V2X技術(shù)在通信系統(tǒng)架構(gòu)中的應(yīng)用

薄 濤，王小磊，馮 凱，毛生發(fā)，杜江鵬

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

目前，無論是人工駕駛還是自動駕駛，在單車感知方面均存在諸多限制因素，如感知距離有限、易受障礙物遮擋等。而通過車用無線通信（Vehicle to Everything, V2X）技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)車輛與其他交通參與者或基礎(chǔ)設(shè)施之間的數(shù)據(jù)交互、共享，可以建立實時、可靠的通信網(wǎng)絡(luò)，使車與車、車與路、車與云之間的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)能夠有效相互利用，彌補單車感知缺陷。同時，基于 V2X的車路協(xié)同決策可以有效提高交通效率，降低事故發(fā)生率，提升車輛駕乘體驗。

1 V2X技術(shù)路線

V2X是指車與周邊環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)的全方位通信，包括車與車（Vehicle to Vehicle, V2V）、車與基礎(chǔ)設(shè)施（Vehicle to Infrastructure, V2I)、車與人（Vehicle to Pedestrian, V2P）、車與網(wǎng)絡(luò)（Vehicle to Network, V2N）四種通信方式，這些通信方式共同構(gòu)成交通環(huán)境中不同實體間的信息交互網(wǎng)絡(luò)[1]。以依靠V2X技術(shù)實現(xiàn)的多車編隊行駛為例，此場景的主要通信方式為V2V通信，編隊行駛車輛成員車之間、成員車與周邊車之間，通過實時交換車輛狀態(tài)、定位和車輛控制等信息，保證編隊車輛安全、高效地行駛。

V2X主要包括兩種技術(shù)路線，專用短程通信技術(shù)（Dedicated Short Range Communication,DSRC）和蜂窩車聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)（Cellular Vehicle to Everything, C-V2X）。其中，DSRC的發(fā)展以電氣與電子工程師協(xié)會（Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE）發(fā)布的 802.11P 和1609.X系列標準為理論依據(jù)，屬于無線連接（Wireless Fidelity, WI-FI）技術(shù)的拓展變種，我國由于缺少相關(guān)核心知識產(chǎn)權(quán)布局，產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)較為薄弱，在 DSRC技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用方面并不具備優(yōu)勢。C-V2X則是由國際標準化組織——第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project,3GPP）提出，最開始出現(xiàn)在Release14版標準中，此版本確立了以長期演進（Long Term Evolution,LTE）-V2X為基礎(chǔ)的技術(shù)演進路線；在Release16版標準中提出基于 5G技術(shù)實現(xiàn)的新空口（New Radio, NR）-V2X通信方案，C-V2X技術(shù)標準的演進過程如圖1所示[2]。LTE-V2X作為現(xiàn)行技術(shù)，未來會向NR-V2X平滑演進，兩種技術(shù)并不會互相取代，而是作為互補長期保持共存。

圖1 3GPP C-V2X標準演進進展

相較于DSRC，C-V2X技術(shù)具有以下優(yōu)點：

1）發(fā)展空間更加廣闊，DSRC技術(shù)已于2010年停止更新，多國正逐步放棄DSRC向C-V2X進行技術(shù)轉(zhuǎn)型；C-V2X技術(shù)相關(guān)標準則仍在持續(xù)更新，支持LTE-V2X和NR-V2X混合應(yīng)用。

2）技術(shù)更加先進，LTE-V2X技術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸效率、通信帶寬等多個方面均優(yōu)于 DSRC技術(shù)，可靠性更高，未來NR-V2X技術(shù)落地后性能還將進一步提升，如表1所示。

表1 LTE-V通信制式與DSRC的性能比較

3）經(jīng)濟性更高，C-V2X通信芯片集成度高，可同時支持 PC5（LTE-V-Direct）和 UU（LTE-VCell）接口通信，有效降低功能拓展成本；借助于傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)方式，C-V2X可支持更為豐 富的應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)[3]。

