基于5G 的車聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)架構(gòu)研究

王 靜，周麗娜，楚佳盟，劉太龍

（中國(guó)通信建設(shè)集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司第一分公司，河北 保定 071000）

1 車聯(lián)網(wǎng)與5G

2019年9月，國(guó)務(wù)院印發(fā)《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》，明確提出要加強(qiáng)智能網(wǎng)聯(lián)汽車（智能汽車、自動(dòng)駕駛、車輛協(xié)同）研發(fā)，提升城市交通基礎(chǔ)設(shè)施智能化水平，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是指通過車路協(xié)同來提高提高行車安全、提高交通效率，降低交通擁堵和排放等，國(guó)際、國(guó)內(nèi)方面車聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的制定進(jìn)展迅速。目前， 3GPP R16 版本已于2020年7月凍結(jié)， R17版本的研究工作也已啟動(dòng)。

5G（Fifth Generation，第五代移動(dòng)通信技術(shù)）標(biāo)準(zhǔn)包含增強(qiáng)移動(dòng)寬帶、超高可靠和低延遲、大規(guī)模機(jī)器通信三大應(yīng)用場(chǎng)景，相對(duì)于4G 標(biāo)準(zhǔn)，5G 在帶寬、時(shí)延、連接數(shù)等多方面的性能都有大幅度提升，可協(xié)助車聯(lián)網(wǎng)在遠(yuǎn)程環(huán)境感知、信息交互和協(xié)同控制等關(guān)鍵技術(shù)上取得突破。本文主要對(duì)基于5G 的車聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)架構(gòu)進(jìn)行研究，并對(duì)其從車端、路端、網(wǎng)端、云端四個(gè)方面進(jìn)行闡述，其次對(duì)車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)和展望。

2 基于5G 的車聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)架構(gòu)

車聯(lián)網(wǎng)涉及的物理對(duì)象和組成要素較多，重點(diǎn)包括人、車、路、網(wǎng)、云 5類物理要素，其中，“人”主要指道路環(huán)境參與者和車聯(lián)網(wǎng)使用者；“車”是車聯(lián)網(wǎng)的核心要素，未來主要向智能化和網(wǎng)聯(lián)化方向發(fā)展；“路”主要指路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施，包括紅綠燈、攝像頭、雷達(dá)、 RSU 等；“網(wǎng)”主要指車聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)人車路網(wǎng)云之間互相通信；“云”主要指平臺(tái)側(cè)，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)處理，決策下發(fā)等功能。本節(jié)將從車路網(wǎng)云四個(gè)方面進(jìn)行闡述。

2.1 車端

車端是車聯(lián)網(wǎng)的核心組成要素，構(gòu)建車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，車端通過前裝或后裝OBU（On board Unit，車載單元）設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能網(wǎng)聯(lián)，OBU 設(shè)備主要功能是實(shí)現(xiàn)和其他車輛 OBU、路側(cè)RSU（Road Side Unit，路側(cè)單元）、行人和 V2X 平臺(tái)之間通信。

文獻(xiàn)[1]指出智能汽車已成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn) 略方向，汽車智能化和網(wǎng)聯(lián)化協(xié)同發(fā)展已成共識(shí)，而自動(dòng)駕駛是汽車智能化具體呈現(xiàn)之一。根據(jù)工業(yè)和信息化部公示的《汽車駕駛自動(dòng)化分級(jí)》（報(bào)批稿），自動(dòng)化駕駛主要分為 L0-L5共6級(jí)，分類方法基本與 SAE（Society of Automotive Engineers，美國(guó)機(jī)動(dòng)車工程師學(xué)會(huì)）一致。如表 1所示，目前市面上所售汽車產(chǎn)品搭載的包括車道保持、車道偏離預(yù)警、并線輔助、主動(dòng)剎車、自適應(yīng)巡航等功能多為2級(jí)或以下駕駛輔助[2]。L3以上級(jí)別的自動(dòng)駕駛開發(fā)難度高、周期長(zhǎng)，目前還無量產(chǎn)的設(shè)備和芯片，因此整體成本高，現(xiàn)階段大多商業(yè)公司正在集中 L3的落地。

表1 汽車駕駛自動(dòng)化分級(jí)

2.2 路端

路端是實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)及智能交通的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，路端建設(shè)主要實(shí)現(xiàn)的功能有：通過路側(cè)傳感器以及車輛發(fā)送的數(shù)據(jù)，對(duì)道路通行狀況進(jìn)行感知，數(shù)據(jù)經(jīng)MEC（Mobile Edge Computing，邊緣計(jì)算）處理后，上傳至云端平臺(tái)或分發(fā)給車輛，進(jìn)而對(duì)交通進(jìn)行一定程度的優(yōu)化。

構(gòu)建車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，路端需要新增路側(cè)單元 RSU、傳感器、智慧燈桿等基礎(chǔ)設(shè)施。其中， RSU 的功能主要是匯集路側(cè)智能設(shè)施和道路交通參與者的信息，上傳至云平臺(tái)，并將 V2X 消息廣播給道路交通參與者，5G 與C-V2X 聯(lián)合組網(wǎng)可構(gòu)建廣覆蓋與直連通信協(xié)同的融合網(wǎng)絡(luò)，保障智慧交通業(yè)務(wù)連續(xù)性。

