中歐V2X聯合試驗關鍵場景及技術

陳濤/CHEN Tao ，Matti KUTILA，鄭銀香/ZHENG Yinxiang ，鄧偉/DENG Wei，王江舟/WANG Jiangzhou

（1.芬蘭國家技術研究中心，芬蘭 埃斯波 02150；

2. 中國移動通信研究院，北京 100056;

3. 肯特大學，英國 坎特伯雷 CT2 7NZ）

(1.VTT Technical Research Centre of Finland Ltd., Espoo 02150, Finland;

2. China Mobile Research Institute, Beijing 100056, China;

3. University of Kent, Canterbury CT2 7NZ, UK)

車用無線通信（V2X）技術是實現未來智能交通系統（ITS）的關鍵技術[1]。ITS通過將車輛、行人、道路基礎設施及互聯網緊密連接，在安全性、運輸效率、服務創新、車載信息娛樂等方面獲得極大提升，并最終實現自動駕駛。預計到2022年，將有超過1.25億輛汽車支持V2X技術[2]。

近年來世界上不同的地區都在進行密集的車聯網試驗。預計從2020開始，車企將在新車上大規模安裝車聯網模塊。據5G汽車聯盟（5GAA）預測，車聯網將首先在中國和歐洲部署，美國和亞洲等其他地區緊隨其后。目前行業遵循2條車聯網技術路線。中國已選定由第三代合作伙伴計劃（3GPP）主導的蜂窩-V2X（C-V2X）技術作為發展方向，目前版本為長期演進（LTE ）-V2X。而歐洲仍在考慮如何兼容2種技術標準。考慮到道路基礎設施的生命周期通常為30年，車輛的生命周期為10～15年，全球車聯網應用格局對未來ITS發展將有非常深遠的影響。

中國和歐洲在車聯網方面有深入合作，特別在C-V2X研究試驗上，有多個研發項目由雙方汽車制造商、車聯網設備供應商、移動運營商及道路運營方參與，聯合評估車聯網典型服務性能及服務互操作性問題。隨著中國和歐洲5G網絡的商業化，已可通過5G網絡實現車輛到網絡（V2N）的服務。5G提供的高可靠低時延非常適合與安全相關的車聯網應用需求。5G V2N服務也是這些合作的重要評估項目。這些合作有助于雙方技術融合。

1 中歐C-V2X發展現狀

歐盟由28個成員國組成，各成員國的車聯網標準和政策由歐盟統一協調制訂。2016年11月，歐盟通過了協作式智能交通系統（C-ITS）發展戰略。該戰略描述了歐盟未來交通系統的發展方向：在歐盟成員國建立統一的C-ITS平臺，通過人車路互聯，實現有效信息共享與車路協同，極大提高交通安全、交通效率，以及駕駛舒適性。

為此，歐盟制訂了一系列C-ITS服務[4]，并將根據優先級分階段實施。現階段我們把服務分為Day-1和Day-1.5 2個優先級。Day-1服務計劃從2019年開始部署，該服務分為2類：一類用于危險路況通知，另一類為交通信號服務。前者包括道路施工警告、天氣狀況、緊急停車通告、綠燈最佳速度建議（GLOSA）等；后者包括車內交通信號通告、交通信號燈優先請求等。Day-1.5的規范和標準仍在制訂中，具體包括行人保護（VRU）、街道停車信息、交通信息等。目前測試的服務集中在前一類。關于C-ITS進展可參考文獻[5]。

為大規模測試車聯網服務，歐盟建立了C-Roads平臺[6]。該平臺由歐洲成員國和道路運營方共同建立，旨在推動測試和實施C-ITS服務，解決跨國境的互操作性問題。歐盟計劃在2019年底將C-Roads平臺覆蓋43個歐洲城市，道路總長度6 000 km。目前有3個大型歐洲項目正在進行跨國境C-ITS走廊試驗[7-9]。

中國政府已將車聯網提升到國家戰略高度，國務院及相關部委對車聯網產業升級和業務創新進行了頂層設計、戰略布局和規劃，并形成系統的組織保障和工作體系。工業和信息化部、交通運輸部、科學技術部、發展改革委、公安部等部委出臺一系列規劃及政策推動中國車聯網產業發展。汽車行業、交通行業、通信行業以及跨行業產業聯盟各組織之間正紛紛開展跨領域、跨行業、跨部門分工合作，共同推動車聯網技術標準體系及測試驗證體系的制訂和完善。目前LTEV2X試驗及應用示范已在無錫、上海、北京、重慶、武漢等地進行。

