基于PC5/Uu模式的LTE-V2X測(cè)試*

華國(guó)棟 李俊虎,2 王眾 李寧 梁軍,2

（1.江蘇智行未來汽車研究院有限公司，南京 211111；2.江蘇大學(xué)汽車工程研究院，鎮(zhèn)江 212013）

主題詞：LTE-V2X 通信測(cè)試 車路協(xié)同 路側(cè)單元 車載單元

LTE Long Term Evolution

V2X Vehicle to Everything

DSRC Dedicated Short Range Communication

MAC Medium Access Control

CAV Connected Autonomous

BSM Basic Safety Message

UE User Equipment

RSU Road Side Unit

OBU On-board Unit

GNSS Global Navigation Satellite System

PLR Packet Loss Rate

1 引言

目前，主流的V2X通信技術(shù)包括DSRC通信和CV2X通信。DSRC 由IEEE 標(biāo)準(zhǔn)和SAE 標(biāo)準(zhǔn)組成，在物理層和MAC 層采用802.11p 協(xié)議，C-V2X 通信主要包括LTE-V2X 和5G NR-V2X 兩種通信技術(shù)，是從4G/5G 蜂窩通信技術(shù)發(fā)展而來的一種汽車無線通信技術(shù)，通過第三代合作項(xiàng)目(3GPP)不斷發(fā)展和完善。C-V2X 基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，具有部署成本低、網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣的優(yōu)點(diǎn)，與DSRC相比具有比較明顯的優(yōu)勢(shì)，是國(guó)內(nèi)V2X技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的首選。

V2X通信用于車路協(xié)同功能，為駕駛員提供交通狀態(tài)信息和危險(xiǎn)預(yù)警信息，因此對(duì)于V2X 通信及時(shí)性、準(zhǔn)確性提出了較高要求，隨著LTE-V2X相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定，以及基于LTE-V2X 通信的路側(cè)單元和車載單元產(chǎn)品的發(fā)展，現(xiàn)在亟需進(jìn)行基于設(shè)備的實(shí)車測(cè)試，對(duì)相關(guān)產(chǎn)品和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證，促進(jìn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定，加快產(chǎn)業(yè)化。

目前已經(jīng)有一些科研工作者針對(duì)LTE-V2X 展開測(cè)試，F(xiàn)an等提出了LTE-V2X 的測(cè)試方法和具體內(nèi)容，并全面評(píng)估了LTE-V2X 的通信屬性；Shi等通過實(shí)車測(cè)試對(duì)比DSRC和LTE-V2X的應(yīng)用性能，通過構(gòu)建概率模型，評(píng)估交叉口碰撞預(yù)警應(yīng)用；Kawasaki等設(shè)計(jì)了碰撞預(yù)警功能測(cè)試，對(duì)比分析了基于PC5和Uu的LTE-V2X 在碰撞預(yù)警中應(yīng)用的性能；Zhang等在長(zhǎng)安大學(xué)的CAV測(cè)試場(chǎng)地構(gòu)建了多個(gè)典型測(cè)試場(chǎng)景，以測(cè)試DSRC 和LTE-V2X 在實(shí)際道路環(huán)境中的通信性能。

本文主要針對(duì)路側(cè)單元和車載單元相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試，主要包括2方面測(cè)試內(nèi)容：

（1）功能性測(cè)試，根據(jù)設(shè)計(jì)的車路協(xié)同路側(cè)端功能，進(jìn)行場(chǎng)地和設(shè)備部署，實(shí)現(xiàn)每個(gè)功能所需要的測(cè)試場(chǎng)景，并對(duì)功能能否有效實(shí)現(xiàn)進(jìn)行測(cè)試；

（2）通信性能測(cè)試，主要測(cè)試設(shè)備的通信延時(shí)和丟包率是否滿足功能需求。

2 測(cè)試內(nèi)容

基于V2X通信的實(shí)車測(cè)試通常包括功能測(cè)試、通信性能測(cè)試和協(xié)議一致性測(cè)試等，本文進(jìn)行了功能測(cè)試和通信性能測(cè)試。LTE-V2X包含2種工作模式，即短程分布式直連通信（PC5模式）和廣域集中式蜂窩通信（Uu 模式）。基于PC5 模式的LTE-V2X 通信采用側(cè)鏈路（Sidelink），即設(shè)備間直連通信，車輛直接廣播自車基礎(chǔ)安全信息（Basic Safety Message，BSM），自車也接收來自其它車輛的BSM；基于Uu 模式的LTEV2X 通信采用上行鏈路（Uplink）和下行鏈路（Down?link），Uplink 是指用戶設(shè)備（User Equipment，UE）到eNB（eNodeB，基站），Downlink是指eNB到UE，即用戶通過上行鏈路向基站單播傳輸信息，基站通過下行鏈路向用戶廣播信息。

