5G+MEC 承載車聯網業務傳輸性能測試與驗證

林曉伯，鄭圣，邱佳慧，蔡超，陳斌，張菊，馮毅，張香云，郭志斌

（1.中國聯合網絡通信集團有限公司，北京 100033；2.北京交通大學，北京 100044）

0 引言

近年來，我國車聯網產業已上升到國家戰略高度并迅速發展，國務院及相關部委系統性地對車聯網產業制定行動計劃，旨在對車聯網產業進行全面升級和業務創新，并已取得階段性成果。在技術上，C-V2X 技術是由我國企業主導制定，并且產業鏈已經基本完善，包含通信芯片、通信模組、終端設備、整車制造等。隨著江蘇無錫、天津西青、湖南長沙等多個城市級先導區、示范區的建設落地，已經積累了一定的部署規模，輻射效應已經形成[1]。

中國C-V2X 車聯網產業將經歷三大發展階段，分別是：LTE-V2X 和4G 蜂窩支持的輔助駕駛階段，LTE-V2X和5G eMBB 支持的特定場景無人駕駛階段以及NRV2X 和5G eMBB 支持的全天候、全場景的無人駕駛階段，其中第一階段已經實現[2]。由此可見，在C-V2X 長遠的發展過程中，5G 移動蜂窩網絡將作為C-V2X 網絡的重要補充，助力C-V2X 技術和應用部署及推廣。

1 5G 網絡賦能車聯網關鍵技術

1.1 概述

根據IMT—2020 的規劃，5G 網絡滿足三大應用場景的通信需求，如圖1 所示。根據應用場景可分為增強移動寬帶（Enhance Mobile Broadband,eMBB）類、大規模機器通信（Massive Machine Type Communication,mMTC）類、超高可靠低時延通信（Ultra Reliable ＆ Low Latency Communication,uRLLC）類[3]。

圖1 三大應用場景

車聯網業務類型豐富，包含對帶寬要求較高的娛樂類業務，對可靠性和時延要求較高的安全類業務，而正由于5G 網絡具備上述特性，使得車聯網成為5G 應用的重要垂直行業之一。由于5G 網絡具有較高的終端滲透率以及覆蓋率，可為車聯網業務的快速落地部署提供基礎設施及運行環境。

1.2 5G 切片

為了滿足5G 網絡車聯網應用的通信需求，同時節約部署成本并提高資源利用率，網絡切片技術應運而生。網絡切片是一種端到端的技術，每個端到端的切片分為三個部分：無線接入網子切片、承載網子切片、核心網子切片[4]。在無線子網切片中，根據不同的業務場景及資源情況，對無線網進行CU 與DU 功能的靈活切分和部署；在承載網子切片中，需要在一張物理網絡上劃分出多張由特定網絡拓撲和網絡資源組成的虛擬網絡，用于滿足不同網絡切片租戶或業務的差異化連接和服務質量要求；5G 核心網支持靈活的切片組網，基于微服務的網絡切片構建，以及切片的智能選擇、切片的能力開放、切片的多層次安全隔離等關鍵技術要求[5]。5G 核心網切片架構如圖2 所示。

圖2 5G 核心網切片架構

在5G 網絡場景下，網絡切片在自動駕駛、移動寬帶、物聯網等場景中得到廣泛應用，尤其是在需要低時延、高可靠的自動駕駛中有著廣闊的應用前景。

1.3 5G MEC

移動邊緣計算（Mobile Edge Computing,MEC）在邊緣網絡部署服務器，使得交通行業應用可以在靠近用戶的位置實現流量本地卸載和服務本地化，為交通產業應用提供更低的時延[6]。隨著5G 網絡的發展，MEC 服務器的部署方式也變得靈活多樣。將MEC 服務器部署在無線接入網絡，無線接入網絡就具備了業務本地化的條件，MEC 可以根據用戶服務請求的應用類型分配處理，把時延要求高的應用優先分配在本地區域內處理，把時延要求較為寬松的應用匯聚至云端處理[7]。MEC 架構如圖3 所示。

圖3 MEC 架構示意圖

5G+MEC 是5G 服務化網絡架構與MEC 服務的融合部署方式。MEC 可以作為應用功能（AF）與5G 核心網的網絡開放功能（NEF）進行交互，通過策略控制功能（PCF）向會話管理功能（SMF）下發本地流量路由策略，從而使用戶的業務流量流向本地用戶面功能（UPF），再到MEC 提供的本地數據網絡（DN）[8-9]。5G+MEC 網絡架構如圖4 所示。

