5G V2X賦能車路協同系統

摘" 要：車路協同是信息通信、智能汽車、交通運輸和交通管理等行業深度融合的新型產業業態，處于人工智能、5G和交通三大國家戰略的交匯點。5G V2X無線通信技術作為關鍵賦能型技術，將有助于構建“路-云-車-人-網”協同的車聯網生態體系。該文首先介紹車路協同系統的定義、主要建設內容及其典型應用場景。其次以應用牽引，針對5G新空口-車用無線通信（NR-V2X）技術中的直連通信應用于自動駕駛場景的具體需求進行研究，給出不同業務場景下對通信性能和安全的需求說明。最后，針對車路協同系統低時延、高可靠和高并發的系統需求，分析5G NR V2X物理層、資源分配、擁塞控制和Qos與安全設計的相關原理。

關鍵詞：車路協同；5G NR V2X；智能網聯；直連通信；人工智能

中圖分類號：TU495 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）17-0010-06

Abstract： Vehicle-road coordination is a new type of industry with deep integration of information and communication， intelligent automobile， transportation and traffic management， which is at the intersection of artificial intelligence， 5G and transportation. As a key enabling technology， 5G V2X wireless communication technology will help to build a \"road-cloud-vehicle-human-network\" collaborative vehicle networking ecosystem. Firstly， this paper introduces the definition， main construction contents and typical application scenarios of vehicle-road collaborative system. Based on the application traction， this paper studies the specific requirements of the directly connected communication in the 5G new air port-vehicle wireless communication （NR-V2X） technology applied to the autopilot scenario， and gives the description of the communication performance and security requirements in different business scenarios. Finally， according to the system requirements of low delay， high reliability and high concurrency of vehicle-road collaborative system， the related principles of 5G NR V2X physical layer， resource allocation， congestion control， Qos and security design are analyzed.

Keywords： vehicle-road collaboration; 5G NR V2X; Intelligent Network connection; directly connected communication; artificial intelligence

5G時代來臨，結合物聯網（IoT）+人工智能（AI）的大趨勢，在許多垂直行業應用領域發展迅猛，車聯網（V2X）就是其中之一。根據產業研究機構預測指出，2027年全球5G車聯網市場規模上預計可達129.3億美元；2025年全球聯網汽車的普及率將達到80%。車聯網將協助提升車輛對環境感知能力，大幅強化行車安全，同時可以推升車輛自駕等級至Level 3與Level 4。V2X（Vehicle to Everything）作為一種車用無線通信技術，是將車輛與一切事物相連接的新一代信息通信技術，其中V代表車輛，X代表任何與車交互信息的對象，當前X主要包含車（Vehicle to Vehicle， V2V）、人（Vehicle to Pedestrian， V2P）、交通路側基礎設施（Vehicle to Infrastructure， V2I）和網絡（Vehicle to Network，V2N）[1-2]。V2X將“人、車、路、云”等交通參與要素有機地聯系在一起，不僅可以支撐車輛獲得比單車感知更多的信息，促進自動駕駛技術創新和應用，還有利于構建一個智慧的交通體系，促進汽車和交通服務的新模式新業態發展，對提高交通效率、節省資源、減少污染、降低事故發生率和改善交通管理具有重要意義[3]。

1" 車路協同簡介

1.1" 車路協同的基本定義

車路協同是車聯網的應用方式之一，它是基于無線通信、傳感探測、人工智能和邊緣計算等技術，多渠道獲取車輛和道路信息，通過車-車、車-路通信進行信息的交互和共享，并在全時空動態交通信息采集與融合的基礎上，開展主動安全控制和道路協同管理，充分實現汽車與道路的有效協同，保證交通安全、提高通行效率，形成安全、高效、環保的道路交通系統，為輔助駕駛、自動駕駛、交通管理和公眾出行等應用場景提供強大的支撐。

1.2" 車路協同解決的痛點問題

車路協同技術瞄準傳統交通的痛點問題，即人類駕駛員不規范的駕駛行為與不充分的道路感知信息影響行車安全、加劇交通擁堵的問題。通過車輛的感知增強和智能化建設，消除駕駛員的感知盲區，擴大感知視野，增強其駕駛決策控制的科學性和可靠性，降低人為因素對行車安全和效率的影響；通過車輛和道路的網聯化建設，將車與車、車與路連接成一個有機整體，以群體智能代替個體智能，以信息雙向交互代替數據單向采集，從而將駕駛員的信息來源及數量以指數級別擴展，實現充分感知前提下的準確決策和安全駕駛。

