基于C-V2X 的智能路側(cè)單元系統(tǒng)設(shè)計

王宏善WANG Hong-shan；賁偉BEN Wei；丁維昊DING Wei-hao

（南京萊斯網(wǎng)信技術(shù)研究院有限公司，南京 210014）

0 引言

C-V2X（Cellular V2X）技術(shù)是基于3GPP 全球統(tǒng)一標準的通信技術(shù)，主要應(yīng)用在車路協(xié)同、車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，包含C-V2X R14/R15（LTE-V2X）、C-V2X R16（5G-V2X）及后續(xù)演進版本[1，2]，當(dāng)前C-V2X 通信方案主要基于3GPP R14/R15 版本，在路側(cè)部署路側(cè)單元RSU（Road Side Unit），在車端安裝車載單元OBU（On board Unit），通過CV2X 直連通信技術(shù)進行車-路、車-車信息交互，進行輔助駕駛、自動駕駛等車路協(xié)同場景應(yīng)用[3]。路側(cè)單元RSU 能夠連接交通信號機等路側(cè)智能交通基礎(chǔ)設(shè)施、毫米波雷達等智能感知設(shè)備以及交通參與者，將路側(cè)信息分析處理后上傳到云端，同時將信息發(fā)送給車端，為智能網(wǎng)聯(lián)車輛、自動駕駛車輛提供各類信息服務(wù)，是車路協(xié)同系統(tǒng)的路側(cè)核心設(shè)備，是支撐車路協(xié)同技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵所在，因此，本文基于C-V2X 通信技術(shù)，設(shè)計了一種智能路側(cè)單元。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 總體設(shè)計框圖

為滿足車路協(xié)同業(yè)務(wù)需求，基于C-V2X 技術(shù)的智能路側(cè)單元RSU 需支持C-V2X 直連通信，支持5G 通信，支持硬件加解密，支持C-V2X 系列標準協(xié)議，支持POE 供電等，總體設(shè)計框圖如圖1 所示，總體分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩個部分。硬件設(shè)計包括應(yīng)用處理器單元、C-V2X直連通信單元、5G 通信單元、安全加密處理單元、對外接口單元、供電單元的電路設(shè)計；軟件設(shè)計包括板級驅(qū)動程序設(shè)計、BootLoader 適配、Linux 操作系統(tǒng)裁剪、C-V2X 協(xié)議棧軟件設(shè)計、上層應(yīng)用軟件設(shè)計等。

圖1 總體設(shè)計框圖

1.2 系統(tǒng)功能

智能路側(cè)單元RSU 功能組成如圖2 所示。

圖2 功能組成框圖

①提供C-V2X 車路直接通信功能，實現(xiàn)“車”與“路”直接通信，基于C-V2X R14 直連通信技術(shù)，中心頻率為5.9GHz，不需要蜂窩網(wǎng)絡(luò)的協(xié)助或覆蓋，通過PC5 廣播方式，實現(xiàn)車路直接通信，支持V2I（Vehicle to Infrastructure）等車路場景應(yīng)用；

②提供5G 蜂窩通信功能，符合3GPP R15 標準，同時支持5G NSA 和SA 模式，并向下兼容4G/3G 通信，為與云端平臺實時信息交互提供無線傳輸通道。

③提供安全加密功能，集成硬件加密芯片，滿足CV2X 車聯(lián)網(wǎng)安全證書管理系統(tǒng)技術(shù)要求，對通信報文提供簽名/驗簽服務(wù)。

④支持POE（Power over Ethernet）供電功能，僅通過網(wǎng)線即可實現(xiàn)供網(wǎng)供電，不需要額外接電源線，便于室外安裝使用。

⑤提供路側(cè)端設(shè)備接入功能，能夠支持毫米波雷達、激光雷達、攝像機等常用路側(cè)端傳感器數(shù)據(jù)接入功能，支持交通信號機等信控設(shè)備接入，為智能路側(cè)感知和信息發(fā)布場景提供豐富的數(shù)據(jù)源。

⑥支持交通信息實時發(fā)布功能，對車輛數(shù)據(jù)和交通信息數(shù)據(jù)進行融合計算，將交通信號燈燈色時長信息、道路渠化信息、前方道路擁堵情況等交通狀態(tài)實時呈現(xiàn)給用戶，以實現(xiàn)超視距的交通信息提示和智能化的出行體驗。

⑦預(yù)留云端平臺通信接口，便于平臺對智能路側(cè)單元RSU 進行信息下發(fā)回傳和運維管理，支持路網(wǎng)配置管理，滿足車路協(xié)同系統(tǒng)C-V2X 應(yīng)用業(yè)務(wù)的協(xié)同控制需求，具備與云端服務(wù)平臺實時通信功能。