圖4 5G+MEC 網絡架構

在車聯網中，MEC 有著廣泛的應用，由于MEC 具有較高的算力以及AI 能力，可以結合路側部署的攝像頭、雷達等實現交通狀況的實時感知，并為車輛下發控制策略，支持的應用包括碰撞預警、多車協作通行、綠波通行、動態高精度地圖、道路危險狀況預警等。

2 5G 承載車聯網業務性能測試

2.1 概述

車聯網的業務模型和覆蓋場景與普通5G 移動用戶有所不同。車聯網的業務模型主要由以發送頻率較高的小包組成，與普通5G 移動用戶大帶寬的業務模型不同。此外，車聯網相比行人具有更高的移動性，因此在網絡覆蓋場景上應考慮網絡弱覆蓋的場景。

本次測試主要針對車聯網的業務模型以及覆蓋場景制定相應的測試例，并分別對正常覆蓋場景、弱覆蓋場景、增強配置場景進行測試，評價指標主要是時延與丟包率。

2.2 測試環境

本次測試環境采用5G 實驗網外場基站進行測試，本地部署下沉UPF 及V2X 應用服務器，將本地用戶分流至該服務器。5G 終端通過基站接入測試環境，如圖5所示。

圖5 測試環境

在本次測試環境中，由于基站、UPF 與V2X 應用服務器在地理位置上處于同一區域，因此從5G 基站至服務器的承載網傳輸時延及抖動可以忽略不計，由此可以減少不確定因素對測試結果的影響。此外，由于本次測試將分別統計上行和下行的單向時延，因此為V2X 應用服務器提供了±2 ms 以內的時鐘同步精度，而5G 終端通過GNSS 授時，其授時精度亦可滿足單向時延的測試要求。

2.3 業務模型

5G 網絡主要承載車聯網車路和車云通信數據，即車路協同業務，根據目前車聯網業務規劃，車路協同業務多為周期性發送頻率較高的小包，對于車速、通信距離、發送頻率均有一定要求[10-12]，如表1 所示。

表1 車路協同應用基本性能要求

由此可以看出，需要路側配合的車路協同業務的發送間隔包含100 ms、200 ms、500 ms、1 s、2 s。同時，不同的車路協同應用對于系統延遲的要求不盡相同。對于車輛引導、控制類的應用，如表1 中編號7、8、9，時延要求較高，要求系統延遲為50 ms；對與行車安全相關的消息類業務，如表1 中編號1、2、3、6、10、11、12，要求系統延遲為100 ms；對于其他類型消息，如表1 中編號4、5、13，要求系統延遲為500 ms。車路協同應用對于系統時延的要求將作為測試結果的參考依據[13]。

報文大小根據不同消息類型有所不同，根據前期測試經驗，表2 數據是在某地車聯網示范先導區進行拉網路測過程中采集的。

表2 車聯網先導區中各消息廣播頻率及消息長度

從表2 的大量統計數據中可以看出，主要包括三類業務類型：實時類消息、靜態類消息與平臺播發消息。實時類消息業務類型包括RSM、RSC、SSM，主要是路側發出用于描述當前交通環境狀態，報文大小在100 B 左右，發送間隔在100 ms 左右。靜態類消息業務包括MAP、RSI，主要是路側將之前配置的消息播發出來，例如地圖信息、交通標志信息等，報文大小在1 000 B 左右，發送間隔在1 s 左右。平臺播發消息業務包括SPAT，主要是播發路口交通信號燈相位信息，這類消息對時延要求不高，報文大小在200 B 左右，發送間隔[14]在500 ms 左右。

2.4 測試場景

本次測試主要針對車聯網業務的使用場景，測試場景主要包括正常覆蓋場景、弱覆蓋場景以及增強配置場景。

1）正常覆蓋場景。該場景使用的5G 實驗網絡配置與當前商用網絡相同，為了模擬當前網絡承載車聯網業務的情況，取覆蓋性能較好的點位進行測試。

2）弱覆蓋場景。由于車輛具有更高的移動性，所處環境也會更復雜，比如在車輛行駛的過程中，橋梁或建筑的遮擋效果會更加明顯，因此對于某些路段會存在5G信號覆蓋較弱的情況。為了模擬這種情況下網絡對車聯網業務的影響，取網絡覆蓋性能較弱的點位進行測試。

