V2X技術在通信系統架構中的應用

薄 濤，王小磊，馮 凱，毛生發，杜江鵬

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

目前，無論是人工駕駛還是自動駕駛，在單車感知方面均存在諸多限制因素，如感知距離有限、易受障礙物遮擋等。而通過車用無線通信（Vehicle to Everything, V2X）技術能夠實現車輛與其他交通參與者或基礎設施之間的數據交互、共享，可以建立實時、可靠的通信網絡，使車與車、車與路、車與云之間的結構化數據能夠有效相互利用，彌補單車感知缺陷。同時，基于 V2X的車路協同決策可以有效提高交通效率，降低事故發生率，提升車輛駕乘體驗。

1 V2X技術路線

V2X是指車與周邊環境和網絡的全方位通信，包括車與車（Vehicle to Vehicle, V2V）、車與基礎設施（Vehicle to Infrastructure, V2I)、車與人（Vehicle to Pedestrian, V2P）、車與網絡（Vehicle to Network, V2N）四種通信方式，這些通信方式共同構成交通環境中不同實體間的信息交互網絡[1]。以依靠V2X技術實現的多車編隊行駛為例，此場景的主要通信方式為V2V通信，編隊行駛車輛成員車之間、成員車與周邊車之間，通過實時交換車輛狀態、定位和車輛控制等信息，保證編隊車輛安全、高效地行駛。

V2X主要包括兩種技術路線，專用短程通信技術（Dedicated Short Range Communication,DSRC）和蜂窩車聯網通信技術（Cellular Vehicle to Everything, C-V2X）。其中，DSRC的發展以電氣與電子工程師協會（Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE）發布的 802.11P 和1609.X系列標準為理論依據，屬于無線連接（Wireless Fidelity, WI-FI）技術的拓展變種，我國由于缺少相關核心知識產權布局，產業基礎較為薄弱，在 DSRC技術發展與應用方面并不具備優勢。C-V2X則是由國際標準化組織——第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project,3GPP）提出，最開始出現在Release14版標準中，此版本確立了以長期演進（Long Term Evolution,LTE）-V2X為基礎的技術演進路線；在Release16版標準中提出基于 5G技術實現的新空口（New Radio, NR）-V2X通信方案，C-V2X技術標準的演進過程如圖1所示[2]。LTE-V2X作為現行技術，未來會向NR-V2X平滑演進，兩種技術并不會互相取代，而是作為互補長期保持共存。

圖1 3GPP C-V2X標準演進進展

相較于DSRC，C-V2X技術具有以下優點：

1）發展空間更加廣闊，DSRC技術已于2010年停止更新，多國正逐步放棄DSRC向C-V2X進行技術轉型；C-V2X技術相關標準則仍在持續更新，支持LTE-V2X和NR-V2X混合應用。

2）技術更加先進，LTE-V2X技術在數據傳輸效率、通信帶寬等多個方面均優于 DSRC技術，可靠性更高，未來NR-V2X技術落地后性能還將進一步提升，如表1所示。

表1 LTE-V通信制式與DSRC的性能比較

3）經濟性更高，C-V2X通信芯片集成度高，可同時支持 PC5（LTE-V-Direct）和 UU（LTE-VCell）接口通信，有效降低功能拓展成本；借助于傳統的蜂窩網絡聯網方式，C-V2X可支持更為豐 富的應用生態系統[3]。

2 LTE-V2X通信方式

在LTE-V2X通信中，當前技術能夠實現兩種通信接口：一種是基于設備間通信（Device to Device, D2D）的PC5通信接口[4]，支持多個V2X終端，如車載設備（On Board Unit, OBU）、路側設備（Road Side Unit, RSU）等，間距較小時的直連通信；另一種是針對終端與網絡基站間通信的UU接口，適用于V2X終端間距較大，直連通信質量難以得到保證，需借助4G/5G網絡作為載體進行通信的情況。

