基于車路協(xié)同C-V2X 技術(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

馮舒 南洋 董馨 李長龍 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，汽車振動(dòng)噪聲與安全控制綜合技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春130013）

主題詞：車聯(lián)網(wǎng) C-V2X 自動(dòng)駕駛 應(yīng)用場景 5G

縮略語

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

V2P Vehicle to Pedestrian（車與行人）

V2V Vehicle to Vehicle（車與車）

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

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

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

C-V2X Cellular-V2X（蜂窩車聯(lián)網(wǎng)）

LTE Long Term Evolution（長期演進(jìn)）

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

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

eMBB enhanced Mobile Broadband（增強(qiáng)移動(dòng)寬帶）

mMTC massive Machine Type Communication（大規(guī)模機(jī)器類型通信）

URLLC Ultra Reliable Low and Latency Communications（低時(shí)延高可靠性通信）

NR-V2X New Radio-V2X（新空口車聯(lián)網(wǎng)）

CAN Controller Area Network（控制器局域網(wǎng)）

OTA Over the Air Technology（無線下載技術(shù)）

TA Threat Arbitration（危險(xiǎn)仲裁）

EV Equipped Vehicle（裝載通信系統(tǒng)的車輛）

RSURoad Side Unit（路側(cè)單元）

NV Normal Vehicle（普通車輛）

1 前言

當(dāng)今，移動(dòng)互聯(lián)、人工智能、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)發(fā)展迅速，緊隨互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的變革，以自動(dòng)駕駛為主要特征的新一代智能交通系統(tǒng)成為了緩解交通擁堵和保證交通安全的重要技術(shù)手段[1]。雖然自動(dòng)駕駛技術(shù)在不斷完善，但仍存在車載傳感器使用有局限性、準(zhǔn)確度不高、獲得環(huán)境參數(shù)的范圍有局限性、突發(fā)事件無法進(jìn)行預(yù)測的問題。造成這些現(xiàn)象的主要原因在于目前的自動(dòng)駕駛汽車只是單方向感知車輛周圍的信息，并不能與參與交通系統(tǒng)的各個(gè)單元，實(shí)現(xiàn)多方向、多層次的環(huán)境感知，而基于無線通信的車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，即V2X（Vehicle to Everything）技術(shù)是很好的解決方案。

基于實(shí)現(xiàn)V2X的自動(dòng)駕駛技術(shù)，利用了領(lǐng)先的無線通信與新一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，全方位實(shí)現(xiàn)車與車之間、車與路之間動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)信息交互，并在動(dòng)態(tài)交通信息采集與融合的基礎(chǔ)上，開展車輛協(xié)同安全控制和道路交通主動(dòng)控制。充分實(shí)現(xiàn)人、車、路的有效協(xié)同，是信息技術(shù)在汽車和交通產(chǎn)業(yè)的重要突破，為解決車輛安全控制和交通管理提供了新的解決途徑。

2 車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展

2.1 V2X技術(shù)

V2X通信是車聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)車路協(xié)同的重要關(guān)鍵技術(shù)，已成為當(dāng)前世界各國解決道路安全問題的一個(gè)研究熱點(diǎn)。V2X技術(shù)借助車與人之間V2P（Vehicle to Pedestrian），車與車之間V2V（Vehicle to Vehicle），車與路之間V2I（Vehicle to Infrastructure），車與網(wǎng)絡(luò)之間V2N（Vehicle to Network）的無線通信，及時(shí)感知車輛周邊的環(huán)境狀況向用戶進(jìn)行預(yù)警。它以交通系統(tǒng)下的車輛為中心，允許通過通信信道彼此共享信息，它可擴(kuò)大自動(dòng)駕駛感知范圍，能夠?qū)崿F(xiàn)更加安全、高效、便捷的駕駛體驗(yàn)，是未來更高級別自動(dòng)駕駛的基礎(chǔ)支撐。根據(jù)美國交通部提供的數(shù)據(jù)，V2V技術(shù)可幫助預(yù)防80%各類交通事故的發(fā)生[2]。

2.2 C-V2X技術(shù)

目前，V2X通信技術(shù)全球發(fā)展主要是以IEEE 802.11p為代表的專用短距離通信技術(shù)（DSRC，Dedicated Short Range Communication）和以蜂窩為基礎(chǔ)的C-V2X（Cellular-V2X）通信技術(shù)，這2大主要技術(shù)陣營。DSRC發(fā)展較早，已在美國開發(fā)測試。不過隨著LTE（Long Term Evolution）技術(shù)的發(fā)展，在移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP（3rd Generation Partnership Project）的推動(dòng)下，基于4G網(wǎng)絡(luò)LTE的車聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)LTEV2X也開始逐漸發(fā)展起來。

