C-V2X技術(shù)在智能網(wǎng)聯(lián)汽車上的應(yīng)用場景研究

南洋 董馨 陳博 劉曉東

（中國第一汽車股份有限公司 智能網(wǎng)聯(lián)開發(fā)院，長春 130013）

主題詞：智能網(wǎng)聯(lián) 汽車總線技術(shù) 自動駕駛 C-V2X

縮略語

LiDAR Light Detection And Ranging（激光雷達(dá)）

V2X Vehicle to Everything（車與萬物）

V2V Vehicle to Vehicle（車與車）

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

V2N Vehicle to Network（車輛與外部網(wǎng)絡(luò)）

V2P Vehicle to Pedestrian（車輛與行人）

C-V2X Cellular Vehicle-to-Everything（基于蜂窩通信的V2X）

DSRC Dedicated Short Range Communication（專用短距離通信）

WSMPWAVE Short Message Protocol（短消息協(xié)議）

3GPP 3rd Generation Partnership Project（第三代合作伙伴計劃）

LTE Long Term Evolution（長期演進(jìn)）

D2D Device to Device（終端直通）

EBW Emergency Brake Warning（緊急制動預(yù)警）

HV Host Vehicle（主車）

RV Remote Vehicle（遠(yuǎn)車）

ADAS Advanced Driving Assistant System(高級駕駛輔助系統(tǒng))

1 前言

隨著汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化、電動化概念的引入，自動駕駛技術(shù)已成為推動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心競爭力之一，越來越多的汽車電子供應(yīng)商推出高精度傳感器、超聲波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)（LiDAR）、高清攝像頭等“感測”設(shè)備，采用視頻與雷達(dá)數(shù)據(jù)融合技術(shù)，將車輛環(huán)境數(shù)據(jù)引入車輛自動駕駛控制解決方案，已在各主機(jī)廠廣泛應(yīng)用。

要實現(xiàn)自動駕駛，車輛必須能夠觀察周圍的環(huán)境，且不僅局限于眼前。然而，“感知融合”方案受“感測”設(shè)備的超高成本、感測距離、盲區(qū)遮擋等弊端影響，無法滿足自動駕駛的全部需求。故一種基于網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的“感測”手段V2X（Vehicle to Everything）技術(shù)正在興起并成為自動駕駛技術(shù)的發(fā)展趨勢。

車用無線通信技術(shù)（Vehicle to Everything，V2X）主要包含車輛與車輛（Vehicle to Vehicle，V2V）、車輛與基礎(chǔ)設(shè)施（Vehicle to Infrastructure，V2I）、車輛與外部網(wǎng)絡(luò)（Vehicle to Network，V2N）和車輛與行人（Vehicle to Pedestrian，V2P）組成，希望實現(xiàn)車輛與一切可能影響車輛的實體實現(xiàn)信息交互，可應(yīng)用于駕駛輔助預(yù)警、駕駛輔助控制、自動駕駛等場景，目的是減少事故發(fā)生、減緩交通擁堵、降低環(huán)境污染以及提供安全類、效率類、服務(wù)類的信息交互。

2 V2X技術(shù)簡介

2.1 專用短距離通信技術(shù)

專用短距離通信（Dedicated Short Range Communication，DSRC）技術(shù)其覆蓋半徑雖不大（約為500 m以內(nèi)），但速度很快，可完成毫秒級運算，滿足V2V系統(tǒng)每秒發(fā)送10條訊息的需求，這些即時性資訊包括加速度、車輛GPS位置信息、制動狀態(tài)、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角與車速等。

國際上幾大標(biāo)準(zhǔn)化組織從20世紀(jì)90年代開始，均開展了DSRC標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，主要以美國的ASTM/IEEE[1]、日本的 ISO/TC 204[2]和歐洲的 CEN/TC 278[3]標(biāo)準(zhǔn)體系為代表。目前，國內(nèi)采用5.9 GHz頻段，物理層和無線鏈路控制基于IEEE 802.11p協(xié)議，頂層協(xié)議?；贗EEE 1609標(biāo)準(zhǔn)，其定義了網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)和流程。V2V的信息交互使用輕量WAVE短消息協(xié)議（WAVE Short Message Protocol，WSMP），V2I和V2N的信息交互使用TCP/IP協(xié)議。另外，SAE J2735[4]和SAE J2945[5]定義了消息包中攜帶的信息。

