C-V2X測試標準分析及測試方案設計綜述

湯利順 趙萌 邊澤宇 李長龍 張東波

（中國第一汽車集團有限公司 智能網聯開發院，長春 130013）

主題詞：C-V2X 無線性能 協議一致性 測試場景 評價準則

縮略語

V2X Vehicle to Everything（車聯網）

IoT Internet of Things(物聯網)

V2V Vehicle to Vehicle(車與車)

V2I Vehicle to Infrastructure(車與基礎設施)

V2R Vehicle to roadside unit(車與路側單元)

V2P Vehicle to pedestrian(車與行人)

V2N Vehicle to Network(車與互聯網)

DSRC Dedicated Short Range Communications（專用短程通信技術）

C-V2X Cellular-V2X（蜂窩通訊）

3GPP The 3rd Generation Partnership Project（第三代合作伙伴項目）

CSAE China Society of Automotive Engineers（中國汽車工程學會）

LTE Long Term Evolution（長期演進）

CCSA China Communications Standards Association（中國通信標準化協會）

OBU On-Board Unit（車載單元）

RSU Road Side Unit（路側單元）

SDU Service Data Unit(服務數據單元)

RLC Radio Link Control（無線鏈路層控制協議）

RRC Radio Resource Control（無線資源控制）

PDCP Packet Data Convergence Protocol（分組數據匯聚協議）

MCS Modulation and Coding Scheme（調制與編碼策略）

HARQ Hybrid Automatic Repeat request（混合自動重傳請求）

DSM DSRC Short Message(DSRC短信息)

DSA DSRC Service Advertisement（DSRC服務信息）

BSM Basic Safety Message（車輛基本安全消息）

RSI Road Side Information(路側信息)

SPAT Signal Phase and Timing Message(信號燈信息)

GNSS Global Navigation Satellite System（全球導航衛星系統）

HMI Human Machine Interface(人機交互)

ICW Intersection Collision Warning（交叉路口碰撞預警）

LOS Line Of Sight（視距范圍內）

NLOS Non Line Of Sight（非視距范圍內）

TTC Time To Collision（碰撞時間）

1 前言

隨著汽車網聯化技術研究的不斷深入，V2X作為一種新興的網聯通信技術早已得到業界的廣泛認可。這種基于萬物互聯（IoT）的概念，主要是指車和外界的信息交換，是一系列車載無線通信技術的總稱。

V2X一般包括5大類：車與車互聯（V2X）、車對路側設備（V2R）、車對基礎設施（V2I）、車對行人（V2P）以及車對網絡（V2N）。

在V2X的通信技術手段上，目前主要有兩大陣營：其一是美國和高通芯片商支持的DSRC（Dedicated Short Range Communication）專業短程無線通信技術，該技術主要標準由IEEE和SAE兩大標準組織制定；另一項是由中國和大唐華為芯片商支持的CV2X（Cellular-V2X）基于蜂窩通信的無線通信技術。DSRC技術可以實現幾十米區域范圍內移動目標識別及雙向通信，可以實現車與車、車與路之間的對話，目前這種技術比較成熟，已達到了商用化階段。而相對于DSRC，C-V2X在通信容量、覆蓋度、高速移動場景、網絡可靠性、頻率資源利用率和基礎設施支持程度上都具有更高的優勢，且它具備長期演進的特點[1]。

2018年1月，國家發改委發布的《智能汽車創新發展戰略》（征求意見稿）[2]文中提到，2020年C-V2X覆蓋率將達到90%。而作為技術成熟和具備商業化應用的前提，C-V2X的評價標準及測試驗證手段也是非常關鍵的。本文主要對C-V2X的測試標準進行了分析以及對測試方法進行了描述。

2C-V2X標準分析

2.1 開發標準

C-V2X標準主要可以分為兩部分：3GPP定義的底層通信協議以及上層基于應用及通信場景定義的通信標準，協議架構詳見圖1。

圖1C-V2X標準架構示意圖

3GPP定義的標準覆蓋物理層及數據鏈路層通信協議，其中TS 36.211和36.212分別定義了空中接口的無線物理通道和無線接入控制協議[3-4]。RLC,PDCP：分組數據匯聚協議屬于無線接口協議棧的第二層，處理控制平面上無線資源管理消息以及用戶平面上的協議數據包，同時還向上層提供按序提交和重復分組檢測功能，為用戶提供一個無損的無線環境。

