基于PC5/Uu模式的LTE-V2X測試*

華國棟 李俊虎,2 王眾 李寧 梁軍,2

（1.江蘇智行未來汽車研究院有限公司，南京 211111；2.江蘇大學汽車工程研究院，鎮江 212013）

主題詞：LTE-V2X 通信測試 車路協同 路側單元 車載單元

LTE Long Term Evolution

V2X Vehicle to Everything

DSRC Dedicated Short Range Communication

MAC Medium Access Control

CAV Connected Autonomous

BSM Basic Safety Message

UE User Equipment

RSU Road Side Unit

OBU On-board Unit

GNSS Global Navigation Satellite System

PLR Packet Loss Rate

1 引言

目前，主流的V2X通信技術包括DSRC通信和CV2X通信。DSRC 由IEEE 標準和SAE 標準組成，在物理層和MAC 層采用802.11p 協議，C-V2X 通信主要包括LTE-V2X 和5G NR-V2X 兩種通信技術，是從4G/5G 蜂窩通信技術發展而來的一種汽車無線通信技術，通過第三代合作項目(3GPP)不斷發展和完善。C-V2X 基于蜂窩網絡，具有部署成本低、網絡覆蓋廣的優點，與DSRC相比具有比較明顯的優勢，是國內V2X技術標準的首選。

V2X通信用于車路協同功能，為駕駛員提供交通狀態信息和危險預警信息，因此對于V2X 通信及時性、準確性提出了較高要求，隨著LTE-V2X相關標準的制定，以及基于LTE-V2X 通信的路側單元和車載單元產品的發展，現在亟需進行基于設備的實車測試，對相關產品和標準進行測試和驗證，促進相關標準制定，加快產業化。

目前已經有一些科研工作者針對LTE-V2X 展開測試，Fan等提出了LTE-V2X 的測試方法和具體內容，并全面評估了LTE-V2X 的通信屬性；Shi等通過實車測試對比DSRC和LTE-V2X的應用性能，通過構建概率模型，評估交叉口碰撞預警應用；Kawasaki等設計了碰撞預警功能測試，對比分析了基于PC5和Uu的LTE-V2X 在碰撞預警中應用的性能；Zhang等在長安大學的CAV測試場地構建了多個典型測試場景，以測試DSRC 和LTE-V2X 在實際道路環境中的通信性能。

本文主要針對路側單元和車載單元相關產品進行測試，主要包括2方面測試內容：

（1）功能性測試，根據設計的車路協同路側端功能，進行場地和設備部署，實現每個功能所需要的測試場景，并對功能能否有效實現進行測試；

（2）通信性能測試，主要測試設備的通信延時和丟包率是否滿足功能需求。

2 測試內容

基于V2X通信的實車測試通常包括功能測試、通信性能測試和協議一致性測試等，本文進行了功能測試和通信性能測試。LTE-V2X包含2種工作模式，即短程分布式直連通信（PC5模式）和廣域集中式蜂窩通信（Uu 模式）。基于PC5 模式的LTE-V2X 通信采用側鏈路（Sidelink），即設備間直連通信，車輛直接廣播自車基礎安全信息（Basic Safety Message，BSM），自車也接收來自其它車輛的BSM；基于Uu 模式的LTEV2X 通信采用上行鏈路（Uplink）和下行鏈路（Down?link），Uplink 是指用戶設備（User Equipment，UE）到eNB（eNodeB，基站），Downlink是指eNB到UE，即用戶通過上行鏈路向基站單播傳輸信息，基站通過下行鏈路向用戶廣播信息。

2.1 功能測試

功能測試用于檢測設備是否能實現設計的功能，評價功能的有效性。根據車路協同路側端所實現的功能，將其分為2大類型，分別為交通誘導類功能和道路感知類功能，具體包含功能如表1所示。