2.2LTE-V2X技術(shù)

C-V2X是由第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）定義的基于蜂窩通信的V2X技術(shù)，它包含基于長期演進(jìn)（Long Term Evolution，LTE）以及未來5G的V2X系統(tǒng)[6-7]，是DSRC技術(shù)的有力補(bǔ)充。C-V2X與基于IEEE 802.11p的無線技術(shù)相比擁有更佳的性能表現(xiàn)，包括支持更遠(yuǎn)的通信距離（約2倍）、更佳的非視距性能、增強(qiáng)的可靠性（誤包率更低）、更高容量和在更密集環(huán)境中實現(xiàn)更好的擁堵控制。

2015年，3GPP正式啟動基于C-V2X的技術(shù)需求及標(biāo)準(zhǔn)化工作，2016年，C-V2X的V2X標(biāo)準(zhǔn)Release 14正式凍結(jié)，這標(biāo)志著3GPP完成了LTE-V第一階段的標(biāo)準(zhǔn)，即基于終端直通（Device to Device，D2D）模式的車車通信（V2V）標(biāo)準(zhǔn)化，通過深入研究引入了更優(yōu)化的物理層解調(diào)參考信號、資源調(diào)度、干擾協(xié)調(diào)等技術(shù)。我國于2015年啟動了基于C-V2X技術(shù)的車聯(lián)網(wǎng)頻譜研究[8]，2016年11月，工業(yè)和信息化部正式劃分5 905～5 925 MHz頻段用于C-V2X技術(shù)試驗，根據(jù)目前產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r，C-V2X有望于2020年實現(xiàn)規(guī)模試點或試商用。

2.3 5G-V2X技術(shù)

與4G相比，5G將支持更加多樣化的場景，融合多種無線接入方式，并充分利用低頻和高頻等頻譜資源。同時，5G還將滿足網(wǎng)絡(luò)靈活部署和高效運營維護(hù)的需求，大幅提升頻譜效率、能源效率和成本效率，實現(xiàn)移動通信網(wǎng)絡(luò)的可持續(xù)發(fā)展[9]。

C-V2X具備清晰的5G演進(jìn)路徑，并支持前向及后向兼容。具體來說，2018年，3GPP提出的Release-16 C-V2X擁有向基于5G新空口的C-V2X的強(qiáng)勁演進(jìn)路徑，可通過補(bǔ)充型及全新功能增強(qiáng)Release-14，同時保持后向兼容。與用于車輛間基礎(chǔ)安全通信的Release-14相比，基于5G新空口的C-V2X可提供高吞吐量、寬帶載波支持、超低時延和高可靠性，從而支持眾多面向自動駕駛的先進(jìn)用例，如傳感器分享、意圖分享和3D高清地圖更新。

2.4 小結(jié)

從技術(shù)而言，C-V2X從技術(shù)持續(xù)迭代性、可靠性和信號傳輸遲滯性等來說與DSRC相比有較大優(yōu)勢，從產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程而言，C-V2X正在逐步縮小與DSRC之間的差距，不論未來全球的V2X市場中哪一個獲得主導(dǎo)地位都將推動自動駕駛領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展。

3 C-V2X應(yīng)用場景及網(wǎng)絡(luò)通信需求分析

3.1 V2X網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議分層結(jié)構(gòu)

參考國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）制定的通信系統(tǒng)7層參考模型及國內(nèi)外正在制定的V2X車用通信系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)架構(gòu)，V2X網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議分層結(jié)構(gòu)[10]如圖1所示。

圖1 V2X網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分層結(jié)構(gòu)[10]

3.2 V2X應(yīng)用場景及網(wǎng)絡(luò)通信需求

V2X應(yīng)用場景類型可分為輔助預(yù)警、執(zhí)行控制和自動駕駛。其中，輔助預(yù)警又可分為安全、出行效率及信息服務(wù)。表1所示為目前國內(nèi)主流的V2X應(yīng)用場景。

