車聯網V2X通信技術及應用介紹(上)

◆文/江蘇 高惠民

一、概述

智能網聯汽車是《中國制造2025》規劃中提出的新概念，是智能汽車與互聯網相結合的產物。近年來，隨著我國汽車保有量的不斷增加，帶來了能源短缺、環境污染、交通擁堵和事故頻發等社會問題。智能網聯汽車是解決這些社會問題的有效方案。在《節能與新能源汽車技術路線圖》中明確了智能網聯汽車的定義：“智能網聯汽車是指搭載先進的車載傳感器、控制器、執行器等裝置，并融合現代通信和網絡技術，實現車與X(X指人、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，可實現安全、節能、高效、舒適行駛，并最終可實現替代人來操作的新一代汽車”。從該定義可以看出智能網聯汽車集中運用了汽車工程、人工智能、計算機、微電子、自動控制、通信技術、大數據、云計算等專業知識，是一個集環境感知、規劃決策、控制執行、信息交互為一體的高新技術綜合體。而車聯網技術是構成智能網聯汽車重要核心技術的基礎。(如圖1所示，智能網聯汽車相關概念之間的關系)。因此，目前國內外各大汽車企業聯合互聯網通信企業都在積極進行車聯網技術的研究，主要涉及相關標準、協議、終端等系統的設計與開發，逐步推動車聯網技術在實車上的應用與量產落地。

二、車聯網的體系架構與體系參考模型

如圖2所示，車聯網包括5個組成部分：“人、車、路、V2X和云”。其中“人”是道路環境的參與者和車聯網服務的使用者；“車”是車聯網的核心，主要涉及車聯網、智能決策系統和車輛控制系統；“V2X”是信息交互的載體，負責打通車內、車間、車路、車人和車云信息流， “云”是實現車聯網云端服務能力的業務載體和數據載體。上述5部分構成了車聯網“云、管、端”體系新架構，如圖3所示。它展示車輛面向未來自動駕駛的端到端綜合解決方案。

圖2 車聯網V2X組成

V2X是Vehicle to Everything的簡稱，就是車輛和一切萬物連接的全稱，包括V2V：Vehicle to Vehicle ，實現車與車之間的信息通信，能夠使車輛獲知附近其他車輛的行駛狀態，避免碰撞的發生； V2I：Vehicle to Infrastructure ，實現車和道路交通基礎設施之間的通信，例如交通信號燈狀態、交通信息牌內容以及通過實時信息了解路況等相關信息，減少交通事故的發生；V2P：Vehicle to Pedestrian ，實現車與行人或非機動車之間的信息傳遞，提供安全警告； V2N ：Vehicle to Network ，通過互聯網將車輛連接到應用平臺或云端，使用應用平臺或云端上的服務功能，汽車成為互聯網重要終端。

圖3 車聯網端、管、云體系新架構

車聯網是物聯網在交通這個特殊行業的典型應用。在車聯網體系參考模型中主要包括三層：數據感知層、網絡傳輸層和應用層。

1.數據感知層

數據感知層承擔車輛與道路交通信息的全面感知和采集，是車聯網的神經末梢，通過傳感器、RFID(射頻)、車輛定位等技術，實時感知車況及控制系統、道路環境、車輛當前位置、周圍車輛等信息，實現對車輛自身屬性以及車輛外在環境，如道路、人、車等靜、動態屬性的提取，為車聯網全面、原始的終端信息服務。數據感知層的數據來源包括多個部分，一是車輛自身的感知，例如速度、加速度、位置、橫擺角加速度等，主要通過車內總線、GPS和其他感知設備來實現；二是對周圍車輛行駛狀態的感知，比如周圍車輛的位置、方位、速度、航向角，這就需要車間通信，以及道路環境的感知，比如交通信號狀態、道路擁堵狀態、車道駕駛方向、這就需要車路通信，每輛車和路邊設施單元需要把自己感知到的信息分發出去；三是通過后臺或第三方應用交互來獲取更多的數據，比如天氣數據等。

