C-V2X技術在智能網聯汽車上的應用場景研究

南洋 董馨 陳博 劉曉東

（中國第一汽車股份有限公司 智能網聯開發院，長春 130013）

主題詞：智能網聯 汽車總線技術 自動駕駛 C-V2X

縮略語

LiDAR Light Detection And Ranging（激光雷達）

V2X Vehicle to Everything（車與萬物）

V2V Vehicle to Vehicle（車與車）

V2I Vehicle to Infrastructure（車與基礎設施）

V2N Vehicle to Network（車輛與外部網絡）

V2P Vehicle to Pedestrian（車輛與行人）

C-V2X Cellular Vehicle-to-Everything（基于蜂窩通信的V2X）

DSRC Dedicated Short Range Communication（專用短距離通信）

WSMPWAVE Short Message Protocol（短消息協議）

3GPP 3rd Generation Partnership Project（第三代合作伙伴計劃）

LTE Long Term Evolution（長期演進）

D2D Device to Device（終端直通）

EBW Emergency Brake Warning（緊急制動預警）

HV Host Vehicle（主車）

RV Remote Vehicle（遠車）

ADAS Advanced Driving Assistant System(高級駕駛輔助系統)

1 前言

隨著汽車智能化、網聯化、電動化概念的引入，自動駕駛技術已成為推動汽車產業發展的核心競爭力之一，越來越多的汽車電子供應商推出高精度傳感器、超聲波雷達、毫米波雷達、激光雷達（LiDAR）、高清攝像頭等“感測”設備，采用視頻與雷達數據融合技術，將車輛環境數據引入車輛自動駕駛控制解決方案，已在各主機廠廣泛應用。

要實現自動駕駛，車輛必須能夠觀察周圍的環境，且不僅局限于眼前。然而，“感知融合”方案受“感測”設備的超高成本、感測距離、盲區遮擋等弊端影響，無法滿足自動駕駛的全部需求。故一種基于網絡傳輸技術的“感測”手段V2X（Vehicle to Everything）技術正在興起并成為自動駕駛技術的發展趨勢。

車用無線通信技術（Vehicle to Everything，V2X）主要包含車輛與車輛（Vehicle to Vehicle，V2V）、車輛與基礎設施（Vehicle to Infrastructure，V2I）、車輛與外部網絡（Vehicle to Network，V2N）和車輛與行人（Vehicle to Pedestrian，V2P）組成，希望實現車輛與一切可能影響車輛的實體實現信息交互，可應用于駕駛輔助預警、駕駛輔助控制、自動駕駛等場景，目的是減少事故發生、減緩交通擁堵、降低環境污染以及提供安全類、效率類、服務類的信息交互。

2 V2X技術簡介

2.1 專用短距離通信技術

專用短距離通信（Dedicated Short Range Communication，DSRC）技術其覆蓋半徑雖不大（約為500 m以內），但速度很快，可完成毫秒級運算，滿足V2V系統每秒發送10條訊息的需求，這些即時性資訊包括加速度、車輛GPS位置信息、制動狀態、轉向盤轉角與車速等。

國際上幾大標準化組織從20世紀90年代開始，均開展了DSRC標準的制定工作，主要以美國的ASTM/IEEE[1]、日本的 ISO/TC 204[2]和歐洲的 CEN/TC 278[3]標準體系為代表。目前，國內采用5.9 GHz頻段，物理層和無線鏈路控制基于IEEE 802.11p協議，頂層協議棧基于IEEE 1609標準，其定義了網絡的架構和流程。V2V的信息交互使用輕量WAVE短消息協議（WAVE Short Message Protocol，WSMP），V2I和V2N的信息交互使用TCP/IP協議。另外，SAE J2735[4]和SAE J2945[5]定義了消息包中攜帶的信息。

2.2LTE-V2X技術

C-V2X是由第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）定義的基于蜂窩通信的V2X技術，它包含基于長期演進（Long Term Evolution，LTE）以及未來5G的V2X系統[6-7]，是DSRC技術的有力補充。C-V2X與基于IEEE 802.11p的無線技術相比擁有更佳的性能表現，包括支持更遠的通信距離（約2倍）、更佳的非視距性能、增強的可靠性（誤包率更低）、更高容量和在更密集環境中實現更好的擁堵控制。

