LTE—V車路通信技術淺析與探討

溫志勇+修戰宇+陳俊先

【摘 要】LTE-V已經成為汽車、通信行業的研究熱點，它是車聯網的核心技術。對LTE-V進行了介紹，并對其關鍵技術進行了分析說明，針對其在交通行業的應用進行了探討，進而闡述了LTE-V技術在我國的發展情況及方向。

【關鍵詞】LTE-V 車路通信 車聯網 自動駕駛

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2016.24.009 中圖分類號：TN929.53 文獻標志碼：A 文章編號：1006-1010（2016）24-0041-05

1 引言

車路通信簡稱V2X（Vehicle to Everything），是指車輛與車輛、路側設備、行人及網絡等外界對象之間的信息交換，是實現交通安全、效率提升的前提，是未來智能交通運輸系統的核心技術。

V2X包括V2V（Vehicle to Vehicle，車-車）、V2I（Vehicle to Infrastructure，車-基礎設施）、V2P（Vehicle to Pedestrian，車-行人）、V2N（Vehicle to Network，車-網絡）等通信模式及技術。V2X應用對象主體是交通環境下的車輛，其具有高速移動、高速率數據傳輸、低延時、多用戶、高可靠性等特性，從而對技術方案的性能指標提出了較高的要求。

車路通信技術不僅增加行駛安全，也將提升交通效率；同時以V2X為核心的車路通信也是自動駕駛的必要條件。本文的工作以LTE-V技術為中心展開，其是V2X應用的核心技術標準規范，是車聯網的核心技術。

2 LTE-V概述

LTE-V（Long Term Evolution-Vehicle，長期演進-V2X）是我國具有自主知識產權的V2X技術，是基于TD-LTE（Time Division-Long Term Evolution，分時長期演進）的ITS（Intelligent Transport System，智能交通系統）系統解決方案，屬于LTE后續演進技術的重要應用分支。2015年2月，3GPP工作組LTE-V標準化研究工作正式啟動，Release 14的提出標志著LTE-V技術標準制定工作在3GPP工作組計劃中的正式開始，同時也將在5G中得到兼容和性能的大幅提升。預計LTE V2V Core part將于2016年底完結，LTE V2X Core part將在2017年初完結，V2V為LTE-V的核心，預計2018年完結，基于LTE-V技術標準的系統和設備預計將于2020年后開始商用。

我國在國際化標準LTE-V技術中具有一定話語權。國內廠商大唐電信、華為等企業為3GPP LTE-V標準化研究工作的主導方，是LTE-V標準化過程中SI（Study Item，研究組）和WI（Work Item，工作組）的主要報告起草人。2016年國家科技重大專項發布“新一代寬帶無線移動通訊網”的子課題“LTE-V無線傳輸技術標準化及樣機研發驗證”的確立，以及隨著重慶郵電大學、長安集團、上汽集團和高通（Qualcomm）等重量級單位的加入，大大地助推了LTE-V標準的發展，從而奠定了LTE-V技術在V2X應用中的發展趨勢及方向。

LTE-V標準協議架構由三部分組成，包括物理層、數據鏈路層、應用層。物理層是LTE-V系統的底層協議，主要提供幀傳輸控制服務和信道的激活、失效服務，收發定時及同步功能。數據鏈路層負責信息的可靠傳輸，提供差錯和流量控制，對上層提供無差錯的鏈路鏈接。應用層基于數據鏈路層提供的服務，實現通信初始化和釋放程序、廣播服務、遠程應用等相關操作。

LTE-V系統設備組成包含了UE（User Equipment，用戶終端）、RSU（Road Side Unit，路側單元）、eNB（E-UTRAN Node B，E-UTRAN基站）三部分，具體組成如圖1所示。UE包含了車載設備、個人用戶便攜設備等。RSU提供了V2I服務，處于eNB和UE之間，承擔著雙方的數據通信任務。eNB是承擔了LTE-V系統的無線接入控制功能的設備，主要完成無線接入功能，包括管理空中接口、用戶資源分配、接入控制、移動性控制等無線資源管理功能。

3 LTE-V關鍵技術分析

V2X技術影響用戶體驗的主要系統指標有延時時間、可靠性、數據速率、通信覆蓋范圍、移動性、用戶密度、安全性等。其相關指標有安全類時延≤20 ms，非安全類時延≤100 ms，峰值速率上行500 Mbps、下行1 Gbps，支持車速280 km/h，在后續演進版本及5G版本中將提升至500 km/h，可靠性幾乎為100%，覆蓋范圍與LTE范圍相當。本節內容針對影響上述指標的LTE-V關鍵技術進行分析。

