車聯網通信技術及應用前景研究

趙津　張博　潘霞　謝蓉

摘 要：車聯網是物聯網技術在交通系統領域的典型應用。本文通過研究車聯網體系架構，從技術發展、市場應用等角度對比了DSRC及C-V2X兩種車聯網關鍵通信技術。最后指出車聯網體系構建面臨的機遇與挑戰，為車聯網發展路徑提供智力支持。

關鍵詞：車聯網 DSRC C-V2X 商業化

隨著人類對于交通安全與效率的要求逐步提高，交通工具以及道路被賦予更多智能化的功能。車聯網作為打通交通各個要素環節，實現數據共通的網絡載體，能夠將交通實時產生的海量數據，進行感知與傳輸，是實現未來交通智能化的關鍵環節，是構建新型交通生態的關鍵物聯網載體。

1 車聯網體系模型架構

作為物聯網的應用之一，未來車聯網將是智能的立體化架構，包括數據感知層、網絡傳輸層以及平臺應用層。

（1）數據感知層，是車聯網體系的神經末梢。通過傳感器、RSU、OBU等設備，實時對車況、道路環境、車輛當前位置等信息感知，實現道路的全面檢測，進而完成感知數據的結構化處理。感知層的數據來源包括車端、路端以及第三方信息。車端數據是指車輛自身的感知，通過讀取總線、GPS及其他傳感設備來實現例如速度、加速度、位置等信息的獲取。路端數據是指道路環境的感知，例如交通信號狀態、道路擁堵程度、車道駕駛方向。第三方信息指的是設備與第三方應用交互來獲取更多的數據，比如天氣、公交車調度、特殊車輛優先調度請求等。

（2）網絡傳輸層，是基礎設施層與平臺應用層連接的管道，一方面將基礎設施的結構化數據上傳到平臺層，另一方面，基于不同的需求提供隔離的網絡資源，為車車、車路、車人、之間實現信息的共享。通信網絡作為信息傳輸的通道，必須具備帶寬大、時延低、可靠性高、海量連接等特性，因此5G等新一代通信技術將是實現萬物互聯的必要手段。

（3）平臺應用層，是車聯網應用管理與運營單元，實現車輛交通管理、車輛安全控制、交通事件預警等功能，同時還為車聯網用戶提供信息查詢、事件告知、信息訂閱等服務。同時運用云計算平臺，面向包括政府職能部門、整車企業、信息服務運營企業及個人用戶等在內的不同類型用戶，實現云端和終端設備的協調控制。

2 車聯網通信技術研究綜述

V2X技術使用無線信號與兼容系統進行通信，從而使車輛能夠改善對環境中物體和事件的態勢感知。目前，車聯網的通信標準分為專用短程通信（dedicated short range communication，DSRC）和蜂窩車聯網（cellular vehicle to everything，C-V2X）兩種主流技術路線。

（1）DSRC

DSRC（IEEE 802.11p）本質上是由電氣和電子工程師協會（IEEE）于2009年標準化的Wi-Fi衍生產品（802.11a）。由美國最先提出相關標準，后續歐盟、日本、新加坡等國基于美國的標準，相繼推出自己的通信標準。雖然各國是基于美國的DSRC標準制定的，但在頻段劃分、定義、使用方面存在差異。美國最早授權了5.850～5.925 GHz頻段作為V2X通信專有頻段，日本分別授權了5.79～5.81GHz和5.83～5.85 GHz作為V2X通信專有頻段，而歐洲則采用了5.795～5.815 GHz和5.855～5.925GHz頻段作為V2X專有通信頻段。DSRC具備專屬帶寬和短距離通信的技術特點。在IEEE標準中802.11的信道只定義了核心頻率，并沒有定義特定帶寬，而美國和歐盟的標準中對不同的編號信道提出特定的信道帶寬。將75MHz的帶寬作為 DSRC 專屬的交通安全頻譜，并將75MHz 的帶寬分為7個頻道。