3）增強配置場景。本場景用于測試5G 網絡極限承載能力，需要對終端與基站進行配置。配置主要包括關閉DRX（Discontinuous Reception，非連續性接收）、開啟上行智能預調度、關閉功控優化參數。其中DRX 指讓UE 在沒有業務的時候進入休眠期，從而達到省電目的。因此關閉DRX 則會使得UE 在進行時延測試時省去重新接入的過程，從而降低時延[15]。上行智能預調度是一種資源調度方式，具體原理如圖6 所示。當UE 沒有業務請求時，UE 周期性地進入DRX 休眠期；當滿足觸發條件時，基站會主動做上行調度，預先為UE 分配好資源，UE 無需進行資源請求，因此節省時延。該調度只在持續時長定時器內生效，在又一次觸發后，持續時長定時器會重啟。關閉功控優化參數可以讓UE 更好地與基站保持鏈路連接[16]。

圖6 上行智能預調度原理示意圖

2.5 測試項

測試分為時延測試和可靠性測試。據前文所述，為了驗證5G 承載車聯網業務的性能，測試報文的設置盡量模擬真實車聯網業務，數據長度設置為300 B、700 B、1 200 B，發包間隔為100 ms、200 ms、1 s。對于時延測試，發包數設置為1 000個；對于可靠性測試，發包數設置為10 000 個。

2.5.1 時延測試

車聯網業務中多為單向觸達業務，即車端上報或服務器端消息下發，因此時延測試重點關注單向時延。在測試單向時延的過程中，不宜使用評測結果除2 的方式進行測量，因為上行和下行時延并不一定相同，另一方面需要保證測試終端及服務器端的高精度時鐘同步，才能準確統計單向時延，本文高精度時鐘同步方式如上文所述。時延測試的相關參數設置如表3 所示。

表3 時延測試參數設置

表3 中：上行數據流向是指由OBU 發送，MEC 服務器接收；下行數據流向是指由MEC 服務器發送，OBU 接收。在時延測試過程中涉及到兩種報文類型：TCP 報文與UDP 報文。傳輸控制協議（Transmission Control Protocol,TCP）是一種面向連接的、可靠的、基于字節流的傳輸層通信協議，TCP 規定了超時重傳機制，即當TCP 發出一個報文后，啟動一個定時器，等待目的端確認收到這個報文段。如果不能及時收到一個確認，將重發這個報文段。用戶數據報協議（User Datagram Protocol,UDP）為應用程序提供了一種無需建立連接就可以發送封裝的IP 數據報文的方法，與TCP 互為補充。與TCP 相比，UDP 是一種不可靠的傳輸機制，不提供保證數據傳輸的服務。

2.5.2 可靠性測試

車聯網業務由于關系到行車安全，需要承載網絡具有較高可靠性，因此本次測試進行發送10 000 包后統計收包率的測試，從而驗證5G 網絡的可靠性。可靠性測試的相關參數設置如表4 所示。由于TCP 協議存在超時重傳機制，理論上不存在丟包，因此丟包率測試不考慮TCP 報文。

表4 丟包率測試參數設置

3 測試與驗證

3.1 正常覆蓋場景

正常覆蓋場景是在外場基站下進行測試，保證網絡信號強度。正常覆蓋點的信號強度如表5 所示。

表5 正常覆蓋點網絡質量參數

在本場景中，在排除異常數據后，共進行17 次有效測試，包含UDP 和TCP，其中上行測試11次，平均時延為26.21 ms，下行測試6次，平均時延為5.29 ms。共進行2 次10 000 包的丟包率測試，丟包率為0.03%和0。

3.2 弱覆蓋場景

網絡邊緣弱覆蓋場景模擬的是在5G 信號覆蓋不佳的路段。弱覆蓋點的信號強度如表6 所示。

表6 弱覆蓋點網絡質量參數

在本場景中，在排除異常數據后，共進行16 次有效測試，包含UDP 和TCP，其中上行測試8次，平均時延為24.15 ms，下行測試8次，平均時延為6.38 ms。共進行3 次10 000 包收發丟包率測試，丟包率分別為0.11%、0、3.74%。

3.3 增強配置場景

在增強配置場景中，關閉DRX、開啟上行智能預調度、關閉功控優化參數。在排除異常數據后，共進行26 次有效測試，包含UDP 和TCP，其中上行測試14次，平均時延為9.62 ms，下行測試12次，平均時延為6.27 ms。共進行5 次10 000 包收發丟包率測試，丟包率分別為0.18%、0.65%、0.73%、0.4%、0.4%。

