C-V2X與智能車路協同技術的深度融合

（大唐高鴻數據網絡技術股份有限公司，北京 100083）

（Gohigh Data Networks Technology CO., LTD., Beijing 100083, China）

1 智能車路協同關鍵技術

交通是人類經濟和社會發(fā)展的命脈，一套高效的出行和貨物運輸系統(tǒng)將極大地促進一個地區(qū)的經濟發(fā)展。20世紀50年代以來，人們在不斷探討交通的智能化，希望通過利用檢測、計算、通信、控制等一系列先進技術來構建一個實時、準確、高效、與運輸需求高度匹配的綜合交通運輸系統(tǒng)。

智能交通系統(tǒng)發(fā)展分為4個階段[1]：第1個階段是通過基礎設施、公共交通建設提升道路等級和路網容量；第2個階段是利用行政管控手段提高效率，減少擁堵；第3個階段是利用新能源技術發(fā)展綠色交通；第4個階段是利用智能車路協同（i-VICS）技術（簡稱為車路協同技術），提高交通容量和出行效率，構建按需出行系統(tǒng)，挖掘和預測交通出行系統(tǒng)的時空規(guī)律，優(yōu)化交通網絡及車輛的部署和運行。

車路協同技術將交通系統(tǒng)中的人（出行者）、車（運載工具）、路（道路基礎設施）、云（交通管控中心）有機地結合起來，保障通行安全，提升通行效率。在車路協同系統(tǒng)中，所有的交通要素的狀態(tài)信息都實施了數字化采集，同時通過移動通信技術進行快速交換。交通參與者可以根據交互的信息進行協同，交通管控中心則對收集到的海量信息進行大數據分析提取，從而進行全局交通管控。車路協同技術還改變了傳統(tǒng)的道路運營商的服務模式，從簡單的交通基礎設施提供商向道路出行服務提供商轉變，通過基于場景的信息采集和分析，實現服務的個性化、柔性化。

車路協同系統(tǒng)包括4個關鍵技術：車用無線通信（V2X）技術、路側全域感知技術、高精度定位技術、分級云控技術。

（1）V2X技術。

協同的前提是交通要素間快速、準確的信息交換，因此一個超可靠低時延的車路間泛在通信系統(tǒng)是車路協同的基礎。車輛的實時狀態(tài)信息（如工作狀態(tài)、運行參數、告警信息、行駛意圖）要通過車路通信網絡傳輸到路側，并經過脫敏、抽象等處理后傳送給云控中心。同樣，道路基礎設施的信息（如電子標牌、信號燈狀態(tài)、地圖）、路側感知到的交通參與者信息、交通事件（如擁堵、遺灑、施工）、交通管理部門的管控指令（如限速、禁行、交通管制）也要通過車路通信網絡傳輸到車側，供車輛的駕駛行為決策使用。

V2X是將車輛與一切事物相連接的新一代信息通信技術。V2X技術可以保障100 ms以內的傳輸時延，不依賴基站覆蓋進行直連通信，提供高效的廣播機制，是一種非常適合車路間通信的技術。

在V2X通信技術的支持下，車輛可以快速獲得周邊車輛和道路的狀態(tài)信息，從而支持車輛行駛路徑的動態(tài)規(guī)劃，達到避免碰撞、快速通行的目的，實現交通的局部協同。云控中心則可以實時獲得全時空動態(tài)交通信息，進而支持交通的全局管控。

目前，國際上主流的V2X技術有電氣和電子工程師協會標準（IEEE 802.11p）和蜂窩車用無線通信（C-V2X）2條技術路線。和IEEE 802.11p相比，C-V2X有2方面的優(yōu)勢[2]：用戶間干擾小，支持并發(fā)用戶數更多；有效通信距離大，可以給駕駛員提供更長的剎車反應時間。

（2）路側全域感知技術。

隨著傳感技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的交通系統(tǒng)檢測方法和手段也得到了很大提升。除了可以繼續(xù)利用圖像處理技術進行交通事件識別，利用氣象傳感技術進行氣象事件識別，利用線圈、雷達技術進行交通流量統(tǒng)計外，還可以利用激光雷達、雷視一體機等先進的感知手段進行交通參與者的目標識別與跟蹤。

