基于公眾移動通信網的V2X運營需求

陳正文

（中國電信股份有限公司上海研究院，上海 200122）

基于公眾移動通信網的V2X運營需求

陳正文

（中國電信股份有限公司上海研究院，上海 200122）

簡要介紹了兩種V2X技術路線，以典型的V2X應用場景為例，提出了V2X應用部署初期應僅提供車輛主動安全提醒服務的觀點。從公眾移動通信網提供V2X應用的角度，提出了V2X運營中所需的功能需求，包括：身份鑒權、通信功能、通信兼容性、與交通系統對接、運行維護等功能，并提出了身份證書發放、運行維護測量消息的具體設想。

V2X；V2V；V2I；V2P；智能交通系統

1 引言

交通運輸是國民經濟的重要組成部分，對經濟發展、人身安全、環境保護等多領域有重要影響。截至2016年6月，我國汽車保有量達1.84億輛，汽車駕駛人員達2.96億人。截至2015年底，中國公路通車總里程達到457萬公里，其中高速公路里程超過12萬公里。隨著交通機動化的不斷發展，中國道路交通安全形勢嚴峻，每年因道路交通安全事故傷亡人數超過20萬人，交通事故約470萬起，在全球處于事故率、死亡率較高的水平。因此有必要充分利用通信技術提供新的智能交通應用，提升道路交通安全。

V2X是全球智能交通領域研究的熱點，利用車與基礎設施（vehicle to infrastructure，V2I）、車與車（vehicle to vehicle，V2V）、車與人（vehicle to pedestrian，V2P）通信，提升交通運輸效率與安全。V2I、V2V、V2P統稱為V2X。V2X技術要求車輛、路側設施、行人通信終端具備近距離通信功能，能夠實現物理位置相距較近的車輛、路側設施、行人之間通信。

V2X的技術路線主要為兩種：DSRC（dedicated short range communication，專用短程通信）技術和公眾移動通信網。DSRC的V2X技術基于IEEE 802.11p協議，其設計以智能交通系統（intelligent transport system，ITS）的應用需求為目標。IEEE 802.11p定義了物理層和MAC層，在IEEE 802.11基礎上針對高速運動的車輛通信進行了特定擴展，工作于5.9 GHz頻段，為非授權的專用頻段。物理層和MAC層之外的網絡、管理和安全等部分由IEEE 1609系列協議規定，應用消息集由SAE J2735定義。

歐洲、美國、日本已基于DSRC技術開展V2X的試驗和試用，通常由政府的道路運輸管理部門發起，汽車制造商、汽車電子設備供應商、信息服務集成商、學術機構等參與。

Car2Car聯盟發起了2015年在歐洲部署C-ITS（cooperative ITS）的備忘錄，在2012年已有12家汽車制造商簽署此備忘錄［1］。歐洲已開展20個以上的研究與場地測試項目，且試驗已由原型驗證轉為真實環境的大尺度場地試驗，如DRIVE C2X項目中，超過200輛車在芬蘭、法國、德國、意大利、荷蘭、西班牙、瑞典共行駛150萬公里開展測試，九成以上的測試用戶對應用表示有意愿使用。歐盟為V2X分配的頻段為5.875～5.905 GHz。

美國交通部的國家公路運輸安全管理局 （NHTSA）在2014年8月曾宣布計劃2016年給出法規建議，擬要求未來若干年后的新車配備V2X設備。2015年9月，美國交通部在最近一輪試點中在懷俄明州南部、紐約市、弗羅里達的坦帕市分別試驗卡車安全與效率改進、車流與行人安全、高速公路可變車道的應用［2］。美國為V2X分配的頻段為 5.850～5.925 GHz。

日本開展了多個V2X測試項目，并實施了V2I的建設，在全國部署了1 670個路側節點，超過5萬個車載節點。日本在V2X測試和實施中使用的頻段為760 MHz。歐洲、美國、日本DSRC技術的通信底層不完全一致，已在標準化工作領域建立EU-US-JP task force開展溝通和協調，期望達成標準之間的協同［3］。目前DSRC的設備供應商所出售的通信模塊和終端分為歐洲版、北美版、日本版。基于公眾移動通信網的V2X技術路線相對DSRC技術路線起步較晚。3GPP自2015年開始啟動V2X通信領域研究項目［4，5］，計劃 2017 年完成通信技術標準。

