基于5G V2X服務的停車信息系統研究

魏文勇 張 暉 趙 峰

中通服咨詢設計研究院有限公司

0 引言

隨著我國經濟快速發展，車輛也快速增長，導致了停車需求的增長，停車難一直是我國許多城市普遍面臨的問題，這一問題在大城市尤為嚴重。很多城市的停車場規劃相對滯后，遠不能滿足不斷增長的停車需求。有限的停車服務將大大降低居民的生活質量。

日益嚴重的停車問題已成為制約我國汽車產業發展和城市交通暢通的一大瓶頸。因此，根據停車需求信息和停車設施布局，開發能夠快速、準確地支持停車規劃的停車輔助系統，對于準確配置城市有限的停車資源，提高停車場利用率以及服務水平，緩解停車難問題，有較為重要的意義。本文主要探討基于5G V2X服務的停車位信息共享系統的可能性以及基于C-V2X服務的停車位信息共享系統的實現方案。

1 V2X服務

1.1 V2X技術

越來越多的車輛接入物聯網（IoT），車聯網（IoV）也隨之發展。車聯網系統由車載終端、云計算平臺和數據分析平臺三部分組成。傳感器、數據采集器和無線發射模塊構成車載終端，對車輛運行數據實時采集，實現車輛所有工作信息的采集、存儲和傳輸。車輛的實時運行數據包括駕駛員與配電系統的數據信息；云計算平臺對車輛信息進行處理和過濾；數據分析平臺主要是向管理人員提交報告。通過連接人、車、車內系統和道路基礎設施，IoV可以實現車間網絡的無縫連接，并在移動環境中提供智能管理和信息服務，這將提高駕駛體驗、交通效率和安全性，并降低運營成本。

近年來，隨著通信技術的發展而新興的一個技術是vehicle to everything（V2X）。V2X是指車與外界進行百分百的互聯，這是未來智能汽車、自動駕駛、智能交通運輸系統的基礎和關鍵技術，包括車-車（V2V）、車-基礎設施（V2I）、車-行人（V2P）、車輛到網絡（V2N）。V2V是指車輛間通過車載終端進行通信，實時獲得附近車輛的速度、位置等信息，車輛間形成共享平臺，實時信息交換。V2I是指車載設備與路邊設備之間的通信，路外設備能從附近車輛獲得信息，也能發布實時信息。V2P是指用戶設備（如手機和筆記本電腦）與車內設備進行通信。V2N指車載設備接入云平臺，車輛與云平臺之間進行通信。

根據使用的不同底層技術情況，介紹兩種V2X通信技術，即基于WLAN的V2X和基于蜂窩的V2X。

1.2 DSRC

最初的V2X通信采用WLAN技術，直接在V2V和V2I之間工作，這種V2X基于一種稱為專用短程通信（DSRC）的標準。DSRC利用IEEE802.11p在車輛環境中增加無線接入。它支持車輛之間以及車輛與路外設備之間的基本安全信息的低延遲通信。DSRC的頂層協議棧是基于IEEE1609標準開發的。V2V信息交互使用WAVE短消息協議而非TCP/IP協議，TCP/IP協議用于V2I和V2N信息交互。

1.3 C-V2X

C-V2X最初定義于3GPP R14中的LTE，設計用于V2I和V2N。在3GPP R15中，V2X功能擴展到支持5G。與802.11p一樣，C-V2X直接通信支持廣域覆蓋連接，通過在5.9 GHz ITS頻段使用高質量傳輸來檢測和交換信息，增強了安全機制。

隨著人、車、路和云平臺之間的全方位連接和高效信息交互，C-V2X目前正在從信息服務應用程序向交通安全和效率應用程序發展，并將逐步支持自動駕駛協作。C-V2X的一些典型應用場景包括：

