C-V2X測試標(biāo)準(zhǔn)分析及測試方案設(shè)計綜述

湯利順 趙萌 邊澤宇 李長龍 張東波

（中國第一汽車集團(tuán)有限公司 智能網(wǎng)聯(lián)開發(fā)院，長春 130013）

主題詞：C-V2X 無線性能 協(xié)議一致性 測試場景 評價準(zhǔn)則

縮略語

V2X Vehicle to Everything（車聯(lián)網(wǎng)）

IoT Internet of Things(物聯(lián)網(wǎng))

V2V Vehicle to Vehicle(車與車)

V2I Vehicle to Infrastructure(車與基礎(chǔ)設(shè)施)

V2R Vehicle to roadside unit(車與路側(cè)單元)

V2P Vehicle to pedestrian(車與行人)

V2N Vehicle to Network(車與互聯(lián)網(wǎng))

DSRC Dedicated Short Range Communications（專用短程通信技術(shù)）

C-V2X Cellular-V2X（蜂窩通訊）

3GPP The 3rd Generation Partnership Project（第三代合作伙伴項(xiàng)目）

CSAE China Society of Automotive Engineers（中國汽車工程學(xué)會）

LTE Long Term Evolution（長期演進(jìn)）

CCSA China Communications Standards Association（中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會）

OBU On-Board Unit（車載單元）

RSU Road Side Unit（路側(cè)單元）

SDU Service Data Unit(服務(wù)數(shù)據(jù)單元)

RLC Radio Link Control（無線鏈路層控制協(xié)議）

RRC Radio Resource Control（無線資源控制）

PDCP Packet Data Convergence Protocol（分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議）

MCS Modulation and Coding Scheme（調(diào)制與編碼策略）

HARQ Hybrid Automatic Repeat request（混合自動重傳請求）

DSM DSRC Short Message(DSRC短信息)

DSA DSRC Service Advertisement（DSRC服務(wù)信息）

BSM Basic Safety Message（車輛基本安全消息）

RSI Road Side Information(路側(cè)信息)

SPAT Signal Phase and Timing Message(信號燈信息)

GNSS Global Navigation Satellite System（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）

HMI Human Machine Interface(人機(jī)交互)

ICW Intersection Collision Warning（交叉路口碰撞預(yù)警）

LOS Line Of Sight（視距范圍內(nèi)）

NLOS Non Line Of Sight（非視距范圍內(nèi)）

TTC Time To Collision（碰撞時間）

1 前言

隨著汽車網(wǎng)聯(lián)化技術(shù)研究的不斷深入，V2X作為一種新興的網(wǎng)聯(lián)通信技術(shù)早已得到業(yè)界的廣泛認(rèn)可。這種基于萬物互聯(lián)（IoT）的概念，主要是指車和外界的信息交換，是一系列車載無線通信技術(shù)的總稱。

V2X一般包括5大類：車與車互聯(lián)（V2X）、車對路側(cè)設(shè)備（V2R）、車對基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）、車對行人（V2P）以及車對網(wǎng)絡(luò)（V2N）。

在V2X的通信技術(shù)手段上，目前主要有兩大陣營：其一是美國和高通芯片商支持的DSRC（Dedicated Short Range Communication）專業(yè)短程無線通信技術(shù)，該技術(shù)主要標(biāo)準(zhǔn)由IEEE和SAE兩大標(biāo)準(zhǔn)組織制定；另一項(xiàng)是由中國和大唐華為芯片商支持的CV2X（Cellular-V2X）基于蜂窩通信的無線通信技術(shù)。DSRC技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)幾十米區(qū)域范圍內(nèi)移動目標(biāo)識別及雙向通信，可以實(shí)現(xiàn)車與車、車與路之間的對話，目前這種技術(shù)比較成熟，已達(dá)到了商用化階段。而相對于DSRC，C-V2X在通信容量、覆蓋度、高速移動場景、網(wǎng)絡(luò)可靠性、頻率資源利用率和基礎(chǔ)設(shè)施支持程度上都具有更高的優(yōu)勢，且它具備長期演進(jìn)的特點(diǎn)[1]。