▲圖1 中歐C-V2X技術路線圖

歐洲和中國的C-V2X技術路線圖如圖1所示，其他國家和地區也遵循類似的路線圖。目前，C-V2X已由3GPP在其第14版（R14）中進行了標準化。中國和歐洲都采用5.9 GHz頻譜支持車到車（V2V）和車到路（V2I）服務。高通、華為和大唐已經發布了LTE-V2X芯片模組，并已完成了不同芯片組平臺之間的互操作性測試。LTE-V2X在技術上已經成熟，3GPP R15又對其進行了進一步完善。3GPP R16正將5G新空口（NR）和超可靠低延時特性引入車聯網標準，實現車聯網的5G化。

C-ITS的一個重要目標是保證服務在車輛、道路設施和交通信號系統間互操作性以最大程度地提升交通安全，保障服務，這意味著國家之間要解決平臺的互聯互通問題。在歐洲這是一個至關重要的問題，需要不同國家汽車制造商、車聯網設備提供商、車聯網服務提供商、道路運營部門和道路監管部門通力合作。中歐C-V2X系統雖通信硬件支持互通，但采用了不同格式來傳遞消息。中方將基本安全消息（BSM）用于狀態信息和事件通知，而歐洲將其分為合作感知消息（CAM）和分散環境通知消息（DENM）。雙方系統互通需要進一步研究。

2 中歐V2X合作

中歐通過車聯網聯合試驗共同評估智能交通關鍵應用場景、研究互操作性問題，并在標準方面進行合作。目前歐盟有2個大型研究項目參與中歐C-V2X聯合試驗。其中5G-DRIVE由歐盟地平線計劃支持，根據中歐簽訂的雙邊合作協議，與中國移動牽頭的5G大規模試驗項目合作，展開5G增強移動寬帶（eMBB）及 C-V2X測試和研究工作[4]。該項目通過聯合試驗和研究促進中歐之間在5G和車聯網方面創新和技術合作。其項目成員來自10個歐洲國家及18個合作伙伴。車聯網課題由ERTICO、寶馬、芬蘭國家技術研究中心、歐盟聯合研究中心（JRC）、Dynniq、法國電信、盧森堡大學和Vedia 參與。該項目測試車聯網中V2N、V2V及車到基礎設施（V2I）中的關鍵場景。車與網場景將測試5G連接下的車與網服務性能，并重點評估DENM、車輛信息消息（IVI）、信號相位與時間消息（SPAT）和地圖數據消息（MAP）在5G網絡中的性能。移動邊緣計算（MEC）服務器將部署在5G網絡中，處理大容量車輛感應數據。V2V和車與路方案將使用LTEV2X模塊實現。該項目將定義并測試新的車與車消息集用于車輛間進行協同感知和操縱。

5G-DRIVE將與中國項目一起測試關鍵車聯網場景并比較其性能。該項目有2個車聯網試驗場：位于芬蘭的 Espoo試驗場配備了3.5 GHz的5G基站、LTE-V2X設備和移動交通信號燈，可用的道路長度約為2.6 km（包括十字路口和停車場），測試場景包括GLOSA和智能路口；位于意大利Ispra試驗場由歐盟聯合研究中心提供，具有36 km內部實駕道路、9個用于測量電磁兼容性和干擾測試的汽車排放實驗室，該試驗場將用于評估GLOSA并測試V2X技術共存性問題。

5G-MOBIX是另一個與中國進行C-V2X聯合試驗的歐盟項目，也是歐洲3大跨國C-ITS走廊試驗的項目之一[8]。5G-MOBIX在歐洲、中國和韓國等多地測試智能交通和自動駕駛應用，重點評估協作互聯及自主駕駛（CCAM）技術。其試驗場景包括合作超車、高速公路車道合并、智能車隊、道路用戶檢測、車輛遠程控制、高清地圖更新等。在中國，5G-MOBIX將在濟南試驗場評估CCAM方案。該試驗站點有2條主要道路，測試用例包括：自動駕駛（自動超車和協作式避碰）、道路安全和交通效率服務、在網絡覆蓋范圍之外車聯網支持等。

3 歐洲C-V2X研究試驗

中歐車聯網試驗中的測試包括GLOSA場景、智能路口場景、自動駕駛場景。GLOSA場景測試利用交通信號來優化交通流量，智能路口場景測試通過合作感知了實現碰撞避免，自動駕駛場景測試通過協作感知和機動協調提高自動駕駛安全性。