C-V2X針對于車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景，定義了2種通信方式，廣域蜂窩式與短程直通式。廣域蜂窩式采用終端和基站之間的網(wǎng)絡(luò)通信接口（Uu），可實(shí)現(xiàn)長距離和更大范圍的可靠通信。另一種短程直通式采用的是車輛之間的短距離直接通信接口（PC5）。C-V2X的2種通信接口，如圖1所示。

圖1 C-V2X 2種通信接口

網(wǎng)絡(luò)通信（Uu接口），需要基站作為控制中心，車輛與基礎(chǔ)設(shè)施、其他車輛之間需要通過將數(shù)據(jù)在基站進(jìn)行中轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)通信。Uu接口支持大帶寬、大覆蓋通信，可回傳到云平臺，適合信息娛樂類、遠(yuǎn)距離的道路危險(xiǎn)或交通狀況、延遲容忍安全消息等業(yè)務(wù)類型。

直連通信（PC5接口）定義了車輛之間的直接通信方式，其信道、參考信號和資源處理將會(huì)與以往工作模式有所不同，可以實(shí)現(xiàn)高速度和高密度通信。它同時(shí)支持基站和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS（Global Navi-gation Satellite System）的時(shí)間同步。允許用戶在無網(wǎng)絡(luò)部署的區(qū)域，通過PC5接口車輛彼此間直接廣播消息，提供車聯(lián)網(wǎng)道路服務(wù)，滿足行車安全需求。它具有低延時(shí)、覆蓋范圍小的特點(diǎn)，適合交通安全類、局域交通效率類業(yè)務(wù)[3]。

2.3 5G-V2X技術(shù)

5G-V2X，是基于5G蜂窩網(wǎng)通信技術(shù)演進(jìn)形成的車用無線通信技術(shù)，是LTE-V2X技術(shù)的平滑演進(jìn)。5G-V2X在3GPP的推進(jìn)下啟動(dòng)，形成以華為、高通等通信產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)、電信運(yùn)營商和汽車企業(yè)為主的產(chǎn)業(yè)陣營[4]。

5G技術(shù)最大的特點(diǎn)就是包含了面向大帶寬（enhanced Mobile Broadband，eMBB），面向大連接物聯(lián)網(wǎng)（massive Machine Type Communication，mMTC），面向低時(shí)延高可靠性車聯(lián)網(wǎng)通信（Ultra Reliable Low and Latency Communications，URLLC）3個(gè)方面的實(shí)現(xiàn)。基于LTE-V2X技術(shù)演化得到的NR-V2X（New Radio-V2X）直連通信模式也會(huì)是URLLC的一個(gè)重要補(bǔ)充。由于直連模式部署更加靈活，部署成本更低，可以應(yīng)用于5G基站信號未覆蓋的地方，或者分擔(dān)一部分V2V、V2I通信需求，來緩解網(wǎng)絡(luò)上的壓力。

5G網(wǎng)絡(luò)對車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的支撐體現(xiàn)在其超低時(shí)延、超高可靠性以及更高的網(wǎng)絡(luò)可靠性。未來更優(yōu)化、技術(shù)更領(lǐng)先的車載、路側(cè)單元應(yīng)是滿足5G環(huán)境下車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景的硬件設(shè)備及配套軟件算法。結(jié)合現(xiàn)有的C-V2X技術(shù)來看，根據(jù)V2X各個(gè)場景的應(yīng)用需求，體現(xiàn)出了不同的通信技術(shù)要求，如圖2所示。

圖25 G-V2X通信場景

3 車載網(wǎng)聯(lián)設(shè)備

車載網(wǎng)聯(lián)設(shè)備是基于C-V2X技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中最核心的設(shè)備之一，它可以隨時(shí)向網(wǎng)絡(luò)匯報(bào)自身的狀態(tài)，是車輛和其他信息節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)系樞紐。

3.1 網(wǎng)聯(lián)功能

為了支持車聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，更好地實(shí)現(xiàn)車路協(xié)同的應(yīng)用，車載網(wǎng)聯(lián)設(shè)備應(yīng)滿足以下基本功能：

