適用于車聯網應用的移動通信網絡

王 藝，鄧佳佳，林 毅

（中國電信股份有限公司上海研究院 上海200122）

1 車聯網中的通信技術概述

按照互動百科網站的定義，車聯網系統是指利用先進傳感技術、網絡技術、計算技術、控制技術、智能技術，對道路和交通進行全面感知，實現多個系統間大范圍、大容量數據的交互，對每一輛汽車進行交通全程控制，對每一條道路進行交通全時空控制，以提供交通效率和交通安全為主的網絡與應用。車聯網是目前國內業界的一個熱點，但國際上談及更多的是智能交通系統（intelligent transportation systems，ITS），但無論是在 ITS 中，還是在車聯網中，通信技術的合理運用都至關重要。

按照通信交互對象的不同，車聯網中的通信場景大致可以分成V2V、V2R和V2I 3種。V2V是車輛之間的通信，V2R是車輛與道路的通信，V2I是車輛與后臺設施的通信。每種場景針對的應用不同、需求不同，會采用不同的通信技術，如紅外通信、WLAN、DSRC、移動通信網絡（蜂窩網絡）、地面廣播、衛星廣播等。從傳輸距離看，這些通信技術主要分為短距離傳輸和中遠距離傳輸兩大類。短距離傳輸主要應用于V2V和V2R場景，中遠距離傳輸主要應用于V2I場景。通信作為ITS技術基礎的三大核心要素（信息、通信和集成）之一，相關的通信標準化工作一直在進行中。

ISO/TC 204，作為ISO組織內關注ITS的標準組織，設立了WG16，研究ITS所涉及的廣域通信體制和標準。ISO 21217標準提出了CALM （communications access for land mobiles，地面移動通信訪問）的概念，并描述了CALM框架。CALM框架使用了各種接入技術，包括有線技術和各種無線技術，如 2G、3G、衛星、紅外、5 GHz微波、移動無線寬帶技術等，實現ITS體系中的移動站點之間、移動站點和固定站點之間、固定站點之間的廣播、多播和單播通信。但這些接入技術本身大都已由其他標準組織制定。事實上，CALM是一個從ITS需求角度出發，制定通信協議、程序以及管理流程的集合。其目標如下：

· 滿足多種不同的通信需求，如Internet訪問或有嚴

格時延要求的高優先級數據傳輸等；

· 滿足不間斷訪問的要求，既包括同一種接入技術內部的切換機制，又包括不同接入技術之間的異構切換機制；

·滿足應用獨立于各種接入技術的需求。

ISO 21217標準中有大量不同類型的通信技術的應用。既有基于5 GHz微波的M5，也有代表當前移動通信網絡技術的2G和3G。其中M5基于Wave技術并考慮了全球5 GHz頻譜的適用性，同時增加了滿足CALM框架要求的其他功能實體。從全球來看，目前主要國家和地區已經基于IEEE 802.11p（Wave）技術制定了各自的專用短程通信（dedicated short range communication，DSRC）標準。目前國際上已形成以歐洲CEN/TC278、美國ASTM/IEEE、日本ISO/TC204為核心的DSRC標準化體系。TC278及TC204選擇5.8 GHz作為DSRC通信頻率，ASTM/IEEE頻率為5.8~5.9 GHz。我國目前采用的是源于ISOTC204（國內編號為 SAC／TC268）的 5.795~5.815 GHz ISM頻段。由于DSRC技術針對車輛的高移動性和數據傳輸的高可靠、低時延等需求進行了優化，適合應用在V2V和V2I場景，尤其是一些和安全相關的場景。例如，根據美國交通運輸部的報告，違反交通信號燈指示的時延要求是小于100 ms；車輛防碰撞指示的時延要求是小于20 ms。

中長距離通信技術主要應用于V2I場景中，在V2V和V2R場景中也有機構嘗試應用。中長距離通信技術的特點是覆蓋廣、互聯互通好、帶寬可以很高，但是以接入時延和傳輸時延為代表的QoS保證機制相對偏弱。典型的中長距離通信技術包括移動通信網絡、衛星通信技術、地面廣播技術等。在實時定位、話音通信、互動導航、路況信息、（遠程）危險警告、信息娛樂等領域，中長距離通信技術得到了廣泛應用。

