蜂窩車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)研究

吳海，肖子玉

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100080）

1 車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

則具備后發(fā)優(yōu)勢(shì)。DSRC和C-V2X的對(duì)比如表1所示。本文將重點(diǎn)討論蜂窩車(chē)聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)和部署方案。

車(chē)聯(lián)網(wǎng)（V2X）是指通過(guò)裝載在車(chē)輛上的傳感器、車(chē)載終端及電子標(biāo)簽提供車(chē)輛信息，采用各種通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)車(chē)與車(chē)、車(chē)與人、車(chē)與路互連互通，并在信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上對(duì)信息進(jìn)行提取、共享等有效利用，對(duì)車(chē)輛進(jìn)行有效的管控和提供綜合服務(wù)。

車(chē)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用包括車(chē)—車(chē)（V2V）應(yīng)用、車(chē)—路（V2I）應(yīng)用、車(chē)—網(wǎng)（V2N）應(yīng)用和車(chē)—人（V2P）應(yīng)用，這4種類(lèi)型的V2X應(yīng)用可以用“合作意識(shí)”為用戶(hù)提供智能服務(wù)。如車(chē)輛、 路邊單元、應(yīng)用服務(wù)器和行人可以收集、處理和分享當(dāng)?shù)丨h(huán)境信息，為用戶(hù)提供合作碰撞警告或自主駕駛等智能服務(wù)。

目前，車(chē)聯(lián)網(wǎng)無(wú)線通信技術(shù)分為IEEE 802.11（DSRC專(zhuān)用短程通信使用的底層無(wú)線通信技術(shù)）和3GPP C-V2X（基于蜂窩網(wǎng)的V2X無(wú)線通信技術(shù)）兩個(gè)陣營(yíng)。DSRC具有客觀的先發(fā)優(yōu)勢(shì)，技術(shù)趨于成熟。而LTE-V2X作為一種基于LTE演進(jìn)的車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，

2 蜂窩車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)

2.1 基于PC5和LTE-Uu的V2X通信架構(gòu)

C-V2X根據(jù)接口的不同可分為V2X-Direct和V2X-Cellular兩種通信方式。V2X-Direct通過(guò)PC5接口，采用車(chē)聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)用頻段（如5.9 GHz），實(shí)現(xiàn)車(chē)車(chē)、車(chē)路、車(chē)人之間直接通信，時(shí)延較低，支持的移動(dòng)速度較高，但需要有良好的資源配置及擁塞控制算法。V2X-Cellular則通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)Uu接口轉(zhuǎn)發(fā)，采用蜂窩網(wǎng)頻段（如1.8 GHz），下行采用廣播方式。C-V2X通信的兩種通信模式是互為獨(dú)立和補(bǔ)充的。圖1給出了非漫游場(chǎng)景下基于PC5和LTE-Uu的V2X通信架構(gòu)。

2.2 主要網(wǎng)元功能

(1) V2X控制功能：每個(gè)支持V2X業(yè)務(wù)的PLMN里只有一個(gè)V2X控制功能邏輯實(shí)體，負(fù)責(zé)向UE提供V2X通信必需的參數(shù)。該參數(shù)允許UE在指定的PLMN/不在服務(wù)區(qū)使用V2X業(yè)務(wù)。從V2X應(yīng)用服務(wù)器獲得V2X USD，UE使用V2X USD接收基于MBMS的V2X業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。通過(guò)查找DNS可以找到歸屬PLMN中V2X控制功能。

表1 DSRC與C-V2X技術(shù)對(duì)比表

圖1 非漫游場(chǎng)景下基于PC5和LTE-Uu的V2X通信架構(gòu)

(2) V2X應(yīng)用服務(wù)器：通過(guò)單播方式從UE接收上行鏈路數(shù)據(jù)。使用單播或MBMS方式向目標(biāo)區(qū)域中的UE發(fā)送下行數(shù)據(jù)。

(3) 移動(dòng)性管理實(shí)體：除了3GPP TS 23.401和TS 23.246中定義的移動(dòng)性管理功能外，在V2X場(chǎng)景下，MME需獲取與V2X相關(guān)的簽約信息。給E-UTRAN提供V2X業(yè)務(wù)相關(guān)的UE授權(quán)狀態(tài)標(biāo)識(shí)。