（1）支持通過V2V實(shí)現(xiàn)車輛間通信，實(shí)時(shí)獲取周圍車輛的速度、位置、行車情況信息。

（2）支持通過V2I與路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施（如紅綠燈）通信，獲取交通信號配時(shí)和信號燈狀態(tài)信息。

（3）支持通過V2P與用戶終端設(shè)備通信，獲取行人位置信息。

（4）可通過接入網(wǎng)/核心網(wǎng)與云平臺連接，使得車輛和云平臺之間能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理。

（5）支持通過CAN（Controller Area Network）或以太網(wǎng)總線網(wǎng)絡(luò)與車內(nèi)其它電子控制單元進(jìn)行雙向通信。

（6）支持與車載信息娛樂系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，以進(jìn)行V2X預(yù)警提醒和界面顯示。

（7）支持實(shí)時(shí)定位和盲區(qū)定位，實(shí)現(xiàn)高精度的定位信息傳輸。

3.2 硬件開發(fā)平臺

基于上述網(wǎng)聯(lián)化與智能化基本功能的實(shí)現(xiàn)，車載網(wǎng)聯(lián)設(shè)備需要包含應(yīng)用處理器、控制器、定位模組、4G/5G模組、C-V2X模組、CAN、傳感器、車載以太網(wǎng)、安全、串口、及其他接口等功能模塊，如圖3所示。

圖3 V2X網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用軟件架構(gòu)

（1）處理器主要采用主從處理器模式，主從處理器均應(yīng)達(dá)到車規(guī)級要求。主處理器處理能力強(qiáng)大，接口功能豐富，能夠滿足V2X應(yīng)用需求；從處理器一方面能實(shí)現(xiàn)CAN總線快響應(yīng)的功能要求，另一方面兼具實(shí)現(xiàn)網(wǎng)聯(lián)終端的功能。

（2）定位模組作為處理器外部模塊，接收GPS與北斗信號，向上層提供世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間及地理位置信息；提供與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間整秒對齊的高精度秒脈沖信號，為時(shí)隙切換提供準(zhǔn)確的時(shí)間信息。

（3）4G/5G通信模塊同樣作為處理器外部模塊，用于設(shè)備與服務(wù)器或云端的通信，用于OTA（Over the Air Technology）升級和網(wǎng)聯(lián)終端的應(yīng)用。

（4）外置的C-V2X網(wǎng)卡能夠?qū)崿F(xiàn)與其它設(shè)備進(jìn)行短程通信，實(shí)現(xiàn)車輛安全、車路協(xié)同等應(yīng)用。

（5）分別內(nèi)置低速和高速CAN接口。低速CAN接口，用于CAN喚醒和低速通信應(yīng)用，高速CAN接口，用于高速通信應(yīng)用?；贑AN接口同時(shí)支持V2X設(shè)備和中控間的通信。

（6）內(nèi)置加速度傳感器，用于網(wǎng)聯(lián)終端應(yīng)用。

（7）內(nèi)置車載以太網(wǎng)接口，可用于設(shè)備與汽車中控交互，將安全預(yù)警信息傳遞給汽車中控，接收汽車中控下發(fā)的控制命令，也可用于多源信息融合。

（8）內(nèi)置硬加密的安全模塊，用于數(shù)據(jù)安全。

（9）串口用于內(nèi)部調(diào)試，預(yù)留一路通用串口，可接入外部傳感模塊。

（10）其他接口，如電源接口為設(shè)備的正常工作提供12 V或24 V直流電源。下載接口燒錄系統(tǒng)專用，分為處理器和控制器燒錄。

隨著5G車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的到來，各模組企業(yè)積極規(guī)劃5G+C-V2X車載前裝模組，支持5G的通信頻段，同時(shí)將會(huì)集成C-V2X與多頻GNSS。

4 系統(tǒng)軟件

建立在硬件平臺的基礎(chǔ)上，車載網(wǎng)聯(lián)設(shè)備系統(tǒng)軟件根據(jù)其功能要求進(jìn)行了分層架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)。

4.1 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

整個(gè)軟件平臺包含應(yīng)用層、系統(tǒng)層和驅(qū)動(dòng)層。

驅(qū)動(dòng)層主要負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)硬件層模塊，包含各硬件模塊的驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備的操作接口，為系統(tǒng)層或應(yīng)用層提供服務(wù)，以便與外界進(jìn)行信息交互。

