C-V2X的意義、關鍵技術及通信技術發展趨勢分析

□ 文 靳欣欣

作者單位：中國信息通信研究院產業與規劃研究所

1.引言

車聯網依托信息通信技術，通過車內、車與車、車與人、車與服務平臺的全方位連接和數據交互，提供綜合信息服務，形成汽車、電子、信息通信、道路交通運輸等行業深度融合的新型產業生態。車路協同主要聚焦三大問題：一是提升駕駛安全，實現車與車、車與人的實時信息交互，降低因人為因素或者可預測因素等發生的危險，提升駕駛安全；二是加速自動駕駛，基于車路協同，實現自動避障、自動規劃、自動導航等，在低等級人工智能下提前實現自動駕駛商用，降低單車智能成本，使能自動駕駛；三是提升交通效率，實現車路數據實時交互，實現智能交通調度，從而減少擁堵、提升通行效率。因此V2X能夠實現車輛與周圍的車、人、交通基礎設施和網絡等全方位連接和通信，在提升交通效率、提高駕駛安全、降低事故發生率、節能減排等方面表現出突出優勢。

從車聯網本身所聚焦的需求痛點來看，其對于網絡的可靠性、傳輸速率等方面提出了更高要求，5G具備大帶寬、低延時、高傳輸速率、高可靠性等特點，因此車聯網是5G技術最重要的應用領域。隨著R16標準凍結，我國已具備大力發展C-V2X技術的基礎條件，隨著5G推廣、技術進一步成熟及政策催化，車聯網市場近兩年有望呈現加速發展態勢。本文就C-V2X技術出現的必然性、意義以及5G在其中的優勢進行了探討，并對其中的關鍵技術進行了研究，結合車聯網發展的整體技術需求，分析了車聯網中通信技術的演進趨勢。

車聯網依托信息通信技術，通過車內、車與車、車與人、車與服務平臺的全方位連接和數據交互，提供綜合信息服務，形成汽車、電子、信息通信、道路交通運輸等行業深度融合的新型產業生態。

2.基于5G技術的C-V2X的優勢和意義

2.1 中國正在進入基于C-V2X的3級自動駕駛階段

車聯網在政策、標準、頻譜、芯片等方面已基本準備就緒，如圖1所示，隨著5G網絡來臨迎來新一輪發展機遇，商業模式逐步清晰。

根據發改委、網信辦、科技部、工信部等11個部、委、辦聯合發布的《智能汽車創新發展戰略》，到2025年，我國將正式向基于5G技術的全面自動駕駛時代加速推進，車用無線通信網絡（LTEV2X等）實現區域覆蓋，新一代車用無線通信網絡（5G-V2X）在部分城市、高速公路逐步開展應用，高精度時空基準服務網絡實現全覆蓋。中國智能網聯車技術路線圖如圖2所示。

圖1 V2X相關政策、產品準備就緒

圖2 中國智能網聯車技術路線圖

2.2 5G在車聯網應用具備顯著優勢

網聯化是智能車聯網的必然發展，車聯網的最終目標是實現自動駕駛。“云—管—端”是車聯網整體系統架構，如圖3所示，“管”是網絡層，即車聯網的通信技術，是車聯網系統架構演進過程中技術標準的必爭之地。

目前國際上主流的通信技術路線有兩種：專用短程通信（dedicated short range communication，DSRC）和基于蜂窩網絡的車對外（cellular-V2X，C-V2X）通信。DSRC技術能支持V2V和V2I場景，最早被美國、日本等國家廣泛認同，發展時間較長，形成了完善的標準體系和產業布局。隨著車聯網進程的不斷加深，由于缺少充裕的頻譜資源和足夠的路邊基礎設施，DSRC暴露出擴展性能有限、傳輸范圍小、用戶服務質量無法保

圖3 車聯網整體架構

（1）在場景應用中的網絡性能優勢顯著。基于3GPP TS22.886文件，5G-V2X車聯網將支持共計4個主要領域（編隊駕駛、先進行駛、遠程駕駛、傳感器共享），同時細分為22個場景，還將為L1～L5級別的自動駕駛提供全方位信息。如圖5所示，5G-V2X在時延、傳輸率具備較為顯著的優勢，在車聯網一些特殊的應用場景時延在5～10ms，能提供穩定的10～100MHz帶寬，可靠性要大于99.999%。5G技術相對于DSRC，有更大的傳輸距離，最遠可達1000m，是DSRC支持范圍的3倍；可支持的最高移動速度為500km/h，遠高于DSRC的200km/h；同時，與5G技術相關的關鍵技術參數的突破性發展都會使得車聯網的高密度集群通信、高速通信以及低時延等要求得到更好的保障。證、未來技術演進路線不明確等問題，因此基于蜂窩移動通信的C-V2X解決方案應運而生。C-V2X應用示意如圖4所示。

