5G V2X賦能車路協(xié)同系統(tǒng)

摘" 要：車路協(xié)同是信息通信、智能汽車、交通運輸和交通管理等行業(yè)深度融合的新型產(chǎn)業(yè)業(yè)態(tài)，處于人工智能、5G和交通三大國家戰(zhàn)略的交匯點。5G V2X無線通信技術(shù)作為關(guān)鍵賦能型技術(shù)，將有助于構(gòu)建“路-云-車-人-網(wǎng)”協(xié)同的車聯(lián)網(wǎng)生態(tài)體系。該文首先介紹車路協(xié)同系統(tǒng)的定義、主要建設(shè)內(nèi)容及其典型應(yīng)用場景。其次以應(yīng)用牽引，針對5G新空口-車用無線通信（NR-V2X）技術(shù)中的直連通信應(yīng)用于自動駕駛場景的具體需求進行研究，給出不同業(yè)務(wù)場景下對通信性能和安全的需求說明。最后，針對車路協(xié)同系統(tǒng)低時延、高可靠和高并發(fā)的系統(tǒng)需求，分析5G NR V2X物理層、資源分配、擁塞控制和Qos與安全設(shè)計的相關(guān)原理。

關(guān)鍵詞：車路協(xié)同；5G NR V2X；智能網(wǎng)聯(lián)；直連通信；人工智能

中圖分類號：TU495 文獻標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）17-0010-06

Abstract： Vehicle-road coordination is a new type of industry with deep integration of information and communication， intelligent automobile， transportation and traffic management， which is at the intersection of artificial intelligence， 5G and transportation. As a key enabling technology， 5G V2X wireless communication technology will help to build a \"road-cloud-vehicle-human-network\" collaborative vehicle networking ecosystem. Firstly， this paper introduces the definition， main construction contents and typical application scenarios of vehicle-road collaborative system. Based on the application traction， this paper studies the specific requirements of the directly connected communication in the 5G new air port-vehicle wireless communication （NR-V2X） technology applied to the autopilot scenario， and gives the description of the communication performance and security requirements in different business scenarios. Finally， according to the system requirements of low delay， high reliability and high concurrency of vehicle-road collaborative system， the related principles of 5G NR V2X physical layer， resource allocation， congestion control， Qos and security design are analyzed.

Keywords： vehicle-road collaboration; 5G NR V2X; Intelligent Network connection; directly connected communication; artificial intelligence

5G時代來臨，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)（IoT）+人工智能（AI）的大趨勢，在許多垂直行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展迅猛，車聯(lián)網(wǎng)（V2X）就是其中之一。根據(jù)產(chǎn)業(yè)研究機構(gòu)預(yù)測指出，2027年全球5G車聯(lián)網(wǎng)市場規(guī)模上預(yù)計可達129.3億美元；2025年全球聯(lián)網(wǎng)汽車的普及率將達到80%。車聯(lián)網(wǎng)將協(xié)助提升車輛對環(huán)境感知能力，大幅強化行車安全，同時可以推升車輛自駕等級至Level 3與Level 4。V2X（Vehicle to Everything）作為一種車用無線通信技術(shù)，是將車輛與一切事物相連接的新一代信息通信技術(shù)，其中V代表車輛，X代表任何與車交互信息的對象，當(dāng)前X主要包含車（Vehicle to Vehicle， V2V）、人（Vehicle to Pedestrian， V2P）、交通路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施（Vehicle to Infrastructure， V2I）和網(wǎng)絡(luò)（Vehicle to Network，V2N）[1-2]。V2X將“人、車、路、云”等交通參與要素有機地聯(lián)系在一起，不僅可以支撐車輛獲得比單車感知更多的信息，促進自動駕駛技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用，還有利于構(gòu)建一個智慧的交通體系，促進汽車和交通服務(wù)的新模式新業(yè)態(tài)發(fā)展，對提高交通效率、節(jié)省資源、減少污染、降低事故發(fā)生率和改善交通管理具有重要意義[3]。

