車聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)及應(yīng)用前景研究

趙津　張博　潘霞　謝蓉

摘 要：車聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在交通系統(tǒng)領(lǐng)域的典型應(yīng)用。本文通過研究車聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，從技術(shù)發(fā)展、市場(chǎng)應(yīng)用等角度對(duì)比了DSRC及C-V2X兩種車聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵通信技術(shù)。最后指出車聯(lián)網(wǎng)體系構(gòu)建面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，為車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展路徑提供智力支持。

關(guān)鍵詞：車聯(lián)網(wǎng) DSRC C-V2X 商業(yè)化

隨著人類對(duì)于交通安全與效率的要求逐步提高，交通工具以及道路被賦予更多智能化的功能。車聯(lián)網(wǎng)作為打通交通各個(gè)要素環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共通的網(wǎng)絡(luò)載體，能夠?qū)⒔煌▽?shí)時(shí)產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，進(jìn)行感知與傳輸，是實(shí)現(xiàn)未來交通智能化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是構(gòu)建新型交通生態(tài)的關(guān)鍵物聯(lián)網(wǎng)載體。

1 車聯(lián)網(wǎng)體系模型架構(gòu)

作為物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用之一，未來車聯(lián)網(wǎng)將是智能的立體化架構(gòu)，包括數(shù)據(jù)感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層以及平臺(tái)應(yīng)用層。

（1）數(shù)據(jù)感知層，是車聯(lián)網(wǎng)體系的神經(jīng)末梢。通過傳感器、RSU、OBU等設(shè)備，實(shí)時(shí)對(duì)車況、道路環(huán)境、車輛當(dāng)前位置等信息感知，實(shí)現(xiàn)道路的全面檢測(cè)，進(jìn)而完成感知數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化處理。感知層的數(shù)據(jù)來源包括車端、路端以及第三方信息。車端數(shù)據(jù)是指車輛自身的感知，通過讀取總線、GPS及其他傳感設(shè)備來實(shí)現(xiàn)例如速度、加速度、位置等信息的獲取。路端數(shù)據(jù)是指道路環(huán)境的感知，例如交通信號(hào)狀態(tài)、道路擁堵程度、車道駕駛方向。第三方信息指的是設(shè)備與第三方應(yīng)用交互來獲取更多的數(shù)據(jù)，比如天氣、公交車調(diào)度、特殊車輛優(yōu)先調(diào)度請(qǐng)求等。

（2）網(wǎng)絡(luò)傳輸層，是基礎(chǔ)設(shè)施層與平臺(tái)應(yīng)用層連接的管道，一方面將基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)上傳到平臺(tái)層，另一方面，基于不同的需求提供隔離的網(wǎng)絡(luò)資源，為車車、車路、車人、之間實(shí)現(xiàn)信息的共享。通信網(wǎng)絡(luò)作為信息傳輸?shù)耐ǖ?，必須具備帶寬大、時(shí)延低、可靠性高、海量連接等特性，因此5G等新一代通信技術(shù)將是實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)的必要手段。

（3）平臺(tái)應(yīng)用層，是車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用管理與運(yùn)營(yíng)單元，實(shí)現(xiàn)車輛交通管理、車輛安全控制、交通事件預(yù)警等功能，同時(shí)還為車聯(lián)網(wǎng)用戶提供信息查詢、事件告知、信息訂閱等服務(wù)。同時(shí)運(yùn)用云計(jì)算平臺(tái)，面向包括政府職能部門、整車企業(yè)、信息服務(wù)運(yùn)營(yíng)企業(yè)及個(gè)人用戶等在內(nèi)的不同類型用戶，實(shí)現(xiàn)云端和終端設(shè)備的協(xié)調(diào)控制。

2 車聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)研究綜述

V2X技術(shù)使用無線信號(hào)與兼容系統(tǒng)進(jìn)行通信，從而使車輛能夠改善對(duì)環(huán)境中物體和事件的態(tài)勢(shì)感知。目前，車聯(lián)網(wǎng)的通信標(biāo)準(zhǔn)分為專用短程通信（dedicated short range communication，DSRC）和蜂窩車聯(lián)網(wǎng)（cellular vehicle to everything，C-V2X）兩種主流技術(shù)路線。

