?一文讀懂蜂窩車聯(lián)網(wǎng)C-V2X

▉ V2X是什么

V2X，即vehicle to everything，車聯(lián)萬物。

簡(jiǎn)單來說，就是賦予車輛通信能力，通過V2V（車對(duì)車）、V2P（車對(duì)行人）、V2I（車對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施）、V2N（車對(duì)網(wǎng)絡(luò)），讓駕乘體驗(yàn)更加舒適，交通環(huán)境更加安全，使能未來的自動(dòng)駕駛。

來源: Rohde & Schwarz

相信很多開車人都有這樣的體會(huì)：行駛在一條道路，連續(xù)好幾個(gè)路口都遇到紅燈，一路走走停停，不僅浪費(fèi)時(shí)間，而且特別耗油。有時(shí)候，明明前方一輛車也沒有，卻還要傻等紅燈變綠。你一定會(huì)想，如果交通燈也有眼睛和大腦，那該多好??！

其實(shí)，利用V2I（車對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施）、V2N（車對(duì)網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)，就可以掌控全局的交通流量，大幅縮減等待時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)“綠燈暢行”。

再舉一個(gè)例子，你平時(shí)在開車的時(shí)候，有沒有遇到過突然竄出的行人或者電瓶車，被他們嚇個(gè)半死？

這個(gè)時(shí)候，V2P（車對(duì)行人）技術(shù)就可以派上用場(chǎng)了。它能夠在非視距情況下，捕捉周圍環(huán)境的信息，讓我們擁有“上帝視角”，對(duì)潛在威脅進(jìn)行提前準(zhǔn)備。

來源: KEYSIGHT

實(shí)際上，我們應(yīng)該把V2X技術(shù)理解為高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的一部分。V2X和其它多種多樣的傳感器（如攝像頭，激光雷達(dá)等）相輔相成，共同輔助完成高級(jí)別的自動(dòng)駕駛。

從理論上來說，單車（例如Google的自動(dòng)駕駛汽車）不計(jì)成本地堆砌傳感器，也能完成自動(dòng)駕駛。

但是，缺少了V2X的自動(dòng)駕駛汽車，就好像是一座信息孤島。它沒辦法有效地和周圍車輛或者基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行溝通交流，在感知和決策上存在極大的限制。

▉ 兩種方案（DSRC vs?C-V2X）對(duì)比

目前，國(guó)際上有兩套主流的V2X通信技術(shù)規(guī)范，它們分別是：

• DSRC（專用短距離無線通信）：基于IEEE 802.11p，歐洲的ITS-G5同樣是基于該物理層技術(shù)，我們?cè)谶@里只討論DSRC即可

• C-V2X（蜂窩車聯(lián)網(wǎng)）：基于3GPP LTE

來源: KEYSIGHT

DSRC已經(jīng)存在很多年了，因?yàn)?span style="font-size: 15px;">存在一些先天的不足，發(fā)展過程并不順利。相比之下，3GPP的C-V2X有很多優(yōu)勢(shì)，所以這幾年發(fā)展很快。

我們不妨從各個(gè)角度來比較一下這兩種技術(shù)方案：

首先，從技術(shù)角度來看。

5GAA（5G汽車聯(lián)盟）針對(duì)DSRC和C-V2X，在實(shí)驗(yàn)室及外場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比。結(jié)果證實(shí)，C-V2X在很多方面的性能，都要優(yōu)于DSRC。比如，C-V2X支持更遠(yuǎn)的通信距離、更佳的非視距性能、更強(qiáng)的可靠性、更高的容量和更佳的擁塞控制等。（詳細(xì)的測(cè)試報(bào)告請(qǐng)參考文末附件）

來源: 5GAA測(cè)試報(bào)告P-190033

其次，再?gòu)某杀竞蜆?biāo)準(zhǔn)化的角度來看。

在這兩方面，C-V2X也有一些顯著的優(yōu)勢(shì)：

• C-V2X基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，與目前的4G和5G網(wǎng)絡(luò)可以復(fù)用，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，部署成本較低。相反，基于802.11p的DSRC技術(shù)，在組網(wǎng)時(shí)需要新建更大量的路側(cè)單元RSU，部署成本很高

• C-V2X基于3GPP標(biāo)準(zhǔn)，全球范圍內(nèi)具備更佳的兼容性

• C-V2X演進(jìn)路線非常清晰，且后向兼容（LTE C-V2X ?NR C-V2X）

來源: Qualcomm

最后，從政策支持的角度來看。

在這方面，C-V2X也有后來居上之勢(shì)：

• 美國(guó)之前一直支持DSRC，但是最近的態(tài)度開始有所轉(zhuǎn)變，偏向C-V2X。美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)FCC最近針對(duì)5.9GHz的重新分配進(jìn)行了投票，結(jié)果，劃了20MHz給C-V2X專用