5G能夠協助解決車輛感知、遠程控制、協同駕駛等問題，是實現完全自動駕駛的關鍵通信技術。

圖6 R16支持V2X基于5G技術演進

圖7 5G-V2X技術演進：R16支持L4，R17+支持L5

（2）基于R16的C-V2X具備面向5G的清晰演進路徑。目前5G網絡已正式商用，我國進入3級自動駕駛，5G與LTE并存，從LTE-V2X到5G V2X的平滑演進，即C-V2X。2018年3GPP提出的R16 C-V2X擁有向基于5G新空口的C-V2X的清晰演進路徑，如圖6所示，不僅支持現有的LTE-V2X應用，還支持未來5G V2X的全新應用。5G能夠協助解決車輛感知、遠程控制、協同駕駛等問題，是實現完全自動駕駛的關鍵通信技術。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，從而支持面向自動駕駛的先進用例，如傳感器分享、3D高清地圖更新等。如圖7所示。

2.3 基于5G的C-V2X應用意義

（1）加速無人駕駛。車聯網能夠使道路狀況變成數字化信息輸入給決策系統，決策變簡單，在低等級人工智能能力下實現高級別自動駕駛5G技術具有的超可靠、低時延的特點，基于5G網絡的C-V2X能夠自動跟車進行互動，具有交互式的感知，從而給無人駕駛中自動超車，協作式避免碰撞，行駛中車輛編隊等場景給予高可靠性和低延時性的保證。

（2）優化交通管理。5G網絡的高傳輸速率可以實時報告道路交通路況，實現路段上的收費站、監控設備、電子公告欄等系統的智能運作。實時收集車輛、路況和天氣等信息，在車輛間進行信息交互，智能選擇最優路段進行行駛，使車輛做出正確、迅速的反應，大大減少交通擁堵情況的發生。

（3）豐富車載系統。車載系統是車聯網的一個重要節點，是用戶獲取信息并實現交互的一種方式。在5G網絡的支持下，用戶可以在車上享受更多的車載終端服務，而開發商也能根據用戶需求開發更多的應用，豐富車上生活。5G的高帶寬、低時延可以滿足車內乘客對AR/VR、游戲、電影、移動辦公等車載信息娛樂的需求，還能提供高精度地圖，使車載導航的精確度得到極大地提高。

（4）助力應急救援。車上安裝操作系統和定位系統，如果遇到緊急突發的事件，可以及時通過車聯網設備進行消息互傳。應用5G技術與云終端將消息發送到救援中心，救援中心可以迅速根據消息進行定位，分析周邊路況，及時通知附近的車輛避免進入事故區，同時傳遞相關信息給

基于5G的C-V2X應用意義

（1）加速無人駕駛

（2）優化交通管理

（3）豐富車載系統

（4）助力應急救援

（5）保障通信穩定救援人員，使救援更加精準、快速，大大減少事故造成的損失。

（5）保障通信穩定。如果因地震、洪澇、臺風等自然災害被破壞，目前的通信基礎設施無法為車載單元提供通信服務。但5G車載單元可以在基礎設施遭到破壞的情況下，通過單跳或多跳的D2D（設備到設備通信）方式與其他5G車載單元實現通訊，也可以作為通信中繼，與附近的5G車載終端交互信息。從而給行駛在路上的駕駛人和乘客或正準備駕乘車輛離開的人們傳遞信息，提高人們安全撤離的可能性，大大降低自然災害造成的損失。

3.C-V2X關鍵技術

3.1 接入層Uu接口和PC5接口關鍵技術

C-V2 X有V2 X-Di re c t 和V2 XCelluar兩種通信方式。V2X-Direct通過PC5接口（直連通信接口）實現，采用車聯網專用頻段，具有低時延、高可靠、短距離的特點，用于V2V、V2I、V2P等短距離交互場景。V2X-Celluar通過Uu接口（蜂窩通信接口）實現，采用蜂窩網頻段，相對來說具有大帶寬、長距離等特點，用于大數據量、長距離傳輸、時延不敏感的應用場景。

（1）PC5接口關鍵技術：C-V2X在PC5接口的機制設計用于滿足不同終端設備的短距離信息交互，為滿足不同應用場景對V2X信息交互的技術要求，C-V2X對物理層結構進行了加強；為保證通信性能，C-V2X支持全球衛星系統導航同步；為了進行更高效的資源分配，PC5接口支持調度式的資源分配方式(Mode-3)和終端自主式的資源分配方式(Mode-4)。其中Mode-3需要通過基站，采用動態的方式進行資源調度，而Mode-4則不需要通過基站，通過終端間的分布式算法來實現資源分配。

（2）Uu接口關鍵技術：Uu接口需要通過基站和核心網進行中轉，隨著中轉環節的增加，覆蓋范圍增加的同時傳輸時延也增加了，這有可能導致傳輸時延不滿足C-V2X業務的要求[6-7]。針對這一問題，可在增強上下行傳輸的同時，采用多接入邊緣計算技術(MEC)，將數據的存儲和處理環節從云端管理平臺轉移到路側單元(RSU)中完成，來實現低時延和高可靠性的應用場景。