2018年1月，國家發(fā)改委發(fā)布的《智能汽車創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略》（征求意見稿）[2]文中提到，2020年C-V2X覆蓋率將達(dá)到90%。而作為技術(shù)成熟和具備商業(yè)化應(yīng)用的前提，C-V2X的評價標(biāo)準(zhǔn)及測試驗(yàn)證手段也是非常關(guān)鍵的。本文主要對C-V2X的測試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了分析以及對測試方法進(jìn)行了描述。

2C-V2X標(biāo)準(zhǔn)分析

2.1 開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)

C-V2X標(biāo)準(zhǔn)主要可以分為兩部分：3GPP定義的底層通信協(xié)議以及上層基于應(yīng)用及通信場景定義的通信標(biāo)準(zhǔn)，協(xié)議架構(gòu)詳見圖1。

圖1C-V2X標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)示意圖

3GPP定義的標(biāo)準(zhǔn)覆蓋物理層及數(shù)據(jù)鏈路層通信協(xié)議，其中TS 36.211和36.212分別定義了空中接口的無線物理通道和無線接入控制協(xié)議[3-4]。RLC,PDCP：分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議屬于無線接口協(xié)議棧的第二層，處理控制平面上無線資源管理消息以及用戶平面上的協(xié)議數(shù)據(jù)包，同時還向上層提供按序提交和重復(fù)分組檢測功能，為用戶提供一個無損的無線環(huán)境。

網(wǎng)絡(luò)層：GB/T 31024.3—2019[5]定義了可適配不同物理層的技術(shù)要求，以適應(yīng)各種不同的網(wǎng)絡(luò)資源來滿足復(fù)雜交通場景下的通信需求。包括終端最大運(yùn)動速度不小于120 km/h的強(qiáng)移動性支持，可以支持多種無線接入層，安全相關(guān)業(yè)務(wù)端到端傳輸延遲小于50 ms的時延要求，基于業(yè)務(wù)優(yōu)先級的服務(wù)質(zhì)量保證的技術(shù)要求。

應(yīng)用層：CSAE通過團(tuán)標(biāo)T/CSAE 53-2017[6]定義了應(yīng)用層技術(shù)規(guī)范化和應(yīng)用層數(shù)據(jù)交互接口，使車車互聯(lián)有了統(tǒng)一的交互語言和文字，標(biāo)準(zhǔn)中提出了一個“應(yīng)用數(shù)據(jù)交互層（Application Data Switch）”的概念，它構(gòu)建了一個基礎(chǔ)平臺，負(fù)責(zé)應(yīng)用數(shù)據(jù)編解碼和交互控制，最終實(shí)現(xiàn)具體應(yīng)用場景和底層交互技術(shù)之間的隔離。

以SAE J2735[7]作為參考，中國汽車工程學(xué)會組織20家企業(yè)在40個V2X場景中選取了17個作為1期示范應(yīng)用，其中包括12個安全類應(yīng)用，4個效率類，1個信息服務(wù)類。同時車企也可以制定自己的應(yīng)用場景。

2.2 測試標(biāo)準(zhǔn)

3GPP產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟規(guī)定了底層通信性能測試規(guī)范，除此之外，國內(nèi)多個組織、標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和研究中心根據(jù)自身的特點(diǎn)及定位也編制了相應(yīng)測試規(guī)范，詳見表1的標(biāo)準(zhǔn)劃分。

表1 測試標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)解析

3GPP在TS 36.521系列規(guī)范中定義了底層無線通信性能測試、無線資源管理一致性測試以及協(xié)議一致性測試的流程及技術(shù)要求[8]。

中國IMT-2020(5G)推進(jìn)組針對CSAE頒布的網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)用層技術(shù)要求開發(fā)了相應(yīng)的試驗(yàn)室環(huán)境下的測試規(guī)范，涵蓋了數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)內(nèi)容、時延性能及定時參數(shù)等要求。

