智能網聯汽車通信系統設計與實現

崔 岳，黃 華，張明星

（北京千方科技股份有限公司，北京 100085）

1 引言

1.1 研究背景及意義

隨著全球汽車產量、保有量的不斷增長，能源、環境、安全以及交通擁堵所帶來的問題日益凸顯[1]。在這一大背景下，通信、交通、汽車三大產業融合發展，智能化、信息化、低碳化也成為汽車行業公認的發展方向，智能網聯汽車既是三大產業的融合產物，也是汽車產業自身“三化”發展的重要產品。汽車是交通的一部分，對于智能汽車與智慧交通的技術與產業的發展，美、日、歐都已先行一步，紛紛將智能網聯汽車與協作式交通系統的發展提升至國家戰略高度。在我國，工信部等部委也在積極行動，正在制定智能網聯汽車與智慧交通的技術路線圖與產業發展戰略。

智能網聯汽車即是指搭載了先進的車載傳感器、控制器、執行器等裝置，并融合現代通信與網絡技術的新一代汽車，其可實現車與人、車、路、云等智能信息交換、共享，具備復雜環境感知、智能決策、協同控制等功能。V2X（Veh icle-To-Everything）通信技術是智能網聯汽車中的關鍵通信技術，其能夠實現信息共享并且保障協同控制[2]，自2014年起，V2X技術就成為智能交通領域研究的熱點。

1.2 V2X技術研究現狀

V2X主要有4個方面，分別是V2V（Vehicle-To-Vehicle，車-車）、V2I（Vehicle-To-Infrastructure，車 -基礎設施）、V2N（Vehicle-To-Network，車 -互聯網）、V2P（Vehicle-To-Pedestrian，車 -行人）。V2X技術是通過車載通信設備與車、人、基礎設施、網絡進行數據傳輸來實現，其可以收集周圍的實時信息到終端，為智能網聯汽車提供決策依據。在目前的V2X領域的研究中，主要有兩種技術，分別是專用短程通信技術標準（DSRC）與基于4G/5G蜂窩網絡的LTE-V技術。

1.2.1 DSRC技術研究現狀

DSRC技術的起源可追溯至20世紀90年代，它基于802.11p協議及其延伸和擴展，其應用場景可以分為安全相關的應用場景和非安全相關的應用場景[3]。DSRC技術能夠在汽車高速移動的情況下快速識別車輛，并且能夠為車與車、車與基礎設施提供數據流快速交互的功能，該技術有著傳輸時延短，傳輸速率高的優點。DSRC技術是美國V2X通信技術研究的主要領域，美國通過SafetyPilot、MCity等項目驗證了DSRC技術的有效性，并且于2016年12月頒布了V2V通信的NPRM（Notices of Proposed Rules Making），其為V2V通信技術的發展給出了建議[4]。

DSRC技術也存在著缺點，由于使用的是基于CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）的接入技術[5]，當在局部用戶太多的情況下，由于車輛之間的信道接入競爭，會導致系統性能急劇下降，這就會導致不可接受的傳輸時延和可靠性。DSRC的商用情景應用也存在著困難，主要原因在于道路覆蓋成本高，并且在車輛離開道路后難以繼續取得服務。

1.2.2 LTE-V技術研究現狀

LTE-V（Long Term Evolution-Vehicle）是基于4G LTE系統在汽車通信領域的一種演進技術，該技術作為一種基于TD-LTE技術的車際解決方案。目前LTE-V主要有兩種工作模式，分別是LTEV-Direct和LTE-V-Cell[6]。LTE-V-Direct模式采取車際直接通信，能夠滿足高可靠性、低時延、車輛高速運動等車際通信的要求；LTE-V-Cell模式是以蜂窩網絡基站作為信息交換中心的集中式工作模式，通過基站來進行控制協調，這種模式可以滿足高可靠性和連續性等通信需求。在實際的應用場景中，LTE-VDirect技術實現車際通信交流，在車輛避碰的領域中卓有成效，LTE-V-Cell技術可以實現數據的高速、連續傳輸。LTE-V有著支持車速高、數據傳輸速率高、時延低且傳輸范圍廣的優點，而且LTE-V相相對于DSRC技術部署成本更低，并且LTE-V目前可共用4G網絡的基站，在未來可以平滑過渡至5G[7]。