根據(jù)中國(guó)公路學(xué)會(huì)自動(dòng)駕駛工作委員會(huì)、自動(dòng)駕駛標(biāo)準(zhǔn)化工作委員會(huì) 2019年9月發(fā)布的《智能網(wǎng)聯(lián)道路系統(tǒng)分級(jí)定義與解讀報(bào)告（征求意見稿）》，從交通基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的信息化、智能化、自動(dòng)化角度出發(fā)，并結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)景、混合交通、主動(dòng)安全系統(tǒng)等情況，可以將交通基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)分為 I0-I5級(jí)，分別為無信息化 /無智能化、無自動(dòng)化；初步數(shù)字化 /初步智能化 /初步自動(dòng)化；部分網(wǎng)聯(lián)化 /部分智能化/部分自動(dòng)化；基于交通基礎(chǔ)設(shè)施的有條件自動(dòng)駕駛和高度網(wǎng)聯(lián)化；基于交通基礎(chǔ)設(shè)施的高度自動(dòng)駕駛；基于交通基礎(chǔ)設(shè)施的完全自動(dòng)化駕駛等。目前，各大企業(yè)現(xiàn)階段預(yù)期實(shí)現(xiàn)目標(biāo)支持的自動(dòng)駕駛均屬于I1級(jí)范疇。

2.3 網(wǎng)端

目前，車聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)主要分為 DSDR（Dedicated Short Range Communications，專用短程通信技術(shù)）和C-V2X（Cellular -Vehicle-to-Everything，基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的車用無線通信技術(shù)），其中， DSDR 技術(shù)起源較早，由IEEE 組織制定，是基于 IEEE802.11P 協(xié)議發(fā)展的技術(shù)，主要用于車輛間的無線通信； C-V2X 由3GPP 組織制定，是基于蜂窩移動(dòng)通信發(fā)展的技術(shù)，主要分為 LTE-V2X以及5G-V2X 兩種，其中 V2X 主要包含 V2I（Vehicle-to-Infrastructure，車路互聯(lián)）、 V2N（Vehicle-to -Network，車網(wǎng)互聯(lián)）、 V2P（Vehicle-to-Pedestrian，車人互聯(lián)）以及V2V（Vehicle-to-Vehicle，車車互聯(lián)）。

根據(jù)工信部頒布實(shí)施的相關(guān)文件，我國(guó)將 C-V2X 確立為車聯(lián)網(wǎng)主要發(fā)展的通信技術(shù)，并且規(guī)定5，905-5，925 MHz 頻段作為 LTE-V2X 技術(shù)的車聯(lián)網(wǎng)（智能網(wǎng)聯(lián)汽車）直連通信的工作頻段。

2.4 云端

云端主要是接收來自車輛或基礎(chǔ)設(shè)施等的信息，并對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理進(jìn)而將方案或決策信息反饋給車輛和基礎(chǔ)設(shè)施等，以實(shí)現(xiàn)交通資源的統(tǒng)一調(diào)配。車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)具有高并發(fā)、高實(shí)時(shí)、高速移動(dòng)、數(shù)據(jù)異構(gòu)、基礎(chǔ)設(shè)施共享等特性[3]，5GAA（5G Automotive Association）建議根據(jù)應(yīng)用需求的不同，將 V2X 平臺(tái)分層部署，中國(guó)移動(dòng)將車聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)分為 V2X 中心平臺(tái)、V2X 區(qū)域平臺(tái)和 V2X 邊緣平臺(tái)，中國(guó)聯(lián)通將其分為全局云平臺(tái)、邊緣云平臺(tái)、路側(cè)云平臺(tái)等三層架構(gòu)，通過多層平臺(tái)架構(gòu)的部署，可以滿足車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)多樣化的需求。

3 車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用案例

3GPP 針對(duì)LTE-V2X 技術(shù)定義了27種應(yīng)用場(chǎng)景[4]，如前向碰撞前告知警告、排隊(duì)警告、自動(dòng)泊車系統(tǒng)、V2N 流量?jī)?yōu)化燈等，主要可劃分為交通安全類應(yīng)用、交通效率類應(yīng)用和信息服務(wù)類應(yīng)用等幾類；針對(duì)5G NRV2X 技術(shù)定義了25種應(yīng)用場(chǎng)景[5]，主要可劃分為車輛編隊(duì)、擴(kuò)展傳感器、自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程駕駛等幾大類。

表2 車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景分類

文獻(xiàn)[6]將車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景分為協(xié)同服務(wù)類應(yīng)用、交通安全類應(yīng)用、交通效率類應(yīng)用、信息服務(wù)類應(yīng)用，本文參照文獻(xiàn)[6]的分類方法，將幾種典型應(yīng)用的應(yīng)用場(chǎng)景總結(jié)如表 2所示，文獻(xiàn)[7]認(rèn)為車聯(lián)網(wǎng)未來的應(yīng)用將有兩大趨勢(shì)：一是自動(dòng)駕駛，二是融入金融等支付屬性，如停車場(chǎng)、加油站、充電樁等可以通過車載OBU 完成支付。

4 結(jié)束語

車聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)制定、研發(fā)測(cè)試工作正在緊張進(jìn)行當(dāng)中，目前共有 46家公司參與并通過了智能網(wǎng)聯(lián)汽車C-V2X“新四跨”（跨整車、跨終端、跨芯片模組、跨數(shù)字安全認(rèn)證、跨高精地圖 /定位）的一致性測(cè)試，相信在新基建的建設(shè)背景下，車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)指日可待。