在V2X技術的支持下，浮動車技術將成為路側傳感的有效補充。公共車輛（如公交車、出租車、交警車輛、道路養(yǎng)護車輛）上可加裝感知設備，對交通狀態(tài)信息進行采集，并通過V2X技術實時匯聚到路側，與路側直接感知到的信息進行融合。此外，隨著V2X車載設備滲透率的不斷提高，已安裝車載設備車輛的狀態(tài)信息也可以通過V2X準確獲得，與傳感器采集的信息相互印證。

隨著多種感知設備的使用，不同設備感知結果之間的同步和去重成為新的研究課題，這催生了基于邊緣計算的全域感知融合技術，最終將實現交通物理系統(tǒng)的數字孿生，并為局部交通協同和全局交通管控提供支撐。

（3）高精度定位技術。

高精度定位技術是實現車路協同的基礎，在獲取車輛準確位置的基礎上，才能提供各種安全預警應用和個性化的交通信息服務。為了獲得全時空連續(xù)的高精度定位，往往需要對多種定位技術進行組合，如開闊地帶使用基于差分信息增強的全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）定位，GNSS短暫丟失時使用慣性導航定位，道路標志標線條件較好時使用即時定位與地圖構建（SLAM）定位，隧道和地下空間內使用基于無線通信的定位等。

對于交通的局部協同，高精度定位可以更精準地描述周邊交通參與者和道路的具體位置，幫助車輛規(guī)劃行駛路徑。對于交通的全局控制，高精度定位可以更精細地刻畫交通流特性，實現交通的實時監(jiān)控和車流的實時誘導。

除了對車輛的高精度定位外，我們還可以對道路基礎設施進行高精度定位監(jiān)測控制，以預測重點基礎設施的形變、移動，及時采取養(yǎng)護措施，保證道路的通行能力。

（4）分級云控技術。

車路協同的目標是實現局部交通的快速協同和全局交通的綜合管控，這就要求部分信息在本地快速處理，并快速通知到周邊車輛，也就是邊緣云控；部分信息要匯聚到云控中心進行全局數據分析和全局的交通流管控，也就是中心云控。

邊緣云控利用移動邊緣計算（MEC）技術將計算、決策能力向網絡邊緣進行遷移，實現局部交通協同的分布式、本地化部署，進而可以通過V2X技術為區(qū)域內行駛的車輛提供低時延車路協同服務。采用MEC技術，可以將敏感數據或隱私信息控制在區(qū)域內部，同時降低回傳網絡的負載壓力。通過邊緣計算和V2X技術的聯合部署，可以實現安全預警、車速引導、信號協同、動態(tài)高精度地圖制作與播發(fā)、車輛感知能力補充、危險駕駛行為提醒、多車行駛路徑協同等邊緣云控應用。

中心云控則對V2X網絡收集匯總得到的交通數據進行大數據分析，通過云控平臺強大的計算和存儲能力，洞察交通數據間的潛在因果關系，為交通管控決策和流程優(yōu)化提供數據支撐。同時，利用大數據技術的加工能力，挖掘車輛在具體交通場景下的個性化信息需求，結合V2X的快速通信能力為車輛實現場景化的增值服務。通過中心計算和V2X技術的聯合部署，可以實現交通事故的分析與預測、交通流量的動態(tài)預測、出行需求的預測與運力匹配、道路管理策略的遠程配置、個性化信息服務等中心云控應用。

2 C-V2X關鍵技術及后續(xù)演進

C-V2X技術最早被稱為長期演進（LTE）-V2X技術，由第三代合作伙伴計劃（3GPP）制訂，在蜂窩技術基礎上優(yōu)化而來，后續(xù)將演進到新空口（NR）-V2X技術。業(yè)界將LTE-V2X和NR-V2X統(tǒng)稱為C-V2X。C-V2X提供了2種通信接口，分別稱為Uu（基站與終端間的通信）接口和PC5（直連通信）接口，2種接口相互結合，彼此支撐，共同用于V2X業(yè)務傳輸。無論是否有基站覆蓋，2種接口都可提供相應的通信服務。