3.1 通信方式

LTE-V系統的通信方式采用了“廣域集中式蜂窩通信”（LTE-V-Cell，LTE-V蜂窩）和“短程分布式直通通信”（LTE-V-Direct，LTE-V直通）兩種技術方案，如圖2所示，分別對應基于LTE-Uu（UTRAN-UE，接入網-用戶終端）和PC5（ProSe Direct Communication，ProSe直接通信）接口的網絡架構。廣域集中式蜂窩通信技術是基于現有蜂窩技術的擴展，主要承載傳統的車聯網業務，滿足系統與終端間大數據量的要求。短程分布式直通通信技術引入LTE D2D（Device-to-Device，端-端），實現V2V、V2I直接通信，承載了車輛主動安全業務，主要滿足終端之間低時延、高可靠性的要求。

傳統TD-LTE通信技術由于在數據速率、數據量的上下行需求等因素的差異，采用非對稱技術，但是在V2X應用的車輛之間要求能夠進行對稱通信，同時終端之間由于能夠繞過RSU進行直接通信，從而大大降低了通信時延。短程分布式直通通信正是面對這一需求而產生的自組織對稱通信技術。根據通信方式的多樣性，網絡架構采用了靈活的扁平化架構，降低了系統的復雜度，減少了網絡節點，降低了系統時延，也降低了網絡部署和維護成本。

3.2 多用戶終端的競爭機制

V2X車路通信的數據具有小包、突發、頻繁等特性，在LTE-V協議中數據傳輸資源的分配是通過網絡調度程序來實現的。在eNB的配置管理中，沖突和相互干擾得到了最小化，調度程序提供了QoS服務，根據優先級來分配無線電資源，這對于高網絡負載來說非常重要。和基于CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，載波監聽多路訪問/沖突避免機制）協議比較來說，網絡調度的方式可以承擔更高的用戶量，從而進一步降低了通信時延。V2X應用層針對不同場景賦予了通信的優先級，例如安全類的消息通信優先級最高，并被優先予以響應。

3.3 本地快速接入和多路徑、多無線制式連接

由于車輛具有高速移動的特性，車輛在不同RSU覆蓋范圍內頻繁切換。切換過程對系統性能的影響主要考慮切換的延時、成功率和數據包的丟失率等因素。降低切換的延時，即降低重新認證和重新關聯的延時，尋找合適的切換算法，實現快速切換，提高系統性能。eNB根據檢測到當前連接信號的質量以及V2X應用中車輛的位置、速度、方向等信息來進行動態智能切換行為，從而完成快速接入及無縫連接的實現。

V2V應用中，車輛與周圍多輛車輛需要保持通信，為了達到低時延的要求，端到端的通信需要被保持，并建立多鏈接路徑，需要更好的時隙分配策略、鏈路保持、自組網等技術來保障。另外在V2I應用中，由于網絡覆蓋存在多種制式，能夠兼容多種無線制式的V2X也是研究內容之一。

3.4 多天線系統

多天線技術采用對發射與接收信號在空域、時域、頻域上的處理，能極大地提高系統的容量，多天線技術在TD-LTE系統得到了應用，同樣也可以應用在LTE-V系統中。

RSU采用多天線系統，在下行鏈路，多天線發送方式包括發送分集、波束賦形和多用戶MIMO（Multi-input Multi-output，多輸入多輸出）等多種傳輸模式，如圖3、圖4所示。在上行鏈路，多用戶組成的虛擬MIMO也進一步提高了上行的系統容量。

多天線技術對LTE-V系統有極大的好處，尤其是針對城市道路擁擠的特性。充分利用了頻譜效率，能夠極大地減少用戶間干擾，有效抵抗多徑衰落的影響，提高通信質量，從而可以承擔更高的用戶密度。

3.5 高速率下載

空口技術最主要的指標就是數據承載量，在有限頻譜資源條件下滿足高速率數據傳輸的需求。OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復用技術）技術在4G時代多載波技術中被采用，充分體現了其優越的性能。

OFDM技術中的各個子載波是相互正交的，每個載波在一個符號時間內有整數個載波周期，每個載波的頻譜峰值和相鄰載波的零點重疊，這樣便減小了載波間的干擾。由于載波間有部分重疊，所以它比傳統的FDMA（Frequency Division Multiple Access，頻分多址）提高了頻譜的利用率，頻譜利用分布示意圖如圖5所示：