2.1 功能測(cè)試

功能測(cè)試用于檢測(cè)設(shè)備是否能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的功能，評(píng)價(jià)功能的有效性。根據(jù)車路協(xié)同路側(cè)端所實(shí)現(xiàn)的功能，將其分為2大類型，分別為交通誘導(dǎo)類功能和道路感知類功能，具體包含功能如表1所示。

表1 功能測(cè)試測(cè)試內(nèi)容

其中，交通誘導(dǎo)類功能是指通過車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)平臺(tái)將相應(yīng)道路信息傳至相應(yīng)路段路側(cè)RSU（其中，信號(hào)燈信息推送和闖紅燈預(yù)警功能是通過信號(hào)機(jī)直傳至路側(cè)RSU），RSU再以一定頻率向外廣播，在服務(wù)范圍內(nèi)的網(wǎng)聯(lián)車輛車載終端接收到推送的信息，用以提醒和誘導(dǎo)駕駛員駕駛行為，提高道路通行效率的功能；道路感知類功能則是指通過路側(cè)的感知設(shè)備感知車輛、行人和其他交通參與者，并將感知數(shù)據(jù)傳至RSU，RSU再以一定頻率向外廣播，在服務(wù)范圍內(nèi)的網(wǎng)聯(lián)車輛車載終端接收到推送的信息，用以提醒駕駛員其他交通參與者狀態(tài)信息，提高道路通行安全的功能。通過設(shè)計(jì)和部署相應(yīng)場(chǎng)景，檢測(cè)在場(chǎng)景中車載端是否能夠有效地接收到推送的信息，來判斷設(shè)備實(shí)現(xiàn)功能的有效性。

2.2 通信性能測(cè)試

通信性能測(cè)試用于檢測(cè)在不同的車速、距離、道路條件下，設(shè)備的通信性能，包括延時(shí)、丟包率、覆蓋范圍指標(biāo)，確定通信性能是否滿足V2X功能要求。

3 測(cè)試方法

3.1 測(cè)試設(shè)備和場(chǎng)地

本文進(jìn)行的實(shí)車測(cè)試分別在蘇州某車輛測(cè)試場(chǎng)地A、蘇州某車輛測(cè)試場(chǎng)地B、蘇州相城區(qū)相城大道和青龍港路開放道路進(jìn)行。在蘇州車輛測(cè)試場(chǎng)地A 對(duì)某廠家X 的網(wǎng)聯(lián)設(shè)備進(jìn)行了功能性測(cè)試和PC5 模式的通信性能測(cè)試；在蘇州車輛測(cè)試場(chǎng)地B對(duì)廠家Y的網(wǎng)聯(lián)設(shè)備進(jìn)行了功能性測(cè)試；在蘇州市相城區(qū)開放道路進(jìn)行了Uu模式的通信性能測(cè)試。蘇州車輛測(cè)試場(chǎng)地A 如圖1 所示。蘇州車輛測(cè)試場(chǎng)地B 如圖2 和圖3所示。所有測(cè)試項(xiàng)目均選擇在晴天進(jìn)行，避免惡劣天氣對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

圖1 蘇州車輛測(cè)試場(chǎng)地A

圖2 蘇州車輛測(cè)試場(chǎng)地B

圖3 蘇州車輛測(cè)試場(chǎng)地B的測(cè)試車輛

蘇州車輛測(cè)試場(chǎng)地A測(cè)試中使用的RSU、OBU是廠家X 的產(chǎn)品，使用的雷視一體機(jī)是廠家Y 的產(chǎn)品，使用的激光雷達(dá)是廠家Z 的128 線混合固態(tài)激光雷達(dá)，使用的信號(hào)控制機(jī)是廠家X的產(chǎn)品，參數(shù)如表2～6所示，設(shè)備安裝位置見圖1所示，其中信號(hào)燈與交通信號(hào)控制機(jī)通過有線連接的方式通信，路側(cè)RSU通過有線連接的方式獲取交通信號(hào)控制機(jī)的數(shù)據(jù)。路側(cè)感知設(shè)備包括激光雷達(dá)、雷視一體機(jī)均通過有線連接的方式與路側(cè)RSU 進(jìn)行通信，車載OBU 與路側(cè)RSU 通過LTE-V2X 進(jìn)行通信，移動(dòng)設(shè)備終端與車載OBU 通過藍(lán)牙進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

