基于業務的車聯網規劃與部署方案

汪況倫　韓劍　堯文彬

摘要：車聯網業務多樣，對網絡帶寬、時延、可靠性、定位精度的要求不一，且其發生的場景相對于傳統網絡較為復雜，對移動網絡方案部署提出了更高要求。為解決此問題，首先對車聯網業務與部署場景分類，并針對每種類型業務需求及場景網絡參數進行全方面量化;其次分析傳統網絡、衛星網絡、C-V2X專用網絡在各方面支撐車聯網業務的能力，并進行協同規劃方案疏理，從規劃方法、無線方案、傳輸方案三方面進行策略評估，并形成最終結論。經論證，傳統無線網絡、C-V2X專網、輔助衛星網絡協同規劃與組網部署方案可以最大化網絡效率，減少投資浪費和能源損耗。

關鍵詞：車聯網;V2X;網絡規劃

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.11.002? ? ? ? 中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2019）11-0008-06

引用格式：汪況倫，韓劍，堯文彬. 基于業務的車聯網規劃與部署方案[J]. 移動通信， 2019，43（11）： 8-13.

Service-based Planning and Deployment of Internet of? Vehicles

WANG Kuanglun， HAN Jian， YAO Wenbin

（China Mobile Group Design Institute Co.， Ltd.， Beijing 100080， China）

[Abstract]?The services in Internet of vehicles are diverse， and thus have different requirements for network bandwidth， delay， reliability and positioning accuracy. Compared with the traditional network， the scenarios of Internet of vehicles services are more complex， which raises higher requirements for the deployment solutions of mobile networks. In order to solve this problem， firstly， the Internet of vehicles services and deployment scenarios are classified， and each service requirement and scenario network parameters are quantified comprehensively; secondly， the ability of traditional networks， satellite networks and C-V2X networks to support the Internet of vehicles is analyzed， and collaborative planning schemes are arranged in terms of planning methods， wireless solutions and transmission solutions. It is demonstrated that the collaborative planning and network deployment solution of the traditional wireless networks， C-V2X networks， and auxiliary satellite networks maximizes the network efficiency and reduces investment and energy consumption.

[Key words]Internet of vehicles; V2X; network planning

0? ?引言

隨著全球工業化的進行，汽車行業快速發展，城市交通擁堵問題和交通事故問題越發嚴重，交通系統急需針對效率和安全兩個方面進行優化與革新。車聯網技術通過高速率、低時延、高可靠的網絡，將機動車、交通設施、行人連入網絡，通過先進的智能算法和運算處理能力，監控、分析車輛的行為，提供最優的交通管理，是解決這兩方面問題最好的手段。同時，車聯網的引入可以降低能耗，為智慧城市、智慧交通帶來新的技術突破。

車聯網V2X技術近年來成為全球關注和研究的熱點，業界逐步開展試驗與商用部署。V2X在無線通信中分為四個方面的內容：車與車之間的通信V2V，車與人之間的通信V2P，車與路邊設施（RSU）以及交通信號裝置之間的通信V2I，車輛與控制平臺網絡之間的通信V2N。這四種車聯網的通信模式通過協作成為一個整體，為用戶提供全面的交通智能服務。

1? ?車聯網業務與部署場景

1.1? 車聯網業務

車聯網業務可分為三大類：交通安全、交通效率、信息服務[1]。

交通安全類有以下幾種典型業務：

（1）前向碰撞預警;（2）緊急制動預警;（3）車輛失控告警;（4）突發情況告警;（5）減速通知。

交通效率類有幾下幾種典型業務：

（1）緊急車輛警示通知;（2）擁堵通知;（3）信號燈通知;（4）編隊行駛;（5）遠程駕駛;（6）封閉區域自動駕駛;（7）自動泊車系統。

信息服務類有幾下幾種典型業務：

（1）智能導航系統;（2）多媒體系統;（3）交通管理信息服務。

不同業務對網絡帶寬、時延、可靠性、廣播能力、定位能力的要求有共性也有差異，例如安全相關類業務對時延和可靠性有接近苛刻的要求，信息服務類業務對帶寬要求較高，交通效率類業務通常發生在交通密集的區域，網絡具備極強的廣播能力才能支撐服務，各業務具體需求如表1所示。

1.2? 車聯網部署場景

針對不同的無線電傳播環境以及空間和信道的傳播特性，車聯網部署場景可分為開放空間、半開放空間、開放+半開放空間、封閉空間等四類[2]。其中開放空間中高樓建筑、山地大樹等大型障礙物少，具備良好的視距傳輸條件，如郊區、農村;半開放空間環境特點復雜，包含明顯的反射物如山或樓宇，空間非完全封閉，如城市、高速公路;封閉空間則是面積局限在一個小的范圍內，環境特點單一，如隧道、專用停車場。