表1 功能測試測試內容

其中，交通誘導類功能是指通過車聯網數據平臺將相應道路信息傳至相應路段路側RSU（其中，信號燈信息推送和闖紅燈預警功能是通過信號機直傳至路側RSU），RSU再以一定頻率向外廣播，在服務范圍內的網聯車輛車載終端接收到推送的信息，用以提醒和誘導駕駛員駕駛行為，提高道路通行效率的功能；道路感知類功能則是指通過路側的感知設備感知車輛、行人和其他交通參與者，并將感知數據傳至RSU，RSU再以一定頻率向外廣播，在服務范圍內的網聯車輛車載終端接收到推送的信息，用以提醒駕駛員其他交通參與者狀態信息，提高道路通行安全的功能。通過設計和部署相應場景，檢測在場景中車載端是否能夠有效地接收到推送的信息，來判斷設備實現功能的有效性。

2.2 通信性能測試

通信性能測試用于檢測在不同的車速、距離、道路條件下，設備的通信性能，包括延時、丟包率、覆蓋范圍指標，確定通信性能是否滿足V2X功能要求。

3 測試方法

3.1 測試設備和場地

本文進行的實車測試分別在蘇州某車輛測試場地A、蘇州某車輛測試場地B、蘇州相城區相城大道和青龍港路開放道路進行。在蘇州車輛測試場地A 對某廠家X 的網聯設備進行了功能性測試和PC5 模式的通信性能測試；在蘇州車輛測試場地B對廠家Y的網聯設備進行了功能性測試；在蘇州市相城區開放道路進行了Uu模式的通信性能測試。蘇州車輛測試場地A 如圖1 所示。蘇州車輛測試場地B 如圖2 和圖3所示。所有測試項目均選擇在晴天進行，避免惡劣天氣對測試結果的影響。

圖1 蘇州車輛測試場地A

圖2 蘇州車輛測試場地B

圖3 蘇州車輛測試場地B的測試車輛

蘇州車輛測試場地A測試中使用的RSU、OBU是廠家X 的產品，使用的雷視一體機是廠家Y 的產品，使用的激光雷達是廠家Z 的128 線混合固態激光雷達，使用的信號控制機是廠家X的產品，參數如表2～6所示，設備安裝位置見圖1所示，其中信號燈與交通信號控制機通過有線連接的方式通信，路側RSU通過有線連接的方式獲取交通信號控制機的數據。路側感知設備包括激光雷達、雷視一體機均通過有線連接的方式與路側RSU 進行通信，車載OBU 與路側RSU 通過LTE-V2X 進行通信，移動設備終端與車載OBU 通過藍牙進行數據交換。

表2 廠家X路側終端參數

表3 廠家X車載終端參數

表4 廠家Y可視化雷達檢測器參數

表5 廠家Z激光雷達參數

表6 廠家X信號控制機參數

蘇州車輛測試場地B測試中使用的RSU、OBU、雷視一體機是廠家Y 的產品，參數如表4、7、8 所示，RSU、OBU和雷視一體機均安裝在T型桿1上，安裝方向為在圖2設計圖中朝向西安裝，T型桿2上安裝了一個攝像頭，安裝方向為在圖2設計圖中與東北方向的車道平行。測試網聯車輛及其內部設備如圖3所示。其中信號燈與交通信號控制機通過有線連接的方式通信，路側RSU通過有線連接的方式獲取交通信號控制機的數據。路側感知設備包括激光雷達、雷視一體機均通過有線連接的方式與路側RSU進行通信，車載OBU 與路側RSU 通過LTE-V2X 進行通信，移動設備終端與車載OBU通過藍牙進行數據交換。