（1）交通效率

交通效率是C-V2X的重要應用場景，對緩解城市交通擁堵、節能減排具有重要意義。典型的交通效率應用是速度引導。車速引導是指利用路邊單元（RSU）采集交通信號燈和信號燈的時間信息，并向周圍車輛廣播信號燈的當前狀態和當前狀態的剩余時間等信息。收到信息后，車輛根據當前速度、位置和其他信息計算建議的行駛速度，并提示車主確保車輛不會停止通過交叉口。這種情況要求RSU能夠收集交通信號信息并向車輛廣播V2X消息，而周圍車輛能夠發送和接收V2X消息。

（2）交通安全

交通安全是C-V2X最重要的應用場景之一，對避免交通事故、減少事故造成的生命財產損失都有重要作用。典型的交通安全應用場景是交叉口的碰撞警告。碰撞警告是指在交叉口，當車輛檢測到車輛橫向行駛的碰撞風險時，駕駛員會收到預警聲音或圖像以避免碰撞。這種情況下的車輛需要能夠廣播和接收V2X消息。

（3）信息服務

信息服務是提高駕駛體驗的重要應用。典型的信息服務應用場景包括緊急呼叫服務。緊急呼叫服務是指當車輛發生緊急情況（如安全氣囊引爆、翻車等）時，車輛能夠通過網絡自動或人工啟動緊急救援信號，并提供基本信息如車輛類型、交通事故時間和地點等。服務提供商可以是政府應急救援中心或其他應急救援中心，要求車輛具有C-V2X通信能力。

（4）自動駕駛

與現有的攝像機視頻識別、毫米波雷達和激光雷達類似，V2X是另一種獲取其他車輛和行人運動狀態（速度、制動、車道變化）信息的方法，不受天氣、障礙物和距離等因素的影響。同時，V2X還為自動駕駛產業化提供車客云協同的綜合服務體系。目前，典型的自動駕駛場景包括車輛編組和遠程駕駛。車輛編組是指第一輛車是載人車輛或者自動駕駛車輛，后續車輛通過V2X通信與頭車保持實時的信息交互，以一定的車速實現一定車位的多車跟蹤駕駛。具有車道保持與跟蹤、協同自適應巡航、協同緊急制動、協同變道提醒等功能。遠程駕駛是駕駛員通過駕駛控制臺遠程操控車輛。車載攝像頭和雷達通過5G網絡的大帶寬，將多路傳感信息實時傳輸到遠程駕駛臺；駕駛員對方向盤、車輛的油門和制動器的控制信號將通過可靠的低延遲5G網絡傳輸至車輛。

5G技術將在C-V2X中發揮重要作用，提高車輛與道路環境通信的可靠性，并實現多種革命性服務的發展。

2 C-V2X服務在輔助停車方面的應用

2.1 停車問題

許多住宅樓在建設過程中，沒有充分考慮停車需求，導致停車位不足。停車位信息不易獲取，造成資源浪費。當前停車場使用中存在的問題主要體現在以下幾個方面：

（1）路邊停車容量不合理

城市道路設置停車位時，道路兩側停車位數量與道路通行能力的比值應在20%～33%之間。如果道路兩側停車位的比例超出了范圍，造成道路兩側停車位和公共停車場分布不合理，必然增加城市交通量。

（2）停車位分配

大型公共停車位通常建在城市的核心商業區周圍，如醫院、購物中心、廣場和學校。這些位置的交通量相對較高，當所有停車位都被占用時，許多車輛都在巡航尋找停車位，這將使交通狀況更加惡化，從而加劇交通擁堵。停車場的合理布局對緩解交通壓力有很大影響。因此，在停車位的選擇和規劃中，不宜只考慮交通流而忽略其他因素。

（3）停車位利用率

到停車場的距離和停車成本是司機在選擇停車位時考慮的主要因素。為了節省時間，大多數車主會盡量把車停在最近的地方。但是，如果他們不熟悉附近的停車場布局，更多的時間將被花在選擇合適的停車位上。這將導致一些公共停車場擁堵，而另一些停車場利用率不高。

