基于車聯(lián)網(wǎng)通信組網(wǎng)架構(gòu)的分析與研究

李柱，丁巍，王勇剛

（車百智能網(wǎng)聯(lián)研究院（武漢）有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

國家智能網(wǎng)聯(lián)汽車（武漢）測試示范區(qū)一二期項目，從智能道路、路側(cè)智能基礎(chǔ)設(shè)施、城市操作系統(tǒng)、測試體系、應(yīng)用系統(tǒng)等方面開展示范區(qū)建設(shè)，形成具備開放道路測試、自動駕駛應(yīng)用、基于5G的智能網(wǎng)聯(lián)汽車和智能交通等功能的示范應(yīng)用[1]。

1 研究背景

項目建設(shè)了106km基于開放標(biāo)準(zhǔn)的智能道路，形成了覆蓋整個經(jīng)開區(qū)全域的5G網(wǎng)絡(luò)，同時，根據(jù)不同的需求及應(yīng)用場景，搭建了有線光纖組網(wǎng)、5G專網(wǎng)組網(wǎng)和公網(wǎng)組網(wǎng)的三種通信組網(wǎng)架構(gòu)環(huán)境。具體如下圖1所示。

圖1 武漢示范區(qū)車輛網(wǎng)通信組網(wǎng)架構(gòu)圖

2 示范區(qū)組網(wǎng)環(huán)境測試及分析

2.1 5G專網(wǎng)組網(wǎng)

2.1.1 組網(wǎng)需求

武漢示范區(qū)二期項目77km道路智能化建設(shè)，主要以5G專網(wǎng)組網(wǎng)為主。路側(cè)桿件點(diǎn)位220個，每個桿件部署一個5G CPE或者5G RSU作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，每個設(shè)備安裝5G SIM卡，通過無線UU口將桿件上安裝的傳感器感知的原始視頻流、設(shè)備處理后的結(jié)構(gòu)化等數(shù)據(jù)直接上傳云平臺。同時在5G專網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)的各類智能網(wǎng)聯(lián)汽車通過安裝有5G SIM的OBU實時上傳各類車輛行駛狀態(tài)信息[2]。

在路側(cè)端，主要在重要的路口、環(huán)島等交叉口以及特殊場景路段，增加槍球一體機(jī)和雷視一體機(jī)智能化感知設(shè)備的覆蓋，每個路側(cè)桿件的數(shù)據(jù)上傳需求不大于50Mbps，通信時延要求20ms左右。在車載端，通過對智能網(wǎng)聯(lián)汽車安裝車載OBU，將智能網(wǎng)聯(lián)汽車的行駛狀態(tài)信息等數(shù)據(jù)通過PC5口或通過UU口上傳平臺，數(shù)據(jù)上傳需求不大于10Mbps，通信時延要求20ms左右。

2.1.2 網(wǎng)絡(luò)性能測試

基于進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)測試及對網(wǎng)絡(luò)長期監(jiān)控的數(shù)據(jù)分析，5G專網(wǎng)組網(wǎng)存在以下特點(diǎn)：

（1）對于5G專網(wǎng)覆蓋區(qū)域內(nèi)的路側(cè)桿件通過5G RSU/5G CPE進(jìn)行通信的固定場景，從RSU/CPE側(cè)統(tǒng)計UU口5分鐘的應(yīng)用層平均上行速率均在100Mbps，固定場景下上行帶寬能穩(wěn)定保障的上行速率不小于50Mbps。（2）對于5G專網(wǎng)覆蓋區(qū)域內(nèi)ADAS公交車行駛路線的移動場景線路上行平均速率為91.5Mbps，路測上行速率高于100Mbps采樣點(diǎn)數(shù)/路測上行速率總采樣點(diǎn)數(shù)占比為43.25%，路測上行速率低于20Mbps采樣點(diǎn)數(shù)/路測上行速率總采樣點(diǎn)數(shù)占比為0.24%，移動場景下上行速率能穩(wěn)定保障不小于20Mbps。（3）對于5G專網(wǎng)覆蓋區(qū)域內(nèi)的路側(cè)桿件通過5G RSU/5G CPE進(jìn)行通信的固定場景，220個桿件端到端平均時延7.94ms(往返時延15.88ms)，其中216個點(diǎn)位的平均時延在10ms(往返時延20ms)以下，能保障95%以上的固定點(diǎn)位時延小于10ms，但每個點(diǎn)位的時延不固定，根據(jù)時間呈動態(tài)變化。（4）5G專網(wǎng)覆蓋區(qū)域內(nèi)ADAS公交車行駛路線的移動場景端到端平均時延12.075ms（往返時延24.15ms），采集時延呈動態(tài)變化，能滿足動態(tài)場景下時延小于50ms的需求[3]。