網絡層：GB/T 31024.3—2019[5]定義了可適配不同物理層的技術要求，以適應各種不同的網絡資源來滿足復雜交通場景下的通信需求。包括終端最大運動速度不小于120 km/h的強移動性支持，可以支持多種無線接入層，安全相關業務端到端傳輸延遲小于50 ms的時延要求，基于業務優先級的服務質量保證的技術要求。

應用層：CSAE通過團標T/CSAE 53-2017[6]定義了應用層技術規范化和應用層數據交互接口，使車車互聯有了統一的交互語言和文字，標準中提出了一個“應用數據交互層（Application Data Switch）”的概念，它構建了一個基礎平臺，負責應用數據編解碼和交互控制，最終實現具體應用場景和底層交互技術之間的隔離。

以SAE J2735[7]作為參考，中國汽車工程學會組織20家企業在40個V2X場景中選取了17個作為1期示范應用，其中包括12個安全類應用，4個效率類，1個信息服務類。同時車企也可以制定自己的應用場景。

2.2 測試標準

3GPP產業聯盟規定了底層通信性能測試規范，除此之外，國內多個組織、標準協議和研究中心根據自身的特點及定位也編制了相應測試規范，詳見表1的標準劃分。

表1 測試標準架構解析

3GPP在TS 36.521系列規范中定義了底層無線通信性能測試、無線資源管理一致性測試以及協議一致性測試的流程及技術要求[8]。

中國IMT-2020(5G)推進組針對CSAE頒布的網絡層及應用層技術要求開發了相應的試驗室環境下的測試規范，涵蓋了數據格式、數據內容、時延性能及定時參數等要求。

針對功能場景，組織開發了基于場景的測試規范，分為安全應用類場景測試、交通效率提升類應用場景以及信息娛樂服務場景類應用。同時主機廠根據自身的要求及特定場景也會制定相應的測試規范。

3 試驗室內測試方案設計

3.1 射頻及無線通信性能驗證

由于汽車運動性以及行駛地域不受限，導致汽車周圍無線電磁環境相較于傳統手機等消費電子更加復雜，所以對V2X終端的射頻性能進行驗證是非常關鍵的；同時V2X涉及到的互聯車輛不分品牌，所以在路上行駛的車輛都可以互聯互通，傳遞位置速度的狀態信息，因此協議一致性的驗證也是很重要的。以上測試內容一般都在試驗室環境下進行，保證底層協議的正確性和穩定性后，才會執行后續的外場功能驗證[9]。

3.1.1 射頻指標測試

射頻性能測試不僅考察終端射頻芯片指標，更能對終端進行整機測試，考察整機的性能。對性能測試的總體目標是無論對于車載單元OBU（On-Board Unit）還是路側單元RSU（Road Side Unit）都能夠產生符合標準要求的有用信號，同時把無用發射控制在一定水平之內。

C-V2X射頻指標測試主要關注5個技術參數，測試技術指標參考3GPP TS 36.101[10]，主要包括：

最大發射功率：考察終端的發射功率是否符合標準，如果過大會影響同頻段的其他設備，如果過小又達不到規定的覆蓋范圍；

頻率范圍：是指設備工作時的頻率范圍，它是由功率包絡下的最高頻率fH和最低頻率fL決定的，根據《車聯網（智能網聯汽車）直連通信使用5 905～5 925 MHz頻段的管理規定》定義，頻率使用范圍限值為 fH≤5 925 MHz，fL≥5 905 MHz[11]；

占用帶寬：主要用于檢驗發射機的發射帶寬是否超出其正常工作的頻譜范圍，以避免對其他通信系統造成干擾。這項測試與最大發射功率類似，一個在幅值上，一個在頻譜上，OBU和RSU終端占用帶寬應小于等于10 MHz。

頻譜發射模板：頻譜發射模板測量偏移載波中心頻率在2.5～12.75 MHz范圍內的頻譜雜散能量[12]；

雜散發射：雜散發射是指除帶外雜散以外由諧波發射、寄生發射、互調產物及頻率轉移產物等產生的非期望發射，這項指標更需要進行嚴格的限制，否則會對其他用戶系統造成嚴重的干擾。