（1）R14：LTE-V2X。

在R14的標準中，PC5接口的設計以LTE-設備到設備（D2D）技術為基礎。在物理層設計上，C-V2X采用了增加導頻密度的方法來增強信道估計性能，以應對車輛高速移動帶來的多普勒頻移和5.9 GHz頻率帶來的頻偏；改進了控制信息和數據信息傳輸方式來提升半雙工模式下的系統(tǒng)容量。在媒體接入控制（MAC）層設計上，C-V2X提供了2種選擇：基于基站調度的模式3和終端自主感知分配資源的模式4。由于V2X消息具有周期性發(fā)送的特點，基站調度時可以使用半靜態(tài)調度（SPS）的方式來節(jié)省調度開銷，周邊車輛還可以根據調度信息來預測未來資源的使用狀況，從而更加準確地選取傳輸資源。此外，針對事件觸發(fā)消息，基站還支持動態(tài)資源調度，以提供快速資源分配。車輛很可能在沒有基站覆蓋的地方行駛，因此不依賴基站的增強用戶感知資源分配方法也是必不可少的一項技術。該技術通過測量估計信道使用狀況；通過讀取資源調度信息，利用SPS特性對未來的資源使用做出預測并進行避讓；結合不同數據的優(yōu)先級，保證優(yōu)先級較高的數據優(yōu)先發(fā)送。在后續(xù)的演進中，C-V2X還將引入單播通信機制，支持更多的頻譜資源，采用反饋機制增加傳輸可靠性，采用高階調制、多輸入多輸出（MIMO）、polar碼等技術獲得更好的物理層性能。

Uu接口的設計在現有LTE技術上進行了功能增強。上行傳輸支持基于業(yè)務特性的多路SPS，在保證業(yè)務傳輸高可靠性的前提下大幅縮減上行調度時延。下行傳輸針對V2X的廣播機制支持低時延的單小區(qū)點到多點傳輸和多播/組播單頻網絡。C-V2X還引入了核心網元本地化部署、多接入邊緣計算技術，以縮短端到端網絡時延。

（2）R15：LTE-eV2X。

C-V2X的R15版本是個小版本，引入了2項關鍵技術，64 正交振幅調制（QAM）和載波聚合（CA），其設計目標都是提升傳輸速率。

64 QAM要求比較理想的空口傳輸環(huán)境，在實際應用中的使用情況較少。此外，64 QAM特性的引入對速率匹配進行了修改，無法保持對R14的后向兼容。

在中國，目前工業(yè)和信息化部為LTE-V2X分配了20 MHz頻段，因此無法支持CA的實施。

綜上所述，LTE-eV2X在中國沒有使用場景，目前該版本并未被商業(yè)化落地。

（3）R16—R17：NR-V2X。

C-V2X將演進至NR V2X，以支持更先進的V2X應用，提供更嚴格的服務質量（QoS）保障。LTE-V2X可以提供面向車輛主動安全的短消息廣播服務，NR-V2X則是通過單播、組播機制和新的無線通信技術的引入來支持更豐富的車路協同應用。此外，NR V2X還將使用更高的通信頻點，以提供更大的通信帶寬，進而支持大吞吐量的數據交換。NR V2X和LTEV2X將彼此配合，共同支撐面向完全自動駕駛的車路協同。

R16主要包括以下關鍵技術[3]：

● Sidelink增強。NR V2X提出了更高的時延和可靠性指標，特定場景下，時延不超過3 ms，可靠性達到99.999%。為了滿足這些要求，NR V2X采用了一系列新的物理層設計，包括更大的子載波間隔、更短的傳輸時間間隔（TTI），支持擴展循環(huán)前綴（CP）正交頻分復用（OFDM）、新的物理Sidelink控制信道（PSCCH）和物理Sidelink共享信道（PSSCH）映射關系、新的反饋信道等。此外，為了支持更高的傳輸速率，NR V2X還采用了毫米波、LDPC編碼、64 QAM等技術。