（1）DSRC

DSRC（IEEE 802.11p）本質(zhì)上是由電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）于2009年標(biāo)準(zhǔn)化的Wi-Fi衍生產(chǎn)品（802.11a）。由美國(guó)最先提出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，后續(xù)歐盟、日本、新加坡等國(guó)基于美國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)，相繼推出自己的通信標(biāo)準(zhǔn)。雖然各國(guó)是基于美國(guó)的DSRC標(biāo)準(zhǔn)制定的，但在頻段劃分、定義、使用方面存在差異。美國(guó)最早授權(quán)了5.850～5.925 GHz頻段作為V2X通信專有頻段，日本分別授權(quán)了5.79～5.81GHz和5.83～5.85 GHz作為V2X通信專有頻段，而歐洲則采用了5.795～5.815 GHz和5.855～5.925GHz頻段作為V2X專有通信頻段。DSRC具備專屬帶寬和短距離通信的技術(shù)特點(diǎn)。在IEEE標(biāo)準(zhǔn)中802.11的信道只定義了核心頻率，并沒有定義特定帶寬，而美國(guó)和歐盟的標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)不同的編號(hào)信道提出特定的信道帶寬。將75MHz的帶寬作為 DSRC 專屬的交通安全頻譜，并將75MHz 的帶寬分為7個(gè)頻道。

從路端與車端的部署來看，美國(guó)已有26個(gè)州在試點(diǎn)部署應(yīng)用DSRC的路側(cè)設(shè)備，路側(cè)設(shè)備使用5.9 GHz頻譜的已達(dá)9000多個(gè)，截止到2020年1月份有超過18000輛支持后裝V2X的車輛在路上。通信連接技術(shù)具有快速更新迭代的特性，一個(gè)新的通信技術(shù)，如果在短期內(nèi)沒有得到廣泛支持，該技術(shù)就面臨著可能被其他技術(shù)替代的風(fēng)險(xiǎn)。但是美國(guó)自2016年開始布局DSRC技術(shù)，就現(xiàn)在的部署規(guī)模及應(yīng)用覆蓋率，美國(guó)的DSRC發(fā)展依舊緩慢。2019年12月，美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)（ Federal Communications Commission）提出一項(xiàng)提議，將原本分配給DSRC的5.850-5.925 GHz頻段重新分配。5.850-5.895GHz的頻段被分配給WIFI設(shè)備，5.895GHz-5.905GHz分配給DSRC或者C-V2X，5.905GHz-5.925GHz分配給C-V2X設(shè)備 。雖然這一提議引起眾多反對(duì)，但可以看出DSRC確實(shí)存在被取代的風(fēng)險(xiǎn)。造成這個(gè)現(xiàn)象的原因主要有幾個(gè)方面，從政策標(biāo)準(zhǔn)角度來看，雖然美國(guó)起步較早，但是缺少一個(gè)強(qiáng)勢(shì)部門進(jìn)行政策指導(dǎo)，由于國(guó)家體制因素，政策不斷變化，缺乏始終如一的政策引導(dǎo)。同時(shí)美國(guó)交通部崇尚技術(shù)中立性，在美國(guó)出現(xiàn)DSRC和C-V2X技術(shù)路線搖擺的時(shí)候并沒有出手干預(yù)選擇，因此整個(gè)產(chǎn)業(yè)環(huán)境進(jìn)入了“內(nèi)耗”的狀態(tài)。從技術(shù)角度來看，DSRC不能平滑過渡到5G，而5G是車聯(lián)網(wǎng)通信的未來技術(shù)，由于技術(shù)兼容的成本非常高昂，如果選擇DSRC，當(dāng)5G大規(guī)模應(yīng)用時(shí)，搭載DSRC的車輛將成為無法連通的部分。從市場(chǎng)角度來看，DSRC的商業(yè)模式不清晰，相比于C-V2X，DSRC繞過了通信運(yùn)營(yíng)商，無法得到相關(guān)通信產(chǎn)業(yè)利益方的支持。

（2）C-V2X

蜂窩車聯(lián)網(wǎng)（C-V2X，Cellular Vehicle to Everything）是5GAA（5GAutomotive Association）提出的新術(shù)語(yǔ)，目的是為了區(qū)別IEEE 802.11p，專指基于蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的V2X無線通信技術(shù)。C-V2X技術(shù)是我國(guó)基于3GPP R14版本，主導(dǎo)推動(dòng)的車用無線通信技術(shù)。早期由大唐電信、高通、華為、樂金電子等企業(yè)共同在3GPP研究LTE-V2X國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定，標(biāo)準(zhǔn)化工作已于2017年3月完成。隨著智能網(wǎng)聯(lián)汽車研發(fā)的深入，對(duì)通信傳輸速率、低時(shí)延、高可靠性等提出了更高要求，LTE-eV2X的Release-15標(biāo)準(zhǔn)，已于2018年6月正式發(fā)布。同時(shí)LTE-V2X向NR-V2X演進(jìn)，3GPP在5G新空口無線傳輸基礎(chǔ)上制定NR-V2X的Release-16 標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)研究工作已于 2018 年 6 月啟動(dòng)。由于疫情影響，該版本凍結(jié)時(shí)間多次延后，于2020年7月3日宣布正式凍結(jié)，這是基于5G NR新空口的第一版V2X標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)支持增強(qiáng) 5G-V2X 的Release-17 標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)準(zhǔn)備工作已于 2019 年底開展，目前該階段的工作正在制定中。