目前國內車聯網方面的應用主要還是在V2I層面，除了衛星定位技術的應用外，集中在基于車輛定位信息回傳后臺和小數據指令下發的各種派生應用，如出租車定位調度、車隊定位調度、乘用車互動導航、路況信息廣播等。部分車廠開始涉及車輛診斷數據回傳、車內上網等娛樂應用。在V2V和V2R層面，則鮮見應用（ETC除外），尚處于探索和起步階段。

2 移動通信網絡的優勢和面臨的主要問題

目前，我國的移動通信網絡覆蓋廣、性能優、可靠性高。2.5G網絡覆蓋范圍廣；3G網絡高速發展，能夠提供高寬帶的無線數據傳輸通道。這些都為車聯網提供了堅實的網絡基礎。

移動通信網絡在車聯網應用中起著舉足輕重的作用。早期車聯網應用主要以定位應用為主，應用模式主要采用GPS衛星定位和2.5G通道數據回傳；車輛視頻監控應用采用本地存儲結合遠程圖像實時調看模式，遠程圖像實時調看通常采用2.5G（cdma2000 1x為主）以及后來的3G網絡（WCDMA和cdma2000）。移動通信網絡技術的優勢主要在于其覆蓋能力、互聯能力和成本優勢。

以DSRC為代表的近程通信技術得到廣泛應用的前提是在道路節點和車輛上布防DSRC節點。由于實施成本和實施周期因素，DSRC節點大都會分布在重點道路，無法覆蓋到所有的道路。但國內的移動通信網絡，已經覆蓋了絕大多數的道路。公用移動通信網絡經過近20年的發展，產業鏈高度成熟，通信模塊和終端成本已經很低，而且還將繼續降低，通信資費多年來呈現資費逐步下降的趨勢。這些因素能夠使得基于移動通信網絡的車聯網應用的實施成本和使用成本較低。此外，公用移動通信網絡能夠非常方便地實現互聯互通。

但是同時也要看到，車聯網應用作為物聯網應用的一個重要領域，其通信模式和通信機制和傳統的人與人（H2H）通信對移動通信網絡的需求不完全相同，主要體現在網絡覆蓋、信道容量、QoS保證等層面。

廣泛的網絡覆蓋仍然是移動通信網絡應用于車聯網應用的重要基礎。雖然目前移動通信網絡覆蓋已做得相當好，但仍然存在部分道路的盲區。我國國內的移動通信網絡覆蓋總體程度優于歐洲和美國，但同樣仍存在道路盲區。

從通信容量角度看，車載終端主要利用數據信道接入移動通信網絡。對于長時間連續定位的車輛，由于不能容忍較長的撥號時延，終端經常采用一直在線模式，這對網絡的PPP同時在線數造成較大壓力。如果大量車輛同時進入某個小區，終端以高頻次不斷發送定位數據，會對此小區的空口信道造成較大壓力。如果無法獲取到空口信道傳輸數據，程序控制的車載終端會不斷重復請求分配空口信道，進一步增加了對空口信道的壓力，甚至造成信道的擁塞。

從QoS保證看，可以把車聯網通信模式分成5種：小數據采集且時延一般敏感、小數據采集且時延敏感、大數據上傳和大數據下發、小數據下發且時延一般敏感、小數據下發且時延敏感。不同種類的通信模式對QoS保證有不同的需求。

（1）小數據采集且時延一般敏感

例如定位數據和車輛診斷數據傳送到后端平臺，主要使用空口的反向信道。對于這一類數據，時延有一定要求。但由于不是關鍵業務，能夠容忍普通的網絡傳輸時延。因而非常適合移動通信網絡接入。部分應用甚至能夠忍受部分情況下網絡無法接入（從而無法成功發送數據）的情況。例如，在連續定位模式下，部分定位數據的丟失在應用上是能夠容忍的。這就是所謂“掉點率”指標產生的原因。