系統(tǒng)層基于Linux開源操作系統(tǒng)，包含串口控制、網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)、文件子系統(tǒng)。其中，串口控制部分將作為中間件，接受應(yīng)用層的控制指令，轉(zhuǎn)而對串口屬性進(jìn)行配置。網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)為Linux系統(tǒng)的組成部分，在Linux系統(tǒng)原生支持的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了相應(yīng)改進(jìn)，以使應(yīng)用層能夠正常使用CAN、4G、5G等常見網(wǎng)絡(luò)。文件子系統(tǒng)包含文件中的數(shù)據(jù)和文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，包括用戶和程序的文件、目錄、軟連接及文件保護(hù)信息等。

應(yīng)用層主要分為2部分，一部分作為基礎(chǔ)子系統(tǒng)，集合了更上層應(yīng)用公共部分，向這些應(yīng)用提供交互接口，供更上層的應(yīng)用自由組合使用；另一部分使用基礎(chǔ)子系統(tǒng)提供的服務(wù)，構(gòu)建成直接面向用戶的車輛安全、車路協(xié)同、網(wǎng)聯(lián)類應(yīng)用。

4.2 系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)

在操作系統(tǒng)之上，V2X應(yīng)用運(yùn)行環(huán)境軟件可劃分為3個(gè)層次：I/O Layer（輸入輸出層）、Service Layer（應(yīng)用服務(wù)層）和Application Layer（應(yīng)用層）。每層軟件劃分為多個(gè)相互獨(dú)立的單一職責(zé)的模塊，模塊間耦合性低，如圖4所示。

（1）I/O Layer輸入輸出層

主要負(fù)責(zé)設(shè)備與外部設(shè)備的通訊功能，實(shí)現(xiàn)設(shè)備所有數(shù)據(jù)的輸入和輸出，包括GNSS定位模塊、無線通信模塊和車輛數(shù)據(jù)CAN通信等。

（2）Service Layer應(yīng)用服務(wù)層

主要負(fù)責(zé)對輸入數(shù)據(jù)的整合、處理，并分發(fā)至應(yīng)用層，同時(shí)為應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)發(fā)送的接口。

（3）Application Layer應(yīng)用層

本層主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)常見的安全應(yīng)用和第3方擴(kuò)展應(yīng)用，對影響車輛安全的危險(xiǎn)進(jìn)行判別和輸出。

對于預(yù)警的輸出，在車載設(shè)備的TA（Threat Arbitration）模塊中實(shí)現(xiàn)，這樣做到了顯示與功能的分離。在V2V與V2I的場景中，首先確認(rèn)場景的類別，分為安全類、交通效率類與信息服務(wù)類，優(yōu)先級從高到低。預(yù)警等級的確定由各安全應(yīng)用根據(jù)各自應(yīng)用的相關(guān)參數(shù)由統(tǒng)一的算法計(jì)算。TA模塊負(fù)責(zé)接收安全應(yīng)用場景輸出的預(yù)警信息，并按照相應(yīng)的規(guī)則對預(yù)警信息進(jìn)行調(diào)度、仲裁，挑選出最緊急的預(yù)警信息，輸出至車機(jī)。

5 智慧交通的應(yīng)用

通過車路協(xié)同C-V2X通信技術(shù)的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)人、車、路和管理平臺全方位實(shí)時(shí)無障礙溝通。未來更高效的智慧交通應(yīng)用場景有：感知數(shù)據(jù)共享、協(xié)作式變道、協(xié)作式交叉口通行、動(dòng)態(tài)車道管理、特殊車輛優(yōu)先和浮動(dòng)車數(shù)據(jù)采集。

本節(jié)針對感知數(shù)據(jù)共享的應(yīng)用場景，明確場景的定義，詳細(xì)闡述了場景下的車輛如何利用網(wǎng)絡(luò)感知實(shí)現(xiàn)有效避讓。

5.1 場景定義

裝載通信系統(tǒng)的車輛EV（Equipped Vehicle）以及路側(cè)設(shè)備RSU（Road Side Unit）通過自身搭載的感知設(shè)備如攝像頭、雷達(dá)等，探測到周圍其他交通參與者，并將探測到的目標(biāo)信息處理后，通過V2X發(fā)送給周圍其他車輛，收到此信息的其他車輛可提前感知到不在自身視野范圍內(nèi)的交通參與者，輔助自身做出正確的駕駛決策。