針對功能場景，組織開發(fā)了基于場景的測試規(guī)范，分為安全應(yīng)用類場景測試、交通效率提升類應(yīng)用場景以及信息娛樂服務(wù)場景類應(yīng)用。同時主機(jī)廠根據(jù)自身的要求及特定場景也會制定相應(yīng)的測試規(guī)范。

3 試驗(yàn)室內(nèi)測試方案設(shè)計

3.1 射頻及無線通信性能驗(yàn)證

由于汽車運(yùn)動性以及行駛地域不受限，導(dǎo)致汽車周圍無線電磁環(huán)境相較于傳統(tǒng)手機(jī)等消費(fèi)電子更加復(fù)雜，所以對V2X終端的射頻性能進(jìn)行驗(yàn)證是非常關(guān)鍵的；同時V2X涉及到的互聯(lián)車輛不分品牌，所以在路上行駛的車輛都可以互聯(lián)互通，傳遞位置速度的狀態(tài)信息，因此協(xié)議一致性的驗(yàn)證也是很重要的。以上測試內(nèi)容一般都在試驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行，保證底層協(xié)議的正確性和穩(wěn)定性后，才會執(zhí)行后續(xù)的外場功能驗(yàn)證[9]。

3.1.1 射頻指標(biāo)測試

射頻性能測試不僅考察終端射頻芯片指標(biāo)，更能對終端進(jìn)行整機(jī)測試，考察整機(jī)的性能。對性能測試的總體目標(biāo)是無論對于車載單元OBU（On-Board Unit）還是路側(cè)單元RSU（Road Side Unit）都能夠產(chǎn)生符合標(biāo)準(zhǔn)要求的有用信號，同時把無用發(fā)射控制在一定水平之內(nèi)。

C-V2X射頻指標(biāo)測試主要關(guān)注5個技術(shù)參數(shù)，測試技術(shù)指標(biāo)參考3GPP TS 36.101[10]，主要包括：

最大發(fā)射功率：考察終端的發(fā)射功率是否符合標(biāo)準(zhǔn)，如果過大會影響同頻段的其他設(shè)備，如果過小又達(dá)不到規(guī)定的覆蓋范圍；

頻率范圍：是指設(shè)備工作時的頻率范圍，它是由功率包絡(luò)下的最高頻率fH和最低頻率fL決定的，根據(jù)《車聯(lián)網(wǎng)（智能網(wǎng)聯(lián)汽車）直連通信使用5 905～5 925 MHz頻段的管理規(guī)定》定義，頻率使用范圍限值為 fH≤5 925 MHz，fL≥5 905 MHz[11]；

占用帶寬：主要用于檢驗(yàn)發(fā)射機(jī)的發(fā)射帶寬是否超出其正常工作的頻譜范圍，以避免對其他通信系統(tǒng)造成干擾。這項(xiàng)測試與最大發(fā)射功率類似，一個在幅值上，一個在頻譜上，OBU和RSU終端占用帶寬應(yīng)小于等于10 MHz。

頻譜發(fā)射模板：頻譜發(fā)射模板測量偏移載波中心頻率在2.5～12.75 MHz范圍內(nèi)的頻譜雜散能量[12]；

雜散發(fā)射：雜散發(fā)射是指除帶外雜散以外由諧波發(fā)射、寄生發(fā)射、互調(diào)產(chǎn)物及頻率轉(zhuǎn)移產(chǎn)物等產(chǎn)生的非期望發(fā)射，這項(xiàng)指標(biāo)更需要進(jìn)行嚴(yán)格的限制，否則會對其他用戶系統(tǒng)造成嚴(yán)重的干擾。

對以上射頻指標(biāo)需要使用特定的綜測儀、頻譜分析儀、屏蔽箱進(jìn)行專門的測試，測試系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示。

圖2 射頻指標(biāo)測試系統(tǒng)