V2X應用部署面臨商業模式、信息安全等諸多挑戰，需要有足夠高的車輛安裝滲透率才能達到足夠好的應用效果。V2X的初期應用大部分僅對駕駛員進行提醒，很少直接對車輛進行控制。隨著自動駕駛技術的不斷發展，V2X對于自動駕駛技術可起到補充作用，感知到普通傳感器無法探測到的直線方向被遮擋的物體和拐角的物體。本文針對公眾移動通信網實現V2X進行運營需求的探討。

2 V2X應用角色與終端分類

為探討V2X的運營需求，首先列出V2X應用的參與角色。

·車輛駕駛人員：指機動車駕駛員，所駕駛的機動車包括道路營運車輛（客運車輛、貨運車輛、出租車等）、私人輕型轎車、摩托車。車輛的動力包括燃油、電動、油電混合動力等。

·車主：指上述機動車的車輛所有者。車主的角色僅涉及V2X的機動車初始身份鑒權應用，并不涉及V2X實時通信的應用場景。

·行人：指在道路步行的行人，尤其在步行通過交叉路口、橫穿道路的場景時。此處并未單列自行車騎行人員。在大部分應用場景中，自行車騎行者與行人的角色類似。

·V2X路側終端運營者：指利用V2X路側終端發布V2X信息內容（道路濕滑、紅燈配時、道路臨時施工等）的運營者。

·V2X業務運營者：為V2X系統的車主、行人、V2X路側終端運營者提供業務辦理服務，例如發放V2X終端、核驗申請人身份、故障報修、客戶服務等。

基于公眾移動通信網的V2X應用場景系統的構成如圖1所示。

圖1 基于公眾移動通信網的V2X應用場景系統構成示意

基于公眾移動通信網的V2X運營中，V2X終端與普通的公眾移動通信應用有一定關系。對V2X終端按使用者角色分類，見表1。

表1 V2X終端分類

V2X車載終端向周邊發送本車的速度、位置等信息。V2X車載終端分為前裝、后裝兩類：前裝V2X車載終端與車輛通信總線對接，可獲取車速、位置、制動操作、方向盤操作等信息；后裝V2X車載終端不與車輛通信總線對接，而是利用自身的傳感器獲取車速、位置等信息。V2X行人終端向周邊發送本終端速度、位置等信息。V2X路側終端按V2X路側運營者指令發送道路通行相關消息。為便于表述，將V2X車載終端、V2X行人終端、V2X路側終端統稱為V2X終端。

可以設想，在基于公眾移動通信網的V2X應用中，V2X終端除具備近距離通信能力之外，通常具備通用的公眾移動遠程通信能力。在同一終端中同時具備兩種通信功能，將有利于降低V2X終端的成本支出，提升V2X應用部署的用戶滲透率，縮短部署周期。同時，V2X通信與公眾移動遠程通信可有效進行信息互通，以提供新的應用功能。

在公眾移動通信網的無線覆蓋范圍內，V2X終端在無線接入網的指揮調度下進行V2X通信；在覆蓋范圍之外，V2X終端自主進行V2X通信。V2X車載終端可與車載蜂窩通信設備（通常為TSP服務的終端，如T-BOX、OBD終端、車載多媒體終端）合設；V2X行人終端可與公眾移動通信終端合設；即消費者的智能手機中提供V2X通信功能；V2X行人終端也可與消費者可穿戴設備合設，如智能手表、智能手環等。V2X路側終端具備公眾移動通信能力，與遠程的應用管理系統進行V2X應用信息的交互。除移動通信能力之外，V2X路側終端可通過有線通信方式具備遠程通信能力。