C-V2X技術(shù)，包括蜂窩方式和直通方式兩種工作模式。蜂窩方式是指終端和基站之間通過Uu接口通信，利用基站作為集中式的控制中心和數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)發(fā)中心，由基站完成集中式調(diào)度、擁塞控制和干擾協(xié)調(diào)等，可以顯著提高C-V2X的接入和組網(wǎng)效率，保證業(yè)務(wù)的連續(xù)性和可靠性。直通方式是指車與車、車與路、車與人間通過PC5接口實(shí)現(xiàn)直接通信，這種通信方式滿足了自動(dòng)駕駛低時(shí)延高可靠、節(jié)點(diǎn)高速運(yùn)動(dòng)、隱藏終端等傳輸要求。蜂窩通信（Uu）和直通通信（PC5）兩種模式優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，通過合理分配系統(tǒng)負(fù)荷，自適應(yīng)快速實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)高可靠和連續(xù)通信。C-V2X在LTE蜂窩網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，在幀結(jié)構(gòu)、最大發(fā)射功率、擁塞控制、信息安全機(jī)制等方面優(yōu)化了系統(tǒng)性能。采用感知信道與半持續(xù)調(diào)度結(jié)合的分布式資源調(diào)度機(jī)制，在兼顧其它發(fā)送節(jié)點(diǎn)的需求和業(yè)務(wù)的周期性嚴(yán)苛要求下，既減少了系統(tǒng)干擾也減少了信令開銷，又提高了信息傳輸?shù)目煽啃?。相比于DSRC具有更高的鏈路預(yù)算、系統(tǒng)性能、覆蓋范圍、移動(dòng)性支持和可靠性。同時(shí)C-V2X支持不同網(wǎng)絡(luò)參與者之間的實(shí)時(shí)、低延遲通信，可以提供從LTE到5G的演進(jìn)路徑。

（3）DSRC與C-V2X對(duì)比

從物理層來看，DSRC與C-V2X主要有兩點(diǎn)差異。一方面，C-V2X可使用部分帶寬發(fā)送，DSRC則是使用全部帶寬發(fā)送，C-V2X 功率譜密度較高。另一方面，DSRC屬于視距傳輸技術(shù)，障礙物過多的場(chǎng)景會(huì)影響其傳輸效率，C-V2X使用Turbo碼，編碼增益高，而且C-V2X CP長(zhǎng)度為4.7μs，更適合室外環(huán)境。

從MAC層來看，DSRC與C-V2X有三點(diǎn)差異。第一，DSRC資源調(diào)配方式為CSMA/CA，在節(jié)點(diǎn)數(shù)較多時(shí)競(jìng)爭(zhēng)增大了沖突概率，C-V2X資源調(diào)配可以將分布式與集中式相結(jié)合來提高效率，而且資源分配具有周期性，一旦選擇成功，可以持續(xù)使用一段時(shí)間，連續(xù)性好、調(diào)度效率高。第二，DSRC存在隱藏節(jié)點(diǎn)、時(shí)延上限不確定，C-V2X 可以根據(jù)地理位置選擇資源池，相鄰區(qū)域的LTE使用正交的資源池降低了沖突概率，解決了隱藏節(jié)點(diǎn)的問題。第三，DSRC在重負(fù)荷情況下不能保證節(jié)點(diǎn)接人信道的公平性，C-V2X采用網(wǎng)絡(luò)控制的資源管理加QoS管理保證重負(fù)荷下的系統(tǒng)性能。