3.4 結果對比分析

3.4.1 按場景統計

測試結果如表7 所示，表格中的時延為多次測試的平均值。對比正常覆蓋場景、弱覆蓋場景以及增強配置的上行時延與下行時延，可以得出以下結論：

表7 按場景統計時延結果 ms

1）三種場景下的上行時延均高于下行時延，這與基站調度策略以及節電配置有關，即終端在沒有業務時，一般處于休眠狀態，起到節電的作用。

2）正常覆蓋點與邊緣覆蓋點在時延上差異不大。正常覆蓋點上行時延比邊緣覆蓋點高2.69 ms，而正常覆蓋點下行時延比邊緣覆蓋點低1.10 ms。因此，只要終端成功附著到基站，信號質量對時延影響不大。

3）開啟時延增強配置可以顯著改善上行時延。對比開啟時延增強配置與其他場景的上行時延，在開啟時延增強配置后，會明顯降低上行時延，降低幅度為61.78%。開啟時延增強配置后，上行時延為9.23 ms，可以達到10 ms 以內的單向通信時延。增強配置起到縮短喚醒時間的效果，從而縮短通信時延。可以預見該配置是適用于車聯網場景的，在車聯網場景中，車載終端一般由車輛供電，對節電性能要求不高，同時可以滿足未來高級別自動駕駛業務對于時延的高要求。此外，由于增強配置是針對上行的調度配置，因此對下行時延并無明顯改善。

3.4.2 按包大小統計

測試結果如表8 所示，表格中的時延為多次測試的平均值。

表8 按包大小統計時延結果

在不同報文大小下，對比常規配置與增強配置下的上行時延與下行時延，可得出以下結論：

1）隨著報文字節數的增多，常規配置的上行時延小幅度增加。在常規配置下，當報文的字節數由300 B增加至700 B時，上行時延增加了4.21%；當報文的字節數由700 B 增加至1 200 B時，上行時延增加了4.68%，整體增加幅度比較小。

2）隨著報文字節數的增多，增強配置的上行時延在不斷增加。在增強配置下，當報文的字節數由300 B增加至700 B時，上行時延增加了28.44%；當報文的字節數由700 B 增加至1 200 B時，上行時延增加了19.46%，雖然增加比例較大，但是增幅絕對值不大，在1～2 ms 之間。

3）綜合1）、2）可知，隨著報文字節數的增多，上行時延不斷增大，但是增大的幅度并不明顯。此外，報文的大小對下行時延并無明顯影響。隨著報文字節數的增多，下行時延在1 ms 的范圍內波動。因此，5G 網絡對于小包有較好的轉發性能。

3.4.3 按發送間隔統計

如表9 所示，在不同的發送間隔下，對比常規配置與增強配置下的上行時延與下行時延，表格中的時延為多次測試的平均值。

表9 按發送間隔統計時延結果 ms

從表9 中統計結果可以得出以下結論：

1）發送間隔的增大會引起上行時延的增加。在常規配置下，當發送間隔由100 ms 增加至200 ms時，上行時延增加了13.31%，平均增加約3 ms；在增強配置下，當發送間隔由100 ms 增加至200 ms時，上行時延增加了1.31%，平均增加約0.2 ms。

2）發送間隔的增大會引起下行時延的增加。發送間隔由100 ms 增加至200 ms時，下行時延增加了7.46%，平均增加約0.5 ms。

3）綜合1）、2）可知，發送間隔的增大會引起上下行時延的增加，最大在3 ms 左右。因此，5G 網絡對于高頻率報文有較好的轉發性能。

3.4.4 按報文類型統計

測試結果如表10、表11 所示，表格中的時延、抖動為多次測試的平均值。

表10 按包類型統計時延結果 ms

表11 按包類型統計時延抖動結果 ms

對比TCP 與UDP 報文在常規配置與增強配置下的上下行時延與上下行時延抖動，可以得出以下結論：

1）TCP 和UDP 報文的上行時延與抖動差距不大。在常規配置下，UDP 的上行時延比TCP 高2.53 ms，TCP的上行時延抖動比UDP 大0.07 ms。在增強配置下，UDP 的上行時延比TCP 低1.3 ms，TCP 的上行時延抖動比UDP 大0.05 ms。

2）TCP 和UDP 報文的下行時延與抖動差距也不大。對比TCP 與UDP 的下行時延與抖動，UDP 的下行時延比TCP 的下行時延高0.29 ms，UDP 的下行時延抖動比TCP 大0.28 ms。