2.網絡傳輸層

為了車與車、車與路、車與人、車與云(車與后臺中心)之間實現信息共享，這就需要考慮通信協議的制定。網絡層通過制定滿足業務傳輸需求的能夠適應通信環境特征的網絡架構和協議模型，在一種網絡環境下整合不同實體所感知到的數據，通過向應用層屏蔽通信網絡類型，為應用程序提供透明的信息傳輸服務。通過云計算、虛擬化等技術的綜合應用，充分利用現有網絡資源，為上層應用提供強大的通信支撐和信息支撐服務。

3.應用層

車聯網的各項應用必須在現有網絡體系和協議基礎上，兼容未來可能的網絡拓展功能。應用需求是推動車聯網發展的原動力，車聯網在實現智能交通管理、車輛安全控制、交通事件預警等功能的同時，還應為車聯網用戶提供車輛信息查詢、信息訂閱、事件告知等各類服務功能。同時可以運用云計算平臺，面向政府管理部門、整車廠商和信息服務運營企業以及個人用戶在內的不同類型用戶，提供汽車綜合服務與管理功能，共享汽車與道路交通數據，從而支持新型的服務形態和商業運營模式。

由于不同的業務需求和傳輸環境，整個車聯網采用不同的通信技術，一個實體往往具有多模式的接入能力，比如車載單元，既有Wi-Fi、DSRC(專用短程通信)、3G/4G蜂窩通信接入，還有衛星通信，如圖4所示。

圖4 車聯網各個子系統間通信方式

具體到實體之間，如路側單元和后臺中心采用光纖通信子系統，行人、車輛與中心之間采用蜂窩接入子系統。由于交通安全需要及其嚴苛的通信時延和傳輸可靠性，因此需要車與車、車與路之間的實時通信，且不與其他的通信系統相互干擾，就必須制定專門用于車輛環境的通信標準以及開發相應的通信技術。而現在常常所說的車聯網(V2X)就是針對車車/車路通信這種俠義的車聯網技術而言。

三、車聯網的組成

根據車聯網產業技術創新聯盟的定義，車聯網是以車內網、車際網和車云網組成，進行無線電通信和信息交互的大系統網絡。如圖5所示，通過三網融合，實現V2X之間通信的無縫連接，提高通信效率，減少通信盲區。

圖5 車內網、車際網、車云網三網融合

1.車內網絡

車內網絡是基于CAN、LIN、FlexRay、MOST、以太網等總線技術建立的標準化整車網絡，實現車內各電器、電子單元間的狀態信息和控制信號在車內網上的傳輸，使車輛具有狀態感知、故障診斷和智能控制等功能。如圖6所示車載網絡以高速以太網作為骨干，將動力總成、底盤控制、車身控制、娛樂、ADAS(先進駕駛輔助系統)共5個核心域連接在一起，各個域控制器在實現專用的控制功能的同時，還提供強大的網關功能。圖7所示奔馳222型號轎車網絡總線拓撲圖。

圖6 車載網絡總線結構

圖7 奔馳222型號轎車車載網絡總線拓撲圖

2.車際網絡

車際網絡(也稱車載自組織網絡Vehicular Ad hoc Networks VANET)是指在交通環境中，以車輛、路側單元以及行人為節點而構成的開放式移動自組織網絡。它通過結合全球定位系統及無線通信技術，如無線局域網、蜂窩網絡等，建立無線多跳連接，為處于高速移動狀態的車輛提供高速率的數據接入服務，以實現V2X之間的信息交互，如圖8所示。車載自組織網絡是智能交通系統未來發展的通信基礎，也是智能網聯汽車安全行駛的保障。

圖8 車載自組織網絡結構

(1)專用短程通信(DSRC)