(4) 用 戶(hù) 終 端（UE）：UE和V2X控制功能之間傳送V2X控制信息，采用PC5或LTE-Uu方式V2X通信，配置V2X通信的參數(shù)。

3 蜂窩車(chē)聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

C-V2X的兩種通信模式V2X-Cellular和V2XDirect，分別需要兩種關(guān)鍵技術(shù)支持，即廣播服務(wù)（MBMS）技術(shù)和鄰近通信服務(wù)（ProSe）技術(shù)。以下將針對(duì)兩種技術(shù)分別進(jìn)行闡述。

3.1 V2X廣播服務(wù)（MBMS）技術(shù)

3GPP TS 23.468定義了LTE組通信使能器（GCSE for LTE）。GCS應(yīng)用服務(wù)器（GCS AS）使用EPC系統(tǒng)為用戶(hù)提供組通信服務(wù)（GCS）。GCS AS使用EPS和MBMS承載業(yè)務(wù)，在GCS AS和UE之間傳送應(yīng)用信令和數(shù)據(jù)。在上行方向，UE使用EPS承載業(yè)務(wù)與GCS AS交換應(yīng)用信令。在下行鏈路方向上，GCS AS可以經(jīng)EPS承載業(yè)務(wù)或經(jīng)MBMS承載業(yè)務(wù)。GCS UE使用應(yīng)用信令注冊(cè)GCS AS提供的業(yè)務(wù)，可以參與一個(gè)或多個(gè)GCS組。

當(dāng)使用MBMS承載服務(wù)時(shí)，其廣播服務(wù)區(qū)域可以被預(yù)先配置為由GCS AS使用。當(dāng)GCS AS確定用于GCS組的UE的數(shù)量在一個(gè)區(qū)域內(nèi)（例如在一個(gè)小區(qū)或一個(gè)小區(qū)集合內(nèi)）中足夠大時(shí)，GCS AS可以動(dòng)態(tài)地決定使用MBMS承載業(yè)務(wù)。

當(dāng)使用MBMS承載業(yè)務(wù)時(shí)，GCS AS可以通過(guò)單個(gè)MBMS廣播承載傳送來(lái)自不同GCS組的數(shù)據(jù)。通過(guò)MBMS承載傳送的應(yīng)用信令和數(shù)據(jù)對(duì)BM-SC和MBMS承載業(yè)務(wù)是透明的。GCS AS通過(guò)GCS應(yīng)用信令向UE提供UE需要通過(guò)MBMS承載業(yè)務(wù)接收應(yīng)用數(shù)據(jù)的所有配置信息，并適當(dāng)?shù)靥幚碓摂?shù)據(jù)。

當(dāng)GCS UE在其MBMS廣播承載可用的區(qū)域之間移動(dòng)時(shí)，UE通過(guò)應(yīng)用信令通知GCS AS，其從MBMS廣播承載接收改變?yōu)榉墙邮?，反之亦然，GCS AS激活或去激活適當(dāng)?shù)南滦袘?yīng)用信令和經(jīng)由UE個(gè)體EPS承載的數(shù)據(jù)傳輸。為了實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)連續(xù)性，UE可以通過(guò)EPS承載和MBMS業(yè)務(wù)來(lái)并行地臨時(shí)接收相同的GCS應(yīng)用信令和數(shù)據(jù)。GCS UE應(yīng)用丟棄任何接收到的應(yīng)用信令或數(shù)據(jù)重復(fù)。

LTE多播應(yīng)用于V2X時(shí)，如圖2所示。圖2是基于LTE-Uu的V2X MBMS的參考架構(gòu)。V2X應(yīng)用服務(wù)器通過(guò)BM-SC管理MBMS服務(wù)相關(guān)信息，該架構(gòu)支持內(nèi)容提供商和BM-SC之間的安全框架。

圖2 通過(guò)MB2通信的LTE-Uu MBMS V2X參考架構(gòu)

BM-SC提供MBMS用戶(hù)業(yè)務(wù)配置和傳送功能。它可以用作內(nèi)容提供商MBMS傳輸?shù)娜肟邳c(diǎn)，用于在PLMN內(nèi)授權(quán)和發(fā)起MBMS承載服務(wù)，并且可以用于調(diào)度和傳送MBMS的服務(wù)。BM-SC由會(huì)員功能、會(huì)話傳輸功能、代理和運(yùn)輸功能、服務(wù)公告功能、安全功能、用于廣播模式的E-UTRAN中的MBMS的內(nèi)容同步等。除此之外，在V2X場(chǎng)景下，BM-SC還支持從V2X應(yīng)用服務(wù)器接收L.MBMS信息和發(fā)送L.MBMS信息給MBMS-GW。

