MEC與C-V2X融合系統的關鍵技術與產業化研究

余冰雁　康陳　劉宏潔

摘要：基于C-V2X的車聯網應用對通信時延、計算與存儲能力提出了較高的要求，引起業界對MEC與C-V2X融合系統的研究。分析了MEC與C-V2X融合系統可支持的應用場景，研究了MEC與C-V2X融合系統的總體架構、關鍵技術和標準情況，討論了MEC與C-V2X融合的產業化路徑，為MEC與C-V2X融合發展給出了可行的思路與建議。

關鍵詞：MEC;C-V2X;車路協同;車聯網

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.11.009? ? ? ? 中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2019）11-0051-06

引用格式：余冰雁，康陳，劉宏潔. MEC與C-V2X融合系統的關鍵技術與產業化研究[J]. 移動通信， 2019，43（11）： 51-56.

Research on the Key Technologies and Industrialization of MEC-based C-V2X Systems

YU Bingyan， KANG Chen， LIU Hongjie

（Technology and Standards Research Institute， China Academy of Information and Communications Technology， Beijing 100191， China）

[Abstract]

The application scenarios of the C-V2X raise high requirements of the communication delay， computation and storage capacity， which cause the increasing interests on the MEC-based C-V2X systems. This paper analyzes the application scenarios supported by MEC-based C-V2X systems， investigates the overall architecture， key technologies and standards progress of the MEC based C-V2X systems. Furthermore， the industrialization path for the fusion of MEC and C-V2X is disccused， and feasible ideas and suggestions are provided for the fusion development of MEC and C-V2X.

[Key words]MEC; C-V2X; vehicle-road cooperation; Internet of Vehicles

0? ?引言

多接入邊緣計算（MEC， Multi-access Edge Computing）起初被稱為移動邊緣計算（Mobile Edge Computing），是由歐洲電信標準化協會（ETSI， European Telecommunications Standards Institute）于2013年提出的，目的是將云計算平臺從移動核心網絡內部遷移到移動接入網邊緣，提供低時延、無擁塞的網絡服務。2016年后，MEC的概念正式擴展為多接入邊緣計算，其應用場景也從移動蜂窩網絡進一步延伸至各類接入網絡。

C-V2X（Cellular-Vehicle to Everything）是基于蜂窩移動通信演進形成的車用無線通信技術，可支持車聯網各類應用場景，包括蜂窩通信模式（通過Uu接口通信）和直連通信模式（通過PC5接口通信）。當前，C-V2X技術仍處于LTE-V2X階段，我國已基本形成覆蓋LTE-V2X芯片、模組、終端、平臺、應用服務等環節的相對完整產業鏈。國內以上汽、一汽、東風、長安等為代表的13家車企已共同宣布將于2020年下半年起量產前裝LTE-V2X終端的車型，國外福特、寶馬、奧迪、PSA等車企積極推動C-V2X車型的研發。隨著我國5G網絡逐步普及，5G蜂窩通信模式將逐步替代LTE-V2X蜂窩通信模式，屆時C-V2X將呈現5G與LTE-V2X直連通信互補共存的局面[1]。

由于MEC可靈活支持多類接入方式，并可在網絡邊緣提供網絡分流、計算、存儲等特色功能，MEC與C-V2X的融合成為車聯網技術發展路線上的重要一環。通過兩者的融合，將車聯網業務部署在MEC平臺上，車載終端或路側智能設備可通過C-V2X的Uu接口或PC5接口接入MEC，有效降低車聯網業務端到端數據傳輸時延，緩解車載終端或路側智能設備的計算與存儲壓力，減少海量數據回傳中心云平臺造成的網絡負荷，提供具備本地特色的高質量車聯網服務，支持實現“人—車—路—云”協同交互。

本文接下來將分析MEC與C-V2X系統的特性和應用場景，研究MEC與C-V2X融合系統的總體架構、關鍵技術以及標準化情況，并對MEC與C-V2X融合產業化發展情況進行探討，給出下一步技術與產業發展的分析與建議。

1? ?MEC與C-V2X融合系統概述

1.1? 特性分析

MEC與C-V2X融合具有網絡信息開放、低時延高性能、本地服務等特性，不同的車聯網業務可能需要其中一個或多個方面的能力。

信息開放：MEC能夠承載網絡信息開放功能，有能力通過標準化的北向接口向部署其上的邊緣應用開放通用網絡信息和車聯網業務信息。其中，通用網絡信息包括無線網絡信息、位置信息、用戶信息等。例如，在C-V2X的應用中，對高精度定位的需求較大，利用MEC的位置信息開放可以輔助車載終端實現快速定位，有效提高定位效率和精度;利用MEC開放的無線網絡信息也可以對TCP傳輸的控制方法進行優化，有效規避高清視頻等多媒體數據傳輸過程中發生的網絡擁塞。又如，車聯網業務信息包括由路側智能設備匯聚來的感知信息、高精度地圖信息、邊緣應用的分析處理結果等，通過MEC的開放接口可實現邊緣應用與接入側終端設備之間、邊緣應用與邊緣應用之間的數據調用和交互。