表1 V2X應(yīng)用場景

針對表1中的每個場景，都需要進(jìn)行詳細(xì)的場景定義，且需要對最惡劣工況進(jìn)行需求分析，并對每個場景最惡劣工況下的網(wǎng)絡(luò)通訊延遲、傳輸類型、信息大小、傳輸頻率、通信范圍、接受范圍、可靠性、安全性、吞吐量、峰值速率、定位精度、支持度、最高車速、接收靈敏度等參數(shù)進(jìn)行需求分析。

3.3 V2X應(yīng)用場景及網(wǎng)絡(luò)通信需求分析實例

本節(jié)針對表1中緊急制動預(yù)警（Emergency Brake Warning，EBW）應(yīng)用場景，明確場景定義，闡述EBW的功能實現(xiàn)，提出對通訊相關(guān)具體性能參數(shù)的明確要求。

3.3.1 場景定義

主車（Host Vehicle，HV）在車道上行駛，與在正前方同一車道的遠(yuǎn)車（Remote Vehicle，RV）存在追尾碰撞危險時，EBW功能可對HV駕駛員進(jìn)行預(yù)警，如圖2所示。該場景功能適用于普通道路或高速公路等車輛追尾碰撞危險的預(yù)警。

圖2EBW應(yīng)用場景示意

EBW應(yīng)用場景主要包括4種工況：

（1）HV行駛，RV在HV同一車道正前方發(fā)生緊急制動事件；

（2）HV行駛，RV在HV相鄰車道前方發(fā)生緊急制動事件；

（3）HV行駛，視線被緊鄰?fù)嚨儡囕v阻擋，RV在HV同一車道正前方發(fā)生緊急制動事件；

（4）HV行駛，視線被緊鄰?fù)嚨儡囕v阻擋，RV在HV相鄰車道前方發(fā)生緊急制動事件。

3.3.2 網(wǎng)絡(luò)通信時延

EBW場景通訊傳輸時延需求為不超過100 ms。選擇最惡劣工況：假設(shè)兩車在高速公路上行駛，RV緊急制動，HV車速為法規(guī)極限車速132 km/h。則100 ms內(nèi)兩車間的距離因時延影響，會縮短3.67 m。安全預(yù)警距離一般比駕駛員實際制動距離長5～10 m，故由于通信時延產(chǎn)生的距離滿足安全預(yù)警需求。

3.3.3 信息大小

支持傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)量不小于1 024 bit。

3.3.4 傳輸頻率

目前GPS定位更新頻率為10 Hz，故消息發(fā)送頻率應(yīng)至少與衛(wèi)星更新頻率保持一致，保證及時獲取并更新車輛的GPS信息數(shù)據(jù)，實現(xiàn)即時廣播。

3.3.5 通訊范圍

通訊傳輸范圍應(yīng)不小于150 m。EBW場景下兩車的安全距離為：

式中，vs和vf分別為HV和RV的速度；T為駕駛員的反應(yīng)時間；t1、t2分別為制動協(xié)調(diào)時間和減速度增加時間，a1、a2分別為HV和RV緊急制動加速度；d0為靜止時安全距離。

假設(shè) T=2 s，t1=0.5 s，t2=0.2 s，本車最大速度為 vs=132 km/h，d0=3 m，a1=a2=6 m/s2，緊急制動前兩車保持相對靜止?fàn)顟B(tài)，則最小安全距離約為102 m，小于通訊傳輸范圍距離150 m。

3.3.6 接收范圍

針對于緊急制動預(yù)警功能，接收150 m范圍內(nèi)車輛的消息即可。

3.3.7 可靠性

在有效通信范圍內(nèi)，丟包率不超過10%。

3.3.8 峰值速率

在繁忙的交通路況條件下，通訊范圍內(nèi)周邊車輛可多達(dá)300輛，每輛車發(fā)送安全預(yù)警類消息約128 Byte，頻率為10 Hz，則每秒通信數(shù)據(jù)量為384 000 Byte，峰值速率約為0.37 Mb/s。