2015年，3GPP正式啟動基于C-V2X的技術需求及標準化工作，2016年，C-V2X的V2X標準Release 14正式凍結，這標志著3GPP完成了LTE-V第一階段的標準，即基于終端直通（Device to Device，D2D）模式的車車通信（V2V）標準化，通過深入研究引入了更優化的物理層解調參考信號、資源調度、干擾協調等技術。我國于2015年啟動了基于C-V2X技術的車聯網頻譜研究[8]，2016年11月，工業和信息化部正式劃分5 905～5 925 MHz頻段用于C-V2X技術試驗，根據目前產業發展狀況，C-V2X有望于2020年實現規模試點或試商用。

2.3 5G-V2X技術

與4G相比，5G將支持更加多樣化的場景，融合多種無線接入方式，并充分利用低頻和高頻等頻譜資源。同時，5G還將滿足網絡靈活部署和高效運營維護的需求，大幅提升頻譜效率、能源效率和成本效率，實現移動通信網絡的可持續發展[9]。

C-V2X具備清晰的5G演進路徑，并支持前向及后向兼容。具體來說，2018年，3GPP提出的Release-16 C-V2X擁有向基于5G新空口的C-V2X的強勁演進路徑，可通過補充型及全新功能增強Release-14，同時保持后向兼容。與用于車輛間基礎安全通信的Release-14相比，基于5G新空口的C-V2X可提供高吞吐量、寬帶載波支持、超低時延和高可靠性，從而支持眾多面向自動駕駛的先進用例，如傳感器分享、意圖分享和3D高清地圖更新。

2.4 小結

從技術而言，C-V2X從技術持續迭代性、可靠性和信號傳輸遲滯性等來說與DSRC相比有較大優勢，從產業化進程而言，C-V2X正在逐步縮小與DSRC之間的差距，不論未來全球的V2X市場中哪一個獲得主導地位都將推動自動駕駛領域的技術發展。

3 C-V2X應用場景及網絡通信需求分析

3.1 V2X網絡通信協議分層結構

參考國際標準化組織（ISO）制定的通信系統7層參考模型及國內外正在制定的V2X車用通信系統相關標準的系統架構，V2X網絡通信協議分層結構[10]如圖1所示。

圖1 V2X網絡協議分層結構[10]

3.2 V2X應用場景及網絡通信需求

V2X應用場景類型可分為輔助預警、執行控制和自動駕駛。其中，輔助預警又可分為安全、出行效率及信息服務。表1所示為目前國內主流的V2X應用場景。

表1 V2X應用場景

針對表1中的每個場景，都需要進行詳細的場景定義，且需要對最惡劣工況進行需求分析，并對每個場景最惡劣工況下的網絡通訊延遲、傳輸類型、信息大小、傳輸頻率、通信范圍、接受范圍、可靠性、安全性、吞吐量、峰值速率、定位精度、支持度、最高車速、接收靈敏度等參數進行需求分析。

3.3 V2X應用場景及網絡通信需求分析實例

本節針對表1中緊急制動預警（Emergency Brake Warning，EBW）應用場景，明確場景定義，闡述EBW的功能實現，提出對通訊相關具體性能參數的明確要求。

3.3.1 場景定義

主車（Host Vehicle，HV）在車道上行駛，與在正前方同一車道的遠車（Remote Vehicle，RV）存在追尾碰撞危險時，EBW功能可對HV駕駛員進行預警，如圖2所示。該場景功能適用于普通道路或高速公路等車輛追尾碰撞危險的預警。

圖2EBW應用場景示意

EBW應用場景主要包括4種工況：

（1）HV行駛，RV在HV同一車道正前方發生緊急制動事件；

（2）HV行駛，RV在HV相鄰車道前方發生緊急制動事件；

（3）HV行駛，視線被緊鄰同車道車輛阻擋，RV在HV同一車道正前方發生緊急制動事件；

（4）HV行駛，視線被緊鄰同車道車輛阻擋，RV在HV相鄰車道前方發生緊急制動事件。

3.3.2 網絡通信時延

EBW場景通訊傳輸時延需求為不超過100 ms。選擇最惡劣工況：假設兩車在高速公路上行駛，RV緊急制動，HV車速為法規極限車速132 km/h。則100 ms內兩車間的距離因時延影響，會縮短3.67 m。安全預警距離一般比駕駛員實際制動距離長5～10 m，故由于通信時延產生的距離滿足安全預警需求。