（4）停車位搜索

在停車區內找到合適的停車位也很費時。在我們的日常駕駛活動中，巡游停車場占用了30%的時間，本文提出了一個結合C-V2X技術的停車位信息共享框架，以解決停車問題，引導公共停車，為智能交通系統的建設提供有益的參考。

2.2 停車服務模式設計

可共享的停車位有路邊停車位和停車場兩類，而從可用資源的角度考慮，停車位有空間共享和時間共享兩種模式。

（1）可用點位信息共享

為了緩解交通擁堵，有必要減少尋找停車位的車輛數量，這將有助于減少交通流量。這可以通過在附近建筑物之間共享可用停車位的信息來實現。

（2）分時

對于某個停車位來說，不可能一直被占用。因此，不同的車輛可以在不同的時間段輪流使用同一個停車位。這個停車位空閑時間信息可以分發給其他駕駛員，以實現資源的充分利用。

2.2.1 停車服務模式框架

停車位信息共享系統的主要目標是通過平臺上共享的停車位信息，使駕駛員能夠找到所需的停車位，如圖所示。停車位信息共享系統將從駕駛員、共享停車位和停車位信息共享平臺三個方面進行介紹，如圖1所示。

圖1 停車服務模式示意圖

車位搜索器主要是車輛設備，停車資源主要是路邊設備，V2X通信系統包括通信協議、專用數據鏈路和管理系統。通信協議和專用通信鏈路包括V2X通信系統與車位查詢人員之間的短距離通信；管理系統用于檢查共享車位信息的真實性，并可將信息發送給車位查詢人員。

在停車的過程中，首先需要考慮的是車輛的通行問題。好的車位信息共享系統不應對車位所在區域的第三方管理者帶來影響，因而在車位信息共享系統的中，需要先進的車輛接入技術確保現有管理體系的運行。在現有的v2x技術下有許多可能的解決方案，例如：

（1）快速響應碼（QR碼）

停車位搜索者成功預訂停車位后，通過掃描管理系統發送的二維碼來向共享平臺發送車主身份。

（2）車號識別

通過車號識別技術，停車位信息共享平臺可以將預定成功車輛的車號識別信息傳送給停車位管理系統。通過車號識別，車位搜索者可以更方便地停車，也方便第三方管理者的管理。如圖2所示。

圖2 停車系統示意圖

（3）車位搜索器-車輛用戶

主要包括車載設備，如無線收發模塊、計算機處理模塊和顯示輸出模塊。其主要目的是根據自己的位置實時接收附近的停車位信息。本模塊用于接收通信模塊發送的車位信息，對車位信息進行處理，并將處理結果轉換為司機能夠理解的聲光信號等提示信息。此外，還可以根據包含GPS位置的相對位置、車輛信息和可用空間提供導航引導。

（4）停車資源

停車位查詢系統主要對公共停車位的使用情況進行實時統計和分析。在停車系統中，車位查詢是車位查詢人員與車位信息共享平臺之間的交互。

對于公共停車位，檢測停車位信息，并將信息及時發送到停車位共享平臺。路邊傳感器包括攝像機和激光雷達，攝像機采集路段的視頻圖像，識別視頻圖像中的物體類型、形狀和位置信息，并將信息發送給路邊處理單元；激光雷達用于檢測障礙物信息，將障礙物信息傳輸至路邊處理單元。如圖3所示。

圖3 路邊傳感器的布置

（5）通信實體

C-V2X是一種基于3GPP標準的通信技術，包括LTEV2X和5G-V2X，LTE-V2X支持平滑演進到5G-V2X。C-V2X根據接口的不同可分為V2X直連和V2X蜂窩通信兩種模式。V2X直連通過PC5接口采用車載網絡的專用頻段（如5.9GHz），實現V2V、V2I、V2P的直接通信，低延遲、高移動速度的支持，滿足車位信息的決策和廣播要求。V2X蜂窩通信通過蜂窩網絡的Uu接口轉發，使用蜂窩通信頻帶，并且廣播下行鏈路。C-V2X通信的兩種通信方式是相互依存、相輔相成的。基于PC5和Uu接口的V2X停車位信息共享通信框架的設計如圖4所示。