2.1.3 應(yīng)用場景及優(yōu)勢

（1）適用于固定場景上行傳輸速率需求在50Mbps以下，移動場景上行傳輸速率在20Mbps以下，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性要求不高，同時時延根據(jù)固定場景和移動場景分別在20ms和50ms以下的業(yè)務(wù)場景；（2）適用于安全性要求較高的業(yè)務(wù)場景，數(shù)據(jù)通過專網(wǎng)環(huán)境以及5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母甙踩?；?）適用于鄉(xiāng)村道路，公路及沒有管網(wǎng)資源等應(yīng)用場景?？筛鶕?jù)場景需要，不依賴現(xiàn)有及新建設(shè)的光纖及管道資源，在任意有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方都可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)部署；（4）基于5G空口的組網(wǎng)，可大大降低路側(cè)施工難度與成本，解決有線大面積管道鋪設(shè)，成本高、工期慢等問題，同時可靈活選擇并兼容各個運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)，有效降低后期管理運(yùn)維難度和成本。

2.2 公網(wǎng)組網(wǎng)

2.2.1 組網(wǎng)需求

武漢示范區(qū)二期項目給整個經(jīng)開區(qū)236輛公交車安裝了OBU，同時對武漢市一萬輛社會車輛加裝了定制化的智能后視鏡，智能網(wǎng)聯(lián)汽車除了77km智能化道路范圍外，在有5G專網(wǎng)覆蓋或者只有4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的整個經(jīng)開區(qū)近500平方公里范圍及1000公里道路范圍行駛的智能網(wǎng)聯(lián)汽車都可以提供車路協(xié)同應(yīng)用及服務(wù)。因此，對于網(wǎng)絡(luò)延時及帶寬要求不高的區(qū)域，通過公網(wǎng)的組網(wǎng)模式，基于UU口通信同時可為更大范圍的智能網(wǎng)聯(lián)汽車提供應(yīng)用及服務(wù)[4]。

2.2.2 網(wǎng)絡(luò)性能測試

（1）對于5G專網(wǎng)和4G公網(wǎng)協(xié)同覆蓋區(qū)域的車路協(xié)同/車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用車輛行駛的移動場景端到端平均時延25.66，部分點(diǎn)位時延大于50ms。（2）對于5G專網(wǎng)和4G公網(wǎng)協(xié)同覆蓋區(qū)域內(nèi)普通公交車行駛路線的移動場景線路上行FTP平均速率為53.7Mbps，路測上行速率高于50Mbps，采樣點(diǎn)數(shù)/路測上行速率總采樣點(diǎn)數(shù)占比為83%，路測上行速率低于10Mbps，采樣點(diǎn)數(shù)/路測上行速率總采樣點(diǎn)數(shù)占比為1.8%，上行傳輸速率基本滿足10Mbps要求。（3）國家智能網(wǎng)聯(lián)汽車（武漢）示范區(qū)內(nèi)實現(xiàn)了5G專網(wǎng)全覆蓋，為了確保測試車輛（如智能公交車）駛出示范區(qū)范圍外仍能向平臺正常上報車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)，5G專網(wǎng)應(yīng)具備向下兼容4G公網(wǎng)的能力。通過在道路上對5G/4G兼容性進(jìn)行測試， 5G至4G切換平均時延約為56ms。

2.2.3 應(yīng)用場景及優(yōu)勢

（1）適用大范圍智能網(wǎng)聯(lián)汽車移動場景，對數(shù)據(jù)的實時性、安全性、完整性要求不高，帶寬需求小于10Mbps的應(yīng)用場景。（2）公網(wǎng)組網(wǎng)環(huán)境不需要額外的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，基于現(xiàn)網(wǎng)已有的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，可實現(xiàn)大范圍的場景應(yīng)用及落地。

2.3 有線光纖組網(wǎng)

