基于整車道路試驗(yàn)的V2X研究

黃鑫

【摘 要】在整車道路試驗(yàn)中，需要車與地面設(shè)備之間進(jìn)行信息交互，地面設(shè)備和服務(wù)器端通過(guò)對(duì)試驗(yàn)車上采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算和分析，確定試驗(yàn)的工況結(jié)果。高效、高可靠性、低成本的車地通信是整車試驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)。本文根據(jù)整車試驗(yàn)的車地通信需求，對(duì)車地通信的系統(tǒng)進(jìn)行了研究分析，提出了一種未來(lái)車地通信的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在提升傳輸效率，降低成本的同時(shí)，提升了車地通信系統(tǒng)的通用性。

【關(guān)鍵詞】車地通信；車輛試驗(yàn)；蜂窩車地通信系統(tǒng)

【Abstract】The information exchanges between the vehicle and the road side unit are necessary in the vehicles road test. The server will calculate and analyze the data got by the road side unit and feed back the results. It is very important for the vehicle road test to get efficient， reliable and low cost vehicle-to-roadside system. A promised vehicle-to-roadside system based on the requirements of the vehicle road test is proposed in this paper. It can not only improve the transmission efficiency and the cost but also the universality of the communication systems.

【Key words】Vehicle-to-roadside communication； Vehicle road test； Cellular-based vehicle-to-roadside communication system

0 前言

車地通信系統(tǒng)是高效整車道路試驗(yàn)不可或缺的關(guān)鍵部分。試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)車輛上大量的傳感器采集到海量的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)需要及時(shí)回傳給地面計(jì)算系統(tǒng)，以便及時(shí)監(jiān)控車輛的運(yùn)行狀態(tài)，反饋測(cè)試調(diào)整信息，保證整個(gè)測(cè)試過(guò)程的順利進(jìn)行。由于車輛道路試驗(yàn)需要大量的人力、物力和時(shí)間，在特定的工況條件下進(jìn)行試驗(yàn)，因此高效的車地系統(tǒng)，可以減少多次重復(fù)試驗(yàn)，提升試驗(yàn)效率的同時(shí)，解決特定工況的局限性。

整車道路試驗(yàn)中的車地通信，屬于車輛對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施（V2I，Vehicle to Infrastructure）通信。V2I通過(guò)車載通信系統(tǒng)與地面路邊的基礎(chǔ)設(shè)施通信系統(tǒng)進(jìn)行信息交互。隨著智能交通和自動(dòng)駕駛技術(shù)的快速發(fā)展，車輛與車輛（V2V，Vehicle to Vehicle）通信，車輛與行人（V2P， Vehicle to Pedestrian）被廣泛研究。V2I、V2V和V2P被統(tǒng)稱為V2X（Vehicle to Everything）技術(shù)[1]。本文對(duì)當(dāng)前V2X的主流技術(shù)進(jìn)行了分析，并基于當(dāng)前通信技術(shù)的演進(jìn)，提出了一種新的V2X高效通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在高效地進(jìn)行車地通信的同時(shí)，有效降低了網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)成本，解決了當(dāng)前V2X通信系統(tǒng)中的瓶頸問(wèn)題。

1 V2X通信系統(tǒng)模型

V2X是車輛系統(tǒng)與其它帶有通信系統(tǒng)的物體進(jìn)行通信的統(tǒng)稱。如圖1所示，正在行進(jìn)中的車輛，通過(guò)車載通信模塊可以與地面的通信設(shè)施進(jìn)行通信（V2I），可以與其它車輛進(jìn)行通信（V2V），也可以與行人的手持終端進(jìn)行通信（V2P）。