低時延高性能：MEC運行在靠近用戶終端和路側智能設備的網絡邊緣位置，基于C-V2X蜂窩通信模式的車聯網業務可直接在MEC平臺處理，無需回傳至核心網和中心云，能夠顯著降低傳輸時延，確保業務時延的可靠性。駕駛安全類車聯網業務對通信時延提出了苛刻的要求，尤其適合將此類業務部署在MEC上。此外，MEC可提供強大的計算與存儲能力，改善用戶體驗。因此MEC也可以為車載/路側/行人終端提供大數據分析處理、在線輔助計算等功能，實現任務快速處理與反饋，提高系統級處理與響應速度。

本地服務：MEC部署在網絡邊緣，覆蓋一個相對較小的區域，具備顯著的本地屬性：一方面可以提供區域化、個性化的本地服務;另一方面可將接入MEC的本地資源與網絡其它部分隔離，將敏感信息或隱私數據控制在區域內部。此外，可以通過本地化服務消化部分數據回傳的需求，降低回傳網絡負載壓力。例如，在智慧交叉路口場景中，MEC可以融合和分析多個路側及車載傳感器采集的數據，并對大量數據提供實時、精確和可靠的本地計算與分析，直接服務交叉路口附近的車輛和行人。同時，MEC只需要將路口狀態、分析結果等數據回傳，無需回傳所有感知數據，更高效地使用網絡資源。

1.2? 應用場景

MEC與C-V2X融合可以支持多類車聯網應用場景，由于接入MEC的終端類型不同，其所能支持的場景也不完全統一。按照目前業界對于接入MEC終端類型以及MEC系統架構的理解，應用場景可按照“車路協同”水平以及“車輛間協同”水平這兩個維度進行分類。當沒有路側智能化設備（如路側雷達、攝像頭、智能化紅綠燈、智能化電子標志標識等）接入MEC時，部署在MEC上的邊緣應用可通過C-V2X收集附近車輛和行人的數據信息，并提供低時延、高性能的服務;當路側部署了智能化設備并接入MEC后，邊緣應用可進一步借助路側信息為車輛和行人提供更全面、更高級的應用服務。當沒有車輛間協同時，邊緣應用可為接入MEC的單個車輛提供特定服務;當多個車輛同時接入MEC并能產生數據交互時，邊緣應用可基于多個車輛的狀態信息，提供更智能的服務。

因此，可以依據是否需要路側協同以及車輛協同，將MEC與C-V2X融合的應用場景分為“單車與MEC交互”“單車與MEC及路側智能設施交互”“多車與MEC協同交互”“多車與MEC及路側智能設施協同交互”四大類，如圖1所示。中國電信、中國信通院等多家單位聯合在IMT-2020 C-V2X工作組內，針對MEC與C-V2X融合的應用場景開展的專門的課題研究，對四類應用場景進行了詳細的描述和分析，并對MEC與C-V2X融合系統的各項需求進行了定性分析[2]。

2? ? MEC與C-V2X融合系統的技術分析

2.1? 系統架構

面向LTE-V2X的MEC業務可基于靈活的網絡架構實現[3]，LTE-V2X車載終端（OBU）、路側單元（RSU）及攝像頭、雷達等其他路側智能化設備可靈活地選擇通過各種接入方式接入MEC平臺。同時，MEC平臺也可以靈活選擇部署位置，例如路側單元（RSU）后、演進的B節點（eNodeB）后等。此外，系統中可部署多級MEC平臺，下級MEC平臺可作為上級MEC平臺的接入端。

MEC與C-V2X融合的總體架構如圖2所示。

按照終端接入MEC平臺使用的C-V2X通信模式，MEC與C-V2X融合系統可分為Uu型MEC和PC5型MEC兩類：當MEC平臺部署于運營商網絡內，終端通過Uu接口接入MEC平臺時，定義為Uu型MEC;當MEC平臺與運營商網絡相對獨立，終端通過PC5接口接入RSU進而接入MEC平臺時，定義為PC5型MEC。