DSRC是基于美國電氣電子工程師協會(IEEE)，在IEEE802.11 的Wi-Fi技術基礎上改進制定的IEEE802.11p標準和IEEE1609標準的V2V和V2I通信協議，是比較成熟、高效的無線通信系統技術，它是智能交通系統的重要基礎之一，目前已被歐洲、日本等國汽車制造企業采用并完善。我國在高速公不停車收費設備(ETC)也采用該項技術。DSRC通信在5.9GHz附近的頻段上，專門將車與車、車與道路基礎設施有機連接，實現在數百米的范圍內對高速行駛的車輛進行識別和雙向通信，提供實時圖像、語音和數據信息傳輸，保證通信鏈路的低時延和低干擾以及系統的可靠性。例如DSRC在有效通信距離范圍內，本車輛通過DSRC以10Hz的頻率，向路上其他車輛發送位置、車速、方向等信息；同時本車輛還能收到其他車輛所發出的信號，在必要時(例如馬路轉角有車輛駛出，或前方車輛突然緊急剎車，變換車道的情況發生)車內信號裝置會以閃爍、語音提醒或座椅、方向盤振動等方式提醒駕駛員注意，采取必要安全措施，如圖9所示。

DSRC系統結構主要由三部分組成，如圖10所示。分別是車載單元(on Board unit，OBU)、路側單元(road-side unit，RSU)、專用通信鏈路。OBU安裝在車輛上的嵌入式車載通信單元內，它通過專用的通信鏈路依照通信協議的規定與RSU進行信息交互。RSU是安裝在指定地點(如車道旁邊、車道上方等)固定的通信設備，與不同OBU進行實時高效的通信，并通過有線光纖的方式接入移動互聯網設備，與云端智能交通(ITS)平臺進行數據交互。專用通信鏈路是OBU和RSU保持信息交互的通道，它由兩部分組成：下行鏈路和上行鏈路。RSU到OBU的通信應用為下行鏈路，主要實現RSU向OBU寫入信息的功能。上行鏈路是從OBU到RSU的通信，主要實現RSU讀取OBU的信息，完成車輛狀態的自主識別功能。因此在DSRC的架構中需要部署大量的RSU才能較好地滿足業務需要，建設投資較大。

圖9 專用短程通信(DSRC)在V2X通信的應用

(2)C-V2X 通信

圖10 專用短程通信(DSRC)系統結構組成

圖11 LTE—V2X通信系統的組成

C-V2X通信是基于 3G/4G/5G 等蜂窩網通信技術演進形成的車用無線通信技術，包含基于4G網絡的LTE-V2X系統以及未來5G資源的 5G -V2X 系統，借助已存在的LTE網絡設施來實現V2V、V2I、V2P、V2N的信息交互，適應于更復雜的安全應用場景，滿足低時延高可靠性和帶寬要求。

①LTE-V2X技術

LTE—V (Long Term Evolution—Vehicle，長期演進，V2X)是我國具有自主知識產權的V2X技術，是基于TD.LTE(Time Division—Long Term Evolution，分時長期演進)的ITS(Intelligent Transport System，智能交通系統)系統解決方案，屬于LTE后續演進生態系統的重要應用分支。

②LTE-V2X協議架構與組成

LTE-V2X標準協議架構由三部分組成，包括物理層、數據鏈路層、應用層。物理層是LTE-V2X系統的底層協議，主要提供幀傳輸控制服務和信道的激活、失效服務，定時收發及同步功能。數據鏈路層負責信息的可靠傳輸，提供差錯和流量控制，對上層提供無差錯的鏈路鏈接。應用層基于數據鏈路層提供的服務，實現通信初始化和釋放程序、廣播服務、遠程應用等相關操作。LTE-V2X系統設備組成包含了UE(User Equipment，用戶終端)、RSU(Road Side Uni，路側單元)、和基站三部分，具體組成如圖11所示。

UE包含了車載設備、個人用戶便攜設備等。RSU處于基站和UE之間，承擔著V2I的數據通信任務。基站是承擔了LTE-V2X系統的無線接入控制功能的設備，主要完成無線接入功能，包括管理空中接口、用戶資源分配、接入控制、移動性控制等無線資源管理功能。GPS信號則通過衛星地面站與基站進行通信。

③LTE-V2X主要技術指標分析

V2X技術影響用戶體驗的主要系統指標有延時時間、可靠性、數據速率、通信覆蓋范圍移動性、用戶密度、安全性等。其相關指標有安全類時延≤20ms，非安全類時延≤100ms，峰值速率上行500Mbps、下行1Gbps，支持車速280km/h，在后續演進5G版本中提升至500km/h，可靠性幾乎為100%，覆蓋范圍與LTE范圍相當。(未完待續)