動(dòng)駕駛技術(shù)由兩部分組成：自主式車載探測(cè)系統(tǒng)和車路通信聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。通常在一定的視距范圍、反應(yīng)時(shí)間較短的情況下，自主式車載探測(cè)系統(tǒng)可以做到靈活、及時(shí)、識(shí)別多樣化等要求；而在非視距范圍及反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)的情況下，車路通信聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)則更具優(yōu)勢(shì)，可以提前做到識(shí)別前方交通情況。兩者各有所長(zhǎng)，互相補(bǔ)充形成完善的自動(dòng)駕駛技術(shù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

LTE-V車路通信是實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)的重要技術(shù)，由于LTE-V起步較晚，目前LTE-V相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)尚未發(fā)布，多項(xiàng)相關(guān)工作和議程尚處論證之中。從標(biāo)準(zhǔn)、芯片、硬件廠商、運(yùn)營(yíng)等方面尚未形成成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，尚需各方共同努力，快速穩(wěn)步推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)互贏。

本文對(duì)LTE-V現(xiàn)狀及內(nèi)容進(jìn)行了介紹，并對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，綜合考慮通信可靠性、部署成本、持續(xù)演進(jìn)性、自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、信息安全等因素。根據(jù)我國(guó)公路存在覆蓋范圍廣且路網(wǎng)復(fù)雜的特點(diǎn)，在很大程度上可以預(yù)見未來(lái)LTE-V較適合我國(guó)的國(guó)情，同時(shí)也是我國(guó)信息工業(yè)和汽車工業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展的一個(gè)良機(jī)。隨著技術(shù)的發(fā)展和各方的大力推動(dòng)，國(guó)家對(duì)“新一代寬帶無(wú)線移動(dòng)通信網(wǎng)”的推動(dòng)，車輛智能網(wǎng)聯(lián)的新型交通模式即將實(shí)現(xiàn)。其技術(shù)兼容LTE網(wǎng)絡(luò)，無(wú)需重新進(jìn)行選址、規(guī)劃、重新建設(shè)等，充分利用現(xiàn)有基站的基礎(chǔ)設(shè)施，大大降低了建設(shè)費(fèi)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 3GPP TSG SA1 TR 22.885. Study On LTE Support For V2X Services[R]. 2015.

[2] 3GPP TSG RAN1 TR 36.885. Study on LTE-based V2X Services 14.0.0[R]. 2016.

[3] 5GPPP. 5G Automotive Vision[Z]. 2015.

[4] 3GPP TSG TS 23.303. Proximity-based services （ProSe）[R]. 2016.

[5] 3GPP TSG SA3 TR 33.885. Study on security aspects for LTE support of V2X services 0.4.0[R]. 2016.

[6] 3GPP TSG SA2 TR 23.785. Study on architecture enhancements for LTE support of V2X services[R]. 2016.

[7] 3GPP TSG SA2 TS 23.285. Architecture Enhancements for V2X Services 0.1.0[R]. 2016.

[8] 大唐電信. LTE-V車聯(lián)網(wǎng)解決方案[EB/OL]. [2016-06-29]. http：//www.datanggroup.cn/.

[9] 安信證券. V2X與智能駕駛深度解析[R]. 2016.

[10] 3GPP TSG SA1 TS 22.185. Service Requirements for V2X Services[R]. 2016.