2 智能網聯汽車通信系統設計

2.1 基于DSRC的車聯網通信系統設計

為了滿足車路協同系統對低延遲、高可靠通信網絡的需求，設計通信協議框架如圖1所示，其中，物理層/MAC層選擇802.11p協議，組網技術選擇Ad-hoc方式，傳輸層選擇基于Non-IP的傳輸層協議，由此構成的車路通信系統可以有效地降低通信延遲，保障高速移動、網絡拓撲結構頻繁變化的車輛網絡質量，為V2X系統提供可靠、穩定、高效的通信服務。在實現V2X通信協議設計后，進行相關協議的嵌入式開發，完成車載單元OBU、路側單元RSU等硬件終端設備及其性能測試驗證系統的設計開發。

圖1 車路協同DSRC通訊模塊體系框架

2.2 基于4G/5G的LTE-V車聯網通信系統

目前的無線通信系統，已經可以支持大部分的交通效率和其他商業類應用。作為車聯網中的重要場景，自動駕駛特別涉及到駕乘者的生命安全和車輛安全等問題，因此對于無線通信系統提出了更高的性能需求。要滿足這些性能需求，需要對現有通信系統進行改進和優化，主要需要解決如下關鍵問題：

（1）低時延高可靠問題。在車聯網中，不同類型的應用對時延的需求不同。車輛碰撞的風險越高，對時延的要求越苛刻。大多數安全系統的性能依賴于人和設備的反應時間，如果消息到達后人和設備來不及反應，主動安全的性能將無法保障。安全系統對于反應時間有嚴格要求，一般為毫秒級別。自動駕駛則更進一步，要求系統在不依賴于人的操控下，車輛本身可以正常行駛并避免碰撞，因此在自動駕駛的碰撞避免類應用中，車輛之間和車輛與基礎設施之間的消息分發也必須滿足低延時特性。

（2）高移動性。在車聯網場景中，要求支持高速行駛的場景，相對車速可能達到300km/h。同時，由于可能采用5～6GHz頻段支持車載業務，因此要求系統支持更大的多普勒頻率。為了滿足高移動性的要求，可以考慮重新設計導頻分配、接收機處理等方案，以減輕多普勒頻移對系統接收性能的影響。

（3）高傳輸速率、高容量。車聯網車-云協同概念中的“超視距感知”和“移動云計算”能力，要求隨著車輛的移動，可以實時下載高精度3D地圖，車輛根據規劃路線和實時地圖不斷修正自身的軌跡。同時，在自動駕駛中，可能會要求以視頻的形式使得駕駛者可以實時感知周圍不斷變化的場景（車輛、人、路面情況等），這些需求對于系統傳輸速率提出了更高的要求。部署的網絡應該具有足夠好的覆蓋和實時帶寬。

在交通事故或交通擁堵情況下，可能會出現大量車載終端同時并發消息傳輸，造成“消息風暴”，導致無線通信性能嚴重退化。因此要求系統具有非常高的容量。

可以考慮通過Massive MIMO提升系統傳輸速率和容量。同時，在高負載情況下，應考慮靈活有效的過載控制機制，以保證系統的穩健性。

（4）靈活的網絡架構。隨著晝夜、特殊時段車輛密度的變化，車聯網系統的總通信帶寬、所需的空口資源、系統處理容量會隨之不斷變化，為達到節省資源、節能減排的目的，車聯網系統需要支持空口、硬件資源的彈性調配。

同時，車聯網通信系統可能基于5G的蜂窩系統頻段，或者使用新的專用頻段，需要網絡架構可以支持多頻段的配置和使用。

另外，目前已有的DSRC、Wi-Fi、3G/4G蜂窩網絡都可以支持部分車聯網應用。在LTE-V車聯網系統中，也需要考慮如何與已有的各種網絡進行協作，共同支持自動駕駛的各類業務。

基于LTE的車聯網既需要滿足超高帶寬，超高速度移動以及互聯網業務發展的需要，又需要面對層出不窮、變化多樣的物聯網應用需求。車聯網中多樣化的應用場景和業務需求對網絡架構設計提出很高的的設計要求。

圖2為支持車聯網應用的網絡架構。其中OBU為車載單元，RSU為路邊單元。OBU之間的通信為V2V通信；OBU與RSU、OBU與E-UTRAN間的通信為V2I通信。