2 硬件設(shè)計

2.1 應(yīng)用處理器單元

為滿足智能路側(cè)單元海量數(shù)據(jù)處理及邊緣計算需求，應(yīng)用處理器單元采用恩智浦IMX8M 處理器[4]。IMX8M 是一款基于ARMv8-A 架構(gòu)的四核處理器，主頻1.3GHz，并集成了ARM Cortex-M4 內(nèi)核平臺用于低功耗處理。存儲電路采用DDR4 內(nèi)存顆粒組成2GB 內(nèi)存，采用8GB eMMC 存儲芯片做為閃存。IMX8M 的高速高性能特點對PCB 布板帶了一定難度和挑戰(zhàn)，DDR4、PCIE Gen2、USB3.0等高速走線需注意阻抗匹配、差分線等長、網(wǎng)絡(luò)走線上的過孔總數(shù)不超過2 個。DDR4 速率高達3200MT/s，需嚴格按照DDR4 信號完整性要求布板布線，保證電路參考地平面完整性、保持線距減少串?dāng)_。

2.2 C-V2X 直連通信單元

C-V2X 直連通信單元采用中信科智聯(lián)的DMD3A 模組，支持3GPP R14 C-V2X PC5 直連通信，支持頻段5905～5925MHz，工作帶寬10MHz/20MHz。C-V2X 通信依賴于GNSS 輸出的PP1S 和UTC 時間進行無線通信的同步，DMD3A 需要使用外部GNSS 模塊進行時間同步，DMD3A 與GNSS 模塊通過UART 接口進行數(shù)據(jù)交互，對波特率、數(shù)據(jù)格式有一定要求，因此設(shè)計上采用電子開關(guān)靈活配置的方式，由應(yīng)用處理器對GNSS 模塊進行參數(shù)配置。初次啟動時，由電子開關(guān)選通GNSS 模塊與應(yīng)用處理器之間的UART 接口，GNSS 模塊參數(shù)配置完畢后，電子開關(guān)選通GNSS 模塊與DMD3A 之間的UART 接口，GNSS模塊對DMD3A 提供授時服務(wù)。DMD3A 通過USB 接口與應(yīng)用處理器單元進行C-V2X 數(shù)據(jù)交互。

2.3 5G 通信單元

5G 通信單元采用移遠通信RM500Q 工規(guī)級通信模組，支持5G/4G/3G 通信，集成多星座GNSS 接收機，滿足不同環(huán)境下的定位需求。RM500Q 通過USB 接口與應(yīng)用處理器單元進行數(shù)據(jù)交互，RM500Q 的USB 接口最大數(shù)據(jù)傳輸速率可達10Gbps，可滿足5G 通信大容量需求。RM500Q 具備2 個（U）SIM 接口，支持雙卡單待功能，為保證（U）SIM 卡在使用中的可靠性，在布板布線時，(U)SIM 卡座需要盡量靠近RM500Q 模組放置，信號線布線遠離射頻線、功率電感等敏感信號源?？紤]到插拔（U）SIM 卡可能會存在靜電放電，需要在（U）SIM 卡座的引腳附近放置靜電防護二極管。

2.4 安全加密處理單元

安全加密處理單元采用華大信安IS32U512B 高性能安全芯片。IS32U512B 提供高性能SM2 公鑰算法引擎，支持SM2 密鑰對生成、數(shù)字簽名、簽名驗證、加密解密等運算[5]，芯片集成多個ECC 內(nèi)核，支持多任務(wù)并行處理，具備SPI 接收緩存，支持SM2 驗簽批處理模式，可滿足C-V2X簽名驗簽性能要求。IS32U512B 與應(yīng)用處理器之前采用SPI 通信接口，通信時鐘頻率設(shè)置為20MHz。

2.5 對外接口單元

對外接口單元包括千兆以太網(wǎng)RJ45 接口、USB type A 接口、USB OTG 接口、RS485 接口、RS232 接口等。對外接口需要設(shè)計靜電、浪涌防護電路，防止對設(shè)備造成損壞，特別是RJ45 網(wǎng)口，需要重點進行防雷電路設(shè)計，因為智能路側(cè)單元通常安裝于戶外城市道路的桿件上，供電方式為POE 供電，從桿件上的抱桿箱取電取網(wǎng)，即從抱桿箱內(nèi)的POE 交換機引出一根網(wǎng)線沿桿件連接到智能路側(cè)單元，極易受到雷電影響。防雷電路采用氣體放電管與瞬態(tài)抑制二極管（TVS）相結(jié)合的電路拓撲，如圖3 所示，氣體放電管位于RJ45 網(wǎng)口和網(wǎng)口變壓器之間，用于消除共模雷擊電壓，TVS 位于以太網(wǎng)PHY 和網(wǎng)口變壓器之間，用于消除差模雷擊殘壓。