● 支持單播、組播。車路協同下一步將演進至車車行駛意圖協同、傳感器共享、編隊行駛、路側駕駛決策等應用，因此需要設計單播、組播的通信機制，以獲得相對廣播的更高傳輸效率。

R17則計劃從以下幾個方面開展研究[4]：

● 為降低終端功耗，定義新的資源分配方式。

● 通過定義終端間的協作機制提升模式2的可靠性，降低時延。

● 為廣播、組播和單播定義非連續(xù)接收（DRX）模式，進一步降低終端功耗。

● 支持新的頻譜。

3 通信技術發(fā)展推動車路協同架構演進

3.1 車路協同1.0

車路協同1.0時代，道路數字化程度很低，車和路之間的信息交互很少。少數重點管控的車輛會通過2G/3G/4G技術向管控平臺上報自身的位置和狀態(tài)以便接受監(jiān)管。由于缺少信息通知手段，道路信息只能通過可變情報板或運營商短信的方式向車輛告知，只能提供準靜態(tài)信息。圖1為車路協同1.0架構圖。

在這一階段，車路協同系統(tǒng)只能進行低精度感知和初級預測，數據之間缺乏融合，信息采集、處理和傳輸的時延明顯。

3.2 車路協同2.0

隨著感知、計算、通信技術的發(fā)展，車路協同已經進入2.0時代。隨著攝像頭、雷達、線圈等傳感器的大范圍部署和圖像識別、交通流量統(tǒng)計技術的發(fā)展，越來越多的交通事件可以在路側實時感知。而C-V2X技術為車輛和路側基礎設施提供了一種信息交互的快速通道，其通信時延可以控制在幾十毫秒以內，道路狀態(tài)通知的實時性大大增加，因此可以用來指導車輛的短時決策。隨著C-V2X技術的引入，道路信息對于車輛的價值逐漸增加。圖2為車路協同2.0架構圖。

在這一階段，車路協同系統(tǒng)具備復雜傳感和深度預測功能，通過與車輛系統(tǒng)之間的雙向數據實時共享，可以支持較高時間和空間解析度的駕駛輔助和交通管理功能。

3.3 車路協同3.0

未來，隨著路側融合感知、邊緣計算、C-V2X技術的進一步發(fā)展，車路協同將進入3.0時代。隨著C-V2X引入更大的傳輸帶寬，車輛和路側設施之間可以進行感知協同。車輛可以把自車傳感器的原始數據發(fā)送到路側，利用邊緣計算能力進行更為精準的計算。隨著C-V2X引入單播傳輸機制，路側設備可以向車輛提供有針對性的道路全息感知結果，甚至可以利用強大的邊緣計算能力為車輛直接規(guī)劃行駛路徑。

▲圖1 車路協同1.0架構圖

▲圖2 車路協同2.0架構圖

在C-V2X通信技術的支持下，感知能力和計算能力可以在車輛和道路之間進行動態(tài)分配，實現綜合成本、效率的優(yōu)化；在邊緣計算技術的幫助下，各微觀交通節(jié)點可以實現局部通行效率的優(yōu)化。圖3為車路協同3.0架構圖。

在這一階段，車路協同系統(tǒng)可以為自動駕駛車輛提供全場景下的感知、預測、決策、控制、通信服務，并優(yōu)化整個交通基礎設施網絡及車輛的部署和運行。

4 車路協同下一步演進方向及對通信技術的要求

（1）路側感知時延與V2X通信時延需要同步優(yōu)化。

目前車路協同正處于2.0向3.0過渡的階段，路側已經部署了一定量的傳感器，可以進行一定的事件分析和流量分析，進而可以為司機提供駕駛建議，為交通管控提供參考數據。但是現有傳感器在處理時延和檢測精度上還有較大提升空間，主要用于有人駕駛車輛的駕駛輔助，對車路間通信技術的時延也就沒有那么敏感。