（2）小數據采集且時延敏感

對于小數據采集且時延敏感的應用，首先要保證網絡的最大可用性，即終端能夠隨時接入網絡、發送數據。其次要保證數據傳輸的時延在允許范圍內。歐盟的緊急呼叫系統——ECall系統為車內系統（in-vehicle system，IVS）和公共安全響應點（public safety answering point，PSAP）之間提供雙工數據通信，每次傳送的數據包含在最小數據集（minimum set of data，MSD）中，包含的數據可以是車輛的位置信息、時間戳、乘客的數量、車輛標識以及其他和交通事故相關的信息。當車輛發生緊急事故時，ECall系統將基本信息發送到第一層PSAP，并進而轉至第二層PSAP，比如醫院、消防隊、警局等部門進行處理。用戶也可直接通過ECall系統進行呼救，Ecall系統生成的呼叫關乎生命的緊急救援，必須具備高可靠性和低傳輸時延。直接使用當前的移動通信網絡的數據業務信道完成數據傳輸，無法完全滿足上述需求。

（3）大數據上傳和大數據下發

對于大數據上傳和大數據下發應用，一般情況下對時延沒有太高要求，也能夠容忍部分時間的網絡不可用（主要是數據接入信道擁塞導致）。這類應用主要集中在車輛視頻監控數據上傳和多媒體娛樂數據下載類應用上。移動通信網絡非常適合此類應用的開展。

（4）小數據下發且時延一般敏感

對于小數據下發且時延一般敏感的應用，一般情況下對網絡可用性有較高要求。在人工輔助導航模式下，向車載終端發送目的地的定位數據就是這種情況。當前的移動通信網絡數據信道在較高的可用性這一點上仍然存在改善的空間。

（5）小數據下發且時延敏感

對于小數據下發且時延敏感的應用，目前在移動通信網絡中的應用尚無明顯報道。將其和小數據量上傳且時延敏感這種模式一并考慮，如果移動通信網絡能夠滿足此種模式的需要，那么就可以建立車輛到移動通信網絡的可靠接入鏈路，之后車輛之間就可以采用P2P疊加網絡的方式，實現信息共享、發現和交換，最終實現V2V通信模式。總之，面對車聯網，移動通信通信網絡面臨著以下問題：

·道路覆蓋問題；

· 由于海量車載終端接入、車輛移動導致的臨時集中訪問等問題帶來的網絡擁塞；

·對于時延敏感的關鍵應用所需要的QoS保證問題。

3 解決方案和技術演進方向

針對上述問題，需要從不同的角度尋求解決方案，采用各種方式擴大覆蓋、擴充容量和提高QoS。一方面可以通過改善移動通信網絡本身實現，另一方面也可以在移動通信網絡本身之外，利用其他通信技術和手段實現。

對于以車輛定位為主的應用，可以考慮使用北斗衛星導航系統（以下簡稱北斗系統）。北斗系統主要功能包括定位、測速、單雙向授時、短報文通信等。北斗系統支持單次傳送長度為120個漢字的雙向短信報文通信服務。短信和定位結合起來，在沒有移動通信網絡覆蓋的地區，通過向衛星發送短信，及時將當前的位置信息發送到后端平臺，對車輛進行遠程定位。后端平臺也可以通過短信下發簡單的控制指令到車載終端，實現遠程控制。上述模式能否大規模地應用，需要考察導航衛星并行處理能力、后端平臺并行處理能力以及短信傳輸可靠性和時延問題。

采用專門的衛星通信終端，可以解決野外無移動通信網絡環境下的數據通信需求，也是車載應用中采用比較普遍的一種方式。比如，美國的FMS公司提供車隊管理服務，通過GPS實現衛星定位，通過銥星終端實現雙向數據傳輸，廣泛應用于能源、物流、國際組織等機構的車輛管理中。

對于單向的信息下發類型的應用，可以使用廣播通信技術。歐洲的RDS-TMS項目，采用交通信息頻道（traffic message channel，TMC）播報實時交通消息，配備TMC功能的車載終端或導航設備可以對TMC廣播接收并解碼，并通過各種形式傳遞給駕駛員，實時反映區域內交通路況，指引最快捷的行駛路線，提高道路和車輛的使用效率。從1994年開始，瑞典、德國、荷蘭、法國、瑞士、奧地利、意大利等國先后實施了RDS-TMS項目。全球其他此類系統還包括美國的TravTek系統、日本的VICS等。