• 歐洲的態(tài)度比較糾結(jié)，DSRC和C-V2X兩種技術(shù)都表示支持

• 中國(guó)擁有全球最大的LTE網(wǎng)絡(luò)，綜合考慮應(yīng)用價(jià)值、成本、性能、專利、政策、產(chǎn)業(yè)成熟度等各方面因素，C-V2X無疑是我國(guó)V2X技術(shù)路線的首選。頻譜方面，劃定了20MHz給C-V2X專用

▉ C-V2X的3GPP標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展

C-V2X未來能否走向成功，僅靠通信行業(yè)的支持是不夠的。它還需要來自汽車行業(yè)代表的有力支持。

2016年9月，5GAA聯(lián)盟成立，截至目前已有一百多名汽車和通信行業(yè)代表參與其中，共同推進(jìn)全球C-V2X的開發(fā)部署。

針對(duì)C-V2X，3GPP采取了分階段迭代的發(fā)展策略：

• 第一階段，是LTE-V2X （R14）和LTE-eV2X （R15），主要是針對(duì)V2X進(jìn)行安全增強(qiáng)

• 第二階段，是NR-V2X （R16及其演進(jìn)版本）, 聚焦自動(dòng)駕駛場(chǎng)景

來源: KEYSIGHT

R16已經(jīng)支持車輛編隊(duì)、高級(jí)駕駛、外延傳感、遠(yuǎn)程駕駛等場(chǎng)景。

來源: 3GPP TS 22.186

筆者預(yù)計(jì)，與LTE-V2X類似，NR-V2X也將經(jīng)歷至少兩個(gè)版本（甚至更多）的演進(jìn)和迭代。當(dāng)前3GPP已經(jīng)啟動(dòng)了R17技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究工作，初步規(guī)劃了R17的主要增強(qiáng)技術(shù)，繼續(xù)對(duì)現(xiàn)有版本進(jìn)行演進(jìn)。

來源: 3GPP官網(wǎng)

▉ C-V2X的關(guān)鍵技術(shù)

首先從架構(gòu)的角度看。非漫游場(chǎng)景下，5G支持V2X的架構(gòu)如下圖所示：

來源: 3GPP TS 23.287

筆者認(rèn)為，MEC將會(huì)是V2X很重要的一個(gè)關(guān)注點(diǎn)（并沒有在架構(gòu)圖中直接畫出）。

根據(jù)Intel的研究報(bào)告，2020年，一輛自動(dòng)駕駛汽車每天將使用4000GB的數(shù)據(jù)。相比之下，一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)用戶每天使用的數(shù)據(jù)大約是1.5GB。車輛和道路的數(shù)量龐大且復(fù)雜，加之傳感器數(shù)量的增加，由此會(huì)帶來的大數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)的難題。

MEC是解決這一難題的有效手段。借助MEC技術(shù)，很多服務(wù)可以部署到更加靠近車輛和道路等數(shù)據(jù)源的地方，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源并降低延遲。

接下來，我們從接口的角度看。

常常有人會(huì)問：“在沒有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的條件下，C-V2X如何工作？”

前面的架構(gòu)圖告訴我們，即使是在沒有4G/5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的環(huán)境下，C-V2X還是可以利用PC5接口進(jìn)行彼此通信的。

Uu接口 主要是用來實(shí)現(xiàn)時(shí)延不敏感業(yè)務(wù)，進(jìn)行信息共享和提前預(yù)測(cè)。

PC5接口 主要是用來實(shí)現(xiàn)低時(shí)延的業(yè)務(wù)，提高非視距條件下的可靠性。

來源: Qualcomm

PC5接口進(jìn)一步區(qū)分為兩種工作模式：

• 模式3：借助基站，通過控制信令接口Uu實(shí)現(xiàn)V2V數(shù)據(jù)的調(diào)度和接口管理。在這種情況下，采用動(dòng)態(tài)的方式進(jìn)行資源的調(diào)度，車車間采用PC5接口通信。

• 模式4：V2V數(shù)據(jù)調(diào)度和接口的管理是基于車車間的分布算法實(shí)現(xiàn)。

來源: Rohde & Schwarz

再?gòu)膮f(xié)議棧的角度來看。

基于PC5接口的協(xié)議棧，如下所示（基于Uu接口的協(xié)議棧和傳統(tǒng)的5G協(xié)議棧一樣，這里不再贅述）：

來源: Qualcomm

3GPP定義了其中的PHY和MAC層，完全重用DSRC既有的高層協(xié)議規(guī)范（它們由SAT和IEEE制定）。這就意味著，用戶從DSRC遷移到C-V2X的成本會(huì)相對(duì)較低。