除無線傳播條件和電磁環境影響之外，根據不同人群密度、交通環境、業務流量等容量影響因素，車聯網部署場景又可以細分為多個小類。城市可細分為交叉路口、校園、擁堵場景等;高速公路可細分為并線出口、收費區場景等，此外還單獨包含橋梁、隧道、路塹等場景，具體如表2所示：

2? ?車聯網規劃方法

車聯網V2N業務以及對時延要求不高的業務與傳統通信數據業務類似，可以調整現有LTE網絡業務優先級，如果對時延和可靠性有更高要求，可以通過未來5G NR網絡切片能力以及空口BWP技術調整業務優先級和空口資源配置實現。

車聯網安全相關類業務不同于一般數據業務，對時延、可靠性的要求極為苛刻，而對帶寬速率的要求較低。且車輛與路邊設施所發送數據包多為重復內容，更適宜采用廣播多播形式向外發送，如采用傳統網絡的單播形式發送，會造成對空口資源大量的浪費，所以C-V2X網絡（包括LTE-V2X以及演進中的LTE-eV2X）更加匹配車聯網安全類業務需求。

C-V2X網絡中，V2V和V2P繼承了D2D直連通信技術，由兩個終端之間直接通信，無需基站側信令控制，相對傳統網絡具備擴展性好、靈活的優勢，更加適應車聯網場景中目標位置變化快、高速易產生多普勒效應的特點，也可以避免半開放場景基站難以部署的工程問題。但這兩種通信模式的網絡拓撲變化比較迅速且規律性不強，在正常車流的交通道路上，通過點對點網絡連接可以很好地完成業務，無需道路周邊建設任何設施，節省工程投資。但是在車輛擁堵或行人密集的區域，由于資源池能力有限，調度分配很難正常完成，資源會頻繁發生碰撞，另外受制于網絡容量問題會產生擁塞，通信可靠性與速率均急速下降，時延也會受到影響。而在車流人流密度過少的情況下，由于車與車之間間距會很大，超過200 m通信范圍，網絡會失去聯通性，導致網絡質量變差，遠方信息不能及時傳達，用戶會有信號滿格但業務無法進行的體驗。V2I通信模式可以彌補V2V、V2P的不足，通過路側通信單元RSU的引入，可以與其信號覆蓋內的車輛之間直接通信，同時RSU可以通過光纖或無線鏈路接入互聯網，作為中繼將收集到的車輛與路況信息傳輸到網絡中，實現數據的大范圍共享，保障整體服務的平穩。RSU作為靜態網元，設計位置固定，需要額外安裝施工，對安裝站址地形條件和物業協調要求較高且通常要部署在道路附近甚至安裝在橫跨道路的燈桿上，建設成本較傳統基站高、投資較大，適宜在擁堵區域、核心交通路段以及車流較小需要網絡中繼的區域進行補充安裝，不適宜連片覆蓋。

車聯網存在某些特殊的業務，比如自動泊車等面向未來的自動駕駛業務，這些業務對于定位能力要求極為苛刻，甚至達到厘米級精度。目前實現該類業務的手段通常是為車輛安裝價格昂貴的傳感器設備及車載整合系統，或是通過同時滿足大帶寬、低時延的網絡進行實時高清地圖更新，無論哪種手段都會造成資源的浪費且難以普及。而通信運營商通過部署衛星GNSS基準站網絡可以解決這類應用需求，車輛僅通過安裝成熟廉價的RTK終端接收機就可以直接獲得厘米級定位服務。

3? ?傳統移動網絡解決方案

對于時延等要求相對低、無需廣播能力的車聯網封閉區域自動駕駛類業務、遠程駕駛業務，可以通過傳統移動網絡方案來實現。

車聯網封閉區域自動駕駛類業務，對業務環境要求高，車輛的運行多由網絡平臺控制，無線網絡扮演著數據傳輸中介的角色。例如工廠園區班車的自動行駛、固定公交道公交車的編隊行駛，這類業務對網絡的要求在于覆蓋連續性的保障以及穩定的上下行速率。此類需求完全可以應用傳統移動網絡解決，工程方案額外對MEC有部署需求，對網絡的改造很小。