對以上射頻指標需要使用特定的綜測儀、頻譜分析儀、屏蔽箱進行專門的測試，測試系統的原理框圖如圖2所示。

圖2 射頻指標測試系統

目前主流的車載天線模塊都是2×1 MIMO的收發模式，圖2中User Equipment Simulation仿真設備發射信號需要通過復制分發到被測單元的兩個輸入端。同時頻譜儀實時收集無線信號并進行分析。以上為了排除外界電磁干擾，將DUT和附屬連接線放置在屏蔽箱內。具體的各個項目的評價指標見表2，其中頻譜發射模板及終端設備雜散發射指標參見標準3GPP TS 36.521中定義。

表2 無線射頻評價指標

3.1.2 通信性能測試

通信性能測試主要考慮將車輛真實的無線信道環境引入到測試系統中，驗證系統在多種信道場景下仍然能夠進行正常通信。這一項目主要是對終端設備進行整機測試，考察整機的系統級性能。信道模型既可以包括3GPP標準定義的模型，也可以自定義更加復雜苛刻的信道模型，同時在實車實驗之前或者暫不具備整車試驗的條件下，無線性能測試能夠更好的反應系統對無線電磁環境的適應能力。測試系統的原理如圖3所示。

圖3 無線通信性能測試系統

通信性能評價指標包括系統時延和分組丟失率。其中時延參數是指從數據分組到達應用層服務數據單元SDU入口開始，到數據分組到達接收側應用層服務數據單元出口所經歷的時間差；分組丟失率是指在特定的信道條件下，接收機丟失應收到數據分組的概率。具體參數見表3。

表3 通信性能評價指標

3.2 互聯互通測試

互聯互通測試是偏向于底層通信協議一致性的測試方向，主要驗證RLC無線鏈路控制協議、PDCP分組數據匯聚協議以及信令層RRC遠程資源控制協議的兼容性。由于V2X技術想要達到一定的滲透率，需要所有車廠按照統一的協議規則進行技術開發與實現。所以不同廠家至今的互驗證是非常有必要的。

互聯互通測試環境可以分為兩種，商用網絡測試環境和試驗室測試環境，測試內容不盡相同。在調試和開發初期，主要在試驗室環境下更加高效和及早發現問題。試驗室環境下根據測試系統的組成也可以分為兩種：測試系統環境和被測件互驗證環境。試驗室下測試系統詳見圖4，其中用戶設備仿真是基于軟件在環模擬下的測試環境。也可以將兩個被測單元同時連接，完成一發一收的同步驗證。圖中的Control Unit用于實現參數配置、數據監控以及分析定位等功能[13]。

圖4 互聯互通協議測試系統

測試內容包括子信道數目/MCS/HARQ發送及接收測試、RLC分段重組功能發送和接收測試，以及RRC信令格式及發送機制相關的測試項目。

3.3 網絡層及應用層協議一致性測試

網絡層定義了兩種消息實體：DSM（DSRC Short Message）消息和DSA（DSRC Service Advertisement）消息，測試內容包括被測單元能夠正確發送和接收有效的網絡層消息，同時能夠有效忽略非法消息。

應用層在一個標準數據結構中定義了5種消息實體：BSM(Basic Safety Message)車輛基本安全消息，是使用最廣泛的一個應用層消息，用來在車輛之間交換安全狀態數據，車輛通過該消息的廣播，將自身的實時狀態告知周圍車輛，以此支持一系列協同安全等應用；MAP地圖消息，由RSU廣播，向車輛傳遞局部區域的地圖消息；RSI(Road Side Information)由RSU向周圍車載單元發布的交通事件消息以及交通標志標牌消息，此消息中既包含標志標牌內容，也可以包含一些臨時的緊急道路狀態信息；RSM(Roadside Safety Message)路側安全消息，RSU通過本身擁有的傳感及監測手段，得到周邊的交通狀態信息，并將信息整理成RSM定義的數據結構；SPAT（Signal Phase and Timing Message）信號燈消息，包含一個或者多個路口信號燈當前的狀態信息。同時結合MAP消息，為車輛提供實時的前方信號燈狀態信息。

測試系統框圖參考互聯互通測試示意（圖4），但是需要注意測試前需要滿足如下技術條件：測試環境周圍沒有其他類測試廣播設備；測試前無線通信接口已初始化完成，同時必須在上位機控制端控制下才能發送消息；GNSS設備能夠動態仿真被測單元的位置信息，動態范圍滿足測試要求；測試系統和被測件之間安全鏈接需提前完成，且互相之間不設置任何防火墻。