▲圖3 車路協同3.0架構圖

隨著基于車路協同的自動駕駛技術成為熱點，研究人員開始研發(fā)低時延攝像機、77 GHz毫米波雷達、雷視一體機、激光雷達等處理時延更低、檢測精度更高、分類能力更強的傳感器。這些傳感器的處理時延可以達到幾十毫秒量級，檢測精度可以達到分米級。為了保證信息的有效性，車路間通信技術的時延要求相應升高，保證從目標出現到通知到車內的綜合時延在100 ms以內，與目前自動駕駛車輛自身傳感器的檢測時延相當。目前LTE-V2X的平均時延在幾十毫秒，剛剛可以滿足要求?？紤]到錯過已分配的SPS資源以及信道質量較差導致需要重傳等極端情況，綜合時延可能超過100 ms；因此還需要研究可進一步降低V2X通信時延的技術，例如R16的短傳輸時間間隔（TTI）技術、R17的終端協作技術等。

從另一個維度看，面向自動駕駛的車路協同部署不能采用傳統(tǒng)交通攝像頭和雷達，否則即使采用5G的極限時延1 ms的通信技術也無法滿足自動駕駛要求。

（2）目標跟蹤范圍、路徑規(guī)劃算法、V2X通信技術、算力分布需要聯合優(yōu)化。

交叉口俯視感知是公認的車路協同重點應用。城市大型交叉口人流、車流密集，需要跟蹤的運動目標眾多，對V2X承載能力和車側的路徑規(guī)劃算力帶來巨大挑戰(zhàn)。

一種解決思路是路側感知從全部跟蹤目標中圈定特定車輛周邊限定區(qū)域內的物體。這就要求路側邊緣計算能夠對目標車輛的運動軌跡進行預測，進而篩選出前進方向上的感知結果。這一方案還要求路側單元（RSU）具有R16將引入的單播能力。

還有一種解決思路是將交叉口的車輛路徑規(guī)劃全部匯集到路側邊緣計算處理，這就要求車輛能夠將感知到的近場環(huán)境數據上傳到邊緣計算設備；因此要求V2X的上行傳輸速率大大提升，同時也要求邊緣計算設備具有較高的算力。

（3）交通優(yōu)化需要車云信息快速交換和云控快速仿真推演作為支撐。

交通優(yōu)化需要交通起止點（OD）調查信息。過去的OD調查往往需要結合問卷調查、公交線網乘客分布統(tǒng)計、運營商數據、導航軟件數據獲得，數據獲取周期長，無法體現動態(tài)信息和局部微觀信息。隨著C-V2X的推廣，云端獲取每臺車輛的動態(tài)信息成為可能。有了全局的動態(tài)數據，再輔以云控平臺的強大計算能力，可以實現交通調度的全局決策，并可以通過仿真推演的方法對決策方案進行快速驗證。

隨著導航軟件的普及，越來越多的司機會遵循導航軟件的路徑規(guī)劃建議；但是導航軟件對道路的動態(tài)信息掌握的很不充分，而且在做路徑規(guī)劃建議時并沒有充分考慮到大量車輛按建議出行對未來交通狀況的影響。這就導致當使用導航軟件的司機數量變多時，交通狀況會惡化[5]。采用C-V2X技術后，云端可以統(tǒng)籌進行全局性的最優(yōu)策略決策，并直接為每個交通個體分配路徑規(guī)劃，從而避免交通無政府狀態(tài)的出現。

5 不同場景下C-V2X車路協同的部署建議

不同交通場景下車路協同需要解決的問題不同，因此采用的設備配置和部署方案也有差異。目前車路協同研究主要集中在高速公路、城市街道和自動駕駛園區(qū)3大場景。

（1）高速公路。

對于高速公路場景，車輛行駛速度較高，緊急情況下要求的反應時間較長；因此對車輛的異常行為監(jiān)測控制、對緊急事件的遠程通知都有較高要求。

C-V2X 車載設備（OBU）可以實時獲取車輛的運行狀態(tài)、駕駛意圖，從而很好地發(fā)現車輛故障、異常減速/停車/變道、不按限速行駛、占用應急車道等多種異常行為。在異常行為發(fā)生時，需要對司機進行駕駛行為糾正，因故未能實施糾正的，要及時通知高速公路交通管理部門采取相應處置措施，達到事故主動預防的目的。為了支持這一應用，OBU需要和車身總線進行連接，需要有提示司機的人機接口（HMI）或者直接對車輛進行控制的接口，需要能夠通過Uu口與交管平臺進行通信。