1.3" 車路協同的建設內容

車路協同建設的基本內容，可以概括為打造“聰明的車”+“智慧的路”+“協同的網”+“智能的云”。首先通過對車輛進行智能化網聯化改造，使其具備豐富的感知能力、高效的通信能力和智能的處理能力，通過在路側建立多樣化的感知、通信、定位、地圖和計算設施設備，使路側的信息以自動化的方式實時地參與到車的駕駛行為中，從而改變以往車與路之間“盈盈一水間，脈脈不得語”的尷尬現狀。為此，還需要借助無所不在的無線通信網絡，包括采用4G/5G Uu和LTE-V2X、NR-V2X直連通信等方式，促成車與路間的直接“對話”，打通車與路之間的信息鴻溝，實現車輛信息的主動交互、道路基礎設施信息的及時廣播與更新等。而要對車、路、網所包含的大量設施、設備、系統進行高效、安全、可靠的管理，又需要建設一個功能全面、性能強大的云控平臺，將車路協同各個要素進行周密細致的組織、管理與運用，從而最大限度發揮其功用和價值。此外，車路協同系統的信息安全和隱私保護等問題也正在日漸引起重視，作為云控平臺不可或缺的一部分，在項目建設中起著關鍵的保障作用。

1.4" 車路協同的典型場景

業界對于車路協同的典型場景進行了大量的探討和實踐，國內比較權威的場景定義主要包括T/CSAE 53—2017《合作式智能運輸系統車用通信系統應用層及應用層數據交互標準》定義的17個應用場景和T/CSAE 157—2020《合作式智能運輸系統車用通信系統應用層及應用層數據交互標準（第二階段）》所定義的12個應用場景，共計29個，例如紅綠燈信息服務、交叉路口防碰撞、道路危險狀況提示、擁堵提醒、協作式優先車輛通行等，涵蓋行車安全、交通效率、交通服務和自動駕駛等方方面面[4]。

1.5" 5G賦能車路協同系統建設

在車路協同中，“聰明的車”依托于單車智能和自動駕駛的不斷演進，而路的智慧則主要來自路側數據驅動的智能，這些數據的來源依托于數字化全息道路的建設。沒有對路側設施設備從物理域向數字域的數字孿生映射，“智慧的路”就無從談起。因此，車路協同的關鍵抓手就是大規模開展全息道路建設，包括全息路口和全息路段，其中圖1所示的全息路口更是建設的重中之重。全息路口以“更深度的感知——看的全”“端云一體化計算——算得快”“5G+直連通信——會說話”“與交管設備系統聯動——能指揮”為主要特征，是各類先導區建設項目、城市智能網聯道路建設項目所必備的建設內容，也是關乎車路協同技術路線成敗的關鍵抓手。

2" 車路協同業務與通信需求

C-V2X車聯網分為近期（LTE-V2X）和中遠期（NR-V2X）2個階段，如圖2所示。從應用角度講，LTE-V2X的設計目標主要是支持輔助駕駛，提升道路安全及提高效率和舒適性；NR-V2X通過將通信技術與人工智能、大數據等新技術結合，可以更好地支持自動駕駛及其他新功能。從技術發展上講，基于5G新空口（5G NR）的NR-V2X是LTE-V2X持續發展的演進階段，兩者是補充關系，而不是替代關系。

C-V2X最初從2015年才開始在Release 14加入V2X標準研究，2017年3月完成Release 14 V2X Phase 1（LTE V2X）標準，2018年6月完成Release 15 V2X Phase 2，亦稱為LTE-based enhanced V2X（eV2X），到2020年7月完成Release 16 V2X Phase 3，亦稱為NR-V2X，分3階段完成標準化的工作。5G NR-V2X 技術可以進一步實現和增強多維度自動化，例如感知、規劃、定位、意圖共享（ADAS）和傳感器信息共享等。5G NR-V2X PC5 有不同的通信模式，包括廣播模式和組播模式。組播通信模式用于支持群組內的特定互動消息，通常有較高可靠性要求，如群組協商、群組決策、反饋消息等。5G NR-V2X將與LTE-V2X 共存，并針對不同的用例。LTE-V2X 將提供基礎安全服務，而5G NR-V2X 將用于支撐自動駕駛等高級汽車應用。