MBMS GW功能包括通過(guò)SGi-mb（用戶(hù)平面）和SGmb（控制平面）參考點(diǎn)為使用MBMS承載的實(shí)體提供接口；將MBMS用戶(hù)面數(shù)據(jù)的IP多播通過(guò)M1參考點(diǎn)分發(fā)到E-UTRAN。在E-UTRAN接入的情況下，eNode B應(yīng)該使用MBMS GW分配的一個(gè)IP多播地址（IPv4或IPv6）加入到IP多播分發(fā)中以接收MBMS數(shù)據(jù)。MBMS GW分配的IP多播地址、多播源（SSM）IP地址和C-TEID一起通過(guò)MME提供給eNode B。MBMS承載業(yè)務(wù)分配的C-TEID基于由TMGI和流標(biāo)識(shí)符唯一標(biāo)識(shí)（僅廣播模式），可以在具有相同服務(wù)區(qū)域和相同QoS的另一個(gè)有效MBMS承載業(yè)務(wù)中重用。在V2X的應(yīng)用場(chǎng)景下，MBMS-GW還支持如果可以從BM-SC接收到MBMS信息，則跳過(guò)IP多播的分配過(guò)程。

MBMS GW可以獨(dú)立設(shè)置或與BM-SC或SGW/PGW合設(shè)，PLMN中可以設(shè)置一個(gè)或多個(gè)MBMS GW功能實(shí)體。

在V2X應(yīng)用場(chǎng)景下，GCS AS可合設(shè)于V2X AS中。MB2接口用于V2X AS和BM-SC之間進(jìn)行MBMS承載的管理交互。BM-SC通過(guò)MB2參考點(diǎn)通知應(yīng)用服務(wù)器MBMS承載狀態(tài)的變化；V2X應(yīng)用服務(wù)器通過(guò)MB2接口申請(qǐng)、激活、去激活、修改MBMS承載。在一個(gè)PLMN內(nèi)，一個(gè)MBMS會(huì)話僅由一個(gè)BM-SC提供給一個(gè)V2X AS。由V2X AS通過(guò)MBMS承載傳送的數(shù)據(jù)對(duì)于BM-SC是透明的。MB2接口是運(yùn)營(yíng)商和第三方V2X AS間的標(biāo)準(zhǔn)化安全接口。

3.2 鄰近通信服務(wù)（ProSe）技術(shù)

3GPP TS23.303定義的鄰近通信技術(shù)是用于UE鄰近時(shí)實(shí)現(xiàn)直接通信的邏輯功能。目前規(guī)范中僅定義每個(gè)PLMN中只有一個(gè)邏輯ProSe功能支持鄰近通信。

ProSe功能由根據(jù)ProSe功能執(zhí)行不同角色的3個(gè)主要子功能組成。

(1) 直接配置功能（DPF）：用于為UE提供必要的參數(shù)，以便使用ProSe Direct Discovery和Prose Direct Communication。它用于向UE提供允許UE在該特定PLMN中使用ProSe的特定參數(shù)的PLMN。對(duì)于用于公共安全的直接通信DPF還用于在UE不被E-UTRAN服務(wù)時(shí)為UE提供所需的參數(shù)。對(duì)于受限的ProSe Direct Discovery，它還生成并維護(hù)ProSe Discovery UE ID（PDUID）。

(2) 直接發(fā)現(xiàn)名稱(chēng)管理功能：用于開(kāi)放的Prose Direct Discovery，分配和處理ProSe Direct Discovery中使用的ProSe應(yīng)用ID和ProSe應(yīng)用代碼的映射。它使用存儲(chǔ)在HSS中的ProSe相關(guān)用戶(hù)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行每個(gè)發(fā)現(xiàn)請(qǐng)求的授權(quán)。它還向UE提供必要的安全手段，以便保護(hù)通過(guò)空中傳輸?shù)陌l(fā)現(xiàn)消息。在受限的ProSe Direct Discovery中，它還通過(guò)PC2參考點(diǎn)與應(yīng)用程序服務(wù)器進(jìn)行交互，以便發(fā)現(xiàn)請(qǐng)求的授權(quán)。