目前主流的車載天線模塊都是2×1 MIMO的收發(fā)模式，圖2中User Equipment Simulation仿真設(shè)備發(fā)射信號需要通過復(fù)制分發(fā)到被測單元的兩個輸入端。同時頻譜儀實(shí)時收集無線信號并進(jìn)行分析。以上為了排除外界電磁干擾，將DUT和附屬連接線放置在屏蔽箱內(nèi)。具體的各個項(xiàng)目的評價指標(biāo)見表2，其中頻譜發(fā)射模板及終端設(shè)備雜散發(fā)射指標(biāo)參見標(biāo)準(zhǔn)3GPP TS 36.521中定義。

表2 無線射頻評價指標(biāo)

3.1.2 通信性能測試

通信性能測試主要考慮將車輛真實(shí)的無線信道環(huán)境引入到測試系統(tǒng)中，驗(yàn)證系統(tǒng)在多種信道場景下仍然能夠進(jìn)行正常通信。這一項(xiàng)目主要是對終端設(shè)備進(jìn)行整機(jī)測試，考察整機(jī)的系統(tǒng)級性能。信道模型既可以包括3GPP標(biāo)準(zhǔn)定義的模型，也可以自定義更加復(fù)雜苛刻的信道模型，同時在實(shí)車實(shí)驗(yàn)之前或者暫不具備整車試驗(yàn)的條件下，無線性能測試能夠更好的反應(yīng)系統(tǒng)對無線電磁環(huán)境的適應(yīng)能力。測試系統(tǒng)的原理如圖3所示。

圖3 無線通信性能測試系統(tǒng)

通信性能評價指標(biāo)包括系統(tǒng)時延和分組丟失率。其中時延參數(shù)是指從數(shù)據(jù)分組到達(dá)應(yīng)用層服務(wù)數(shù)據(jù)單元SDU入口開始，到數(shù)據(jù)分組到達(dá)接收側(cè)應(yīng)用層服務(wù)數(shù)據(jù)單元出口所經(jīng)歷的時間差；分組丟失率是指在特定的信道條件下，接收機(jī)丟失應(yīng)收到數(shù)據(jù)分組的概率。具體參數(shù)見表3。

表3 通信性能評價指標(biāo)

3.2 互聯(lián)互通測試

互聯(lián)互通測試是偏向于底層通信協(xié)議一致性的測試方向，主要驗(yàn)證RLC無線鏈路控制協(xié)議、PDCP分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議以及信令層RRC遠(yuǎn)程資源控制協(xié)議的兼容性。由于V2X技術(shù)想要達(dá)到一定的滲透率，需要所有車廠按照統(tǒng)一的協(xié)議規(guī)則進(jìn)行技術(shù)開發(fā)與實(shí)現(xiàn)。所以不同廠家至今的互驗(yàn)證是非常有必要的。

互聯(lián)互通測試環(huán)境可以分為兩種，商用網(wǎng)絡(luò)測試環(huán)境和試驗(yàn)室測試環(huán)境，測試內(nèi)容不盡相同。在調(diào)試和開發(fā)初期，主要在試驗(yàn)室環(huán)境下更加高效和及早發(fā)現(xiàn)問題。試驗(yàn)室環(huán)境下根據(jù)測試系統(tǒng)的組成也可以分為兩種：測試系統(tǒng)環(huán)境和被測件互驗(yàn)證環(huán)境。試驗(yàn)室下測試系統(tǒng)詳見圖4，其中用戶設(shè)備仿真是基于軟件在環(huán)模擬下的測試環(huán)境。也可以將兩個被測單元同時連接，完成一發(fā)一收的同步驗(yàn)證。圖中的Control Unit用于實(shí)現(xiàn)參數(shù)配置、數(shù)據(jù)監(jiān)控以及分析定位等功能[13]。

圖4 互聯(lián)互通協(xié)議測試系統(tǒng)

測試內(nèi)容包括子信道數(shù)目/MCS/HARQ發(fā)送及接收測試、RLC分段重組功能發(fā)送和接收測試，以及RRC信令格式及發(fā)送機(jī)制相關(guān)的測試項(xiàng)目。

3.3 網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)用層協(xié)議一致性測試

網(wǎng)絡(luò)層定義了兩種消息實(shí)體：DSM（DSRC Short Message）消息和DSA（DSRC Service Advertisement）消息，測試內(nèi)容包括被測單元能夠正確發(fā)送和接收有效的網(wǎng)絡(luò)層消息，同時能夠有效忽略非法消息。