2.1" V2X業務需求分析

基于5G NR的車聯網系統，根據應用場景不同，主要可分為車輛編隊行駛、高級駕駛、傳感器擴展和遠程駕駛幾大類[4]，如圖3所示。

1）車輛編隊行駛能夠支持車輛動態組成車隊進行行駛，所有編隊行駛的車輛能夠從頭車獲取信息，使得編隊行駛的車輛之間間距更小，從而提高交通的效率，并且降低油耗。

2）高級駕駛包括半自動駕駛和全自動駕駛，可以通過鄰近車輛之間共享感知數據，并進行駕駛策略的協調和同步，要求每個車輛給臨近的車輛共享自己的駕駛意圖。

3）傳感器擴展要求車輛之間、車輛與路側單元（RSU）之間、車輛與行人、以及車輛與V2X應用服務器之間能夠實現車載傳感器或者車載動態視頻信息的交互，從而獲得更全面的當前道路的環境信息，這類應用一般要求的數據傳輸速率比較高。

4）遠程駕駛要求通過遠程的駕駛員或者V2X應用服務器對遠程車輛進行操控和駕駛，這種應用要求更小的時延和更可靠的通信服務。

2.2" V2X通信性能需求分析

V2X在5G的應用情境中屬于超高可靠度與低延遲（Ultra-Reliable Low Latency Communication， URLLC），在延遲性需求上，列隊行駛要求延遲性介于10～25 ms。先進駕駛及感測器輔助的延遲性要求為3～100 ms，遠程駕駛的延遲性需求為5～20 ms。V2N的延遲可能有幾秒，V2I因為路側單元固定，僅車輛移動。因此，反應時間為毫秒（ms）等級，V2V因為有相對速度，例如2臺車分別以100 km/h朝對方方向行駛，相對速度就高達200 km/h，因此延遲要求也最高，甚至高達微秒（μm）等級[5]。

可靠性方面，V2X最大可靠度需求為80%～95%，Release 14 V2X的設計主要是透過多次重傳來確保可靠度，5G NR-V2X的可靠性將99.999%的目標邁進。

在傳輸速率上，列隊行駛需求為12 kbps～65 Mbps，先進駕駛為65 kbps～50 Mbps，延伸感測為25～1 000 Mbps，遠程駕駛由于需要車子周圍和車內的影像資料，故對于上行的傳輸速度要求為25 Mbps。

V2X通信傳輸距離一般為0～1 000 m，但在列隊行駛和先進駕駛情境下，將以5～10 s乘上相對速度，感測器輔助駕駛的通信傳輸距離將向km級發展。

2.3" 智能網聯安全需求分析

以市區行車為例，如圖4所示，在時速40 km時，遇到緊急事件，反應時間剩下2.9～3.3 s，導入V2X技術，可以將感測距離延伸到450 m以上，反應時間則有充裕的9 s，平均可降低82%的事故率，從道路安全著手，希望能進一步改善自駕安全。ADAS與V2X的結合可以克服壞天氣、交通號志辨識、視線外通信、網路存取、中長距離的溝通，將安全防護提升到96%。

3" NR-V2X關鍵技術與實現原理

從Release 14到Release 16，V2X通過技術演進實現了應用場景的擴展，從最初的信息服務階段到輔助駕駛應用再到面向自動駕駛的高級應用。Release 14 LTE V2X主要以基本安全類應用為主，Release 16 NR V2X則可支撐面向自動駕駛的高級應用，典型應用場景包括意圖共享、感知共享、車輛編隊、協同駕駛和遠程駕駛等。NR V2X通過增強的技術特性滿足上述高級應用在復雜環境中對可靠性、數據率、延時等關鍵指標的要求。

3.1" 通信模式

NR V2X支持基于PC5接口的終端直通的通信方式和基于Uu接口的網絡通信模式2種主要工作模式[6]，如圖5所示。

3.2" NRV2X傳輸模式

基于NR的V2X通信可支持廣播、組播和單播3種傳輸模式，如圖6所示。廣播是V2X中最基本的通信模式。組播通信用于支持特定群組內的信息交互，協助完成群組內終端的協商與決策等。V2X單播通信則基于新定義的PC5-RRC信令實現終端到終端的可靠通信[6]。