1" 車路協(xié)同簡介

1.1" 車路協(xié)同的基本定義

車路協(xié)同是車聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用方式之一，它是基于無線通信、傳感探測、人工智能和邊緣計算等技術(shù)，多渠道獲取車輛和道路信息，通過車-車、車-路通信進行信息的交互和共享，并在全時空動態(tài)交通信息采集與融合的基礎(chǔ)上，開展主動安全控制和道路協(xié)同管理，充分實現(xiàn)汽車與道路的有效協(xié)同，保證交通安全、提高通行效率，形成安全、高效、環(huán)保的道路交通系統(tǒng)，為輔助駕駛、自動駕駛、交通管理和公眾出行等應(yīng)用場景提供強大的支撐。

1.2" 車路協(xié)同解決的痛點問題

車路協(xié)同技術(shù)瞄準(zhǔn)傳統(tǒng)交通的痛點問題，即人類駕駛員不規(guī)范的駕駛行為與不充分的道路感知信息影響行車安全、加劇交通擁堵的問題。通過車輛的感知增強和智能化建設(shè)，消除駕駛員的感知盲區(qū)，擴大感知視野，增強其駕駛決策控制的科學(xué)性和可靠性，降低人為因素對行車安全和效率的影響；通過車輛和道路的網(wǎng)聯(lián)化建設(shè)，將車與車、車與路連接成一個有機整體，以群體智能代替?zhèn)€體智能，以信息雙向交互代替數(shù)據(jù)單向采集，從而將駕駛員的信息來源及數(shù)量以指數(shù)級別擴展，實現(xiàn)充分感知前提下的準(zhǔn)確決策和安全駕駛。

1.3" 車路協(xié)同的建設(shè)內(nèi)容

車路協(xié)同建設(shè)的基本內(nèi)容，可以概括為打造“聰明的車”+“智慧的路”+“協(xié)同的網(wǎng)”+“智能的云”。首先通過對車輛進行智能化網(wǎng)聯(lián)化改造，使其具備豐富的感知能力、高效的通信能力和智能的處理能力，通過在路側(cè)建立多樣化的感知、通信、定位、地圖和計算設(shè)施設(shè)備，使路側(cè)的信息以自動化的方式實時地參與到車的駕駛行為中，從而改變以往車與路之間“盈盈一水間，脈脈不得語”的尷尬現(xiàn)狀。為此，還需要借助無所不在的無線通信網(wǎng)絡(luò)，包括采用4G/5G Uu和LTE-V2X、NR-V2X直連通信等方式，促成車與路間的直接“對話”，打通車與路之間的信息鴻溝，實現(xiàn)車輛信息的主動交互、道路基礎(chǔ)設(shè)施信息的及時廣播與更新等。而要對車、路、網(wǎng)所包含的大量設(shè)施、設(shè)備、系統(tǒng)進行高效、安全、可靠的管理，又需要建設(shè)一個功能全面、性能強大的云控平臺，將車路協(xié)同各個要素進行周密細致的組織、管理與運用，從而最大限度發(fā)揮其功用和價值。此外，車路協(xié)同系統(tǒng)的信息安全和隱私保護等問題也正在日漸引起重視，作為云控平臺不可或缺的一部分，在項目建設(shè)中起著關(guān)鍵的保障作用。

1.4" 車路協(xié)同的典型場景

業(yè)界對于車路協(xié)同的典型場景進行了大量的探討和實踐，國內(nèi)比較權(quán)威的場景定義主要包括T/CSAE 53—2017《合作式智能運輸系統(tǒng)車用通信系統(tǒng)應(yīng)用層及應(yīng)用層數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)》定義的17個應(yīng)用場景和T/CSAE 157—2020《合作式智能運輸系統(tǒng)車用通信系統(tǒng)應(yīng)用層及應(yīng)用層數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)（第二階段）》所定義的12個應(yīng)用場景，共計29個，例如紅綠燈信息服務(wù)、交叉路口防碰撞、道路危險狀況提示、擁堵提醒、協(xié)作式優(yōu)先車輛通行等，涵蓋行車安全、交通效率、交通服務(wù)和自動駕駛等方方面面[4]。

1.5" 5G賦能車路協(xié)同系統(tǒng)建設(shè)