2 LTE-V2X通信方式

在LTE-V2X通信中，當前技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)兩種通信接口：一種是基于設(shè)備間通信（Device to Device, D2D）的PC5通信接口[4]，支持多個V2X終端，如車載設(shè)備（On Board Unit, OBU）、路側(cè)設(shè)備（Road Side Unit, RSU）等，間距較小時的直連通信；另一種是針對終端與網(wǎng)絡(luò)基站間通信的UU接口，適用于V2X終端間距較大，直連通信質(zhì)量難以得到保證，需借助4G/5G網(wǎng)絡(luò)作為載體進行通信的情況。

PC5接口的傳輸資源分配方式主要包括兩種：第一種是集中式資源分配（Mode3），需要由用戶設(shè)備（User Equipment, UE）作為傳輸資源請求的發(fā)起者， PC5基站（eNodeB）收到請求后，通過半連續(xù)動態(tài)調(diào)度的方式進行資源分配；第二種是分布式資源分配（Mode4），它無需使用基站作為通信輔助設(shè)備，資源選擇時也無需用戶設(shè)備發(fā)出請求，只需用戶設(shè)備自身獨立進行資源選擇即可[5]。由于集中式資源分配是以 PC5基站作為調(diào)度中心，單個節(jié)點通信負荷較大，覆蓋范圍受基站通信能力影響，在時延和開銷方面并不具備優(yōu)勢，同時道路中高速行駛的車輛無法僅與單一基站通信，通信連接的不斷切換亦會大幅影響其效率與質(zhì)量。因此，在實際交通場景中，分布式資源分配方式有著更為廣闊的應(yīng)用前景。

當處于V2V通信方式時，主要實現(xiàn)車輛間的數(shù)據(jù)傳輸。由于通信雙方往往處于高速運動狀態(tài)，有著較高的相對速度，這就使得V2V通信對定位精準度、通信實時性與穩(wěn)定性有著較高需求。同時，由于交通環(huán)境不斷變化，單個OBU信號覆蓋范圍內(nèi)通信鏈路條數(shù)、信息交互需求存在較大不穩(wěn)定性，通信信道與通信環(huán)境相對復(fù)雜，因此，目前行業(yè)V2X技術(shù)研究重點在于探索如何高效、穩(wěn)定地進行V2V通信[6]。PC5接口利用其直連通信無需基站輔助的特點，實現(xiàn)低時延、高穩(wěn)定通信，提高V2V通信方式的效率。

當處于 V2I通信方式時，主要實現(xiàn)車輛與道路基礎(chǔ)設(shè)施間的數(shù)據(jù)傳輸。由于基礎(chǔ)設(shè)施本身并不具備V2X通信能力，因此，需要搭載RSU作為信息交互的載體，同時作為局部調(diào)度、管理與監(jiān)測的設(shè)備。V2I通信不僅可以為車輛提供基礎(chǔ)設(shè)施的實時信息，還可以向政府交通管理平臺上傳車輛信息和道路基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)等相關(guān)數(shù)據(jù)以進行實時監(jiān)控。V2I通信方式為車輛間通信提供中繼節(jié)點，當車流量較小無法建立有效V2V通信鏈路時，RSU可以充當鏈路節(jié)點，減少對于周邊車輛的依賴，有利于實現(xiàn)長距離的數(shù)據(jù)傳遞。

當處于V2P通信方式時，主要實現(xiàn)車輛與弱勢交通參與者之間的數(shù)據(jù)傳輸。目前實現(xiàn)車輛對行人的識別及預(yù)警主要有兩種方式：第一種為行人穿戴V2X通信設(shè)備與車輛直接交互；第二種為RSU通過連接感知設(shè)備對行人進行識別及預(yù)測，將行人數(shù)據(jù)傳輸給車輛，屬于 V2I通信的一種變形。