圖2 車聯網通訊網絡架構圖

以下分核心網和接入網兩部分進行方案的說明。

2.2.1 核心網

為滿足車聯網的需求，網絡需要具備如下橫向分層、縱向分域的架構，網絡橫向包括虛擬資源、虛擬組件、運營管理三個層，縱向包括業務網絡域和管理編排域。通訊網絡核心網架構如圖3所示。

圖3 通訊網絡核心網架構

虛擬組件層完成網絡連接和移動性管理等功能，類似于傳統的網元功能。虛擬組件層實現的基礎不再是專用的硬件設備，而是基于網絡功能虛擬化（NFV）技術的軟硬件解耦后的虛擬資源層。虛擬資源層為虛擬組件提供物理計算/存儲/交換資源等基礎設施，可分布于多個地理分散的數據中心。運營管理層完成網絡的運營，包括用戶/業務簽約、計費管理，網絡策略的調整，網絡能力的開放等。網絡縱向包括業務域和管理編排域。業務域可以是一套公用的網絡組件層，也可以是實現不同業務的專用網絡切片，如車聯網業務網絡。管理編排域MANO，負責對整個業務域組件的管理和編排，包括虛擬組件的分配和調度，性能的檢測和彈性伸縮等。

車聯網虛擬組件層支持M-MIMO、D2D、多站點協同等創新的無線技術，以實現車聯網需求。可考慮在以下方向進行設計和優化：

（1）NFV/MANO。基于業務場景需求對所需的網絡功能進行靈活的剪裁和組網，對網絡資源進行動態分配和調整，并可隔離不同業務場景所需的網絡資源，滿足未來應用場景下第三方對網絡的需求，極大提高用戶體驗；網絡自動編排包括網元功能的按需編排，以及業務的按需路由。采用MANO技術，通過網絡功能、業務功能的按需創建，實現網絡的自動編排（network/service orchestrator）。

（2）控制與轉發組件分離。車聯網的虛擬組件實現控制與轉發分離后，控制面組件負責車聯網終端的鑒權、授權，高速移動和連接管理，轉發面組件負責報文的快速轉發。兩者可以分開部署，如控制面可以相對集中，覆蓋大范圍地理區域，支持終端高速移動；轉發面可以和內容分發網絡（CDN）服務器一起分布式下沉，靠近實現快速分流，以解決高帶寬，大吞吐量的傳輸代價和網絡時延問題。

（3）授權及驗證機制。支持V2V車輛的授權及認證機制。基于V2V使用設備（UE）的訂閱信息，研究NAS層及AS層的鑒權控制機制；支持跨運營商，跨PLMN的Vehicle之間的授權，認證，以支持不同Vehicle之間的V2X通信。2.2.2 接入網

（1）考慮引入RSU（Road Side Unit）以實現V2I通信。研究UE作為RSU以及eNB（Evolved Node B）作為RSU對網絡架構的影響。如圖4和5所示，當UE充當RSU時盡可能復用現有3GPP系統D2D通信的設計，并對其進行時延，可靠性以及高速移動的優化。

考慮現有網元ProSe Funct ion的改進，實現V2V Function，用于支持基于D2D的功能，以支持基于PC5接口的V2V業務。研究RSU的具體實現方式對物理層設計的影響，包括UE形態RSU，small cell形態RSU及eNB形態RSU。

圖4 有覆蓋場景下UE充當RSU以及eNB充當RSU的架構圖

圖5 無覆蓋場景下UE充當RSU的架構

（2）引入MEC（mobile edge computer）網元。該技術類似于LIPA，可以實現低時延的eNB轉發。MEC網元相當于與下沉的核心網。簡單地說，引入MEC，可以支持低時延的網絡轉發，用于實現RAN全會立項SID中，所要求的基于通用用戶接口（Uu）接口的V2V業務。

（3）RSU識別及選擇機制。如果V2V UE監聽到多個RSU，則需要設計RSU選擇及重選機制，使得V2V UE可以接入到最合適的RSU。

（4）考慮節電機制，設計綠色環保的RSU以及vehicle。如只有當vehicle UE發現周圍有RSU UE的存在，且該RSU支持vehicle UE感興趣的APP type，則vehicle UE開始監聽RSU發送數據的D2D通信資源池，否則vehicle UE不需要發送V2I消息。此外還可以根據附近是否有Vehicle UE的檢測判斷何時開啟以及關閉RSU功能，以及基于地理位置信息開啟vehicle UE的V2I消息發送以及監聽功能。