在車路協(xié)同中，“聰明的車”依托于單車智能和自動駕駛的不斷演進，而路的智慧則主要來自路側(cè)數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能，這些數(shù)據(jù)的來源依托于數(shù)字化全息道路的建設(shè)。沒有對路側(cè)設(shè)施設(shè)備從物理域向數(shù)字域的數(shù)字孿生映射，“智慧的路”就無從談起。因此，車路協(xié)同的關(guān)鍵抓手就是大規(guī)模開展全息道路建設(shè)，包括全息路口和全息路段，其中圖1所示的全息路口更是建設(shè)的重中之重。全息路口以“更深度的感知——看的全”“端云一體化計算——算得快”“5G+直連通信——會說話”“與交管設(shè)備系統(tǒng)聯(lián)動——能指揮”為主要特征，是各類先導(dǎo)區(qū)建設(shè)項目、城市智能網(wǎng)聯(lián)道路建設(shè)項目所必備的建設(shè)內(nèi)容，也是關(guān)乎車路協(xié)同技術(shù)路線成敗的關(guān)鍵抓手。

2" 車路協(xié)同業(yè)務(wù)與通信需求

C-V2X車聯(lián)網(wǎng)分為近期（LTE-V2X）和中遠期（NR-V2X）2個階段，如圖2所示。從應(yīng)用角度講，LTE-V2X的設(shè)計目標(biāo)主要是支持輔助駕駛，提升道路安全及提高效率和舒適性；NR-V2X通過將通信技術(shù)與人工智能、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)結(jié)合，可以更好地支持自動駕駛及其他新功能。從技術(shù)發(fā)展上講，基于5G新空口（5G NR）的NR-V2X是LTE-V2X持續(xù)發(fā)展的演進階段，兩者是補充關(guān)系，而不是替代關(guān)系。

C-V2X最初從2015年才開始在Release 14加入V2X標(biāo)準(zhǔn)研究，2017年3月完成Release 14 V2X Phase 1（LTE V2X）標(biāo)準(zhǔn)，2018年6月完成Release 15 V2X Phase 2，亦稱為LTE-based enhanced V2X（eV2X），到2020年7月完成Release 16 V2X Phase 3，亦稱為NR-V2X，分3階段完成標(biāo)準(zhǔn)化的工作。5G NR-V2X 技術(shù)可以進一步實現(xiàn)和增強多維度自動化，例如感知、規(guī)劃、定位、意圖共享（ADAS）和傳感器信息共享等。5G NR-V2X PC5 有不同的通信模式，包括廣播模式和組播模式。組播通信模式用于支持群組內(nèi)的特定互動消息，通常有較高可靠性要求，如群組協(xié)商、群組決策、反饋消息等。5G NR-V2X將與LTE-V2X 共存，并針對不同的用例。LTE-V2X 將提供基礎(chǔ)安全服務(wù)，而5G NR-V2X 將用于支撐自動駕駛等高級汽車應(yīng)用。

2.1" V2X業(yè)務(wù)需求分析

基于5G NR的車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，根據(jù)應(yīng)用場景不同，主要可分為車輛編隊行駛、高級駕駛、傳感器擴展和遠程駕駛幾大類[4]，如圖3所示。

1）車輛編隊行駛能夠支持車輛動態(tài)組成車隊進行行駛，所有編隊行駛的車輛能夠從頭車獲取信息，使得編隊行駛的車輛之間間距更小，從而提高交通的效率，并且降低油耗。

2）高級駕駛包括半自動駕駛和全自動駕駛，可以通過鄰近車輛之間共享感知數(shù)據(jù)，并進行駕駛策略的協(xié)調(diào)和同步，要求每個車輛給臨近的車輛共享自己的駕駛意圖。

3）傳感器擴展要求車輛之間、車輛與路側(cè)單元（RSU）之間、車輛與行人、以及車輛與V2X應(yīng)用服務(wù)器之間能夠?qū)崿F(xiàn)車載傳感器或者車載動態(tài)視頻信息的交互，從而獲得更全面的當(dāng)前道路的環(huán)境信息，這類應(yīng)用一般要求的數(shù)據(jù)傳輸速率比較高。