3 LTE-V2X網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

國內(nèi) C-V2X 團體組織制定了 T∕CSAE 53—2020[7]和 T∕CSAE 157—2020[8]兩個階段的應(yīng)用場景標準，主要包含三大類別：安全類場景、效率類場景及信息類場景。其中以車輛、行人等交通參與者的安全類應(yīng)用為主，其次為交通效率提升類應(yīng)用，因此，在通信架構(gòu)設(shè)計時不能采用傳統(tǒng)的網(wǎng)聯(lián)通信架構(gòu)（即通過核心網(wǎng)來傳遞相關(guān)數(shù)據(jù)內(nèi)容），而應(yīng)選擇低時延、高可靠的架構(gòu)設(shè)計。3GPP組織在其Release14版通信標準中加入D2D通信方式，定義了基于PC5接口的LTE-V2X網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖2所示[9]。

圖2 基于PC5的LTE-V2X網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

該架構(gòu)以傳統(tǒng)LTE網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，新增了兩種功能實體：V2X控制功能實體（V2X Control Function）和V2X應(yīng)用服務(wù)器（V2X Application Server）。V2X控制功能實體主要負責(zé)V2X應(yīng)用服務(wù)的權(quán)限認證管理、授權(quán)發(fā)放、漫游管理，該實體并非獨立存在，而是部署于每個包含V2X業(yè)務(wù)的公共陸地移動網(wǎng)絡(luò)（Public Land Mobile Network,PLMN）中，通過 V3接口連接相鄰的用戶設(shè)備UE，并為之提供V2X通信所需參數(shù)。通過V4接口連接簽約用戶服務(wù)器（Home Subscriber Server,HSS）以調(diào)取用戶V2X服務(wù)權(quán)限，并基于該權(quán)限為用戶提供授權(quán)服務(wù)。V2X應(yīng)用服務(wù)器主要提供用戶數(shù)據(jù)存儲服務(wù)，一個V2X應(yīng)用服務(wù)器可以對應(yīng)多個 V2X控制功能實體，兩類實體間通過 V2接口進行通信。相鄰的用戶設(shè)備UE之間使用PC5接口進行直連通信，這種終端間的直接通信，可以滿足車輛高速移動時V2X通信對時延和穩(wěn)定性的需求，但是在大規(guī)模環(huán)境下信息交互壓力大幅增加，這時就需要對資源池以及擁塞控制能力進行更細致的設(shè)計與優(yōu)化。

4 軟件定義下的通信鏈路恢復(fù)

在軟件定義下的V2X通信技術(shù)中，包括通信連接建立、通信鏈路規(guī)劃和通信鏈路恢復(fù)三項關(guān)鍵技術(shù)[10]。通過軟件定義將V2X通信技術(shù)中的直連通信任務(wù)交由OBU內(nèi)部協(xié)議棧進行決策，當所有車輛都處于V2X消息廣播狀態(tài)時，OBU內(nèi)部決策模塊請求建立V2X直連通信鏈路；當V2X通信鏈路處于保持狀態(tài)時，OBU通過減少數(shù)據(jù)上報計算量，以降低通信數(shù)據(jù)量，減輕網(wǎng)絡(luò)傳輸負擔(dān)；當車輛需要獲取V2X直連通信范圍外的第n號車數(shù)據(jù)時，可通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站發(fā)送獲取第n號車數(shù)據(jù)的請求，第n號車將數(shù)據(jù)上傳至基站，由基站作為中繼節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳遞。

而在實際運行條件下，車輛間的高速相對運動、多樣的支路和岔路、路況的好壞等不確定因素，都使得車輛行駛存在不確定性，導(dǎo)致V2X多跳通信受到影響，為了確保節(jié)點間通信鏈路正常、有效，需要建立通信鏈路恢復(fù)機制。當一條通信鏈路中的某個節(jié)點車輛急加速、急減速或改變行駛方向，導(dǎo)致OBU間的V2V通信受到影響時，與之相鄰的兩節(jié)點車輛OBU內(nèi)部啟動相應(yīng)通信鏈路恢復(fù)機制，指導(dǎo)OBU與新的相鄰節(jié)點建立通信，保證多跳通信及時恢復(fù)正常。