數 字 多 媒 體 廣 播 （digital multimedia broadcasting，DMB）除了發送聲音廣播外，還提供了影視娛樂節目、智能交通導航、城市綜合信息等可視數據業務，廣泛應用在城市公交車、地鐵、列車等移動終端上。這項技術最早在韓國發展起來。

對于移動通信網絡，即蜂窩移動通信網絡，可以采用多種方式來滿足車聯網通信的需要，既可以采取終端和平臺協作，網絡本身不做改變的模式；也可以對網絡進行簡單優化；還可以針對車聯網應用的需求實施特定的網絡改進。

（1）終端和平臺協作，網絡不做改變

典型案例是DOV（data over voice）技術的應用。DOV技術使用普通話音信道傳輸少量數據。對于“小數據采集且時延敏感”和“小數據下發且時延敏感”的應用，部分方案采用了DOV技術。其設計者的出發點是，話音業務仍然是目前移動通信網絡所能承載的最成熟的業務，其覆蓋范圍最廣，同時運營商在網絡資源的分配策略上，往往優先考慮話音服務。代表性的應用有兩個：通用的OnStar服務和歐盟制定的ECall服務。ECall的數據通道采用移動通信網絡的話音信道進行傳遞數據，這種采用帶內（in-band）調制的技術能夠提高此項服務接入網絡的可用性以及一定的時延保障。

另一種改善方案是應用層的改進，即減少數據發送的頻度和數據發送的集中度。例如車載終端可采用下述數據發送頻度，既不影響業務使用，也能實現減少網絡資源占用，提高網絡可用性的目的：車速在10~30 km/h，定時上報間隔為90 s；車速在31~60 km/h，定時上報間隔60 s；車速在61 km/h以上，定時上報間隔30 s；當車輛速度極低，且位置沒有變化時，不上報定位數據。

（2）網絡進行簡單優化

網絡簡單優化模式，指不改變現有網絡協議，通過配置參數的優化或增加局部區域容量和覆蓋來滿足特定應用的需要。例如，由于大量高頻次小流量數據的發送，空口信道的建立和釋放頻度增加很快，那么通過調整一些公共控制信道的數量，如接入信道的數量，能夠提高網絡有效接入終端的數量。

（3）實施特定的網絡改進

網絡簡單優化模式只能局部地解決問題，如果需要全面地改善網絡能力，需要考慮采用網絡改進模式。針對車聯網應用實施特定的網絡改進，必須放在整個移動通信網絡適配M2M通信的大背景中考察。當前的移動通信網絡在最初設計時，是以所承載的業務主要是話音、上網等業務為前提的，主要考慮的是以前向流量為主、以手機終端和上網卡為主的業務。隨著機器通信業務的大規模發展，逐漸需要在網絡側進行相應的改造來實現對于機器通信的區別承載。

在更高的數據信道帶寬 （和H2H通信目標一致）之外，針對車聯網通信，移動通信網絡的改進目標主要針對大量終端的接入以及時延敏感的小數據應用所需要的QoS保證需求。

針對單播信道，改進目標是提高網絡資源可用度、降低連接建立時延和數據傳輸時延。

對于網絡資源可用度而言，首先要做好滿足通信需求的網絡規劃，做好道路的覆蓋。同時要設法降低網絡擁塞發生的可能性，面向大量終端在某個小區同時接入網絡或同時附著網絡情景設立針對性的策略。例如，3GPP SA2 R10中主要基于以下兩種場景來考慮網絡過載和擁塞：第一種場景時，運行在終端上的應用可能會使大量終端同時做某事；第二種場景時，若擁有大量漫游終端，且它們服務網絡出現故障，會同時重新附著到新的網絡中，使網絡產生擁塞。在R10階段，基于以上兩種場景的考慮，對網絡過載和擁塞處理控制機制進行優化，以應對未來海量終端對網絡的沖擊。