4）遠程駕駛要求通過遠程的駕駛員或者V2X應(yīng)用服務(wù)器對遠程車輛進行操控和駕駛，這種應(yīng)用要求更小的時延和更可靠的通信服務(wù)。

2.2" V2X通信性能需求分析

V2X在5G的應(yīng)用情境中屬于超高可靠度與低延遲（Ultra-Reliable Low Latency Communication， URLLC），在延遲性需求上，列隊行駛要求延遲性介于10～25 ms。先進駕駛及感測器輔助的延遲性要求為3～100 ms，遠程駕駛的延遲性需求為5～20 ms。V2N的延遲可能有幾秒，V2I因為路側(cè)單元固定，僅車輛移動。因此，反應(yīng)時間為毫秒（ms）等級，V2V因為有相對速度，例如2臺車分別以100 km/h朝對方方向行駛，相對速度就高達200 km/h，因此延遲要求也最高，甚至高達微秒（μm）等級[5]。

可靠性方面，V2X最大可靠度需求為80%～95%，Release 14 V2X的設(shè)計主要是透過多次重傳來確?？煽慷龋?G NR-V2X的可靠性將99.999%的目標(biāo)邁進。

在傳輸速率上，列隊行駛需求為12 kbps～65 Mbps，先進駕駛為65 kbps～50 Mbps，延伸感測為25～1 000 Mbps，遠程駕駛由于需要車子周圍和車內(nèi)的影像資料，故對于上行的傳輸速度要求為25 Mbps。

V2X通信傳輸距離一般為0～1 000 m，但在列隊行駛和先進駕駛情境下，將以5～10 s乘上相對速度，感測器輔助駕駛的通信傳輸距離將向km級發(fā)展。

2.3" 智能網(wǎng)聯(lián)安全需求分析

以市區(qū)行車為例，如圖4所示，在時速40 km時，遇到緊急事件，反應(yīng)時間剩下2.9～3.3 s，導(dǎo)入V2X技術(shù)，可以將感測距離延伸到450 m以上，反應(yīng)時間則有充裕的9 s，平均可降低82%的事故率，從道路安全著手，希望能進一步改善自駕安全。ADAS與V2X的結(jié)合可以克服壞天氣、交通號志辨識、視線外通信、網(wǎng)路存取、中長距離的溝通，將安全防護提升到96%。

3" NR-V2X關(guān)鍵技術(shù)與實現(xiàn)原理

從Release 14到Release 16，V2X通過技術(shù)演進實現(xiàn)了應(yīng)用場景的擴展，從最初的信息服務(wù)階段到輔助駕駛應(yīng)用再到面向自動駕駛的高級應(yīng)用。Release 14 LTE V2X主要以基本安全類應(yīng)用為主，Release 16 NR V2X則可支撐面向自動駕駛的高級應(yīng)用，典型應(yīng)用場景包括意圖共享、感知共享、車輛編隊、協(xié)同駕駛和遠程駕駛等。NR V2X通過增強的技術(shù)特性滿足上述高級應(yīng)用在復(fù)雜環(huán)境中對可靠性、數(shù)據(jù)率、延時等關(guān)鍵指標(biāo)的要求。

3.1" 通信模式

NR V2X支持基于PC5接口的終端直通的通信方式和基于Uu接口的網(wǎng)絡(luò)通信模式2種主要工作模式[6]，如圖5所示。

3.2" NRV2X傳輸模式

基于NR的V2X通信可支持廣播、組播和單播3種傳輸模式，如圖6所示。廣播是V2X中最基本的通信模式。組播通信用于支持特定群組內(nèi)的信息交互，協(xié)助完成群組內(nèi)終端的協(xié)商與決策等。V2X單播通信則基于新定義的PC5-RRC信令實現(xiàn)終端到終端的可靠通信[6]。

3.3" NR V2X物理層時隙結(jié)構(gòu)

如圖7所示，NR V2X時隙結(jié)構(gòu)包括帶反饋和不帶反饋2種。對于不帶反饋的時隙，單個時隙包含14個OFDM符號，第一個符號用于AGC，PSSCH之后是 GAP符號。對于帶反饋的時隙，PSSCH和PSFCH之后都需預(yù)留GAP符號，PSFCH資源預(yù)配置周期取值范圍為{1，2，4}個時隙[6-7]。