表2 廠家X路側(cè)終端參數(shù)

表3 廠家X車載終端參數(shù)

表4 廠家Y可視化雷達(dá)檢測(cè)器參數(shù)

表5 廠家Z激光雷達(dá)參數(shù)

表6 廠家X信號(hào)控制機(jī)參數(shù)

蘇州車輛測(cè)試場(chǎng)地B測(cè)試中使用的RSU、OBU、雷視一體機(jī)是廠家Y 的產(chǎn)品，參數(shù)如表4、7、8 所示，RSU、OBU和雷視一體機(jī)均安裝在T型桿1上，安裝方向?yàn)樵趫D2設(shè)計(jì)圖中朝向西安裝，T型桿2上安裝了一個(gè)攝像頭，安裝方向?yàn)樵趫D2設(shè)計(jì)圖中與東北方向的車道平行。測(cè)試網(wǎng)聯(lián)車輛及其內(nèi)部設(shè)備如圖3所示。其中信號(hào)燈與交通信號(hào)控制機(jī)通過有線連接的方式通信，路側(cè)RSU通過有線連接的方式獲取交通信號(hào)控制機(jī)的數(shù)據(jù)。路側(cè)感知設(shè)備包括激光雷達(dá)、雷視一體機(jī)均通過有線連接的方式與路側(cè)RSU進(jìn)行通信，車載OBU 與路側(cè)RSU 通過LTE-V2X 進(jìn)行通信，移動(dòng)設(shè)備終端與車載OBU通過藍(lán)牙進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

表7 廠家Y路側(cè)終端參數(shù)

表8 廠家Y車載終端參數(shù)

3.2 功能測(cè)試

在蘇州車輛測(cè)試場(chǎng)地A，針對(duì)廠家X 的設(shè)備進(jìn)行了交通誘導(dǎo)類功能和道路感知類功能的測(cè)試，如圖1所示。測(cè)試車輛從1 號(hào)位置出發(fā)，依次通過2～8 號(hào)站點(diǎn)，測(cè)試車輛到達(dá)2 號(hào)站點(diǎn)前觸發(fā)信號(hào)燈信息推送和道路動(dòng)態(tài)限速信息提醒，提示駕駛員信號(hào)燈狀態(tài)、信號(hào)相位剩余時(shí)間及道路限速信息，車載單元根據(jù)自身車速判斷當(dāng)前是否超速，給予駕駛員提醒。在第一圈、第二圈、第三圈、第四圈和第五圈到達(dá)3號(hào)站點(diǎn)后，分別觸發(fā)闖紅燈預(yù)警、進(jìn)行信號(hào)燈反控測(cè)試、觸發(fā)道路分時(shí)禁行信息提醒、觸發(fā)可變車道信息提醒、觸發(fā)潮汐車道信息提醒。在第一圈、第二圈、第三圈到達(dá)4號(hào)站點(diǎn)前分別觸發(fā)交叉口碰撞預(yù)警、匝道車輛匯入預(yù)警、道路交通管制信息提醒。當(dāng)交叉口碰撞預(yù)警、匝道車輛匯入預(yù)警觸發(fā)時(shí)，路側(cè)感知單元將車輛、行人感知數(shù)據(jù)傳至RSU，測(cè)試車輛接收到RSU 數(shù)據(jù)，發(fā)出預(yù)警信息。在到達(dá)6號(hào)站點(diǎn)前觸發(fā)弱勢(shì)交通參與者碰撞預(yù)警，提醒駕駛員注意弱勢(shì)交通參與者，避免發(fā)生碰撞。在第一圈、第二圈、第三圈到達(dá)7號(hào)站點(diǎn)前分別觸發(fā)前方道路施工信息提醒、前方道路擁堵提醒、交通事故信息推送。在第一圈、第二圈、第三圈到達(dá)8號(hào)站點(diǎn)前觸發(fā)小區(qū)/單位出入口碰撞預(yù)警、觸發(fā)緊急車輛信息發(fā)布和停車場(chǎng)信息發(fā)布。車載OBU 接收到數(shù)據(jù)后，通過藍(lán)牙發(fā)送到移動(dòng)設(shè)備，圖4所示為測(cè)試過程中部分場(chǎng)景移動(dòng)設(shè)備顯示的預(yù)警信息，左側(cè)圓圈內(nèi)為預(yù)警內(nèi)容圖例，中間圓圈為當(dāng)前車速，右側(cè)紅色圓圈為紅燈剩余時(shí)間或距離預(yù)警地點(diǎn)距離。