3.3.9 吞吐量

V2V應(yīng)用功能中，峰值速率可能達(dá)到0.37 Mb/s，對于V2I應(yīng)用功能，還需支持紅綠燈信息、路標(biāo)信息、施工信息等低頻率廣播（約1～2 Hz）數(shù)據(jù)。所以，總體吞吐量需超過0.5 Mb/s。

3.3.10 定位精度

EBW預(yù)警需確定兩車所處的車道情況，現(xiàn)有中國車道寬度一般為2.75～3.5 m，可取3 m作為參考依據(jù)。假設(shè)HV和RV在車道中間行駛，以車頭位置的橫坐標(biāo)為基準(zhǔn)，若定位偏差全部產(chǎn)生在橫向，仍然應(yīng)能確定兩車是否處于同一車道或相鄰車道，可支持避開碰撞方向，因此定位精度應(yīng)小于1.5 m，直至達(dá)到亞米級。

3.3.11 支持的最高車速

設(shè) S=150 m，T=2 s，t1=0.5 s，t2=0.2 s，d0=3 m，a1=a2=6 m/s2，根據(jù)式（1）可得兩車最高車速為195 km/h，滿足我國高速公路限速要求。

3.3.12 傳輸類型

所傳輸?shù)男畔⒕o急、緊急等級的最高。

4 C-V2X示范運行車演示實例

為推進(jìn)C-V2X產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，近年來，國家智能交通綜合測試基地及車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示范區(qū)先后在多地建成。2016年以來，中國一汽(China FAW)積極參與推動C-V2X產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，完成國家智能網(wǎng)聯(lián)汽車應(yīng)用（北方）示范區(qū)建設(shè)，搭載LTE-V2X設(shè)備的紅旗H7 PHEV示范運行車已實現(xiàn)包括前碰撞預(yù)警、交叉路口碰撞預(yù)警、盲區(qū)預(yù)警、緊急制動預(yù)警等10余種應(yīng)用場景。

其中，針對緊急制動預(yù)警應(yīng)用場景，共完成4項測試用例的實車路試演示，如圖3、表2、表3、表4和表5所示。

圖3為紅旗H7 PHEV C-V2X示范運行車在EBW應(yīng)用場景下的路試實景圖。

圖3 紅旗H7 PHEV EBW應(yīng)用場景路測實景圖

表2 Case1.1—緊急制動預(yù)警-同車道1

表3 Case1.2—緊急制動預(yù)警-同車道2

表4 Case1.3—緊急制動預(yù)警-不同車道1

表5 Case1.4—緊急制動預(yù)警-不同車道1

從Case1.1～1.4可知，F(xiàn)AW已針對EBW應(yīng)用場景的前兩種應(yīng)用工況進(jìn)行了測試驗證，測試實例設(shè)置的參數(shù)雖不同于3.3節(jié)提出的最惡劣工況下的網(wǎng)絡(luò)通信需求，但也滿足城市工況下的參數(shù)設(shè)置。從測試結(jié)果可知，在相同或相鄰車道同向行駛且無緊鄰車輛遮擋的HV可以有效識別出RV的緊急制動行為，并進(jìn)行有效的預(yù)警提示，滿足應(yīng)用場景功能需求。

5 V2X未來展望

未來5～10年，為了解決交通安全、出行效率、道路承載、環(huán)境保護(hù)等問題，車聯(lián)網(wǎng)將全面發(fā)展。將V2X技術(shù)與ADAS的多種探測手段相結(jié)合，借助融合信息處理技術(shù)，能夠更加有效地改善行車安全、提高交通效率，單車智能化與車聯(lián)網(wǎng)的有機(jī)結(jié)合將最終實現(xiàn)自動駕駛。V2X無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)也面臨著低時延、高可靠性、高傳輸速率和高容量的多重挑戰(zhàn)。隨著LTE-V2X技術(shù)產(chǎn)業(yè)化鏈條的不斷完善及5G技術(shù)的商用化推進(jìn)，C-V2X將會迎來更加廣闊的發(fā)展空間。