3.4" NR V2X擁塞控制

對于接入層，NR V2X的策略與LTE V2X類似，可通過高層信令對物理層參數(shù)進行限制從而實現(xiàn)擁塞控制，具體參數(shù)包括調(diào)制編碼方式、重傳次數(shù)、每次傳輸?shù)淖有诺纻€數(shù)，以及發(fā)送功率等[6]。主要區(qū)別在于高層下發(fā)給物理層的每個包都攜帶一個單獨的優(yōu)先級取值Priority，其對應(yīng)于LTE V2X中的PPPP，該優(yōu)先級參數(shù)Priority在SCI-1中傳輸。另外，NR中為了適應(yīng)非周期業(yè)務(wù)的擁塞處理，在 CR、CRB等參數(shù)的測量上有更高的時間要求，NR中為1 ms或2 ms，LTE中是4 ms。

3.5" NR V2X QoS設(shè)計

NR V2X的QoS設(shè)計如圖8所示：針對每種通信模式（廣播、組播和單播），UE維護PC5流ID（PFI）與PC5 QoS規(guī)則及PC5 QoS上下文的映射關(guān)系。PC5 QoS上下文包括PC5 QoS參數(shù)（如 PQI及 Range），以及V2X業(yè)務(wù)類型（如PSID或ITS-AID）。PC5 QoS規(guī)則包括PFI及其關(guān)聯(lián)的PC5 QoS流，優(yōu)先級及包過濾器。V2X層下發(fā)給接入層的配置包括PFIs及其對應(yīng)的QoS參數(shù)、傳輸模式（單播、組播或廣播）、無線頻率和發(fā)送配置等。每個無線承載對應(yīng)一個QoS等級。每個數(shù)據(jù)包下發(fā)給接入層時，只需要攜帶PFI和傳輸模式[8]。

3.6" NR V2X安全性

對于廣播和組播，接入層未定義專門的安全性維護機制。對于V2X單播， 其安全性保護措施包括：①基于消息的隱私保護，單播連接的雙方L2-ID的同時更新機制；②復(fù)用Release 12/13中基于ProSe的安全性保護機制；③PDCP層進行完整性和可靠性保護；④由高層提供的安全密鑰；⑤UE安全性策略配置，定義某個應(yīng)用是否需要安全性保護。

3.7" 小結(jié)

在NR-V2X系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)低延時和高可靠的通行，主要采取了以下幾點優(yōu)化機制：如在直通鏈路上，引入了高階調(diào)制（最高可達256 QAM）以及空間復(fù)用的多天線傳輸機制，可以支持更高的傳輸速率（可達1 Gbps）；在直通鏈路上，對多播和單播模式引入了更加靈活的時隙結(jié)構(gòu)以及HARQ反饋機制來提高傳輸可靠性；采用分布式資源分配機制，降低資源沖突，更加適用于增強業(yè)務(wù)中非周期業(yè)務(wù)需求；無連接的“即時組網(wǎng)”方式和基于距離的設(shè)計，進一步降低時延；可分級的OFDM空中接口，多種可選子載波間隔，更大的傳輸帶寬（最大100 MHz）；采用了高性能的LDPC極化碼提升編碼性能等。

4" 結(jié)束語

我國政府層面非常鼓勵包括C-V2X在內(nèi)的車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。工信部、發(fā)改委、交通部、公安部和科技部等部委及地方政府，都針對性給出了一些明確的政策支持。目前，全國已經(jīng)擁有超過30個測試示范區(qū)，其中包括上海、北京-河北、重慶、無錫（先導(dǎo)區(qū)）、杭州-桐鄉(xiāng)、浙江、武漢、長春、廣州、長沙、西安、成都、泰興和襄陽等16個國家級/省級示范區(qū)。這些示范區(qū)涵蓋了無人駕駛和V2X測試場景建設(shè)、LTE-V2X/5G車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、智慧交通技術(shù)應(yīng)用等功能，提供了涉及安全、效率、信息服務(wù)、新能源汽車應(yīng)用，以及通信能力等的測試內(nèi)容。雖然車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正在飛速發(fā)展，我們也仍需意識到，車聯(lián)網(wǎng)最終目標(biāo)的實現(xiàn)（包括自動駕駛的落地），是一個漫長的過程。除了技術(shù)和資金，還涉及法律和倫理的問題?？偠灾?，路漫漫其修遠兮，“V2X”將上下而求索。

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