3 V2X應用場景

ETSI［4］、3GPP［5，6］、CCSA［7］已 提 出 了 較 全 面 的 V2X 應 用場景，此處按應用類別、通信方式列出典型的應用場景。

3.1 行車安全典型應用

行車安全應用以車輛主動安全的服務方式向駕駛員提供服務，即車輛對駕駛員提供聲、光、振動等警告，提醒駕駛員主動采取動作，避免發生危險。

3.1.1 V2V

（1）前車緊急制動預警

前方有車輛緊急制動，向周邊廣播制動消息，本車收到消息，判斷存在碰撞風險時，車輛向駕駛員發出前車緊急制動預警。

（2）前撞預警

前方車輛定期向周邊廣播本車速度、位置、臨時停車、行駛緩慢、突然變道等信息，本車收到前車的定期消息后，依據前車的車速、位置，判斷出存在碰撞風險時，車輛向駕駛員發出前撞預警。

（3）變道危險預警

本車定期接收周邊車輛的速度、位置消息，當本車駕駛員開始變道時，若側后方有車輛高速駛近，或即將進入的車道對面有來車駛近，本車向駕駛員發出變道危險預警。

（4）交叉路口預警

本車即將進入的交叉口若存在側向來車，與本車存在碰撞風險時，本車向駕駛員發出交叉路口預警。

（5）遠光燈提醒

本車遠光燈開啟狀態下，若對面有車輛駛近，本車向駕駛員發出暫時關閉遠光燈提醒。3.1.2 V2I

（1）路面異常預警

V2X路側終端向周邊廣播前方路面存在濕滑、結冰等異常狀況的消息，本車收到消息后，向駕駛員發出路面異常預警。

（2）事故車道預警

V2X路側終端向周邊廣播指定車道存在事故現場的消息，車輛收到消息后，向駕駛員發出事故車道預警，便于駕駛員及早減速并轉換至非事故車道。此場景中，V2X路側終端既可以是長期固定的V2X路側終端，也可以是事故處理工作人員臨時放置的便攜式V2X路側終端。

（3）施工車道預警

V2X路側終端向周邊廣播指定車道正在施工的消息，車輛收到消息后，向駕駛員發出施工車道預警，便于駕駛員及早減速并轉換至非施工車道。

（4）彎道車速預警

V2X路側終端向周邊廣播彎道車速限速消息，當車輛超速時，向駕駛員發出彎道車速預警。

3.1.3 V2P

如行人碰撞預警，V2X行人終端定期向周邊廣播本終端的速度、位置。V2X車載終端定期向周邊廣播本車的速度、位置。車輛收到V2X行人終端的消息，判斷存在碰撞風險時，車輛向駕駛員發出行人碰撞（前撞或后撞）預警。V2X行人終端收到V2X車載終端的消息，判斷存在碰撞風險時，V2X行人終端發出聲音告警。

3.2 交通效率提升應用

交通效率提升應用利用車輛主動安全的服務方式向駕駛員提供服務，即車輛對駕駛員提供聲、光、振動等告警，提醒駕駛員主動采取動作，提升車輛道路通行的效率。

3.2.1 V2V

公路橋梁施工之前，需要做好充分的準備工作，進而保證公路橋梁的施工能夠順利的進行。施工之前，相關管理人員需要對施工現場進行實地調查，對施工設計方案進行審查，根據實際情況對施工方案進行合理的修改。需要提前考慮好施工過程中可能遇到的各種問題，然后嚴格根據施工方案以及相關規范標準的要求進行施工。如果在施工過程中發現問題，需要及時采取相應的解決措施，進而保證公路橋梁施工的質量以及安全。

（1）緊急車輛優先

急救車、消防車、警車、道路清障車等需要快速行進的車輛向周邊發出V2X消息，周邊車輛收到消息后主動讓開該緊急車輛所需的車道，使該緊急車輛快速通行。

（2）公交車輛優先

公共交通車輛需要在工作日早、晚高峰在公交專用車道中快速通行。在工作日早、晚高峰時，公交車輛向周邊車輛發出V2V消息，周邊車輛收到消息后，主動離開公交專用車道，使公交車輛快速通行。

3.2.2 V2I

（1）高速緊急車道違規記錄

為整治車輛違規占用高速公路緊急車道的行為，高速公路的V2X路側終端接收車輛V2X信息后，記錄駛入緊急車道車輛的V2X消息。路側終端記錄下的車輛V2X消息被傳送至云端系統計算分析，判斷車輛駛入緊急車道的時長、行駛距離，判斷是否為違規占用緊急車道。同時，V2X路側終端發出的消息中帶有緊急車道警示，V2X車載終端收到后，結合自身車速、位置，判斷是否違規。若違規，車載終端利用車輛主動安全功能提示駕駛員應駛離緊急車道。