5.2 場景描述

（1）車與車間交通參與者感知數(shù)據(jù)共享

應(yīng)用場景中的交通參與者有裝載通信系統(tǒng)的車輛EV-1與EV-2以及未裝載通信系統(tǒng)的普通車輛NV（Normal Vehicle）或者行人P，如圖5和6所示。

車輛EV-1與EV-2在同一車道內(nèi)同向行駛，EV-1在前，EV-2在EV-1后方跟車行駛，EV-2的視線可能被EV-1遮擋。EV-1與EV-2組成車隊(duì)。

此時(shí)，有車輛NV在EV-1、EV-2相鄰車道逆向行駛，或道路附近有行人P接近。

EV-1、EV-2需具備無線通信能力，且EV-1具有感知能力，搭載攝像頭或雷達(dá)等車載傳感器，車輛NV與行人P是否具有5G-V2X通信能力不影響場景有效性。

EV-1通過車載傳感器檢測到前方有車輛NV或行人P，通過無線通信向隊(duì)內(nèi)組播或向EV-2單播發(fā)送車輛NV或行人P的感知數(shù)據(jù)信息。

隊(duì)內(nèi)車輛EV-2根據(jù)收到的車輛NV或行人P的感知數(shù)據(jù)信息，及時(shí)提醒駕駛員做出合理的駕駛行為調(diào)整。

圖6 車隊(duì)內(nèi)對于行人的感知數(shù)據(jù)共享場景

（2）車路間交通參與者感知數(shù)據(jù)共享

應(yīng)用場景中的交通參與者有裝載通信系統(tǒng)的車輛EV，未裝載通信系統(tǒng)的普通車輛NV-1與NV-2或者行人P，以及路側(cè)設(shè)備RSU。

車輛EV與NV-1在同一車道同向行駛，NV-1在前，EV在NV-1后方行駛，EV的視線可能被NV-1遮擋，道路附近設(shè)有RSU（圖7）。

圖7 車路間對于車輛的感知數(shù)據(jù)共享場景

此時(shí)有車輛NV-2在EV、NV-1相鄰車道逆向行駛，或道路附近有行人P接近（圖8）。

圖8 車路間對于行人的感知數(shù)據(jù)共享場景

EV與RSU需具備無線通信能力，且RSU具有感知能力，搭載攝像頭或雷達(dá)等傳感器，車輛NV-1、NV-2與行人P是否具有V2X通信能力不影響場景有效性。

RSU通過傳感器檢測到前方有車輛NV-2或行人P，通過無線通信向EV發(fā)送車輛NV-2或行人P的感知數(shù)據(jù)信息。

EV根據(jù)收到的車輛NV-2或行人P的感知數(shù)據(jù)信息，及時(shí)提醒駕駛員做出合理的駕駛行為調(diào)整。

5.3 應(yīng)用目標(biāo)

車載網(wǎng)聯(lián)終端可以進(jìn)行與智能路側(cè)設(shè)備的信息交互，獲取大量無法感知到的信息，彌補(bǔ)攝像頭、雷達(dá)等車載傳感器視距不足的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了場景應(yīng)用場景下的感知數(shù)據(jù)共享，增強(qiáng)了混合交通環(huán)境中車輛的感知能力，尤其是對弱勢群體的感知能力，能有效的減少交通事故和二次傷害，提高復(fù)雜道路通行安全和通行效率。

6 結(jié)論與展望

隨著5G商用的開啟，5G-V2X車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，讓車輛和道路能夠深度實(shí)時(shí)通信，構(gòu)建真正的人、車、路、互聯(lián)網(wǎng)全方位的網(wǎng)絡(luò)，為車輛使用者實(shí)現(xiàn)行車安全。在現(xiàn)有的監(jiān)測技術(shù)手段和通信手段基礎(chǔ)上，結(jié)合5G技術(shù)大帶寬、低時(shí)延、高可靠性的特點(diǎn)為道路交通管理提供道路標(biāo)識和引導(dǎo)系統(tǒng)、道路綜合監(jiān)測、緊急狀態(tài)協(xié)同、統(tǒng)計(jì)監(jiān)測應(yīng)用，以提高道路管理信息化水平及道路狀態(tài)監(jiān)測水平。

未來，隨著5G技術(shù)加速走向成熟，將為車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展提供更強(qiáng)的通信支持和更多選擇。