3.1 GLOSA場景

GLOSA將實時交通和信號燈信息通過道路基礎設施反饋給車輛，為駕駛員提供最佳速度建議，以減少或避免等待信號燈時間。圖2顯示的是5G-DRIVE中GLOSA測試場景。當車輛接近信號燈時，速度建議將顯示在汽車的儀表板上，指示駕駛員調整車輛速度。當車輛停在信號燈處，GLOSA還可以提供綠燈等待時長。GLOSA可以減少燃油消耗和排放，同時改善市區的交通流量。GLOSA性能跟車輛獲取信號燈信息的方式、路邊終端與車輛的連接質量，以及路口交通流量等有關。GLOSA信息可以直接由路邊終端或通過V2N的方式發送。這不僅對車輛定位精度提出要求，還要求接受信息的時延在規定范圍內（在300～600 ms）。車輛接受信號燈信息的時延及可靠性是評估GLOSA性能的重要指標。

GLOSA場景的技術評估指標具體包括：

（1）丟包率，車載單元（OBU）中未成功接收到的數據包與路邊單元（RSU）發送的數據包總數的百分比；

（2）延遲，從路邊單元發送數據包的時間到車載單元收到數據包的時間（以毫秒為單位）。

3.2 智能路口場景

智能路口場景用于提升交叉路口安全性。車輛通過車聯網技術與道路設施和其他車輛交互，獲得自身難以感知交通情況，以做出及時判斷。圖3顯示的是如何利用車聯網技術在交叉路口實現行人保護。圖中路口的右轉車輛需要避開人行橫道上的行人（VRU）。當在人行橫道上檢測到行人時，RSU廣播DENM消息，而后臺服務器將此消息廣播到附近的所有車輛，警告可能發生的碰撞，避免車輛啟動緊急剎車。該場景將測試各種DENM警告消息。在路況復雜的路口，有較多車輛參與信息共享。這對消息傳達的及時性和準確性提出要求。且又因消息的長度不一，需要評估通信設備支持不同消息的性能。

此場景的技術評估指標為：

（1）丟包率；

（2）延遲；

（3）總活躍車聯網設備，此指標對在測試對象的通信范圍內有多少其他活躍車聯網設備進行跟蹤；

（4）以Mbit/s為單位的總信道負載，信道的總負載可用于確定預期數據沖突量；

（5）通道上的總消息數/秒，同樣的數據量使用1 Mbit/s負載的客戶端比100個10 kbit/s負載的客戶端發生數據沖突可能要小很多。

3.3 自動駕駛場景

自動駕駛場景測試協作感知消息（CPM）和機動協調消息（MCM），用于改善車輛自動駕駛功能。支持自動駕駛的車聯網架構如圖4所示。CPM消息用于在車輛和基礎設施之間共享感知信息[10]，該消息可以讓自動駕駛車輛和基礎設施及其他車輛共享環境信息，以從不同角度進行對象檢測。CPM不僅包含檢測到的對象，還包含其傳感器性能。這使消息接收者能夠評估檢測質量并獲知哪些區域尚未檢測。通過協作感知，車輛可以避免單一傳感器探測區域有限或者因物體阻擋未能探測等問題；通過大規模消息共享，獲得周圍環境的完整情況。MCM用于協商車輛通行優先權。協調車輛通行可導致傳送大量小型消息，對通信模塊提出了相關性能要求。除了車輛間協商，道路基礎設施也可以通過MCM消息指示車輛通行，例如提供換道建議，這些都需要在測試中評估通信模塊性能。

自動駕駛場景的技術評估指標包括：丟包率、延遲、總活躍車聯網設備數、帶寬和通道上的總消息數/秒。CPM技術難點集中在帶寬保證上，而MCM集中在活躍設備數和消息/秒上。

表1列出了車聯網各場景試驗涉及的技術評估指標。

4 中國C-V2X的規模試驗

▲圖2 GLOSA測試場景

圖3 車聯網技術支持智能路口防撞檢測

▲圖4 車聯網試驗中支持自動駕駛的系統構架

中國已啟動了大規模LTE-V2X試驗，場地包括開放道路和封閉道路。其中無錫已實現了覆蓋170平方千米、240個十字路口和萬級終端的城市級開放道路應用示范。這些應用服務包括GLOSA、限速告警、交通擁堵告警、道路施工告警、緊急車輛優先通行、前方碰撞告警、緊急情況電子剎車燈和緊急車輛優先等。