表7 廠家Y路側終端參數

表8 廠家Y車載終端參數

3.2 功能測試

在蘇州車輛測試場地A，針對廠家X 的設備進行了交通誘導類功能和道路感知類功能的測試，如圖1所示。測試車輛從1 號位置出發，依次通過2～8 號站點，測試車輛到達2 號站點前觸發信號燈信息推送和道路動態限速信息提醒，提示駕駛員信號燈狀態、信號相位剩余時間及道路限速信息，車載單元根據自身車速判斷當前是否超速，給予駕駛員提醒。在第一圈、第二圈、第三圈、第四圈和第五圈到達3號站點后，分別觸發闖紅燈預警、進行信號燈反控測試、觸發道路分時禁行信息提醒、觸發可變車道信息提醒、觸發潮汐車道信息提醒。在第一圈、第二圈、第三圈到達4號站點前分別觸發交叉口碰撞預警、匝道車輛匯入預警、道路交通管制信息提醒。當交叉口碰撞預警、匝道車輛匯入預警觸發時，路側感知單元將車輛、行人感知數據傳至RSU，測試車輛接收到RSU 數據，發出預警信息。在到達6號站點前觸發弱勢交通參與者碰撞預警，提醒駕駛員注意弱勢交通參與者，避免發生碰撞。在第一圈、第二圈、第三圈到達7號站點前分別觸發前方道路施工信息提醒、前方道路擁堵提醒、交通事故信息推送。在第一圈、第二圈、第三圈到達8號站點前觸發小區/單位出入口碰撞預警、觸發緊急車輛信息發布和停車場信息發布。車載OBU 接收到數據后，通過藍牙發送到移動設備，圖4所示為測試過程中部分場景移動設備顯示的預警信息，左側圓圈內為預警內容圖例，中間圓圈為當前車速，右側紅色圓圈為紅燈剩余時間或距離預警地點距離。

圖4 移動設備顯示信息

在蘇州車輛測試場地B，針對廠家Y的設備進行了交通誘導類功能和道路感知類功能的測試。如圖2所示，測試車輛繞場地行駛，每圈到達T型桿1所朝向的車道時觸發功能。圖5所示為信號燈信息推送和闖紅燈預警測試過程中設備顯示信號燈信息示例，在測試車輛接近路口時，設備正常接收到信號燈推送信息，且信號燈轉變為紅燈時，能發出禁止通行警告。圖5中右上角數字分別代表綠燈時長、紅燈時長和車速信息。

圖5 設備顯示信息

測試過程中，每個功能均以不同的行駛速度（20 km/h、40 km/h、60 km/h、80 km/h、100 km/h）測試10 次，每次記錄測試時間、地點、天氣、測試設備型號，測試車輛預警時車速、預警距離參數和是否正確預警。

經過測試，所設計的功能均能有效地為駕駛員提供預警信息，并且測試車輛能夠正常接收到路側單元推送信息，發出正確地預警。測試過程中，預警距離在0～300 m之間。

3.3 通信性能測試

3.3.1 PC5模式通信性能測試

在蘇州車輛測試場地A，選擇信號燈信息推送場景進行PC5 模式通信性能測試，測試項目包括通信延時、丟包率2項。對測試車輛分別進行靜態條件下和動態條件下通信延時和丟包率的測試。其中，靜態條件下，以距離為變量，50 m為間隔，分別測試距離RSU水平距離10～510 m時測試車輛靜止狀態下的通信延時和丟包率；動態條件下，測試車輛從距離RSU水平距離為0 的位置出發，分別以20 km/h、40 km/h、60 km/h 的速度進行3組測試，以距離為變量，50 m為間隔，分別測試距離RSU水平距離10～510 m時的通信延時和丟包率（Packet Loss Rate，PLR）。測試過程中，在測試車輛和RSU 之間沒有干擾車輛、行人和遮擋物。其中，路側RSU 與車載OBU 采用GNSS 時鐘同步。通信延時為數據包接收時間與數據包發送時間之差，丟包率PLR=(P-P)/P，其中P為發送的數據包數，P為接收的數據包數。