以在某市部署試驗的公交自動編隊系統為例，該業務場景發生在道路公交專線。系統通過在MEC服務器上部署軟件平臺實現對公交車輛編隊間間隔、速度的控制，根據位置信息、速度信息制定最優行駛策略，保證公交道路上車輛的均勻分布，從而避免公交車輛到達不均勻的問題，降低乘客等待時間。這個業務對網絡的速率和時延要求與一般的LTE業務近似，且流量密度低，對現網容量影響很小，所以采用共享LTE道路覆蓋站加室外機柜安裝MEC服務器的方案進行部署。

4? ?衛星網絡解決方案

定位能力是車聯網的重點關注問題之一，隨著自動泊車、自動駕駛等面向未來的業務需求提出，對定位精度的要求也在逐步提升。

GNSS衛星定位系統是車聯網獲取定位能力的重要手段，但傳統的GPS等服務只能達到10 m級經度，而面對厘米級精度的車聯網高要求，通信運營商可以通過建設和運營GNSS高精定位網絡，通過基準站提供差分信息，為車聯網用戶提供高精度定位服務。

基準站站間距建設要求不超過50 km，覆蓋全國范圍需要建設3 000個左右站點。在業務需求較大的發達省份、無線電磁環境復雜的城市和重點覆蓋的高速公路，站址需要適當加密。

全國基準站網絡分布圖如圖1所示：

除定位能力之外，衛星由于覆蓋面積廣的特點可以做到同時向大面積地區廣播信息，也可以作為車聯網交通信息管理業務的重要補充手段。

5? ?C-V2X網絡解決方案

5.1? LTE-V2X網絡架構

LTE-V2X是目前最成熟的車聯網技術之一，預期在2020年會進行商業部署，LTE-V2X通信中存在兩種傳輸接口[2]，PC5和uu口，其中PC5是車與車直接通信的接口，即無需LTE網絡終端設備間直接進行通信，而uu口是基站與車輛通信的接口，需要LTE網絡的覆蓋，由基站控制車輛進行數據分發。

LTE-V2X網絡架構如圖2所示。

5.2? 5.9 GHz信道模型分析

目前5 905 MHz—5 925 MHz作為中國地區LTE-V2X直連通信的試驗頻段，5.9 GHz頻段也是國際部署ITS的主要頻段。

5.9 GHz信道的小尺度電平包絡分布與萊斯分布最為近似，在擬合過程中，萊斯K因子與信號收發兩端的直接距離有線形變化的關系[2]。傳播模型ITU-R 1411（upper bound）或Winner+B1 Manhattan LOS情況模型為路徑損耗最接近模型，適用于5.9 GHz網絡鏈路級方針。

5.3? RSU部署策略

車聯網節點主要由車體和RSU組成，其中車體既是終端也是信號發射端。不同于傳統基站發射臺，車在道路中不是停止不動的，而是隨時做著不規則的運動，車輛的行為時刻發生、不可控制、運動軌跡分布不均勻，車的數量也隨時間持續變化，且運動速度很快，以上因素都造成車車之間網絡連接不穩定、網絡各性能指數差異變化大。RSU則類似于傳統通信網絡設備，是安裝在選定區域，位置固定，RSU并非孤立部署，相互之間通過有線（光纖）傳輸連接。相對車與車之間的直連通信，RSU通信能力更強、設備具有較大的緩存、內部可設置運算平臺，且由于是專用設備，通信時延較短，由RSU組成的網絡是車聯網的核心主干網，是車聯網和智慧交通的基礎，對目標部署網絡的優劣起到了至關重要的作用[4]。

RSU部署成本高，安裝到位后改變位置需要拆除、搬遷，不能隨意更換站址，所以RSU的選址是車聯網解決方案的重點問題。RSU選址除了傳統規劃設計中對目標覆蓋物的確定、對數據流量的統計、對交通車輛密集程度的統計之外，也要考慮RSU對車車V2V通信的正面影響能力，即需要判斷是否可以通過RSU作為網絡中繼給車與車之間構建額外通信的機會，將更多孤立的車輛組織進這個車聯網體系中。RSU方案部署策略總結如下：

基于交通流量和業務流量熱點的RSU部署原則。交流流量熱點、業務流量熱點通常可以從交管部門或運營商網優系統中獲取，熱點區域行駛的車輛和行人多，業務發生概率大，RSU服務的業務量也大，在熱點區域進行RSU的重點部署、額外部署可以作為車聯網組網規劃的入口，從大熱點到小熱點逐步進行網絡組織，這樣可以有效解決RSU負載均衡的問題，同時解決資源競爭的問題。基于交通流量和業務流量熱點的RSU部署是RSU網絡規劃的切入點和核心步驟。