OFDM技術在頻率選擇性、抗衰落、碼間干擾、頻率利用率以及基于DFT（Discrete Fourier Transform，離散傅里葉變換）的簡化實現上體現了極大的優勢。同時也面臨著頻率偏移、同步及系統的非線性問題比較敏感，峰均比過大，信道利用率降低等問題，有進一步提升的空間，需要聯合其他技術來彌補現有缺陷。例如：F-OFDM（Filter OFDM，基于濾波器的OFDM）、SCMA（Sparse Code Multiple Access，多址技術）、FBMC（Filter Bank Multicarrier，基于濾波器組的多載波）等，新技術的誕生將為其注入新的活力。

LTE-V支持動態帶寬，根據系統資源分配情況，LTE-V系統支持連續載波聚合以及頻帶內和頻帶間的非連續載波聚合。預計5G版本中最大能聚合帶寬可達100 MHz，靈活動態地使用頻譜資源，提升了用戶體驗，峰值數據傳輸速率可以達1 Gbps甚至更高。

3.6 數據處理及應用

數據處理及應用對V2X系統的使用至關重要，是利用LTE-V系統來收集整個交通環境的數據，包括了車輛、行人、基礎設施、網絡信息等相關信息，并從繁多的信息中篩選出有價值的信息。進一步做到能夠識別安全隱患并對終端用戶的智能提醒，根據安全信息的優先級、交通情況進行管理，從而提高交通安全并優化交通通行效率。

由于交通參與者眾多、行為復雜等特性，其數據處理對象具有數據量大、用戶多、實時性要求高等特點，數據處理及應用技術面臨著巨大的挑戰，堪稱一項工程浩大的大數據應用項目。

3.7 安全認證技術

涉及交通時，其安全重要性不言而喻。由于車輛是一個高速移動的物體，LTE-V系統需要提供安全機制來保障使用者的信息安全，預防非法及偽裝終端設備進入網絡。對車輛間的高速認證和安全數據傳輸也提出了極高的要求，包括身份認證管理、異常用戶檢測、個人隱私保護、安全機制的更新、信息加密等。

目前在傳統聯網系統中經常采用集中式管理機制，其具有的安全性較高，但對于龐大的車輛管理數量來說，同時也會造成時延的問題；分布式管理機制相對較靈活，作為集中式的補充對LTE-V系統來說是個可行的解決方法。

4 LTE-V技術的應用探討

LTE-V車路通信是車聯網的核心技術，基于LTE-V的車聯網，如圖6所示。其完成了車輛、行人、基礎設施、網絡之間的互聯互通，從而大大提高了交通的智慧化程度，可以在道路安全、交通管理、網絡服務方面極大地提高交通的智能化程度。

在道路安全方面，進行道路維護提示、應用車輛提示、路口碰撞提示、靜止車輛提示、變道輔助、預碰撞提示、前向碰撞提示、信號燈提示等應用。

在交通管理方面，進行車輛輔助或自動駕駛、交通燈協同控制、黑點提示、保險服務、交通檢測、車隊管理、路口管理等。

在網絡信息服務方面，提供地圖更新、多媒體娛樂、生活服務導航等應用；另外基于其低時延、安全性高的特點，同樣可以應用于電子收費領域，尤其是高速公路電子不停車收費。

車路通信技術是自動駕駛的有力保障。自動駕駛技術由兩部分組成：自主式車載探測系統和車路通信聯網系統。通常在一定的視距范圍、反應時間較短的情況下，自主式車載探測系統可以做到靈活、及時、識別多樣化等要求；而在非視距范圍及反應時間長的情況下，車路通信聯網系統則更具優勢，可以提前做到識別前方交通情況。兩者各有所長，互相補充形成完善的自動駕駛技術。

5 結束語

LTE-V車路通信是實現車聯網的重要技術，由于LTE-V起步較晚，目前LTE-V相關標準尚未發布，多項相關工作和議程尚處論證之中。從標準、芯片、硬件廠商、運營等方面尚未形成成熟的產業鏈，尚需各方共同努力，快速穩步推進，實現互贏。

本文對LTE-V現狀及內容進行了介紹，并對關鍵技術進行了分析，綜合考慮通信可靠性、部署成本、持續演進性、自主知識產權、信息安全等因素。根據我國公路存在覆蓋范圍廣且路網復雜的特點，在很大程度上可以預見未來LTE-V較適合我國的國情，同時也是我國信息工業和汽車工業實現跨越式發展的一個良機。隨著技術的發展和各方的大力推動，國家對“新一代寬帶無線移動通信網”的推動，車輛智能網聯的新型交通模式即將實現。其技術兼容LTE網絡，無需重新進行選址、規劃、重新建設等，充分利用現有基站的基礎設施，大大降低了建設費用。

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