3.3.2 Uu模式通信性能測試

同樣采用信號燈推送場景進行測試，測試在蘇州市相城區開放道路上，基于Uu 模式的通信延時和丟包率。對測試車輛分別進行靜態條件下和動態條件下通信延時和丟包率的測試，其中，靜態條件下，以距離為變量，50 m 為間隔，分別測試距離eNB 水平距離10～510 m 時測試車輛靜止狀態下的通信延時和丟包率；動態條件下，測試車輛從距離eNB水平距離為0的位置出發，分別以20 km/h、40 km/h 和60 km/h 的速度進行3組測試，以距離為變量，50 m為間隔，分別測試距離eNB 水平距離10～510 m 時的通信延時和丟包率。測試過程中，在測試車輛和RSU之間沒有干擾車輛、行人和遮擋物。

進行以上測試并記錄通信延時和丟包率數據，結果如表9～11所示。

表9 在20 km/h速度下通信延時和丟包率

表10 在40 km/h速度下通信延時和丟包率

表11 在60 km/h速度下通信延時和丟包率

4 結果分析

對于功能測試，在不同的測試速度和預警距離下，車輛都能正常接收到預警信息，駕駛員能夠根據不同的預警功能，及時做出決策。

對于通信性能測試，隨著測試距離的增加或測試車輛速度的增加，通信延時均會略微增加，但影響并不顯著。兩種通信方式丟包率均比較小，隨著測試距離的增加或測試車輛速度的增加，丟包率也會增加，但丟包率受速度影響較小，當距離增加到一定值時，丟包率受距離影響較大，丟包率會出現一定幅度的增加。因此在500～600 m 之間進行了多組測試，得到PC5 和Uu 模式丟包率數據最大值分別為0.69%和2.33%，PC5模式丟包率滿足功能需求，而Uu模式的丟包率稍大；針對通信延時，經測試兩種通信方式的有效通信范圍約為600 m，在600 m以內2種通信方式的平均通信延時分別為7 ms 和16 ms，隨著車輛行駛速度的增加，通信延時也有所增加，但變化幅度不大，PC5模式通信延時滿足各功能需求，而Uu模式的通信延時稍大。因此在有效的通信范圍內，保持正常車速行駛，PC5模式的丟包率和通信延時可以滿足功能的需要，而Uu模式則不能單獨滿足功能的需要，只能與PC5模式同時使用以增大通信數據的準確性。

對比2 種通信方式可以發現，在同樣的速度和距離條件下，PC5模式相較于Uu模式有較低的通信延時和丟包率，這有可能是由于基于Uu 模式的通信方式需要將數據經過eNB 進行中轉，因此相較于基于PC5模式的直連通信方式，基于Uu 模式的通信方式通信延時和丟包率都會較高。但在實際應用測試中，基于PC5的直連通信面臨的干擾非常大，比如道路上復雜的交通環境造成的遮擋干擾、金屬材料干擾、建筑物干擾等，會極大影響PC5方式下通信的準確性和及時性。因此，對基于PC5模式的直連通信應用具有較大挑戰。

5 結論

目前，在測試場景中，基于PC5和Uu的LTE-V2X的性能可以滿足車路協同路側端功能的需要，能夠實現相應功能的預警作用，但由于真實道路狀況復雜，存在很多干擾，而且PC5和Uu模式各有優缺點，因此還不能廣泛應用在真實的復雜路況中。同時由于5G V2X 更高可靠性、更低延時以及更好的兼容性，CV2X 正在從LTE-V2X 向5G NR-V2X 演進，對LTEV2X 進行測試，能夠推動相關標準建立和5G V2X 的發展，加速產業化進度。

由于設備和人員的局限，只通過V2I 對車路協同路側端功能場景進行了多組測試，并將通信延時和丟包率作為通信性能的評價指標，在未來的測試中，希望可以在真實路況中，通過V2X包含的各種方式進行測試，并選擇多種評價指標進行綜合評價，能夠更加合理地部署網聯設備，增強網絡通信性能。并希望在以后的研究中能夠補充其他廠家芯片和設備，對本文測試結果進行復驗，提高結論的普適度。