基于需求程度的RSU部署原則。此原則旨在最小化減少網絡資源的浪費，例如目前存在聯系的兩個區域A1和A2，兩區域在合理站距內，但經過A1區域的車輛通常會短時間內會行駛過區域A2，而區域A1、A2均不是交通熱點，那么如果在A1區已部署了RSU，車輛行駛過A1區域就會收到相應的服務信息，而直到駛離A2區域也不會有新的內容更新，則A2區域完全沒有必要再部署一臺RSU。因為車是沿道路行駛的，而車聯網廣播信息復雜度較低，所以V2X網絡規劃完全沒有必要按照傳統蜂窩網絡一樣實現無縫覆蓋，反而應該最大程度避免過覆蓋造成無線資源與投資的浪費甚至網絡干擾。

基于光纖資源RSU部署原則。RSU節點之間通常以光纖相連，并直接接入交管部門管控中心或互聯網。光纖傳送網是移動通信核心骨干網絡，由于重要性高，建設難度大，不能輕易改變來適配車聯網方案，所以RSU部署靠近光交箱等傳輸資源，可以更高效地保障網絡開通，避免受傳輸能力不足造成的影響。

6? ?面向車聯網的傳輸解決方案

一般來說，傳送網分為接入層、匯聚層和骨干層，傳統末端接入網絡主要依托綜合業務區接入，就是以行政區域或者用戶多少等要素將接入的區域劃分為網格狀的平面，在每個網格中預先埋設一定長度的光纜、布置一定數量光交箱或基站，使之為未來業務增長留有足夠接入資源。但是，隨著5G的發展，越來越多的垂直行業應用對時延要求較高，原來的規劃方式已經不能滿足未來發展需要。尤其是車聯網，如果還依靠原有接入方式，將所有運算交給核心層去處理，那么時延是不可能滿足需求的，這就需要MEC，甚至UPF下沉來最大幅度減少網絡時延。

在4G時代，MEC和UPF已經下沉到了骨干機房，甚至是個別匯聚機房，但是這對于車聯網是顯然不夠的。因為在理想狀態下，車聯網需要能夠隨時應對道路中的突發情況，傳感裝置（車輛自載探測器、路口攝像頭、行人穿戴設備、道路傳感器等）迅速將整個事件可能發生的關聯影響傳遞給UPF和MEC進行處理，所以UPF和MEC必須盡可能靠近事發地點。但是，對于網絡建設，成本也是必須要考慮的關鍵因素，越密集的UPF/MEC組網就意味著越高的建設成本，所以UPF/MEC布置位置需要找到一個平衡點。就目前網絡結構來看，比較經濟的方式是充分利用現有光纜資源，將UPF和MEC下沉到現有5G基站，以此節省投資。因為相對于重新建設光纜，5G基站可以視為已經完成了光纜接入，同時布放了PTN或者SPN設備，這樣MEC和UPF設備只需要一個端口和一根跳纖就可接入網絡。而且隨著技術發展，MEC和UPF可以融合為一臺設備，這個設備可以理解為一個功能全面的MEC，它包括了UPF和MEC的功能，同時還可以融合PTN或SPN功能，這樣就使得跳纖衰耗降低，進一步降低時延，增加計算效率。

傳輸網絡目標結構如圖3所示。

同時，隨著RSU的引入，未來MEC、UPF、PTN/SPN、以及BBU和RRU甚至可以集中化為一個RSU，從而使邊緣計算能力覆蓋到智慧燈桿上，進一步降低系統時延，增加車聯網的效率。

7? ?結束語

本文對不同車聯網業務、場景的網絡需求分類，提出延續傳統無線網絡，引入C-V2X專網，應對特定需求采用衛星網絡輔助等多種規劃與組網部署方案，并針對C-V2X網絡RSU網元部署和傳輸網絡適應性改變進行著重分析。車聯網規劃部署在滿足各種業務要求的同時也要做到最大化網絡效率，減少投資浪費和能源損耗。

參考文獻：

[1] 3GPP. 3GPP TR 22.885： Study on LTE support for Vehicle to Everything（V2X） services （Release 14）[S]. 2019.

[2] 陳怡晨. 城區低速場景下5.9GHz無線信道測量與建模研究[D]. 武漢： 武漢理工大學， 2018.

[3] 3GPP. 3GPP TR 36.885： Study on LTE -based V2X services （Release 14）[S]. 2019.

[4] 王志坤. 一種基于實際交通數據的RSU網絡構建策略[D]. 重慶： 重慶大學， 2016.