此外，在車輛網應用場景中，還需要充分利用移動通信網絡的基于小區的多播/廣播機制，通過下發廣播信息進一步降低下行小數據傳送對于網絡資源的占用。

對于降低連接建立時延和傳輸時延，除了進一步優化空口的QoS保證機制，還可以考慮其他一些措施，如：

· 采用PPP一直在線模型，不再存在IP通道建立時間；

· 采用公共控制信道傳送小數據，達到快速發出和傳輸數據的目的；

· 設立專用的小數據收發信道，發送和接收時間敏感數據。

4 案 例研究——CoCar項目

業界已經在移動通信網絡支持V2V和V2I應用上開展了一些研究工作。Coperative Cars（簡稱CoCar）項目，是歐洲開展的一個基于移動通信網絡開展部分V2V和V2I應用的可行性研究項目。CoCar項目的出發點是，并不是所有的V2V應用都需要采用Wave/IEEE 802.11p技術，通過車輛之間的直接通信模式來實現。有的V2V應用，通過一些中間節點，諸如基礎設施的中間節點進行信息傳送，反而具有一些優勢。CoCar項目選取了基于蜂窩扇區的危險告警（cellular hazard warning，CHW）作為評估的目標應用。CHW是一種在高速行駛的車輛之間，通過移動通信網絡傳送關鍵安全告警信息的應用，具備較低的傳輸時延。車輛接收到這種告警信息后，司機可以調整車輛行駛速度，以保持合理的行駛間距。CoCar系統結構示意如圖1所示。

圖1 CoCar系統結構示意

在CoCar系統中，車輛之間的通信需要通過位于移動通信網絡的中間結點——CoCar信息系統來中轉。CoCar信息系統由3種實體組成：Reflector、Aggrerator和 Geocast Manager。車輛監測設施一旦發現需要上報的突發事件信息，立即通過特別設計的FTAP（fast traffic alert protocol）（應用層協議）將事件信息上傳到網絡中設立的處理實體——Reflector。Reflector根據車輛終端的位置信息將這些事件信息直接下傳到鄰近車輛的終端上。同時，Refector將這些信息轉發到Aggrerator。Aggrerator同時還接收車輛終端使用TPDP（traffic probe data protocol）定期上報的普通流量信息和使用其他手段（例如人工輸入交通信息）得到的交通信息，一并匯總后，形成周期性的交通信息，由 Geocast Manager使用 TPEG（transport protocol expert group）報文通過移動通信網絡下發到更大范圍的車載終端上。

此項研究的結果表明，從技術角度看，上述系統架構下，通過選取恰當的傳輸信道等手段，從發送方到接收方的CHW平均時延在500 ms以下。這是一個能夠滿足CHW業務的、可以接受的時延。研究結果同時指出，為達到上述指標，推薦采用公共信道進行上述信息的傳送，而不采用主要進行大數據量上傳和下載的業務信道。研究結果同時也指出，一旦使用此項業務的車輛數量增加到一定規模后，CHW業務的下行數據傳送應使用移動通信網絡中的小區廣播機制來完成。

5 結束語

業界一直不斷進行通過移動通信網絡構建車輛終端和基礎設施之間的各種應用的實踐。移動通信網絡支撐了當今的絕大多數車聯網應用。不過，車聯網應用或者說ITS應用仍然處于進一步拓展深化的過程之中，移動通信網絡需要進一步挖掘其潛力，更好地面對各種層出不窮的新應用。3GPP和3GPP2正在進行相關網絡改進的標準化工作。未來，以DSRC為代表的近程通信技術和以移動通信網絡 （無論是公共網絡還是專用網絡）為代表的中遠程通信技術都將在車輛網應用中繼續發揮重要作用。

1 互動百科.http://www.hudong.com/

2 ISO 21217.Intelligent Transport Systems-Communications Access for Land Mobiles(CALM)-Architecture,2010

3 ETSI EN 302 665.Intelligent Transport Systems （ITS）Communications Architecture,2010

4 3GPP TS 26.267.eCall Data Transfer;In-band Modem Solution;General Description(Release 10),2011

5 杜加懂.M2M在3GPP SA2的研究進展.電信網技術,2011(11)

6 Project cooperative cars. http://www.aktiv-online.org/english/aktiv-cocar.html