2.3.1 組網(wǎng)需求

武漢示范區(qū)一期項目28km道路為新建道路，便于進(jìn)行有線光纖網(wǎng)絡(luò)的同步規(guī)劃和實施，且一期項目中感知設(shè)備布設(shè)較為密集，不僅在路口進(jìn)行布設(shè)在路段也有布設(shè)，在路口和路段均布設(shè)有激光雷達(dá)，數(shù)據(jù)傳輸量較大，因此在一期建設(shè)的探索期道路智能化建設(shè)主要采用有線光纖組網(wǎng)模式，為路側(cè)感知設(shè)備提供穩(wěn)定、安全、高速的網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)。另外，在二期項目中，規(guī)劃建設(shè)了3個實驗路口，安裝部署了包括激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、攝像機(jī)、MEC等感知設(shè)備和邊緣計算設(shè)備，由于激光雷達(dá)數(shù)據(jù)量很大，而且為了進(jìn)行不同廠家方案的對比分析，單個路口同時布設(shè)了多套感知設(shè)備，實驗路口數(shù)據(jù)傳輸需求是一般路口的2～5倍以上。例如單一桿件上傳感器數(shù)量為9個，保守估計數(shù)據(jù)量約200Mbps，一個十字路口的4 個路口方向數(shù)據(jù)量合計可能超過1000Mbps。因此，對于實驗路口也采取有線光纖的組網(wǎng)方案[5]。

2.3.2 應(yīng)用場景分析

（1）目前國內(nèi)外智能網(wǎng)聯(lián)示范區(qū)和車聯(lián)網(wǎng)項目路測基礎(chǔ)設(shè)施大多采用有線光纖組網(wǎng)模式，可為路側(cè)桿件提供至少1000M的帶寬需求，適用于多傳感器大帶寬需求的固定應(yīng)用場景。（2）光纖組網(wǎng)存在施工難度大、施工成本高、施工周期長等缺點(diǎn)，但網(wǎng)絡(luò)環(huán)境相對固定，抗干擾能力強(qiáng)，可提供無線通信無法比擬的安全、可靠、穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

3 結(jié)論

不同的業(yè)務(wù)場景對網(wǎng)絡(luò)的需求和要求不盡相同，實際工程應(yīng)用過程中，可根據(jù)具體的帶寬、時延、穩(wěn)定性、安全性、可靠性等需求選擇不同的組網(wǎng)方案。5G專網(wǎng)組網(wǎng)適用于數(shù)據(jù)傳輸量較大，對時延要求較高的場景，流量相對密集的場景。利用運(yùn)營商已有的5G網(wǎng)絡(luò)資源，適當(dāng)增加UPF等網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，快速實現(xiàn)專網(wǎng)覆蓋，在工程上能大大降低路側(cè)通信施工難度、施工周期和建設(shè)成本。充分利用5G網(wǎng)絡(luò)的大帶寬、低延遲、高速率、高可靠性的優(yōu)勢，通過共用無線資源、行業(yè)專用核心網(wǎng)部分共用、專用傳輸鏈路、網(wǎng)絡(luò)切片、UPF下沉實現(xiàn)數(shù)據(jù)本地化、流量卸載本地分流快速閉環(huán)，以及車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)低時延和安全保障。公網(wǎng)組網(wǎng)適用于數(shù)據(jù)量傳輸不大，對實驗要求不高，且流量不密集的場景，主要適用于智能網(wǎng)聯(lián)汽車的活動范圍廣和氣象/路面?zhèn)鞲衅鞯任锫?lián)網(wǎng)設(shè)備小數(shù)據(jù)量傳輸?shù)膱鼍?。不需要額外的建設(shè)，直接利用運(yùn)營商已有的公網(wǎng)資源，實現(xiàn)大范圍場景應(yīng)用落地。有線光纖組網(wǎng)適用于新建道路和對數(shù)據(jù)量傳輸需求很大、穩(wěn)定性要求很高的場景，但也存在施工難度大、施工成本高、施工周期長等缺點(diǎn)。

武漢示范區(qū)根據(jù)5G技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用場景需求，建設(shè)了5G專網(wǎng)、有線光纖網(wǎng)和公網(wǎng)三種組網(wǎng)模式，特別是在武漢示范區(qū)二期項目開創(chuàng)性采用全5G空口通信方案，并在工程實踐中驗證了5G專網(wǎng)功能和性能可以滿足項目智能網(wǎng)聯(lián)路側(cè)和車端業(yè)務(wù)的測試應(yīng)用需求。