一旦危險狀況已經發(fā)生，如道路遺灑、事故、異常停車、路面積水/結冰/團霧等，則需要對上游車輛進行及時預警，必要時甚至要啟動交通疏導機制。這就要求RSU之間有快速信息交換機制，而且針對具體事件有相應的消息推送方案。

（2）城市街道。

城市街道場景車速相對較低，但是交通環(huán)境異常復雜，要充分考慮控制信號復雜、人車混行、機非混行、道路連接關系復雜等影響。車路協同重點解決控制信號車內通知、非視距碰撞風險預警的問題。

城市場景的RSU部署要和信控裝置充分結合，實現信控裝置的網聯化。一方面，可以將信控信息及時通知給周邊車輛，另一方面，也可以通過C-V2X匯集周邊交通流數據，反哺信控裝置的控制決策。

此外，在重點區(qū)域，例如道路交叉口，可以部署多角度的感知設備，通過多源傳感器的感知融合解決感知精度的問題，通過多角度傳感器的感知融合解決感知盲區(qū)的問題。C-V2X設備一方面可以作為多源傳感器的時鐘同步源，另一方面也可以將感知結果快速通知到區(qū)域內車輛。

（3）自動駕駛園區(qū)。

自動駕駛將率先在物流園區(qū)、港口、辦公區(qū)域等相對封閉的場地、相對固定的路線內實施。在園區(qū)內建設完善的數字化基礎設施，為園區(qū)內的自動駕駛車輛提供感知、計算服務，可以極大地降低這些車輛的成本和功耗，同時使得這些車輛的輕量化、小型化成為可能。

園區(qū)可以在自動駕駛車輛行駛路線上部署完備的傳感器，對所有交通參與者的狀態(tài)進行上帝視角的感知，這將極大降低單車傳感器的投入。同時，園區(qū)還可以在道路邊緣設置計算單元，利用邊緣計算技術對于區(qū)域內自動駕駛車輛的行駛路徑進行協同規(guī)劃，一方面降低單車計算成本，另一方面可以實現有效協同，解決“駕駛相遇”的聯合決策問題。此外，當自動駕駛車輛進入交叉口等復雜交通場景時，還可以使用5G技術進行遠程人工接管。

從另一個角度看，在自動駕駛運營早期，園區(qū)需要對所有自動駕駛車輛和園區(qū)內的道路基礎設施進行全程全時監(jiān)管。C-V2X技術可以構造園區(qū)的數字神經網絡，不僅能快速感知園區(qū)內所有交通事件，而且能為園區(qū)的應急處置、遠程動態(tài)控制提供可能。

6 結束語

智慧交通已發(fā)展到基于車路協同的第4階段。在車路協同技術的幫助下，人、車、路、云將有機結合，保障通行安全，提升通行效率。作為車路協同4大關鍵技術之一，V2X通信技術將伴隨車路協同技術不斷發(fā)展。

在通信技術發(fā)展的推動下，車路協同技術已經從1.0進入2.0，并正在向3.0演進。接下來，路側感知方案將進一步向低時延、高精度方向演進，交叉口俯視感知將能同時處理更大范圍的運動目標，交通優(yōu)化將向精細化發(fā)展，這些都要求通信技術同步演進。

不同交通場景下車路協同需要解決的問題不同，因此采用的部署方案也有差異。本文中，我們給出了高速公路、城市街道、自動駕駛園區(qū)3種典型場景下C-V2X車路協同方案的部署建議，為車路協同的落地實施提供了建設性的參考方案。