3）綜合1）、2）可知，如果沒有或者極少觸發TCP 的超時重傳機制，則TCP 與UDP 時延差別不大。TCP 和UDP 報文在時延和抖動性能指標上差距不大。相比而言，TCP 是面向連接的傳輸協議，具有超時重傳機制，可靠性更高，對于部分對可靠性要求高的車聯網業務，可以考慮采用TCP 傳輸。

3.4.5 UDP 與TCP 時延分布 分析

分別選取1 200 B 上行數據的UDP 和TCP 的時延進行對比，以1 ms 為區間計數，繪制直方圖，從而統計時延的分布情況。其中橫軸為時延，縱軸為1 ms 時間內收包的統計個數，結果如圖7、圖8 所示。

圖7 1 200 B 上行UDP 時延區間統計

圖8 1 200 B 上行TCP 時延區間統計

對比圖7 與圖8 的上行時延分布情況可知，在上行數據中UDP 與TCP 時延分布的差距不大。從上行時延區間統計結果中可以看出，UDP 與TCP 的時延都主要分布在[15,35] ms 的區間內。其中，UDP 測試報文落在35 ms 之內的占比為97.8%，TCP 數據在35 ms 之內的占比為98.6%。

分別選取1 200 B 下行的UDP 和TCP 的時延進行對比，以0.1 ms 為區間繪制直方圖，統計時延的分布情況。其中橫軸為時延，縱軸為0.1 ms 時間內收包的統計個數，結果如圖9、圖10 所示。

圖9 1 200 B 下行UDP 時延區間統計

圖10 1 200 B 下行TCP 時延區間統計

對比圖9 與圖10 的下行時延分布情況可知，TCP 報文的時延比UDP 報文稍好。從下行時延區間統計結果中可以看出，TCP 和UDP 的時延主要集中在6 ms 之內。其中，UDP 測試報文落在6 ms 之內的占比為92.6%，TCP 報文落在6 ms 之內的占比為96.5%。

3.4.6 丟包率統計

本次共進行46次UDP測試，36次測試收發1 000包，10 次測試收發10 000包，丟包率測試結果如表12 所示。

表12 丟包率統計結果

在本次測試中，正常覆蓋點平均丟包率為0.02%，邊緣覆蓋點平均丟包率為1.28%，增強覆蓋平均丟包率為0.47%。其中邊緣弱覆蓋點丟包率波動較大，且平均丟包率高于正常覆蓋點和增強配置場景，由于增強配置是針對連接時延進行改善，因此對收包率無影響。此外流量方向、包大小對于丟包率影響不明顯。因此，網絡覆蓋質量會一定程度影響業務的可靠性。

4 結論

車聯網業務與傳統移動蜂窩網業務模式有較大差別，主要是以高頻率的小包為主，并且車聯網的通信終端相比手機有更快的移動速度，以及更廣的移動范圍。因此本文測試選取了三個測試場景：正常覆蓋現網場景、網絡邊緣弱覆蓋場景、時延增強配置測試場景，并分別構造TCP 與UDP 報文、300 B、700 B、1 200 B 報文，以發送間隔100 ms、200 ms 進行收發測試，并統計上下行時延及丟包率。

綜合分析上述測試結果，得到如下初步測試結論：

1）在保證附著在5G 網絡的情況下，網絡弱覆蓋對時延影響不大。但是對于現網，5G 網絡信號較差時，會回落到4G，可能會導致時延加大。

2）上行時延大于下行時延，在增強配置后，上行時延改善明顯。在增強配置下，關閉DRX 并開啟上行智能預調度，減少了從UE 發送SRI 到獲得上行調度授權的時間，從而降低了上行時延。

3）報文大小、發送間隔對于時延影響不大。隨著報文字節數的增多，上行時延稍有增加。發送間隔的增大也會使得上下行時延稍有增加。因此，5G 網絡對于高頻率小包有較好的轉發性能。

4）TCP 與UDP 報文在時延、抖動上差距不大，但是TCP 是基于連接的可靠通信協議，相比UDP 有更高的可靠性。

5）網絡覆蓋質量會一定程度影響業務可靠性，而流量方向、包大小對于丟包率影響不明顯。

綜上所述，5G 網絡能夠滿足當前車聯網業務需求，對于未來自動駕駛類業務，有兩點優化建議：

1）5G 網絡可以通過開啟切片、時延增強配置等優化網絡時延性能，提供高速的網絡接入能力；

2）可以考慮采用TCP 技術作為終端和平臺通信的傳輸層協議，TCP 技術在時延性能上與UDP 技術差異不大，但可以提供基于連接的可靠性傳輸，在弱覆蓋點更能夠有效提高可靠性。

注：本文通訊作者為林曉伯。