為整治車輛違規占用公交專用車道的行為，公交專用車道的V2X路側終端在工作日早、晚高峰期接收車輛V2X信息后，記錄駛入公交專用車道車輛的V2X消息。路側終端記錄下的車輛V2X消息將被傳送至云端系統計算分析，從而判斷車輛駛入公交車道的時長、行駛距離，并判斷是否為違規占用公交專用車道。同時，V2X路側終端發出的消息中帶有公交專用車道警示，V2X車載終端收到后，結合自身車速、位置，判斷是否違規。若違規，車載終端利用車輛主動安全功能提醒駕駛員駛離公交專用車道。

（3）交通擁堵周邊廣播

智能交通應用系統探測到某路段出現交通擁堵，應用系統通知該路段的V2X路側終端，由V2X路側終端向周邊廣播交通擁堵消息。V2X車載終端收到交通擁堵消息后，向駕駛員發出警示，便于駕駛員提前采取繞行措施。

3.3 應用場景小結

上述應用場景的典型通信距離為100～2 000 m。雖然業界提出的V2X應用場景也包括車輛自動／半自動駕駛、交通信號燈自動配時等應用，但中國交通環境中的車輛、行人密集，建議初期部署時僅提供利用車輛主動安全服務進行提示的V2X應用，不應過早部署車輛自動／半自動駕駛、交通信號燈自動配時等自動控制V2X應用。

業界在V2X研究中除提及行車安全、交通效率提升之外，信息娛樂應用也曾被提及。由于信息娛樂應用可以容忍相對長的時延，而且來源更為開放，給安全管理將帶來較大挑戰，因此不適于在V2X體系中提供，而應利用TSP服務體系提供。

4 V2X身份鑒權需求

V2X體系商業運營中，需保證通信參與者身份的真實性、不可抵賴性，且其身份信息不能被泄露。NHTSA［8］和Daniel Angermeier［9］的研究都提出V2X身份鑒權存在長周期、短周期的身份鑒權機制。結合公眾移動通信網的運營機制，本文提出以下V2X身份鑒權運營的設想。

4.1 長周期身份鑒權

需建立對V2X終端進行長周期身份鑒權的機制，在較長時間段（如1年）內，保持對該終端身份認可。V2X業務運營者通過V2X運營平臺執行此類運營環節。

4.1.1 V2X車載終端

在車輛年檢場所設置V2X身份鑒權裝置，確認V2X車載終端的ID、車架號、車牌號綁定一致。此身份鑒權環節通常由車主配合V2X業務運營者執行。

4.1.2 V2X行人終端

V2X運營平臺按設定的長周期發起對V2X行人終端的鑒權驗證，確認V2X行人終端的ID與該終端的IMSI、MEID綁定一致。

4.1.3 V2X路側終端

V2X運營平臺按設定的長周期發起對V2X路側終端的鑒權驗證，確認V2X路測終端的ID與該終端的IMSI、MEID綁定一致。此身份鑒權環節由V2X路側終端運營者配合V2X業務運營者執行。

若V2X路側終端布放在偏遠地區，該地區尚未提供公眾移動通信網的無線覆蓋，則V2X路側終端運營者可利用路政巡查車輛攜帶V2X身份鑒權裝置，利用V2V通信方式，對該地區的V2X路側終端進行長周期身份鑒權，確認V2X路側終端的ID與地理位置一致。

4.2 短周期證書發放

V2X運營平臺向具備合法長周期身份的V2X終端發放短周期身份證書。短周期身份證書的發放周期可以為1周、1月。

5 V2X通信功能需求

5.1 無線網絡覆蓋

在公眾移動通信網的無線覆蓋范圍內，V2X終端使用無線接入網元指示的無線資源進行V2X通信。在覆蓋范圍之外，V2X終端之間仍可進行V2X通信，但通信的并發性能、云端系統的支持相對較弱。