PC5接口的傳輸資源分配方式主要包括兩種：第一種是集中式資源分配（Mode3），需要由用戶設備（User Equipment, UE）作為傳輸資源請求的發起者， PC5基站（eNodeB）收到請求后，通過半連續動態調度的方式進行資源分配；第二種是分布式資源分配（Mode4），它無需使用基站作為通信輔助設備，資源選擇時也無需用戶設備發出請求，只需用戶設備自身獨立進行資源選擇即可[5]。由于集中式資源分配是以 PC5基站作為調度中心，單個節點通信負荷較大，覆蓋范圍受基站通信能力影響，在時延和開銷方面并不具備優勢，同時道路中高速行駛的車輛無法僅與單一基站通信，通信連接的不斷切換亦會大幅影響其效率與質量。因此，在實際交通場景中，分布式資源分配方式有著更為廣闊的應用前景。

當處于V2V通信方式時，主要實現車輛間的數據傳輸。由于通信雙方往往處于高速運動狀態，有著較高的相對速度，這就使得V2V通信對定位精準度、通信實時性與穩定性有著較高需求。同時，由于交通環境不斷變化，單個OBU信號覆蓋范圍內通信鏈路條數、信息交互需求存在較大不穩定性，通信信道與通信環境相對復雜，因此，目前行業V2X技術研究重點在于探索如何高效、穩定地進行V2V通信[6]。PC5接口利用其直連通信無需基站輔助的特點，實現低時延、高穩定通信，提高V2V通信方式的效率。

當處于 V2I通信方式時，主要實現車輛與道路基礎設施間的數據傳輸。由于基礎設施本身并不具備V2X通信能力，因此，需要搭載RSU作為信息交互的載體，同時作為局部調度、管理與監測的設備。V2I通信不僅可以為車輛提供基礎設施的實時信息，還可以向政府交通管理平臺上傳車輛信息和道路基礎設施狀態等相關數據以進行實時監控。V2I通信方式為車輛間通信提供中繼節點，當車流量較小無法建立有效V2V通信鏈路時，RSU可以充當鏈路節點，減少對于周邊車輛的依賴，有利于實現長距離的數據傳遞。

當處于V2P通信方式時，主要實現車輛與弱勢交通參與者之間的數據傳輸。目前實現車輛對行人的識別及預警主要有兩種方式：第一種為行人穿戴V2X通信設備與車輛直接交互；第二種為RSU通過連接感知設備對行人進行識別及預測，將行人數據傳輸給車輛，屬于 V2I通信的一種變形。

3 LTE-V2X網絡架構

國內 C-V2X 團體組織制定了 T∕CSAE 53—2020[7]和 T∕CSAE 157—2020[8]兩個階段的應用場景標準，主要包含三大類別：安全類場景、效率類場景及信息類場景。其中以車輛、行人等交通參與者的安全類應用為主，其次為交通效率提升類應用，因此，在通信架構設計時不能采用傳統的網聯通信架構（即通過核心網來傳遞相關數據內容），而應選擇低時延、高可靠的架構設計。3GPP組織在其Release14版通信標準中加入D2D通信方式，定義了基于PC5接口的LTE-V2X網絡架構，如圖2所示[9]。

圖2 基于PC5的LTE-V2X網絡架構

該架構以傳統LTE網絡為基礎，新增了兩種功能實體：V2X控制功能實體（V2X Control Function）和V2X應用服務器（V2X Application Server）。V2X控制功能實體主要負責V2X應用服務的權限認證管理、授權發放、漫游管理，該實體并非獨立存在，而是部署于每個包含V2X業務的公共陸地移動網絡（Public Land Mobile Network,PLMN）中，通過 V3接口連接相鄰的用戶設備UE，并為之提供V2X通信所需參數。通過V4接口連接簽約用戶服務器（Home Subscriber Server,HSS）以調取用戶V2X服務權限，并基于該權限為用戶提供授權服務。V2X應用服務器主要提供用戶數據存儲服務，一個V2X應用服務器可以對應多個 V2X控制功能實體，兩類實體間通過 V2接口進行通信。相鄰的用戶設備UE之間使用PC5接口進行直連通信，這種終端間的直接通信，可以滿足車輛高速移動時V2X通信對時延和穩定性的需求，但是在大規模環境下信息交互壓力大幅增加，這時就需要對資源池以及擁塞控制能力進行更細致的設計與優化。