根據項目研發的需要，支持V2V/V2I通信的車聯網設備組網技術還需進行仿真驗證，包括宏微小區模型仿真、分布式無線通信模型仿真、室內環境密集組網無線信道模型仿真及室內MIMO信道傳播特性仿真等，需要完成計算機分布式仿真集群實驗系統的搭建，如圖6所示：

圖6 分布式仿真集群

3 V2X車載終端與路側終端設備研制

3.1 設備硬件設計

車載終端與路側終端設備采用成熟的工業級硬件架構，選擇基于精簡指令集RICS的ARM微處理器的平臺架構，集成CAN總線接口，接入GPS/北斗定位、DSRC與LTE-V通信模塊、TCP/IP模塊等。硬件架構圖如圖7所示：

圖7 硬件系統框架圖

具體的功能模塊包括如下幾個部分：

（1）CAN總線數據采集模塊。采用OBD接口與車輛內部CAN網絡進行連接。此模塊可以周期或事件性的獲取車輛的總線數據，并且傳遞給主處理模塊進行解析處理和分析出有效信息，包括車輛的狀態或者故障信息等。這些數據會作為主動安全預警應用中本車數據的一部分信息來源。

（2）GNSS定位模塊。包括普通導航級定位模塊和高精度定位模塊，其中高精度定位模塊支持D-GPS技術，可以將車輛的定位精度精確到1m以內，實現車道級的定位。此模塊定位的結果數據包括但不限于經度、經度精度、緯度、緯度精度、海拔、海拔精度、航向、航向精度等，這部分的信息會作為主動安全預警應用中本車數據的另外一部分信息來源。

（3）短程通信模塊。支持通信標準的射頻收發芯片和基帶處理芯片，輔以相應的外圍電路。本車可以從空中接口中接收報文，該報文中攜帶周圍的車輛的位置信息、速度信息、加速度信息、車輛故障狀態等，或者攜帶路側設備信息的紅綠燈狀態和剩余時間信息、限速標志、限高標志等，這些信息經過協議棧的解析和處理，在主動安全預警算法中作為周圍環境信息的主要來源。

（4）主處理模塊。采用ARM的微處理器芯片，具有信息的處理、危險情況的判斷、預警等級的決策等功能。此模塊綜合考慮本車CAN數據、本車GNSS數據、DSRC獲取來的周圍車輛信息以及路側設備信息，判斷現在車輛是否具有駕駛的危險，然后根據危險的嚴重程度，通過預警模塊進行聲音和圖像預警等。

（5）預警模塊。包括聲音和圖像預警兩部分。包括移動預警模塊和產品內嵌預警模塊兩種。其中移動預警模塊包括手機、Pad等設備搭載的App程序，通過Wi-Fi與主處理模塊進行通信，用于接收從主處理模塊發送來的預警信息，并經過解析，最終以合理的HMI進行圖像預警和聲音提醒。

（6）人機交互。在軟硬件基礎架構的平臺上完成已經實現的各種應用程序和統一的人機交互界面設計。

（7）遠程通信模塊。采用4G模塊作為和云端服務器的通信接口，可以滿足云端和車輛的遠程通信功能。

3.2 嵌入式軟件設計

嵌入式操作系統采用Linux+Android的技術路線，內核驅動采用C/匯編實現，底層協議棧和應用層軟件，用Linux C++實現，人機交互界面采用Android實現。用C++編寫底層軟件，可以保證系統的運行效率，用Android開發上層軟件，可以利用豐富的外設驅動庫與GUI開發庫，便捷人機交互界面的實現，增加產品的表現力。嵌入式軟件的技術架構圖8所示：

圖8 嵌入式軟件技術架構

針對系統內核的驅動需要用C++/匯編語言編寫，通訊協議棧和網絡應用層用C++語言編寫，應用軟件采用Android實現。

4 結束語

智能網聯汽車是智能交通系統的關鍵環節，其通信系統是實現車與X（車、人、路、云）智能信息交換的關鍵。本文根據智能網聯汽車通信的應用需求，設計并實現了基于V2X的智能網聯汽車通信系統，本系統將DSRC和LTE-V技術相結合，在V2X技術的應用上更進一步，加快了智慧交通關鍵技術與產品的產業化。