中國移動參與了多地車聯網技術試驗及應用示范。根據前期試驗反饋，中國移動在5G產品規模試驗項目中使用最新的LTE-V2X產品進行C-V2X端到端測試。待評估的C-V2X系統是基于LTE-V2X設計的，并可升級到5G V2X技術架構。前者基于4G蜂窩網，后者基于5G 新空口（NR）蜂窩網。由于網絡容量不同，LTE-V2X和5G V2X將支持不同的V2X應用。

待測試的LTE-V2X系統具有2個無線通信接口：LTE Uu（基站與終端間的通信）接口和PC5（直連通信）接口。LTE采用2.6 GHz頻率、20 MHz帶寬、5 ms的幀傳輸周期為，每個基站均配備8Tx和2Rx路徑天線。PC5接口采用5.905～5.925 GHz頻段，提供OBU和RSU間通信。測試將評估LTE Uu和PC5的組網性能以及V2X業務端到端性能。

中國移動5G規模試驗項目定義了一系列測試場景，其中聯合測試場景將與歐盟合作項目共同完成。

5 自動駕駛試驗結果

目前芬蘭國家技術研究中心已在芬蘭測試場地做了部分自動駕駛試驗，先期采用基于LTE網絡的車對網連接。自動駕駛車輛利用本身傳感器探測路面，同時通過移動網絡連接邊緣和云端服務器共享部分數據。測試評估了與網絡相關的技術指標，主要分析了時延對自動駕駛的影響。

圖5 a）顯示了測試路徑中商用LTE網絡信號覆蓋強度，其中底部道路信號微弱，造成的高網絡時延及時延抖動難以滿足自動駕駛要求。圖5 b）顯示了LTE測試網絡的覆蓋范圍。由于天線方向待調，覆蓋范圍需要優化；但由于測試網絡只用于自動駕駛測試，測試中網絡時延等技術指標明顯優于商用LTE網絡。

測試網絡的平均時延為372 ms、方差為92 ms，當車輛駕駛速度低于20 km/h時，100 ms左右的網絡時延可以滿足自動駕駛需求。車輛在市區的駕駛速度一般為50 km/h，這時需要網絡時延小于50 ms。在5G網絡中，可通過網絡切片滿足時延需求，以確保自動駕駛的安全性，這也是5G一個重要的研究方向。此外，現有LTE網絡上行通道速率明顯低于下行通道速率。通常，下行速率是上行速率的4倍；而在車輛遙控操作場景中，下行速率要求高于上行速率（具體見圖6）。如何動態適配上下行速率也是5G網絡需要解決的問題。

6 C-V2X的未來方向

表1 車聯網試驗技術評估指標

▲圖5 自動駕駛網絡覆蓋測試

基于3GPP的5G V2X仍在標準化中，5G NR-V2X 芯片及平臺尚在研發中。當前，中歐車聯網試驗將主要集中于LTE-V2X技術和ITS Day-1及Day-1. 5服務，對5G的評估主要在V2N功能方面。

LTE-V2X在帶寬、延遲和可靠性方面具有局限性，無法支持車聯網新應用，例如自動及遙控駕駛。車輛間大傳感數據共享要求通信模塊能夠支持高達1 Gbit/s的傳輸速率、低至3～10 ms的時延和高可靠通信。為了克服LTE-V2X的局限性，3GPP R15將載波聚合、高調制方案、延遲降低以及多樣性傳輸等引入了LTE-V2X中，進一步提升PC5性能。

▲圖6 5G-DRIVE中遠程遙控駕駛

全功能的5G V2X將在3GPP R16中推出，并將使用基于5G的空口技術。通過新的無線接入技術，5G V2X將會實現更小的時隙結構、高級信道編碼和多天線技術等實現高速、低延遲和可靠性通信，以滿足自動駕駛新業務的要求。5G V2X支持的新場景將包括高吞吐量傳感器共享、協同駕駛、遠程駕駛和動態地圖共享等，同時它將與LTE-V2X共存互補。支持 NR-V2X芯片組將在3GPP版本16發布后一年半左右發布。

7 結束語

中歐車聯網合作聚焦于C-ITS重要用例，其試驗結果對兩地車聯網技術協同有重要價值，大規模部署C-V2X已提上日程。考慮到眾多車聯網應用對可靠性和延遲的要求，5G C-ITS將有重大進展。期待中歐在5G C-V2X展開更深入的合作。