應(yīng)用層在一個標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中定義了5種消息實(shí)體：BSM(Basic Safety Message)車輛基本安全消息，是使用最廣泛的一個應(yīng)用層消息，用來在車輛之間交換安全狀態(tài)數(shù)據(jù)，車輛通過該消息的廣播，將自身的實(shí)時狀態(tài)告知周圍車輛，以此支持一系列協(xié)同安全等應(yīng)用；MAP地圖消息，由RSU廣播，向車輛傳遞局部區(qū)域的地圖消息；RSI(Road Side Information)由RSU向周圍車載單元發(fā)布的交通事件消息以及交通標(biāo)志標(biāo)牌消息，此消息中既包含標(biāo)志標(biāo)牌內(nèi)容，也可以包含一些臨時的緊急道路狀態(tài)信息；RSM(Roadside Safety Message)路側(cè)安全消息，RSU通過本身擁有的傳感及監(jiān)測手段，得到周邊的交通狀態(tài)信息，并將信息整理成RSM定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；SPAT（Signal Phase and Timing Message）信號燈消息，包含一個或者多個路口信號燈當(dāng)前的狀態(tài)信息。同時結(jié)合MAP消息，為車輛提供實(shí)時的前方信號燈狀態(tài)信息。

測試系統(tǒng)框圖參考互聯(lián)互通測試示意（圖4），但是需要注意測試前需要滿足如下技術(shù)條件：測試環(huán)境周圍沒有其他類測試廣播設(shè)備；測試前無線通信接口已初始化完成，同時必須在上位機(jī)控制端控制下才能發(fā)送消息；GNSS設(shè)備能夠動態(tài)仿真被測單元的位置信息，動態(tài)范圍滿足測試要求；測試系統(tǒng)和被測件之間安全鏈接需提前完成，且互相之間不設(shè)置任何防火墻。

測試的具體內(nèi)容及要求可參見相應(yīng)的測試規(guī)范，同時主機(jī)廠也可以在標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上開發(fā)定制的測試用例，用以完成更高覆蓋度的測試。

4 外場功能測試

V2X車載終端包括無線通信模塊，信號處理單元以及HMI交互接口。無線通信模塊負(fù)責(zé)車與車（PC5）、車與云端（Uu）之間進(jìn)行通信，信號處理單元負(fù)責(zé)對接收的附近車輛狀態(tài)進(jìn)行處理，識別出危險車輛或危險工況，HMI交互接口負(fù)責(zé)在發(fā)現(xiàn)危險情況下對駕駛員進(jìn)行提醒。CSAE在第一期示范應(yīng)用場景中定義了12個安全類場景。以“交叉路口碰撞預(yù)警”說明外場測試的整體流程。

交叉路口碰撞預(yù)警（Intersection Collision Warning,ICW）是指，當(dāng)車輛駛向交叉路口時，與側(cè)向駛向交叉路口的車存在碰撞危險時，ICW應(yīng)用能夠?qū)﹄p方駕駛員進(jìn)行預(yù)警，避免或減輕側(cè)行碰撞，提高交叉路口的通行安全。應(yīng)用場景包括但不限于交叉路口、環(huán)道入口、高速路入口等場景。

外場實(shí)車測試具有一定的危險性，并且對無線通信環(huán)境有較高的要求，建議在有資質(zhì)的試驗(yàn)場進(jìn)行測試，尤其是在有相應(yīng)場景的路段下測試。針對V2X特點(diǎn)，測試可以分為LOS(Line of Sight)視距范圍內(nèi)和NLOS(Non Line of Sight)非視距范圍內(nèi)，具體的測試參考圖5、圖6所示。圖5是在交叉路口有建筑物遮擋下的測試工況，同時仿真有多個危險車輛同時存在時，考察主車的識別及優(yōu)先級判斷能力。而圖6所示為