測試的具體內容及要求可參見相應的測試規范，同時主機廠也可以在標準基礎上開發定制的測試用例，用以完成更高覆蓋度的測試。

4 外場功能測試

V2X車載終端包括無線通信模塊，信號處理單元以及HMI交互接口。無線通信模塊負責車與車（PC5）、車與云端（Uu）之間進行通信，信號處理單元負責對接收的附近車輛狀態進行處理，識別出危險車輛或危險工況，HMI交互接口負責在發現危險情況下對駕駛員進行提醒。CSAE在第一期示范應用場景中定義了12個安全類場景。以“交叉路口碰撞預警”說明外場測試的整體流程。

交叉路口碰撞預警（Intersection Collision Warning,ICW）是指，當車輛駛向交叉路口時，與側向駛向交叉路口的車存在碰撞危險時，ICW應用能夠對雙方駕駛員進行預警，避免或減輕側行碰撞，提高交叉路口的通行安全。應用場景包括但不限于交叉路口、環道入口、高速路入口等場景。

外場實車測試具有一定的危險性，并且對無線通信環境有較高的要求，建議在有資質的試驗場進行測試，尤其是在有相應場景的路段下測試。針對V2X特點，測試可以分為LOS(Line of Sight)視距范圍內和NLOS(Non Line of Sight)非視距范圍內，具體的測試參考圖5、圖6所示。圖5是在交叉路口有建筑物遮擋下的測試工況，同時仿真有多個危險車輛同時存在時，考察主車的識別及優先級判斷能力。而圖6所示為

有車輛遮擋下制造NLOS的工況。而對于V2X的主流應用，非視距下的提醒是它最大的優勢。

設計規范定義了最大絕對車速為70 km/h，據此定義了表4中的測試工況。其中TTC（Time To Collision）碰撞時間判斷是目前不論是自主式預警還是基于V2X車路協同式預警廣泛采用的判斷指標。其中的指標參數是根據車輛動力學模型計算得來的。指標參數僅供參考，也可以在測試過程中逐漸優化。

圖5 建筑物NLOS和LOS

圖6 車輛遮擋NLOS

表4 ICW測試工況及評價指標

測試流程描述如下：

Step1：測試前確保主車和側向車輛通信正常，車輛剎車系統功能正常；

Step2：主車沿路口直線正向以20 km/h行駛，側向車輛按照表4中規定車速行駛；

Step3：記錄主車ICW功能報警時間，同時記錄TTC碰撞預警時間；

Step4：當TTC碰撞時間小于2 s時，緊急采取制動或者避讓以避免發送碰撞；

Step5：測試技術。

針對每個測試工況，重復執行一定的次數，只有每次TTC碰撞預警時間都大于規范定義時間時，才算測試通過。同時可以計算標準差等參數對功能進行進一步的細致評價。

5 結論及啟示

C-V2X作為車聯網車路協同框架下的一種主流技術方案，在國內外已得到多家主機廠的支持，國內像上汽、一汽、長安都公布了產品的開發及量產計劃。2020年會是V2X應用元年。而制定能夠保證產品穩定可靠的測試技術就顯得尤為重要。

在通信測試方面，主要分為射頻指標、無線性能、互聯互通及協議一致性測試。多個標準組織也釋放了相應測試標準，但目前多個標準相互重疊，架構不清晰，亟需組織間加強溝通，盡快推出國標。同時應加強信道干擾技術的研究以及協議一致性的測試覆蓋度，因為C-V2X是一種基于無線通信的車載安全應用，對于通信鏈路的抗干擾性及穩定性能直接關系到功能可用性，同時針對不同品牌、不同型號的車輛都需要互聯互通，所以正確解析接收到的信息同時不影響伙伴節點是V2X終端的基本要求。

在功能驗證方面，需要借助專業的智能網聯測試場地，充分發掘每個場景的測試工況，如文中提到的ICW場景除正向功能外，還需要考慮避免誤報場景的驗證，因為終端需要能夠過濾無碰撞威脅的物體，如果誤判率過高，不僅會使駕駛員產生厭惡，也可能使駕駛員倦怠，即使出現真正的險情，也無法做出應對措施。所以功能驗證場景驗證的設計方法及設計準則也是今后研究的一個方向。

綜上，C-V2X的測試驗證對于國內來說，正處于測試方法研究和測試系統開發階段，測試標準的規范化，測試技術的深入化以及測試系統及測試場景開發都是未來幾年需要重點關注的內容。同時也為5G NR V2X和自動駕駛做技術儲備。