V2I中車輛需要通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)（MNO）或者專用的網(wǎng)絡(luò)，車與其它設(shè)施進(jìn)行信息交互。V2V和V2P可以通過(guò)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)，也可以在沒(méi)有運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)的條件下，通過(guò)設(shè)備與設(shè)備（D2D）通信或者自組織網(wǎng)絡(luò)的形式，進(jìn)行信息傳輸。第三代移動(dòng)通信合作伙伴計(jì)劃（3GPP， the 3rd Generation Partner Project）組織的V2X技術(shù)報(bào)告中，定義了沒(méi)有通信網(wǎng)絡(luò)的D2D式的V2X場(chǎng)景，單個(gè)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的V2X場(chǎng)景以及多個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商服務(wù)的V2X場(chǎng)景[1]。

基于整車道路試驗(yàn)的V2X主要是V2I通信。試驗(yàn)車輛上采集的數(shù)據(jù)可以通過(guò)MNO與地面服務(wù)器進(jìn)行V2I通信，獲取車輛的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 基于Wi-Fi和LTE的V2X通信

隨著智能交通、自動(dòng)駕駛等需求的增加，V2X通信被廣泛研究。美國(guó)主導(dǎo)的以IEEE 802.11p為基礎(chǔ)的專用短距離通信（Dedicated Short-Range Communications，DSRC）與3GPP主導(dǎo)的基于3GPP的長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE，Long Term Evolution）項(xiàng)目的V2X是被廣泛認(rèn)可的兩個(gè)V2X標(biāo)準(zhǔn)。

1999年，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）分配了5GHz頻段的5.850-5.925GHz總共75MHz頻譜資源用于進(jìn)行V2X通信。IEEE 802.11工作組與2006年發(fā)布了IEEE 802.11p標(biāo)準(zhǔn)的1.0版本的草案，并于2010年發(fā)布了11.0的最終版本[2]。IEEE 802.11p標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)前被車載通信系統(tǒng)廣泛研究的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，它是由IEEE 802.11進(jìn)行演進(jìn)擴(kuò)充的無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)楸环Q為基于Wi-Fi（Wireless Fidelity，無(wú)線高保真）的V2X通信標(biāo)準(zhǔn)。為了滿足車載通信的流動(dòng)性高、連接時(shí)間短、傳輸距離長(zhǎng)的特定，IEEE 802.11p標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)組對(duì)傳統(tǒng)的802.11進(jìn)行了一些調(diào)整，以滿足“連接更快速，傳輸更可靠”的V2X通信要求。由于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)主要定義了物理層和媒體接入控制（MAC）層的技術(shù)規(guī)范，因此IEEE 802.11p分別對(duì)IEEE 802.11傳統(tǒng)的技術(shù)規(guī)范進(jìn)行了調(diào)整。在物理層，11p沿用了OFDM技術(shù)，但是將信道寬度由20MHz調(diào)整為10MHz，子載波間隔調(diào)整為原來(lái)的一半，符號(hào)間的保護(hù)間隔增加了一倍，由此可以較好地應(yīng)對(duì)高移動(dòng)速度帶來(lái)的多普勒干擾。傳輸距離是車輛行駛過(guò)程中的V2X的另外一個(gè)重要考慮因素。FCC允許在這個(gè)75MHz的頻段上以33dbm的功率進(jìn)行發(fā)送，覆蓋范圍可達(dá)1000m，這個(gè)距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了傳統(tǒng)Wi-Fi的覆蓋范圍，更加適用于V2X的通信場(chǎng)景。在MAC層，傳統(tǒng)Wi-Fi的連接時(shí)延難以滿足V2X的通信需求，IEEE 802.11p統(tǒng)一了所有接入點(diǎn)的標(biāo)識(shí)符，取消了鑒權(quán)和關(guān)聯(lián)的環(huán)節(jié)，大大縮短了建鏈時(shí)長(zhǎng)。11p沿用了Wi-Fi用了增強(qiáng)分布式協(xié)調(diào)訪問(wèn)機(jī)制，保證V2X不同業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量（QoS）。