Uu型MEC在當前LTE網絡階段部署時，可以采用SGW-U+LBO下沉或附加PGW-U下沉兩種方案，不同部署方案將在會話移動性管理、安全性、計費和合法攔截方面有不同的影響[4]。此外，Uu型MEC部署時需考慮車聯網業務的時延要求以及運營成本的權衡：當部署在基站側時，網絡傳輸時延≤5 ms，但覆蓋范圍有限，單用戶成本較高;當部署在接入環時，網絡傳輸時延為20 ms左右，覆蓋范圍有提升，部署成本仍相對較高;當部署在匯聚環和傳輸核心層時，時延網絡傳輸為30～40 ms，但覆蓋用戶數較多，成本較低。

PC5型MEC在部署時相對更加靈活，如圖3所示。可選擇與PC5型RSU或路側智能設備集中部署，為小范圍內的接入終端提供服務，如圖中路側MEC平臺;也可選擇獨立部署，為一定區域內的接入終端或路側MEC平臺提供服務，如圖中區域MEC平臺。同時，多個PC5型MEC可級聯部署，也可通過Uu接口接入Uu型MEC。

2.2? 關鍵技術

在MEC與C-V2X融合系統中，MEC平臺可以按需為車聯網邊緣應用編排IT基礎資源，配置計算和存儲能力，提供虛擬化應用托管環境，可對邊緣應用的生命周期進行管理，對應用的上下文信息遷移進行管理，為應用開放通用網絡信息和車聯網業務信息等信息。此外，MEC與C-V2X融合的主要關鍵技術還包括以下方面：

（1）數據收集與分發：MEC可實時對所有交通、車輛等相關的數據進行收集。從車輛節點上收集大量數據，會造成很大的額外傳輸開銷，有可能造成網絡擁塞。需要根據數據的緊急程度和關鍵程度，對數據傳輸設立優先級;或根據地理位置或應用偏好等信息，對車輛節點進行分簇，同時結合歷史數據，對每次數據收集對象進行評估，并使用增量計算方法，降低數據的收集總量。

（2）數據分析與融合：MEC需要對大量數據進行分析與融合，包括視頻數據、傳感器數據、交通融合數據等。尤其在使用SDN作為MEC的解決方案時，會制定各種決策，可能造成MEC更大的計算負擔。可將多個MEC組成計算群組，結合數據處理的緊迫性和MEC的負載，將適當的分析計算工作轉移到負載較低的MEC，實現負載均衡。

（3）業務連續性：MEC與C-V2X融合系統在接入用戶（如車載終端）移動時需要支持業務的連續性。當用戶移動時，可能會發生接入點的切換，導致終端至MEC的路徑發生改變，或從MEC 1的覆蓋范圍移動到MEC 2的覆蓋范圍。MEC的位置越靠近邊緣，降低傳輸時延的效果越好，但同時發生切換和移出覆蓋范圍的幾率也越大。對于LTE-V2X用戶，需要的服務是泛在性的，在發生移動后不允許服務失效;涉及行車安全方面的LTE-V2X應用，也需要服務具有高可靠性和高可用性，不允許業務發生中斷。

2.3? 標準化情況

關于MEC的標準化工作主要集中在ETSI和3GPP，同時5GAA（5G Automotive Association，5G汽車協會）也對面向C-V2X的MEC進行了深入討論。其中，ETSI的MEC特設組重點關注在MEC平臺、基于MEC平臺的網絡能力開放、以及基于MEC平臺的業務應用運營部署等方面。3GPP主要研究5G網絡架構為支持MEC而需要具備的網絡能力，而5GAA則以ETSI的MEC解決方案為基礎，將MEC與C-V2X融合作為推薦解決方案。

具體來說，ETSI在2014年成立了MEC特設組來進行跨廠商平臺的標準化，并于2017年中完成了第一個階段的協議發布。在第一個版本的研究過程中，ETSI完成了對平臺需求、參考架構的標準化。2018年，ETSI重點進行第二階段的標準化工作，主要是將開放平臺從移動網絡場景擴展到多接入場景，同時重點關注MEC在實際部署過程中與已有規范的符合性。特別針對車聯網方面，ETSI已經完成了基于MEC的V2X應用研究課題，并啟動了V2X API標準項目，主要定義利用V2X API在多廠商、多接入方式和多運營商場景下提供V2X業務的增強服務。3GPP注重對移動網絡服務的時延減少和帶寬節省，網絡對MEC基礎能力就是本地分流的支持。在5G系統架構討論中，3GPP從5G網絡業務需求以及網絡架構的演進趨勢出發，通過支持用戶面分布式下沉部署、靈活路由等功能，實現了5G網絡對MEC的支持。5GAA發布了面向車聯網和自動駕駛的邊緣計算白皮書《Toward fully connected vehicles： Edge computing for advanced automotive communications》，并成功在慕尼黑舉辦了第一屆“Edge computing and V2X”的開放研討會，展示了邊緣計算對于整個C-V2X的價值，同時也收集到了第一手的汽車業需求，進行后續方案針對性的改進。5GAA已經將MEC作為后續六大發展戰略之一。