圖4 基于PC5和Uu接口的V2X停車位信息共享通信框架模型

RSU是V2X的重要模塊，RSU部署可分為兩種類型。當RSU通過PC5接口接收到V2X消息時，RSU被部署為UE和V2X應用程序的邏輯組合，這稱為UE類型RSU。當RSU通過Uu接口接收到V2X消息時，RSU部署包括eNodeB、內置L-GW和V2X應用服務器，稱為eNodeB類型RSU。

采用PC5和Uu同時進行V2X通信，UE經由PC5與其他UE（包括UE類型RSU）通信以發送和接收V2X消息，UE型RSU可以通過Uu與移動網絡中的V2X應用服務器通信，并且可以根據需要用于管理超過PC5通信范圍的V2X消息的通信，此時使用PC5和Uu V2X的混合通信。

基于C-V2X的通信系統由路側系統組成，用于檢測公共停車位信息和整合停車位信息；5G通信模塊，用于接收和發送路側系統發送的車輛位置信息；車輛子系統，設置在車輛上，用于接收5G通信模塊發送的公共停車位信息，并對停車位信息進行處理、分析，并轉換成聲音和燈光等司機易于理解的信息。該系統可以將停車位信息與車輛連接起來，并將道路信息傳遞給駕駛員，從而保證駕駛員了解附近區域的停車位信息，增加停車的方便性和安全性。

2.2.2 動態V2X通信系統模型

實現對車輛的協調，解決停車問題，除了系統框架和基礎設施外，還需要一個動態通信系統模型，如圖5所示。

圖5 通信系統模型

該多任務模型用來說明停車場合理共享實現、停車位的動態調度以及與停車位需求者的可靠信息交換。

索引：表示5G網絡體系結構中必不可少、各種形式的傳輸節點或網關，如手機、移動車輛、服務器、第三方應用程序。通過該通信協議和算法模型，可在5G-v2x網絡中進行會話協調、物理層數據采集甚至上邊緣層計算等工作。

數據：模型中的錨點包含共享停車位和車輛信息等特征。

應用：在最高通信層，代表網絡模型中的概念或節點、系統，如區域服務器、5G核心網等。

本文的動態調度隊列處理模型中匹配請求的條件包括以下8個方面：（1）鄰近停車場調度信息；（2）預計到達目標位置的時間；（3）收費類別；（4）停車和服務能力；（5）停車時間班次；（6）停車位與車輛的距離；（7）目標停車位和車輛的位置；（8）停車記錄數據庫。

V2X的優勢之一是整合了各種第三方應用程序和運營商提供的信息和服務，從而能實現實時信息交換和無縫V2X連接。V2X服務器將停車信息同步到安裝在車輛上的UE或車載單元（OBU）。停車場運營商根據不同的時間班次，為進入的客戶提供停車區的總體布局、地址、點計數和收費率，以及服務類別。

將包含上述8個標準的用戶移動性數據采集并傳輸到上層索引或根目錄進行進一步分析或計算等，在停車位信息共享系統內觸發實時停車協調。

通過5G RAN中的V2X通信鏈路，捕獲并跟蹤實時車輛/用戶移動性和鄰近條件，V2X通信將通過5G SBA和移動邊緣計算（MEC）技術承載在車輛、共享停車場和停車服務平臺之間。

3 結束語

本文結合共享停車場的現狀，簡要介紹了新興的V2X技術，介紹了由車位搜索器、共享車位和停車服務平臺組成的車位信息共享系統。在此基礎上，建立了停車動態調度隊列處理模型，這是包含8個優化判別指標的動態調度模型。結合停車位信息共享系統，可以實現滿足上述條件的停車位的廣播，也可以實現滿足停車位要求的停車位信息共享。