(3) EPC級(jí)別ProSe發(fā)現(xiàn)功能：具有存儲(chǔ)ProSe相關(guān)用戶(hù)數(shù)據(jù)，為EPC級(jí)別ProSe發(fā)現(xiàn)和EPC輔助WLAN直接發(fā)現(xiàn)，通過(guò)PC3對(duì)UE授權(quán)和配置，存儲(chǔ)已授權(quán)應(yīng)用列表等功能。

4 蜂窩車(chē)聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的部署選擇

4.1 路側(cè)單元（RSU）部署

RSU是V2X的重要基礎(chǔ)設(shè)施資源，根據(jù)LTEPC5和LTE-Uu兩種通信方式，RSU部署可以分為以下兩種。

(1) RSU通過(guò)PC5接口接收V2X消息時(shí)，RSU被部署為UE和V2X應(yīng)用的邏輯組合，稱(chēng)為UE型RSU。

(2) RSU通過(guò)LTE-Uu接口接收V2X消息，RSU將包括eNode B、并內(nèi)置L-GW（本地部署的具備S/P-GW功能）和V2X應(yīng)用服務(wù)器，稱(chēng)為eNode B型RSU。

4.2 本地廣播服務(wù)系統(tǒng)部署

在MBMS系統(tǒng)中，BM-SC，MBMS-GW和MME均位于核心網(wǎng)中。在V2X應(yīng)用場(chǎng)景下，當(dāng)計(jì)算端到端時(shí)延時(shí)， BM-SC和eNode B之間的時(shí)延是不可忽略的，特別是當(dāng)使用MBMS來(lái)傳送V2X系統(tǒng)中的下行V2X消息時(shí)。為了最小化時(shí)延，在MBMS系統(tǒng)部署時(shí)需要考慮以下問(wèn)題。

(1) 部署靠近eNode B的MBMS CN功能（包括BM-SC，MBMS-GW）。

(2) 部署靠近eNode B的MBMS CN功能用戶(hù)面（采用BM-SC和MBMS-GW C/U分離架構(gòu)）。

以上兩個(gè)選項(xiàng)在部署時(shí)如圖3和圖4所示。

C/U分離的MBMS CN功能，其用戶(hù)平面應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下功能。

（1） 通過(guò)MB2-U從V2X應(yīng)用服務(wù)器接收用戶(hù)數(shù)據(jù)。

（2）將MBMS用戶(hù)平面數(shù)據(jù)的IP多播分發(fā)到E-UTRAN（M1參考點(diǎn)）。

（3）數(shù)據(jù)同步（對(duì)于傳統(tǒng)MBMS機(jī)制中的BMSC）。

（4）專(zhuān)用的MBMS編解碼或前向糾錯(cuò)方案（可選）。

（5）MBMS數(shù)據(jù)加密（可選）。

4.3 V2X通信中PC5和LTE-Uu混合部署

面對(duì)V2X的應(yīng)用場(chǎng)景，PC5直接通信方式和LTE-Uu的廣播通信方式對(duì)于車(chē)輛安全駕駛和智能交通系統(tǒng)都是至關(guān)重要的。在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)以混合方式使用V2X通信的兩種操作模式（即PC5和超過(guò)LTE-Uu）。

4.3.1 場(chǎng)景1

基于PC5的V2X通信與MBMS接收。

圖3 本地化MBMS系統(tǒng)部署方案示意圖

在該場(chǎng)景中，UE始終通過(guò)PC5直接發(fā)送V2X消息進(jìn)行通信。同時(shí)UE通過(guò)PC5和MBMS共同接收V2X消息。

基站設(shè)施作為UE時(shí)（如RSU），通過(guò)PC5接收V2X消息，通過(guò)LTE-Uu的PDN連接或其它類(lèi)型的連接，通過(guò)V1接口（應(yīng)用層接口）將應(yīng)用層處理的V2X消息轉(zhuǎn)發(fā)到V2X AS。V2X AS處理的V2X消息可以根據(jù)需要通過(guò)MBMS系統(tǒng)分發(fā)給UE。

這種方式的優(yōu)勢(shì)是UE可以從鄰近的其它UE直接接收V2V消息。此外，在這種操作模式中，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)可以提供來(lái)自更廣闊范圍的信息，并且滿足對(duì)現(xiàn)場(chǎng)感知情景的軟安全性的需要，還能夠?qū)崿F(xiàn)更先進(jìn)的輔助駕駛應(yīng)用。這種組合的信息源在高密度場(chǎng)景下特別有用，因?yàn)閁E可能無(wú)法可靠地通過(guò)PC5直接從遠(yuǎn)端UE接收到所有V2X消息。