在基礎(chǔ)技術(shù)指標(biāo)上存在三點(diǎn)最根本差異。DSRC采用短距直連傳輸，C-V2X采用蜂窩通信（Uu）和直通通信（PC5），形成雙鏈路互支撐和雙冗余，保證業(yè)務(wù)的連續(xù)性和可靠性。在演進(jìn)性上，DSRC缺乏演進(jìn)路線，而C-V2X具備從LTE到5G的演進(jìn)路線，可為自動(dòng)駕駛提供高吞吐量、超低延遲和高可靠性的傳輸服務(wù)。在成熟度上，DSRC雖然發(fā)展較C-V2X成熟，但是國(guó)內(nèi)C-V2X具備良好的研究基礎(chǔ)，華為、愛立信、英特爾、高通和諾基亞等都在積極推動(dòng)C-V2X芯片和設(shè)備產(chǎn)業(yè)化，車企也紛紛聯(lián)合通信企業(yè)開展C-V2X技術(shù)測(cè)試，C-V2X在產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程方面與DSRC的差距逐漸減少。

隨著國(guó)家層面強(qiáng)有力的指引和支持，目前來看C-V2X 技術(shù)發(fā)展更具長(zhǎng)期發(fā)展的潛力。并且C-V2X屬于中國(guó)主導(dǎo)的車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，有利于國(guó)內(nèi)企業(yè)規(guī)避專利風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)能夠借助C-V2X技術(shù)發(fā)揮中國(guó)影響力并擴(kuò)展到其他國(guó)家。

3 C-V2X 應(yīng)用前景

C-V2X 產(chǎn)業(yè)鏈主要包括通信芯片、通信模組、終端設(shè)備、整車、智能道路、測(cè)試驗(yàn)證以及運(yùn)營(yíng)與服務(wù)環(huán)節(jié)，其中的參與方包括芯片廠商、設(shè)備廠商、主機(jī)廠、方案商、電信運(yùn)營(yíng)商、交通運(yùn)營(yíng)部門和交通管理部門等。此外，相關(guān)科研院所、標(biāo)準(zhǔn)組織、投資機(jī)構(gòu)及關(guān)聯(lián)的技術(shù)產(chǎn)業(yè)對(duì)C-V2X產(chǎn)業(yè)落地應(yīng)用起到了支撐與推動(dòng)的作用。

根據(jù)汽車零部件供應(yīng)商博世的數(shù)據(jù)，到2025年，車聯(lián)網(wǎng)汽車可以挽救11，000人的生命并減少260，000起事故，創(chuàng)造2530億美元的應(yīng)用收入，并且每年節(jié)省2.8億小時(shí)的駕駛時(shí)間。由此可見C-V2X的商業(yè)前景十分可觀，而有了5G的助力，車內(nèi)外的場(chǎng)景也將變得更加多元化。汽車不再是簡(jiǎn)單的交通代步工具，未來形態(tài)將是人、車、路、網(wǎng)的全新融合。

目前，C-V2X商業(yè)化進(jìn)程才剛剛處于起步階段，還存在著諸多待解決的問題：

1、信息安全缺乏有力保護(hù)

在C-V2X中，聯(lián)網(wǎng)汽車會(huì)實(shí)時(shí)向周圍設(shè)備分享位置信息和駕駛意圖，這導(dǎo)致駕駛員和汽車的數(shù)據(jù)被更大范圍的暴露，極易被不法分子利用損害車主利益。如何保護(hù)用戶的隱私數(shù)據(jù)安全，在國(guó)內(nèi)業(yè)界還處在討論階段。

2、量產(chǎn)產(chǎn)品未達(dá)到商業(yè)化程度

雖然國(guó)內(nèi)在車聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的關(guān)鍵產(chǎn)品如芯片、車載終端、道路智能化終端等方面加大自主研發(fā)投入，但整體形勢(shì)距離商業(yè)化應(yīng)用仍有差距。如何同步提升路端與車端聯(lián)網(wǎng)設(shè)備覆蓋率也是亟待解決的關(guān)鍵問題。

3、車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展商業(yè)模式不清晰

車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈條較長(zhǎng)，涵蓋芯片、模組、終端、平臺(tái)、測(cè)試驗(yàn)證、網(wǎng)絡(luò)安全、系統(tǒng)集成等多個(gè)方面，目前競(jìng)爭(zhēng)格局未定，缺少主導(dǎo)企業(yè)，沒有完善的可持續(xù)建設(shè)運(yùn)營(yíng)模式等問題，導(dǎo)致整個(gè)產(chǎn)業(yè)沒有核心凝聚力，產(chǎn)業(yè)推動(dòng)力量發(fā)散。

總體來看，C-V2X真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化落地仍需要時(shí)間以及包括政府、相關(guān)企業(yè)在內(nèi)的多方努力配合。

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