圖3 千兆以太網(wǎng)防雷電路圖

2.6 供電單元

供電單元包括POE 電路[6]、濾波電路、DC/DC 電路、過壓過流保護電路等電路設(shè)計。POE 供電電路有2 種方案：一種是使用非隔離型Buck 電路，優(yōu)點是電路實現(xiàn)簡單、占電路板面積少，缺點是設(shè)備信號地與POE 電源地未隔離；第二種是使用隔離型的Flyback 反激變換器電路，優(yōu)點是設(shè)備信號地與POE 電源地相互隔離，穩(wěn)定性高，缺點是電路實現(xiàn)較為復(fù)雜、占電路板面積空間較多。本系統(tǒng)優(yōu)先采用隔離型的Flyback 反激變換器電路。

DC/DC 電路設(shè)計主要是指DC/DC 電源設(shè)計，本系統(tǒng)電源電壓種類多，需要用到12V、5V、4.2V、3.8V、3.3V、2.5V、1.8V、1.2V 等多個電源，且對電源的穩(wěn)定要求高。為滿足電源供給需求，高壓差大電流電壓轉(zhuǎn)換電路采用Buck 開關(guān)電源電路拓撲，低壓差小電流電壓轉(zhuǎn)換電路采用線性穩(wěn)壓電源電路拓撲。

開關(guān)電源紋波較大，電源濾波電路必不可少，濾波電路設(shè)計須保證電源紋波在50mV 以內(nèi)。此外，在出現(xiàn)短路、浪涌等情況時，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行、不會發(fā)生起火等安全隱患，系統(tǒng)必須具備過壓過流保護功能。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括板級驅(qū)動軟件設(shè)計、BootLoader 適配、Linux 操作系統(tǒng)裁剪、C-V2X 協(xié)議棧軟件設(shè)計、上層應(yīng)用軟件設(shè)計等。系統(tǒng)使用Linux 操作系統(tǒng)，需要根據(jù)硬件接口設(shè)計進行Linux 相應(yīng)驅(qū)動程序開發(fā)，涉及C-V2X 模組驅(qū)動、串口外設(shè)驅(qū)動、專用I/O 口驅(qū)動、千兆以太網(wǎng)PHY 驅(qū)動等，采用U-Boot（Universal Boot Loader）進行BootLoader 適配[7]。本系統(tǒng)需要實時處理和發(fā)布交通信息，對系統(tǒng)實時性要求較高，消息發(fā)布時延需控制在100毫秒以內(nèi)，對此，需要對Linux 內(nèi)核進行裁剪和修改，增強實時性。

C-V2X 協(xié)議棧包含ASN.1 編解碼模塊、專用短程通信短消息協(xié)議模塊DSMP （Dedicated Short Message Protocol）、專用管理配置模塊DME（Dedicated Management Entity）、Uu 通信協(xié)議模塊等，具備通信報文的編解碼、協(xié)議的封裝與拆解、內(nèi)部層級間的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)傳遞等功能，CV2X 協(xié)議棧架構(gòu)如圖4 所示。在進行協(xié)議棧軟件設(shè)計時，代碼需要高效簡潔，支持高并發(fā)、低時延，具備高效的編解碼能力，為上層應(yīng)用提供豐富便捷的應(yīng)用接口，便于在上層開發(fā)各類C-V2X 應(yīng)用模塊，支持各應(yīng)用模塊的高效運行。

圖4 C-V2X 協(xié)議棧架構(gòu)圖

應(yīng)用程序設(shè)計包括路側(cè)端傳感器通信協(xié)議適配、多傳感器信息融合算法設(shè)計、浮動車感知算法設(shè)計、車端信息交互、紅綠燈信息發(fā)布、交通信號機報文解析等，應(yīng)用程序在開發(fā)時需注意滿足實時性要求，不能獨占內(nèi)核，需要支持局部路網(wǎng)與路側(cè)信息靜態(tài)配置，支持動態(tài)信息發(fā)布。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于C-V2X 的智能路側(cè)單元，從系統(tǒng)總體設(shè)計、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計等方面闡述了智能路側(cè)單元系統(tǒng)設(shè)計的全過程。目前多個城市正在積極推進車路協(xié)同場景應(yīng)用建設(shè)，已建設(shè)多個國家級、省級先導(dǎo)區(qū)，智能路側(cè)單元做為車路協(xié)同系統(tǒng)的路側(cè)核心設(shè)備，有著廣闊的應(yīng)用空間。