V2X通信鏈路恢復(fù)示例如圖3所示。

圖3 V2X通信鏈路恢復(fù)示例

假設(shè)原通信鏈路為

某時刻，當前通信鏈路P中的一節(jié)點車輛Va改變了原有行駛方向，其OBU檢測到行駛狀態(tài)轉(zhuǎn)變并觸發(fā)“行駛狀態(tài)突變”信號，與之相鄰的兩節(jié)點車輛接收到該觸發(fā)信號后，立即開始嘗試在周邊具備V2X功能的車輛中尋找備用節(jié)點，對兩車之間的多跳通信鏈路進行修復(fù)。假設(shè)在原通信鏈路P中，車輛Va的上一跳節(jié)點為Va-1，車輛Va的下一跳節(jié)點為Va+1，則兩節(jié)點車輛OBU嘗試尋找的備份節(jié)點Va'，應(yīng)處于兩者之間且可以同時與Va-1、Va+1通信。假設(shè)兩車 OBU成功找到可用備份節(jié)點，則使用新的備份鏈路P'為

代替原鏈路P，即式（1），同時對新路徑P'中各節(jié)點內(nèi)部通信鏈路成員表進行維護：在Va'節(jié)點內(nèi)新增現(xiàn)有V1到Vn通信鏈路成員表，上一通信節(jié)點為Va-1，下一通信節(jié)點為Va+1，并向通信鏈路內(nèi)所有節(jié)點發(fā)送“通信鏈路更新”信號；在Va-1節(jié)點原有V1到Vn通信鏈路成員表中，將下一通信節(jié)點由Va更新為Va'；在Va+1節(jié)點原有V1到Vn通信鏈路成員表中，將上一通信節(jié)點由Va更新為Va'；其余鏈路內(nèi)節(jié)點僅對原Va節(jié)點進行信息更新，無需調(diào)整通信對象。若備份節(jié)點尋找失敗，則Va-1和Va+1節(jié)點向原鏈路P中所有剩余節(jié)點發(fā)送“通信鏈路恢復(fù)失敗”信號，各節(jié)點收到該信號后斷開鏈路P，并刪除相應(yīng)成員表。在備份節(jié)點尋找過程中，可用節(jié)點Va'不局限于單個車輛，亦可是另一條多跳通信鏈路，雖然這種修復(fù)方式可能會增加鏈路整體傳輸時延，但修復(fù)后僅改變了Va-1和Va+1兩個節(jié)點的通信對象，對其余節(jié)點的影響是最小的[10]。

5 結(jié)論

在V2X通信中，使用PC5接口的直連通信是當前最為高效的通信方式。依據(jù)目前行業(yè)整體技術(shù)狀態(tài)，通過在傳統(tǒng)的LTE-V2X通信架構(gòu)中引入軟件定義的方法，在OBU設(shè)計時根據(jù)軟件定義架構(gòu)為直連通信加入補傳鏈路和鏈路切換步驟，可以提升直連通信的穩(wěn)定性和安全性。因此，后期V2X通信技術(shù)的優(yōu)化主要考慮以下方面：

1）通信基礎(chǔ)技術(shù)升級，結(jié)合 5G技術(shù)升級V2X通信技術(shù)，利用 5G特性優(yōu)化通信的距離、時延、數(shù)據(jù)量和可靠性；

2）在協(xié)議棧和軟件的設(shè)計中引入軟件定義思想，通過在V2X直連通信鏈路中設(shè)計完整的補傳、續(xù)傳及切換步驟，為實際應(yīng)用建立通信基礎(chǔ)。