LTE-V2X正在被廣泛研究和討論，3GPP已經(jīng)在2015年底完成了了V2X研究項(xiàng)目[3]，并于2016年開(kāi)始了工作項(xiàng)目，預(yù)計(jì)2017年完成R14的標(biāo)準(zhǔn)，2018年開(kāi)始商用。V2X是基于LTE的D2D技術(shù)進(jìn)行通信。LTE的D2D與R12立項(xiàng)，并完成了公共安全的通信功能。目前，LTE的D2D技術(shù)尚不支持商用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的功能。最新的LTE演進(jìn)版本需要支持商用通信的D2D，進(jìn)而才能進(jìn)一步支持V2X。3GPP中的服務(wù)架構(gòu)（SA）組已經(jīng)完成了V2X的研究報(bào)告TR 22.885[1]。3GPP的接入網(wǎng)工作組正在基于該研究報(bào)告，進(jìn)行V2X的研究項(xiàng)目[3]和V2V的工作項(xiàng)目[4]。V2V是LTE中新引入的特性，目前正在以工作項(xiàng)目的方式寫(xiě)入LTE標(biāo)準(zhǔn)。LTE-V2X主要采用了LTE中的增強(qiáng)D2D技術(shù)，基站將某個(gè)上行資源調(diào)度用來(lái)進(jìn)行D2D傳輸，V2X中調(diào)度用來(lái)進(jìn)行V2X傳輸。除了傳輸過(guò)程，D2D還需要相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)的技術(shù)環(huán)節(jié)。如果定義車輛與車輛、地面通信設(shè)施或者行人之間的發(fā)現(xiàn)，也是LTE-V2X要解決的一個(gè)重要問(wèn)題，尤其是在車輛密集的環(huán)境中，大量車輛需要進(jìn)行發(fā)現(xiàn)和通信，這對(duì)集中調(diào)度的LTE-V2X來(lái)說(shuō)，是一個(gè)挑戰(zhàn)。

盡管兩大標(biāo)準(zhǔn)瞄準(zhǔn)了巨大的V2X市場(chǎng)，但是IEEE 802.11p和LTE-V2X各自的優(yōu)缺點(diǎn)明顯，兩者目前都尚沒(méi)有成為市場(chǎng)的主流或者被廣泛應(yīng)用。兩者的具體優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1所示：

整車道路試驗(yàn)通常是在試驗(yàn)場(chǎng)或者特定工況的路段進(jìn)行測(cè)試，可以通過(guò)部署低成本的IEEE 802.11p網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行V2X通信，其布網(wǎng)和通信成本較低，安全和服務(wù)質(zhì)量在這種小范圍布網(wǎng)的情況下可以得到有效保證。

3 基于融合的V2X通信系統(tǒng)

由表1可見(jiàn)，IEEE802.11p在2010年之后沒(méi)有進(jìn)一步演進(jìn)的計(jì)劃，很難支撐迅速發(fā)展的通信需求，例如TR 22.885中定義的典型V2X通信場(chǎng)景[1]。LTE-V2X基于D2D技術(shù)進(jìn)行V2X通信，屬于LTE通信系統(tǒng)的特性補(bǔ)充，受限于LTE系統(tǒng)的原生設(shè)計(jì)和D2D技術(shù)的發(fā)展。目前LTE D2D技術(shù)尚不能支持?jǐn)?shù)據(jù)通信，更無(wú)法滿足密集場(chǎng)景下的大數(shù)目連接條件下的通信要求。

第五代移動(dòng)通信（5G）技術(shù)正在被如火如荼地討論，3GPP已經(jīng)完成了5G的通信場(chǎng)景和需求研究報(bào)告[5]，V2X是被重點(diǎn)考慮的場(chǎng)景之一。許多知名汽車制造商如BMW等都是5G研究計(jì)劃的重要伙伴，重點(diǎn)關(guān)注之一就是V2X通信，目標(biāo)是5G移動(dòng)通信系統(tǒng)可以原生支持V2X通信要求。RP-160315對(duì)V2X的關(guān)鍵性能指標(biāo)，如傳輸速率，時(shí)延、帶寬以及覆蓋范圍等進(jìn)行了深入討論[6]。