4 軟件定義下的通信鏈路恢復

在軟件定義下的V2X通信技術中，包括通信連接建立、通信鏈路規劃和通信鏈路恢復三項關鍵技術[10]。通過軟件定義將V2X通信技術中的直連通信任務交由OBU內部協議棧進行決策，當所有車輛都處于V2X消息廣播狀態時，OBU內部決策模塊請求建立V2X直連通信鏈路；當V2X通信鏈路處于保持狀態時，OBU通過減少數據上報計算量，以降低通信數據量，減輕網絡傳輸負擔；當車輛需要獲取V2X直連通信范圍外的第n號車數據時，可通過蜂窩網絡基站發送獲取第n號車數據的請求，第n號車將數據上傳至基站，由基站作為中繼節點進行數據傳遞。

而在實際運行條件下，車輛間的高速相對運動、多樣的支路和岔路、路況的好壞等不確定因素，都使得車輛行駛存在不確定性，導致V2X多跳通信受到影響，為了確保節點間通信鏈路正常、有效，需要建立通信鏈路恢復機制。當一條通信鏈路中的某個節點車輛急加速、急減速或改變行駛方向，導致OBU間的V2V通信受到影響時，與之相鄰的兩節點車輛OBU內部啟動相應通信鏈路恢復機制，指導OBU與新的相鄰節點建立通信，保證多跳通信及時恢復正常。

V2X通信鏈路恢復示例如圖3所示。

圖3 V2X通信鏈路恢復示例

假設原通信鏈路為

某時刻，當前通信鏈路P中的一節點車輛Va改變了原有行駛方向，其OBU檢測到行駛狀態轉變并觸發“行駛狀態突變”信號，與之相鄰的兩節點車輛接收到該觸發信號后，立即開始嘗試在周邊具備V2X功能的車輛中尋找備用節點，對兩車之間的多跳通信鏈路進行修復。假設在原通信鏈路P中，車輛Va的上一跳節點為Va-1，車輛Va的下一跳節點為Va+1，則兩節點車輛OBU嘗試尋找的備份節點Va'，應處于兩者之間且可以同時與Va-1、Va+1通信。假設兩車 OBU成功找到可用備份節點，則使用新的備份鏈路P'為

代替原鏈路P，即式（1），同時對新路徑P'中各節點內部通信鏈路成員表進行維護：在Va'節點內新增現有V1到Vn通信鏈路成員表，上一通信節點為Va-1，下一通信節點為Va+1，并向通信鏈路內所有節點發送“通信鏈路更新”信號；在Va-1節點原有V1到Vn通信鏈路成員表中，將下一通信節點由Va更新為Va'；在Va+1節點原有V1到Vn通信鏈路成員表中，將上一通信節點由Va更新為Va'；其余鏈路內節點僅對原Va節點進行信息更新，無需調整通信對象。若備份節點尋找失敗，則Va-1和Va+1節點向原鏈路P中所有剩余節點發送“通信鏈路恢復失敗”信號，各節點收到該信號后斷開鏈路P，并刪除相應成員表。在備份節點尋找過程中，可用節點Va'不局限于單個車輛，亦可是另一條多跳通信鏈路，雖然這種修復方式可能會增加鏈路整體傳輸時延，但修復后僅改變了Va-1和Va+1兩個節點的通信對象，對其余節點的影響是最小的[10]。

5 結論

在V2X通信中，使用PC5接口的直連通信是當前最為高效的通信方式。依據目前行業整體技術狀態，通過在傳統的LTE-V2X通信架構中引入軟件定義的方法，在OBU設計時根據軟件定義架構為直連通信加入補傳鏈路和鏈路切換步驟，可以提升直連通信的穩定性和安全性。因此，后期V2X通信技術的優化主要考慮以下方面：

1）通信基礎技術升級，結合 5G技術升級V2X通信技術，利用 5G特性優化通信的距離、時延、數據量和可靠性；

2）在協議棧和軟件的設計中引入軟件定義思想，通過在V2X直連通信鏈路中設計完整的補傳、續傳及切換步驟，為實際應用建立通信基礎。