4.3.2 場(chǎng)景2

無(wú)需部署MBMS服務(wù)，同時(shí)基于LTE-Uu和基于PC5進(jìn)行V2X通信。

在該場(chǎng)景下，UE經(jīng)由PC5與包括UE型RSU在內(nèi)的其它UE進(jìn)行通信，用于V2X消息的發(fā)送和接收。UE型的RSU可以通過(guò)LTE-Uu與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的V2X應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行通信，并按需用于管理超出直接PC5通信范圍的V2X消息的通信。此場(chǎng)景下通過(guò)使用基于PC5和LTE-Uu的V2X通信的混合通信方式，不需要在下行鏈路上部署MBMS廣播服務(wù)。

圖5中，作為UE的RSU為車(chē)輛交通基礎(chǔ)設(shè)施提供足夠的覆蓋。UE和UE型RSU被配置通過(guò)PC5進(jìn)行V2X通信，UE型RSU可以與V2X應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行通信。UE型RSU通過(guò)PC5從其它UE接收V2X消息，部署在RSU的V2X應(yīng)用決定是否需要通過(guò)LTEUu連接將消息路由到V2X應(yīng)用服務(wù)器，例如當(dāng)目標(biāo)區(qū)域大于PC5上的V2X通信范圍時(shí)。V2X應(yīng)用服務(wù)器確定目標(biāo)區(qū)域和需要分發(fā)V2X消息的區(qū)域的大小。V2X應(yīng)用服務(wù)器可以與其它V2X應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行協(xié)調(diào)和通信，以確定目標(biāo)區(qū)域的目標(biāo)區(qū)域和V2X消息的分發(fā)。V2X應(yīng)用服務(wù)器將下行鏈路的V2X消息通過(guò)LTE-Uu發(fā)送到目標(biāo)分配區(qū)域中的RSU。RSU通過(guò)PC5使用V2X通信廣播接收到的V2X消息。該區(qū)域內(nèi)的UE通過(guò)PC5接收RSU廣播的V2X消息。

圖5 UE型RSU通過(guò)LTE-Uu和PC5方式進(jìn)行V2X通信場(chǎng)景示意圖

以這種方式，UE，例如車(chē)輛UE只需要通過(guò)PC5在V2V/V2P服務(wù)的操作模式下運(yùn)行。只有實(shí)現(xiàn)為RSU的UE才能通過(guò)PC5和LTE-Uu同時(shí)進(jìn)行V2X通信的混合模式?；赑C5和基于LTE-Uu的V2X通信的這種組合在用戶(hù)可能不能夠經(jīng)由PC5直接從遠(yuǎn)端UE接收V2X消息的用例中也是有用的。此外，UE類(lèi)型的RSU可以使用SIPTO連接進(jìn)行與本地V2X服務(wù)器的通信，以減少延遲。

5 總結(jié)

無(wú)論是北美、歐盟以及日本這些發(fā)達(dá)國(guó)家還是我國(guó)，車(chē)聯(lián)網(wǎng)尚處于測(cè)試推廣階段，還未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的商用。基于蜂窩網(wǎng)的車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信在政府的大力支持下發(fā)展態(tài)勢(shì)很好，LTE-V2X技術(shù)有望于2018-2019年在中國(guó)率先實(shí)現(xiàn)商用部署。雖然在標(biāo)準(zhǔn)成熟度、芯片方面DSRC略?xún)?yōu)于C-V2X，但部署方式、關(guān)鍵指標(biāo)和國(guó)家政策支持上C-V2X均優(yōu)于DSRC技術(shù)。未來(lái)5G-V2X技術(shù)將在關(guān)鍵場(chǎng)景指標(biāo)方面有更顯著的提升，蜂窩車(chē)聯(lián)網(wǎng)（C-V2X）技術(shù)未來(lái)還有廣闊的發(fā)展空間。

[1] 3GPP TS 23.401 V15.1.0 (2017-09), General Packet Radio Service (GPRS) enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN) access (Release 15)[S].

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[3] 3GPP TS 23.468 V14.0.0 (2017-03), Group Communication System Enablers for LTE (GCSE_LTE); Stage 2 (Release 14)[S].

[4] 3GPP TS 23.303 V15.0.0 (2017-06), Proximity-based services(ProSe); Stage 2 (Release 15)[S].