有車輛遮擋下制造NLOS的工況。而對于V2X的主流應(yīng)用，非視距下的提醒是它最大的優(yōu)勢。

設(shè)計規(guī)范定義了最大絕對車速為70 km/h，據(jù)此定義了表4中的測試工況。其中TTC（Time To Collision）碰撞時間判斷是目前不論是自主式預(yù)警還是基于V2X車路協(xié)同式預(yù)警廣泛采用的判斷指標(biāo)。其中的指標(biāo)參數(shù)是根據(jù)車輛動力學(xué)模型計算得來的。指標(biāo)參數(shù)僅供參考，也可以在測試過程中逐漸優(yōu)化。

圖5 建筑物NLOS和LOS

圖6 車輛遮擋NLOS

表4 ICW測試工況及評價指標(biāo)

測試流程描述如下：

Step1：測試前確保主車和側(cè)向車輛通信正常，車輛剎車系統(tǒng)功能正常；

Step2：主車沿路口直線正向以20 km/h行駛，側(cè)向車輛按照表4中規(guī)定車速行駛；

Step3：記錄主車ICW功能報警時間，同時記錄TTC碰撞預(yù)警時間；

Step4：當(dāng)TTC碰撞時間小于2 s時，緊急采取制動或者避讓以避免發(fā)送碰撞；

Step5：測試技術(shù)。

針對每個測試工況，重復(fù)執(zhí)行一定的次數(shù)，只有每次TTC碰撞預(yù)警時間都大于規(guī)范定義時間時，才算測試通過。同時可以計算標(biāo)準(zhǔn)差等參數(shù)對功能進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)致評價。

5 結(jié)論及啟示

C-V2X作為車聯(lián)網(wǎng)車路協(xié)同框架下的一種主流技術(shù)方案，在國內(nèi)外已得到多家主機(jī)廠的支持，國內(nèi)像上汽、一汽、長安都公布了產(chǎn)品的開發(fā)及量產(chǎn)計劃。2020年會是V2X應(yīng)用元年。而制定能夠保證產(chǎn)品穩(wěn)定可靠的測試技術(shù)就顯得尤為重要。

在通信測試方面，主要分為射頻指標(biāo)、無線性能、互聯(lián)互通及協(xié)議一致性測試。多個標(biāo)準(zhǔn)組織也釋放了相應(yīng)測試標(biāo)準(zhǔn)，但目前多個標(biāo)準(zhǔn)相互重疊，架構(gòu)不清晰，亟需組織間加強(qiáng)溝通，盡快推出國標(biāo)。同時應(yīng)加強(qiáng)信道干擾技術(shù)的研究以及協(xié)議一致性的測試覆蓋度，因?yàn)镃-V2X是一種基于無線通信的車載安全應(yīng)用，對于通信鏈路的抗干擾性及穩(wěn)定性能直接關(guān)系到功能可用性，同時針對不同品牌、不同型號的車輛都需要互聯(lián)互通，所以正確解析接收到的信息同時不影響伙伴節(jié)點(diǎn)是V2X終端的基本要求。

在功能驗(yàn)證方面，需要借助專業(yè)的智能網(wǎng)聯(lián)測試場地，充分發(fā)掘每個場景的測試工況，如文中提到的ICW場景除正向功能外，還需要考慮避免誤報場景的驗(yàn)證，因?yàn)榻K端需要能夠過濾無碰撞威脅的物體，如果誤判率過高，不僅會使駕駛員產(chǎn)生厭惡，也可能使駕駛員倦怠，即使出現(xiàn)真正的險情，也無法做出應(yīng)對措施。所以功能驗(yàn)證場景驗(yàn)證的設(shè)計方法及設(shè)計準(zhǔn)則也是今后研究的一個方向。

綜上，C-V2X的測試驗(yàn)證對于國內(nèi)來說，正處于測試方法研究和測試系統(tǒng)開發(fā)階段，測試標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范化，測試技術(shù)的深入化以及測試系統(tǒng)及測試場景開發(fā)都是未來幾年需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。同時也為5G NR V2X和自動駕駛做技術(shù)儲備。