3.3" NR V2X物理層時隙結構

如圖7所示，NR V2X時隙結構包括帶反饋和不帶反饋2種。對于不帶反饋的時隙，單個時隙包含14個OFDM符號，第一個符號用于AGC，PSSCH之后是 GAP符號。對于帶反饋的時隙，PSSCH和PSFCH之后都需預留GAP符號，PSFCH資源預配置周期取值范圍為{1，2，4}個時隙[6-7]。

3.4" NR V2X擁塞控制

對于接入層，NR V2X的策略與LTE V2X類似，可通過高層信令對物理層參數進行限制從而實現擁塞控制，具體參數包括調制編碼方式、重傳次數、每次傳輸的子信道個數，以及發送功率等[6]。主要區別在于高層下發給物理層的每個包都攜帶一個單獨的優先級取值Priority，其對應于LTE V2X中的PPPP，該優先級參數Priority在SCI-1中傳輸。另外，NR中為了適應非周期業務的擁塞處理，在 CR、CRB等參數的測量上有更高的時間要求，NR中為1 ms或2 ms，LTE中是4 ms。

3.5" NR V2X QoS設計

NR V2X的QoS設計如圖8所示：針對每種通信模式（廣播、組播和單播），UE維護PC5流ID（PFI）與PC5 QoS規則及PC5 QoS上下文的映射關系。PC5 QoS上下文包括PC5 QoS參數（如 PQI及 Range），以及V2X業務類型（如PSID或ITS-AID）。PC5 QoS規則包括PFI及其關聯的PC5 QoS流，優先級及包過濾器。V2X層下發給接入層的配置包括PFIs及其對應的QoS參數、傳輸模式（單播、組播或廣播）、無線頻率和發送配置等。每個無線承載對應一個QoS等級。每個數據包下發給接入層時，只需要攜帶PFI和傳輸模式[8]。

3.6" NR V2X安全性

對于廣播和組播，接入層未定義專門的安全性維護機制。對于V2X單播， 其安全性保護措施包括：①基于消息的隱私保護，單播連接的雙方L2-ID的同時更新機制；②復用Release 12/13中基于ProSe的安全性保護機制；③PDCP層進行完整性和可靠性保護；④由高層提供的安全密鑰；⑤UE安全性策略配置，定義某個應用是否需要安全性保護。

3.7" 小結

在NR-V2X系統中，為了實現低延時和高可靠的通行，主要采取了以下幾點優化機制：如在直通鏈路上，引入了高階調制（最高可達256 QAM）以及空間復用的多天線傳輸機制，可以支持更高的傳輸速率（可達1 Gbps）；在直通鏈路上，對多播和單播模式引入了更加靈活的時隙結構以及HARQ反饋機制來提高傳輸可靠性；采用分布式資源分配機制，降低資源沖突，更加適用于增強業務中非周期業務需求；無連接的“即時組網”方式和基于距離的設計，進一步降低時延；可分級的OFDM空中接口，多種可選子載波間隔，更大的傳輸帶寬（最大100 MHz）；采用了高性能的LDPC極化碼提升編碼性能等。

4" 結束語

我國政府層面非常鼓勵包括C-V2X在內的車聯網技術的發展。工信部、發改委、交通部、公安部和科技部等部委及地方政府，都針對性給出了一些明確的政策支持。目前，全國已經擁有超過30個測試示范區，其中包括上海、北京-河北、重慶、無錫（先導區）、杭州-桐鄉、浙江、武漢、長春、廣州、長沙、西安、成都、泰興和襄陽等16個國家級/省級示范區。這些示范區涵蓋了無人駕駛和V2X測試場景建設、LTE-V2X/5G車聯網應用、智慧交通技術應用等功能，提供了涉及安全、效率、信息服務、新能源汽車應用，以及通信能力等的測試內容。雖然車聯網技術正在飛速發展，我們也仍需意識到，車聯網最終目標的實現（包括自動駕駛的落地），是一個漫長的過程。除了技術和資金，還涉及法律和倫理的問題?？偠灾仿湫捱h兮，“V2X”將上下而求索。

參考文獻：

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[7] 3GPP NR Sidelink Transmissions Toward 5GV2X（物理層結構、資源分配機制等）-202002[Z].

[8] R1-1907720. Summary of in-device coexistence aspects in NR-V2X（AI7.2.4.4）[R].Qualcomm Incorporated，2019.