3.2 C-V2X信息安全風險相關關鍵技術

V2X信息安全面臨假冒終端風險、信息篡改風險和隱私泄露風險，有授權認證、鑒權保護、標識保護、標識匿名化等需求，因此目前業內共識采用基于非對稱加密體制PKI(Public Key Infrastructure)安全機制[8-10]。整個安全加密環節涉及制造工廠、注冊機構、授權機構、服務商、路側設備以及車載設備。其中制造工廠負責車聯網系統相關設備的生產，注冊機構負責車載設備和路側設備的認證，授權機構負責車載設備和路側設備的授權，只有經過認證和授權的設備才能在系統中使用和收發授權許可信息。如圖8所示。

圖8 V2X信息安全架構示意圖

（1）信息篡改風險：對發送信息通過HASH算法生成信息的摘要，用發送方私鑰對摘要加密，形成數字簽名，接收方使用發送方公鑰對數字簽名進行解密，得到信息的摘要，同時接收方再對信息本身使用HASH算法，將得到的摘要與解密得到的摘要進行對比，如果兩者一致，說明發送信息是完整的且沒有被篡改過。

（2）假冒終端風險：引入CA認證機制，發送方公鑰發送到CA，CA用私鑰對發送方的公鑰和一些相關信息加密，生成數字證書，信息在發送時，除了要攜帶數字簽名和數字證書，接收方使用CA公鑰對數字證書解密得到發送方公鑰，就能證明數字簽名是否屬于發送方。接下來，使用發送方公鑰對數字簽名進行解密，得到信息的摘要，同時接收方再對信息本身使用HASH算法，將得到的摘要與解密得到的摘要進行對比，如果兩者一致，說明發送信息是完整的且沒有被篡改過。如圖9所示。

圖9 PKI工作體系示意圖

（3）隱私泄露風險：安全基礎設施是V2X通信安全的重要組成部分，它的部署模式與車聯網業務及其管理模式密切相關，分為集中式和分布式兩種。為了實現車輛信息安全并保護用戶隱私，采用由注冊CA、V2V假名CA、V2I授權CA和證書撤銷CA等構成的PKI體系，其中注冊CA僅存在于集中式部署模式中。無論是集中式部署模式還是分布式部署模式，都包括V2X假名CA。假名CA負責向車載終端頒發假名證書，為保護用戶隱私，假名CA使用密碼技術對車載終端的身份信息進行加密。為避免泄露車輛行駛路徑，假名CA向車載終端頒發多個假名證書，車載終端依據假名證書使用策略，定期更換用于消息簽名的證書，以解決隱私泄露風險。

4.通信技術將向5G與其它技術協同方向演進

V2X若要進一步實現無人駕駛、道路安全等，必須將大帶寬、低延時、高速率通信網絡作為保障，同時5G技術將與AI、定位技術等協同發展，相互促進，共同推進車聯網技術升級、應用升級。

（1）單車智能缺陷顯著，5G可加速無人駕駛演進速度。特斯拉車禍事故暴露了當前人工智能和傳感器的缺陷。當前單車自動駕駛系統感知依賴各類傳感器，有自己無法克服的缺陷，一是信息孤島，無法與其它車、終端等交互；二是成本高，激光雷達為代表的傳感器方案占單車成本的30%以上；三是遇到惡劣天氣，探測距離縮減，安全隱患大。

（2）更高級的自動駕駛需新一代信息技術協同AI算法共同演進。人工智能算法升級必須依賴于大規模數據訓練，海量訓練也是自動駕駛邁向L4/L5的關鍵，一輛自動駕駛汽車每天約產生4TB數據，需上傳到云端進行處理，需大帶寬網絡支持。

（3）自動駕駛場景應用需低延時高可靠網絡作為保障。3GPP SA1 (TS22.186)定義的自動駕駛需求，車輛編隊、遠程駕駛等場景，需要低延時、高可靠的網絡作為保障。如圖10所示。

用例 E2E時延（ms） 可靠性 速率（Mbit／s）車輛編隊 10-25 99.99% 65擴展服務器 3-100 99.999% 53先進駕駛 3-100 99.999% 1000遠程駕駛 5 99.999% UL：25 DL：1

圖10 3GPP SA1 (TS22.186)定義的自動駕駛需求

（4）高精度定位對不同場景下的通信技術提出融合應用要求。RTK無法滿足所有場景，需引入結合5G網絡覆蓋，結合LTE、GNSS等技術滿足不同場景下的車聯網通信需求。如圖11所示。

圖11 高精度定位技術需求示意圖

（5）邊緣計算也是C-V2X通信技術發展的重要方向。車聯網具有多終端接入、大數據傳輸等特點，接入及數據傳輸、處理、存儲需求，極大增加了網絡負荷，并對網絡帶寬提出了更高的需求，以及上文所述Uu接口需要通過基站和核心網進行中轉，著中轉環節的增加，覆蓋范圍增加的同時傳輸時延也增加了，這有可能導致傳輸時延不滿足C-V2X業務的要求。因此基于邊緣計算，為C-V2X提供高可靠、低延時的通信也是車聯網發展的重要方向。■