圖4 移動(dòng)設(shè)備顯示信息

在蘇州車輛測(cè)試場(chǎng)地B，針對(duì)廠家Y的設(shè)備進(jìn)行了交通誘導(dǎo)類功能和道路感知類功能的測(cè)試。如圖2所示，測(cè)試車輛繞場(chǎng)地行駛，每圈到達(dá)T型桿1所朝向的車道時(shí)觸發(fā)功能。圖5所示為信號(hào)燈信息推送和闖紅燈預(yù)警測(cè)試過程中設(shè)備顯示信號(hào)燈信息示例，在測(cè)試車輛接近路口時(shí)，設(shè)備正常接收到信號(hào)燈推送信息，且信號(hào)燈轉(zhuǎn)變?yōu)榧t燈時(shí)，能發(fā)出禁止通行警告。圖5中右上角數(shù)字分別代表綠燈時(shí)長(zhǎng)、紅燈時(shí)長(zhǎng)和車速信息。

圖5 設(shè)備顯示信息

測(cè)試過程中，每個(gè)功能均以不同的行駛速度（20 km/h、40 km/h、60 km/h、80 km/h、100 km/h）測(cè)試10 次，每次記錄測(cè)試時(shí)間、地點(diǎn)、天氣、測(cè)試設(shè)備型號(hào)，測(cè)試車輛預(yù)警時(shí)車速、預(yù)警距離參數(shù)和是否正確預(yù)警。

經(jīng)過測(cè)試，所設(shè)計(jì)的功能均能有效地為駕駛員提供預(yù)警信息，并且測(cè)試車輛能夠正常接收到路側(cè)單元推送信息，發(fā)出正確地預(yù)警。測(cè)試過程中，預(yù)警距離在0～300 m之間。

3.3 通信性能測(cè)試

3.3.1 PC5模式通信性能測(cè)試

在蘇州車輛測(cè)試場(chǎng)地A，選擇信號(hào)燈信息推送場(chǎng)景進(jìn)行PC5 模式通信性能測(cè)試，測(cè)試項(xiàng)目包括通信延時(shí)、丟包率2項(xiàng)。對(duì)測(cè)試車輛分別進(jìn)行靜態(tài)條件下和動(dòng)態(tài)條件下通信延時(shí)和丟包率的測(cè)試。其中，靜態(tài)條件下，以距離為變量，50 m為間隔，分別測(cè)試距離RSU水平距離10～510 m時(shí)測(cè)試車輛靜止?fàn)顟B(tài)下的通信延時(shí)和丟包率；動(dòng)態(tài)條件下，測(cè)試車輛從距離RSU水平距離為0 的位置出發(fā)，分別以20 km/h、40 km/h、60 km/h 的速度進(jìn)行3組測(cè)試，以距離為變量，50 m為間隔，分別測(cè)試距離RSU水平距離10～510 m時(shí)的通信延時(shí)和丟包率（Packet Loss Rate，PLR）。測(cè)試過程中，在測(cè)試車輛和RSU 之間沒有干擾車輛、行人和遮擋物。其中，路側(cè)RSU 與車載OBU 采用GNSS 時(shí)鐘同步。通信延時(shí)為數(shù)據(jù)包接收時(shí)間與數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)間之差，丟包率PLR=(P-P)/P，其中P為發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)，P為接收的數(shù)據(jù)包數(shù)。

3.3.2 Uu模式通信性能測(cè)試

同樣采用信號(hào)燈推送場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試在蘇州市相城區(qū)開放道路上，基于Uu 模式的通信延時(shí)和丟包率。對(duì)測(cè)試車輛分別進(jìn)行靜態(tài)條件下和動(dòng)態(tài)條件下通信延時(shí)和丟包率的測(cè)試，其中，靜態(tài)條件下，以距離為變量，50 m 為間隔，分別測(cè)試距離eNB 水平距離10～510 m 時(shí)測(cè)試車輛靜止?fàn)顟B(tài)下的通信延時(shí)和丟包率；動(dòng)態(tài)條件下，測(cè)試車輛從距離eNB水平距離為0的位置出發(fā)，分別以20 km/h、40 km/h 和60 km/h 的速度進(jìn)行3組測(cè)試，以距離為變量，50 m為間隔，分別測(cè)試距離eNB 水平距離10～510 m 時(shí)的通信延時(shí)和丟包率。測(cè)試過程中，在測(cè)試車輛和RSU之間沒有干擾車輛、行人和遮擋物。