V2X在不同的場(chǎng)景下有不同的需求，例如視頻、通話、控制信息、文本信息、圖片等通信需求，也需要支持稀疏連接和高密連接的通信場(chǎng)景。這與5G的靈活接入，支持大數(shù)目連接，高速率傳輸和低時(shí)延等基本指標(biāo)高度吻合。5G系統(tǒng)的頻譜范圍是0～100GHz，這其中可以包含授權(quán)和非授權(quán)頻段。這可以很好地解決LTE-V2X無(wú)法支持5.9GHz的非授權(quán)V2X專用頻段的缺陷。基于5G架構(gòu)的D2D，用戶協(xié)作通信，中繼技術(shù)，可以充分解決大連接，廣覆蓋的V2X通信需求。對(duì)于V2X的不同業(yè)務(wù)需求，可以采用不同的QoS指標(biāo)，如時(shí)頻業(yè)務(wù)可以采用大速率，相對(duì)時(shí)延要求放低的QoS要求，可以采用非授權(quán)頻段的傳輸方式?？刂菩帕顦I(yè)務(wù)可以采用高速低時(shí)延的要求在授權(quán)頻段進(jìn)行可靠傳輸。對(duì)于不同的業(yè)務(wù)需求，用戶可以通過(guò)對(duì)宏基站和微蜂窩基站的雙鏈接，實(shí)現(xiàn)不同QoS業(yè)務(wù)的同時(shí)傳輸。對(duì)于遭受災(zāi)害的應(yīng)急通信場(chǎng)景，D2D的自組織通信模式可以實(shí)現(xiàn)臨時(shí)通信的要求。

基于支持授權(quán)頻段和非授權(quán)頻段，支持大數(shù)目連接、大數(shù)據(jù)量和低負(fù)載、小包業(yè)務(wù)的靈活接入，支持高效數(shù)據(jù)通信的D2D，中繼，協(xié)作通信，支持雙鏈接以及應(yīng)急通信的5G融合 V2X系統(tǒng)，將能夠更好地實(shí)現(xiàn)V2X通信。對(duì)于整車道路試驗(yàn)而言，這些多元化的技術(shù)和服務(wù)，可以滿足更多的試驗(yàn)需求，例如實(shí)時(shí)試驗(yàn)操作控制，海量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)回傳，實(shí)驗(yàn)人員的地面控制與交互等，提升試驗(yàn)效率的同時(shí)，保證了試驗(yàn)過(guò)程中的人員安全。

4 結(jié)束語(yǔ)

可靠的V2X通信系統(tǒng)可以提高的整車道路試驗(yàn)效率，降低車輛道路試驗(yàn)成本?，F(xiàn)有的兩大V2X系統(tǒng)中，基于IEEE 802.11p的V2X技術(shù)由于小范圍布網(wǎng)成本低，技術(shù)成熟度相對(duì)較高，安全和服務(wù)質(zhì)量可控等因素，更加適合于 整車道路試驗(yàn)系統(tǒng)。未來(lái)基于融合的5G V2X系統(tǒng)，具備通用性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)靈活等特點(diǎn)，將能夠更好地支撐整車道路試驗(yàn)的多方面要求，更完美地支撐整車道路試驗(yàn)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]3GPP TR 22.885， Study on LTE support for Vehicle to Everything（V2X） service[Z].

[2]IEEE Standard for Information technology--Telecommunications and information exchange between systems Local and metropolitan area networks--Specific requirements Part 11： Wireless LAN Medium Access Control（MAC） and Physical Layer （PHY） Specifications[Z].

[3]3GPP TR 36.885， Study on LTE-based V2X Services[Z].

[4]3GPP RP-160649 Revised WID： Support for V2V services based on LTE sidelink[Z].

[5]3GPP TR 38.913， Study on Scenarios and Requirements for Next Generation Access Technologies[Z].

[6]3GPP RP-160315， Summary of email discussion[5G-AH-09] on V2X[Z].

[責(zé)任編輯：楊玉潔]