從路端與車端的部署來看，美國已有26個州在試點部署應用DSRC的路側設備，路側設備使用5.9 GHz頻譜的已達9000多個，截止到2020年1月份有超過18000輛支持后裝V2X的車輛在路上。通信連接技術具有快速更新迭代的特性，一個新的通信技術，如果在短期內沒有得到廣泛支持，該技術就面臨著可能被其他技術替代的風險。但是美國自2016年開始布局DSRC技術，就現在的部署規模及應用覆蓋率，美國的DSRC發展依舊緩慢。2019年12月，美國聯邦通訊委員會（ Federal Communications Commission）提出一項提議，將原本分配給DSRC的5.850-5.925 GHz頻段重新分配。5.850-5.895GHz的頻段被分配給WIFI設備，5.895GHz-5.905GHz分配給DSRC或者C-V2X，5.905GHz-5.925GHz分配給C-V2X設備 。雖然這一提議引起眾多反對，但可以看出DSRC確實存在被取代的風險。造成這個現象的原因主要有幾個方面，從政策標準角度來看，雖然美國起步較早，但是缺少一個強勢部門進行政策指導，由于國家體制因素，政策不斷變化，缺乏始終如一的政策引導。同時美國交通部崇尚技術中立性，在美國出現DSRC和C-V2X技術路線搖擺的時候并沒有出手干預選擇，因此整個產業環境進入了“內耗”的狀態。從技術角度來看，DSRC不能平滑過渡到5G，而5G是車聯網通信的未來技術，由于技術兼容的成本非常高昂，如果選擇DSRC，當5G大規模應用時，搭載DSRC的車輛將成為無法連通的部分。從市場角度來看，DSRC的商業模式不清晰，相比于C-V2X，DSRC繞過了通信運營商，無法得到相關通信產業利益方的支持。

（2）C-V2X

蜂窩車聯網（C-V2X，Cellular Vehicle to Everything）是5GAA（5GAutomotive Association）提出的新術語，目的是為了區別IEEE 802.11p，專指基于蜂窩移動通信系統的V2X無線通信技術。C-V2X技術是我國基于3GPP R14版本，主導推動的車用無線通信技術。早期由大唐電信、高通、華為、樂金電子等企業共同在3GPP研究LTE-V2X國際標準的制定，標準化工作已于2017年3月完成。隨著智能網聯汽車研發的深入，對通信傳輸速率、低時延、高可靠性等提出了更高要求，LTE-eV2X的Release-15標準，已于2018年6月正式發布。同時LTE-V2X向NR-V2X演進，3GPP在5G新空口無線傳輸基礎上制定NR-V2X的Release-16 標準，相關研究工作已于 2018 年 6 月啟動。由于疫情影響，該版本凍結時間多次延后，于2020年7月3日宣布正式凍結，這是基于5G NR新空口的第一版V2X標準。同時支持增強 5G-V2X 的Release-17 標準，相關準備工作已于 2019 年底開展，目前該階段的工作正在制定中。

C-V2X技術，包括蜂窩方式和直通方式兩種工作模式。蜂窩方式是指終端和基站之間通過Uu接口通信，利用基站作為集中式的控制中心和數據信息轉發中心，由基站完成集中式調度、擁塞控制和干擾協調等，可以顯著提高C-V2X的接入和組網效率，保證業務的連續性和可靠性。直通方式是指車與車、車與路、車與人間通過PC5接口實現直接通信，這種通信方式滿足了自動駕駛低時延高可靠、節點高速運動、隱藏終端等傳輸要求。蜂窩通信（Uu）和直通通信（PC5）兩種模式優勢互補，通過合理分配系統負荷，自適應快速實現車聯網業務高可靠和連續通信。C-V2X在LTE蜂窩網絡的基礎上，在幀結構、最大發射功率、擁塞控制、信息安全機制等方面優化了系統性能。采用感知信道與半持續調度結合的分布式資源調度機制，在兼顧其它發送節點的需求和業務的周期性嚴苛要求下，既減少了系統干擾也減少了信令開銷，又提高了信息傳輸的可靠性。相比于DSRC具有更高的鏈路預算、系統性能、覆蓋范圍、移動性支持和可靠性。同時C-V2X支持不同網絡參與者之間的實時、低延遲通信，可以提供從LTE到5G的演進路徑。