5.2 無線資源分配

當V2X終端處于公眾移動通信網的無線覆蓋范圍內時，無線接入網元可以為V2X終端分配可用的無線資源。當V2X終端進入一個新的公眾移動通信的蜂窩小區時，向無線接入網元申請無線資源分配，接入網元利用V2X終端的長周期證書確認其身份合法，為其分配無線資源。

5.3 消息廣播

（1）終端例行消息廣播

V2X終端定期向周邊廣播自身的位置、速度、行進方向等消息。

（2）終端事件消息廣播

V2X終端自身連接的傳感器感知數據后生或特定事件，觸發V2X終端向周邊廣播該事件消息。如橋面的V2X路側終端接收冰層監測傳感器的事件，向周邊廣播橋面結冰的消息。

（3）云端事件消息廣播

V2X終端被V2X應用系統下發的事件觸發，向周邊廣播該事件消息。如V2X應用系統得知某路段發生道路擁堵，向該處延伸段的多個V2X路側終端下發該消息，多個V2X路側終端向周邊廣播該道路擁堵消息。

5.4 業務消息身份鑒權

在V2X通信過程中，V2X終端對收到的每條V2X消息進行身份鑒權，確認該消息的發送者具有合法的短周期身份證書。

大部分 V2X消息的發送頻率為 10 Hz［5］，且不同終端的消息發送時刻是隨機的。V2X終端需在高并發狀態下對所收到的每條V2X消息的身份鑒權，鑒權的時長不超過 100 ms。

6 V2X通信兼容性需求

基于公眾移動通信網的V2X通信在網絡通信的物理層、MAC層與IEEE 802.11p不兼容，但在應用層應盡量與全球的主流應用協議保持兼容，并可擴展中國適用的應用消息。不同電信運營商的公眾移動通信網所管理的V2X終端之間需可進行近距離V2X通信。

7 V2X網絡與交通系統對接需求

基于公眾移動通信網的V2X系統中，V2X應用系統是多種應用的運行平臺。V2X終端與V2X應用系統進行應用消息交互，實現多種應用。當V2X路側終端采用有線網絡連接V2X應用系統時，可采用道路建設時所鋪設的專用有線網絡。為實現V2X終端進行云端事件消息廣播，V2X應用系統可與智能交通信息系統對接，進行交通實時信息交互。

8 V2X系統運行維護需求

V2X終端通常不具有圖形化人機交互界面，且路側終端無人值守，需建立自動運行維護機制。

在V2X應用消息中，需設置用于V2X終端自動運行維護的測量消息。需求為：

·V2X應用系統具備發送、接收V2X測量消息的功能，并通過對測量消息的分析，判斷V2X終端的功能是否正常；

·V2X終端具備發送、接收并回傳V2X測量消息的功能，V2X終端接收到周邊其他V2X終端的測量消息時回傳至V2X應用系統，應用系統匯總所收到的測量消息內容，判斷V2X終端的工作狀態是否正常。

9 結束語

本文針對基于公眾移動通信網提供V2X商業應用提出了V2X系統在運營中需考慮的需求，包括身份鑒權、通信功能、通信兼容性、運行維護等需求。其中，對身份鑒權、運行維護的需求借鑒了電信運營商網絡運營經驗，結合智能交通行業特點，提出了身份證書發放、運維測量消息等具體設想，對V2X的技術標準制定具有一定參考價值。

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Operation requirements for V2X communication of PLMN

CHEN Zhengwen
Shanghai Research Institute of China Telecom Co.，Ltd.，Shanghai 200122，China

Two kinds of V2X technology were introduced briefly and several typical V2X use cases were listed.It was suggested that V2X applications should be deployed with vehicular active safety function firstly.Based on V2X communication of PLMN，operation requirements were provided，including identity authentication，communication function，interoperation of communication，interface with road transport system，operation and maintenance，especially including ideas of delivering identity certifications and measurement messages.

vehicle to X，vehicle to vehicle，vehicle to infrastructure，vehicle to pedestrian，intelligent transport system

TN929.5

A

10.11959／j.issn.1000-0801.2016227

2016-07-10；

2016-08-15

陳正文（1973-），女，中國電信股份有限公司上海研究院高級工程師，主要研究方向為物聯網蜂窩通信技術。