最后，我們來簡(jiǎn)單了解一下最新的NR-V2X在物理層和協(xié)議層方面做了哪些提升（3GPP TR 38.885的第5、6章節(jié)有較為詳細(xì)的描述。備注:協(xié)議規(guī)范中通常使用Sidelink這個(gè)詞來描述PC5所承擔(dān)的具體功能,簡(jiǎn)稱SL），這里僅針對(duì)PC5的提升方面進(jìn)行簡(jiǎn)要說明：

• 概念上提出了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)播、組播的概念，之前PC5只支持廣播

• 物理層處理方面，SL的PSSCH、PSCCH 的資源分配上更規(guī)整，便于實(shí)現(xiàn)（如下圖所示），此外SL支持開環(huán)功率控制（OLPC）

• 同步方面，SL可以使用 S-PSS, S-SSS 完成同步

• 協(xié)議層方面，明確定義SL 通信有三種模式: RRC連接模式（RRC_CONNECTED）、空閑模式（RRC_IDLE）和未激活模式（NR情況下）（RRC_INACTIVE）。在空閑或未激活模式下UE的SL通信是通過SIB 消息里的小區(qū)配置信息來完成的。

▉ 結(jié)語

目前，全球的C-V2X試驗(yàn)案例正在不斷增加。

圍繞C-V2X的通信芯片、模組、終端、整車制造、測(cè)試驗(yàn)證、運(yùn)營(yíng)服務(wù)、高精度定位和地圖服務(wù)等上下游廠商，都在積極進(jìn)行布局，希望搶占市場(chǎng)先機(jī)。

行業(yè)普遍認(rèn)為，基于C-V2X的車聯(lián)網(wǎng)，很可能成為5G時(shí)代最先成功的垂直行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景。

來源: IMT-2020推進(jìn)組C-V2X白皮書

在我們國(guó)家，政府層面非常鼓勵(lì)包括C-V2X在內(nèi)的車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。工信部、發(fā)改委、交通部、公安部、科技部等部委及地方政府，都針對(duì)性給出了一些明確的政策支持。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前全國(guó)已經(jīng)擁有超過30個(gè)測(cè)試示范區(qū)，其中包括上海、北京-河北、重慶、無錫（先導(dǎo)區(qū)）、杭州-桐鄉(xiāng)、浙江、武漢、長(zhǎng)春、廣州、長(zhǎng)沙、西安、成都、泰興、襄陽等16個(gè)國(guó)家級(jí)示范區(qū)。

這些示范區(qū)涵蓋了無人駕駛和V2X測(cè)試場(chǎng)景建設(shè)、LTE-V2X/5G車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、智慧交通技術(shù)應(yīng)用等功能，提供了涉及安全、效率、信息服務(wù)、新能源汽車應(yīng)用以及通信能力等的測(cè)試內(nèi)容。

雖然車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正在飛速發(fā)展，我們也仍需意識(shí)到，車聯(lián)網(wǎng)最終目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)（包括自動(dòng)駕駛的落地），是一個(gè)漫長(zhǎng)的過程。除了技術(shù)和資金之外，還涉及到法律和倫理的問題。更重要的是，它是否能獲得最終用戶的信任和認(rèn)可，被用戶接受。

行業(yè)曾經(jīng)指出，自動(dòng)駕駛將分為若干個(gè)過程，逐步實(shí)現(xiàn)：

第一個(gè)階段：輔助駕駛安全和提高交通效率

第二個(gè)階段：在封閉園區(qū)的（商用車）的自動(dòng)駕駛

第三個(gè)階段：在開放道路的（乘用車）的自動(dòng)駕駛

來源: 5GAA白皮書

總而言之， 路漫漫其修遠(yuǎn)兮，C-V2X將上下而求索。

—— 全文完 ——

參考文檔：

[1] 5GAA White Paper

[2] 3GPP TS 22.186, “Enhancement of 3GPP support for V2X scenarios; Stage 1”

[3] 3GPP TS 23.287, “Architecture Enhancements for 5G System to Support Vehicle to-Everything （V2X）?Services”

[4] 3GPP TR 22.185, “Service requirements for V2X services; Stage 1”

[5] 3GPP TR 22.885, “Study on LTE Support for V2X Services”

[6] 3GPP TR 22.886, “Study on enhancement of 3GPP Support for 5G V2X Services”

[7] 3GPP TR 38.885, “Study on NR V2X”