（3）DSRC與C-V2X對比

從物理層來看，DSRC與C-V2X主要有兩點差異。一方面，C-V2X可使用部分帶寬發送，DSRC則是使用全部帶寬發送，C-V2X 功率譜密度較高。另一方面，DSRC屬于視距傳輸技術，障礙物過多的場景會影響其傳輸效率，C-V2X使用Turbo碼，編碼增益高，而且C-V2X CP長度為4.7μs，更適合室外環境。

從MAC層來看，DSRC與C-V2X有三點差異。第一，DSRC資源調配方式為CSMA/CA，在節點數較多時競爭增大了沖突概率，C-V2X資源調配可以將分布式與集中式相結合來提高效率，而且資源分配具有周期性，一旦選擇成功，可以持續使用一段時間，連續性好、調度效率高。第二，DSRC存在隱藏節點、時延上限不確定，C-V2X 可以根據地理位置選擇資源池，相鄰區域的LTE使用正交的資源池降低了沖突概率，解決了隱藏節點的問題。第三，DSRC在重負荷情況下不能保證節點接人信道的公平性，C-V2X采用網絡控制的資源管理加QoS管理保證重負荷下的系統性能。

在基礎技術指標上存在三點最根本差異。DSRC采用短距直連傳輸，C-V2X采用蜂窩通信（Uu）和直通通信（PC5），形成雙鏈路互支撐和雙冗余，保證業務的連續性和可靠性。在演進性上，DSRC缺乏演進路線，而C-V2X具備從LTE到5G的演進路線，可為自動駕駛提供高吞吐量、超低延遲和高可靠性的傳輸服務。在成熟度上，DSRC雖然發展較C-V2X成熟，但是國內C-V2X具備良好的研究基礎，華為、愛立信、英特爾、高通和諾基亞等都在積極推動C-V2X芯片和設備產業化，車企也紛紛聯合通信企業開展C-V2X技術測試，C-V2X在產業化進程方面與DSRC的差距逐漸減少。

隨著國家層面強有力的指引和支持，目前來看C-V2X 技術發展更具長期發展的潛力。并且C-V2X屬于中國主導的車聯網技術，有利于國內企業規避專利風險，同時能夠借助C-V2X技術發揮中國影響力并擴展到其他國家。

3 C-V2X 應用前景

C-V2X 產業鏈主要包括通信芯片、通信模組、終端設備、整車、智能道路、測試驗證以及運營與服務環節，其中的參與方包括芯片廠商、設備廠商、主機廠、方案商、電信運營商、交通運營部門和交通管理部門等。此外，相關科研院所、標準組織、投資機構及關聯的技術產業對C-V2X產業落地應用起到了支撐與推動的作用。

根據汽車零部件供應商博世的數據，到2025年，車聯網汽車可以挽救11，000人的生命并減少260，000起事故，創造2530億美元的應用收入，并且每年節省2.8億小時的駕駛時間。由此可見C-V2X的商業前景十分可觀，而有了5G的助力，車內外的場景也將變得更加多元化。汽車不再是簡單的交通代步工具，未來形態將是人、車、路、網的全新融合。

目前，C-V2X商業化進程才剛剛處于起步階段，還存在著諸多待解決的問題：

1、信息安全缺乏有力保護

在C-V2X中，聯網汽車會實時向周圍設備分享位置信息和駕駛意圖，這導致駕駛員和汽車的數據被更大范圍的暴露，極易被不法分子利用損害車主利益。如何保護用戶的隱私數據安全，在國內業界還處在討論階段。

2、量產產品未達到商業化程度

雖然國內在車聯網相關的關鍵產品如芯片、車載終端、道路智能化終端等方面加大自主研發投入，但整體形勢距離商業化應用仍有差距。如何同步提升路端與車端聯網設備覆蓋率也是亟待解決的關鍵問題。

3、車聯網發展商業模式不清晰

車聯網產業鏈條較長，涵蓋芯片、模組、終端、平臺、測試驗證、網絡安全、系統集成等多個方面，目前競爭格局未定，缺少主導企業，沒有完善的可持續建設運營模式等問題，導致整個產業沒有核心凝聚力，產業推動力量發散。

總體來看，C-V2X真正實現商業化落地仍需要時間以及包括政府、相關企業在內的多方努力配合。

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