進(jìn)行以上測(cè)試并記錄通信延時(shí)和丟包率數(shù)據(jù)，結(jié)果如表9～11所示。

表9 在20 km/h速度下通信延時(shí)和丟包率

表10 在40 km/h速度下通信延時(shí)和丟包率

表11 在60 km/h速度下通信延時(shí)和丟包率

4 結(jié)果分析

對(duì)于功能測(cè)試，在不同的測(cè)試速度和預(yù)警距離下，車輛都能正常接收到預(yù)警信息，駕駛員能夠根據(jù)不同的預(yù)警功能，及時(shí)做出決策。

對(duì)于通信性能測(cè)試，隨著測(cè)試距離的增加或測(cè)試車輛速度的增加，通信延時(shí)均會(huì)略微增加，但影響并不顯著。兩種通信方式丟包率均比較小，隨著測(cè)試距離的增加或測(cè)試車輛速度的增加，丟包率也會(huì)增加，但丟包率受速度影響較小，當(dāng)距離增加到一定值時(shí)，丟包率受距離影響較大，丟包率會(huì)出現(xiàn)一定幅度的增加。因此在500～600 m 之間進(jìn)行了多組測(cè)試，得到PC5 和Uu 模式丟包率數(shù)據(jù)最大值分別為0.69%和2.33%，PC5模式丟包率滿足功能需求，而Uu模式的丟包率稍大；針對(duì)通信延時(shí)，經(jīng)測(cè)試兩種通信方式的有效通信范圍約為600 m，在600 m以內(nèi)2種通信方式的平均通信延時(shí)分別為7 ms 和16 ms，隨著車輛行駛速度的增加，通信延時(shí)也有所增加，但變化幅度不大，PC5模式通信延時(shí)滿足各功能需求，而Uu模式的通信延時(shí)稍大。因此在有效的通信范圍內(nèi)，保持正常車速行駛，PC5模式的丟包率和通信延時(shí)可以滿足功能的需要，而Uu模式則不能單獨(dú)滿足功能的需要，只能與PC5模式同時(shí)使用以增大通信數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

對(duì)比2 種通信方式可以發(fā)現(xiàn)，在同樣的速度和距離條件下，PC5模式相較于Uu模式有較低的通信延時(shí)和丟包率，這有可能是由于基于Uu 模式的通信方式需要將數(shù)據(jù)經(jīng)過eNB 進(jìn)行中轉(zhuǎn)，因此相較于基于PC5模式的直連通信方式，基于Uu 模式的通信方式通信延時(shí)和丟包率都會(huì)較高。但在實(shí)際應(yīng)用測(cè)試中，基于PC5的直連通信面臨的干擾非常大，比如道路上復(fù)雜的交通環(huán)境造成的遮擋干擾、金屬材料干擾、建筑物干擾等，會(huì)極大影響PC5方式下通信的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。因此，對(duì)基于PC5模式的直連通信應(yīng)用具有較大挑戰(zhàn)。

5 結(jié)論

目前，在測(cè)試場(chǎng)景中，基于PC5和Uu的LTE-V2X的性能可以滿足車路協(xié)同路側(cè)端功能的需要，能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)功能的預(yù)警作用，但由于真實(shí)道路狀況復(fù)雜，存在很多干擾，而且PC5和Uu模式各有優(yōu)缺點(diǎn)，因此還不能廣泛應(yīng)用在真實(shí)的復(fù)雜路況中。同時(shí)由于5G V2X 更高可靠性、更低延時(shí)以及更好的兼容性，CV2X 正在從LTE-V2X 向5G NR-V2X 演進(jìn)，對(duì)LTEV2X 進(jìn)行測(cè)試，能夠推動(dòng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)建立和5G V2X 的發(fā)展，加速產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度。

由于設(shè)備和人員的局限，只通過V2I 對(duì)車路協(xié)同路側(cè)端功能場(chǎng)景進(jìn)行了多組測(cè)試，并將通信延時(shí)和丟包率作為通信性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，在未來的測(cè)試中，希望可以在真實(shí)路況中，通過V2X包含的各種方式進(jìn)行測(cè)試，并選擇多種評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，能夠更加合理地部署網(wǎng)聯(lián)設(shè)備，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)通信性能。并希望在以后的研究中能夠補(bǔ)充其他廠家芯片和設(shè)備，對(duì)本文測(cè)試結(jié)果進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，提高結(jié)論的普適度。