3? ?MEC與C-V2X融合的產業化推進

3.1? 產業現狀

MEC與C-V2X融合已經成為信息通信、汽車、交通等車聯網相關領域重點關注的技術方向。三大電信運營商及華為、中興、諾基亞等設備商從2016年起先后開展各類MEC試點示范應用，隨著LTE-V2X、5G和自動駕駛應用逐漸受到關注，2017年底至今，運營商、設備商紛紛將車聯網視為MEC的重點應用方向加以試點和推廣。IT企業開始進軍基于MEC與C-V2X融合領域，2018年3月阿里宣布戰略投入邊緣計算領域，滴滴、騰訊等互聯網企業也積極開展探索和試驗研究。千方、金溢、百度等智能交通與自動駕駛企業利用MEC作為車路協同系統中重要的邊緣節點，積極推動在MEC部署并提供各類及感知、計算、通信于一體的智能交通和自動駕駛服務，構建安全、高效的道路環境。

雖然產業各界對于MEC與C-V2X融合持續高度關注，但也要看到，MEC與C-V2X融合在落地應用過程中還存在很長的路要走。在網聯通信方面，MEC與C-V2X融合的概念在業內尚未統一，MEC平臺與C-V2X通信系統Uu模式、PC5模式相結合的系統架構尚未形成標準化方案;在車聯網應用方面，MEC與C-V2X融合能支持開展的車聯網應用場景尚不清晰，部分已開展試點應用尚未形成規模化測試驗證能力。

3.2? 測試床建設

為了更快地推動MEC與C-V2X融合能夠更快的發展，IMT-2020 C-V2X工作組于2019年啟動了MEC與C-V2X測試床立項工作。經過立項征集與專家評審，工作組從17個立項申請中遴選出首批10個支持創建的測試床，牽頭單位包括電信運營商、設備商、車聯網服務商、運營與檢測單位等，參與單位超過20家，建設地點涉及9個省/自治區/直轄市。

在未來1年的建設時間內，測試床項目將對照C-V2X工作組的研究成果及國內外有關標準迅速開展建設工作，盡快提供基于MEC的車路協同應用場景測試驗證能力，并依托建設實踐經驗推動MEC與C-V2X融合解決方案的相關標準化工作。

4? ?結束語

本文研究了MEC與C-V2X融合系統的特性、應用場景、總體架構、關鍵技術、標準化與產業化情況。MEC與C-V2X的融合，可以有效地為基于C-V2X的車聯網應用提供網絡邊緣轉發、計算、存儲環境，有利于推動C-V2X應用落地推廣。MEC與C-V2X融合具有信息開放、低時延高性能、服務本地化的特點。依據接入MEC終端數量及類型的不同，MEC于C-V2X融合系統可以支持不同類型的應用場景。本文研究了系統的總體架構，并從數據收集分發、融合分析、移動業務連續性等方面分析了系統的關鍵技術。本文還研究了MEC與C-V2X融合的標準化與產業化情況。

下一步，MEC與C-V2X融合的成功需要跨行業共同協作和努力。在標準化工作方面，為確保部署MEC平臺、邊緣應用之間的互聯互通，需推動研制面向車聯網應用場景的MEC與C-V2X融合系列標準，規范數據接口與服務流程。在測試驗證方面，網絡運營商、車聯網服務提供商、整車企業不同產業主體需要加快建設測試床，為MEC平臺能力測試、邊緣應用功能測試、智能網聯汽車功能測試等提供測試環境，盡快開展MEC與C-V2X融合的應用方案驗證性測試，并利用測試結果指導未來技術發展方向。在試點應用方面，需要積極推動各地方開展基礎設施建設，開展MEC與C-V2X融合的區域級試點應用，逐步構建產業生態，進一步探索商業模式。

參考文獻：

[1] IMT-2020（5G）推進組. C-V2X白皮書[R]. 2018.

[2] IMT-2020（5G）推進組. 《MEC與C-V2X融合 應用場景》白皮書[R]. 2019.

[3] CCSA TC10 WG1. 《面向LTE-V2X的MEC業務 架構與總體需求》（征求意見稿）[Z]. 2019.

[4] CCSA TC5 WG12. 《基于LTE網絡的邊緣計算總體技術要求》（報批稿）[Z]. 2019. ★