3.3.3 信息大小

支持傳輸的信息數據量不小于1 024 bit。

3.3.4 傳輸頻率

目前GPS定位更新頻率為10 Hz，故消息發送頻率應至少與衛星更新頻率保持一致，保證及時獲取并更新車輛的GPS信息數據，實現即時廣播。

3.3.5 通訊范圍

通訊傳輸范圍應不小于150 m。EBW場景下兩車的安全距離為：

式中，vs和vf分別為HV和RV的速度；T為駕駛員的反應時間；t1、t2分別為制動協調時間和減速度增加時間，a1、a2分別為HV和RV緊急制動加速度；d0為靜止時安全距離。

假設 T=2 s，t1=0.5 s，t2=0.2 s，本車最大速度為 vs=132 km/h，d0=3 m，a1=a2=6 m/s2，緊急制動前兩車保持相對靜止狀態，則最小安全距離約為102 m，小于通訊傳輸范圍距離150 m。

3.3.6 接收范圍

針對于緊急制動預警功能，接收150 m范圍內車輛的消息即可。

3.3.7 可靠性

在有效通信范圍內，丟包率不超過10%。

3.3.8 峰值速率

在繁忙的交通路況條件下，通訊范圍內周邊車輛可多達300輛，每輛車發送安全預警類消息約128 Byte，頻率為10 Hz，則每秒通信數據量為384 000 Byte，峰值速率約為0.37 Mb/s。

3.3.9 吞吐量

V2V應用功能中，峰值速率可能達到0.37 Mb/s，對于V2I應用功能，還需支持紅綠燈信息、路標信息、施工信息等低頻率廣播（約1～2 Hz）數據。所以，總體吞吐量需超過0.5 Mb/s。

3.3.10 定位精度

EBW預警需確定兩車所處的車道情況，現有中國車道寬度一般為2.75～3.5 m，可取3 m作為參考依據。假設HV和RV在車道中間行駛，以車頭位置的橫坐標為基準，若定位偏差全部產生在橫向，仍然應能確定兩車是否處于同一車道或相鄰車道，可支持避開碰撞方向，因此定位精度應小于1.5 m，直至達到亞米級。

3.3.11 支持的最高車速

設 S=150 m，T=2 s，t1=0.5 s，t2=0.2 s，d0=3 m，a1=a2=6 m/s2，根據式（1）可得兩車最高車速為195 km/h，滿足我國高速公路限速要求。

3.3.12 傳輸類型

所傳輸的信息緊急、緊急等級的最高。

4 C-V2X示范運行車演示實例

為推進C-V2X產業化進程，近年來，國家智能交通綜合測試基地及車聯網應用示范區先后在多地建成。2016年以來，中國一汽(China FAW)積極參與推動C-V2X產業化進程，完成國家智能網聯汽車應用（北方）示范區建設，搭載LTE-V2X設備的紅旗H7 PHEV示范運行車已實現包括前碰撞預警、交叉路口碰撞預警、盲區預警、緊急制動預警等10余種應用場景。

其中，針對緊急制動預警應用場景，共完成4項測試用例的實車路試演示，如圖3、表2、表3、表4和表5所示。

圖3為紅旗H7 PHEV C-V2X示范運行車在EBW應用場景下的路試實景圖。

圖3 紅旗H7 PHEV EBW應用場景路測實景圖

表2 Case1.1—緊急制動預警-同車道1

表3 Case1.2—緊急制動預警-同車道2

表4 Case1.3—緊急制動預警-不同車道1

表5 Case1.4—緊急制動預警-不同車道1

從Case1.1～1.4可知，FAW已針對EBW應用場景的前兩種應用工況進行了測試驗證，測試實例設置的參數雖不同于3.3節提出的最惡劣工況下的網絡通信需求，但也滿足城市工況下的參數設置。從測試結果可知，在相同或相鄰車道同向行駛且無緊鄰車輛遮擋的HV可以有效識別出RV的緊急制動行為，并進行有效的預警提示，滿足應用場景功能需求。

5 V2X未來展望

未來5～10年，為了解決交通安全、出行效率、道路承載、環境保護等問題，車聯網將全面發展。將V2X技術與ADAS的多種探測手段相結合，借助融合信息處理技術，能夠更加有效地改善行車安全、提高交通效率，單車智能化與車聯網的有機結合將最終實現自動駕駛。V2X無線網絡通信技術也面臨著低時延、高可靠性、高傳輸速率和高容量的多重挑戰。隨著LTE-V2X技術產業化鏈條的不斷完善及5G技術的商用化推進，C-V2X將會迎來更加廣闊的發展空間。