C-V2X標準演進及產業化綜述

張天 湯利順 王彥聰 李長龍

（中國第一汽車股份有限公司 智能網聯開發院，長春 130013）

主題詞：V2X DSRC C-V2X 標準演進 產業架構

1 前言

隨著通信技術的成熟，汽車交通將朝著更加智能化和網絡化的方向發展。5G技術具有高可靠、低時延、大帶寬的特性，將應用于物物通信，使“萬物互聯”成為可能。車聯網作為5G技術的一大應用場景，其市場潛力將會被進一步挖掘。

車聯網業界熱點逐步從“單車智能”向“車-路-云”協同發展的車用無線通信技術（Vehicle to Everything，V2X）演進?，F階段，單車智能化技術能夠起到輔助安全駕駛的作用，但由于車輛僅依靠自身傳感器獲取有限的外界信息，極易受到惡劣天氣、遮擋物等條件影響，且無法有效獲取視距外的信息，并不能很大程度上提高車輛的安全系數。據世界衛生組織（World Health Organization,WHO）統計，全球每年有近125萬人因交通事故喪生，由此造成的經濟損失占到相應政府的國內生產總值的3%左右[1]。通過V2X通信，車輛能夠自主地與附近車輛、路側單元、行人進行信息交互，極大程度地規避道路碰撞。因此，V2X的研究受到了產業界的廣泛關注。

V2X目前有兩種標準：一種是專用短行程通信（Dedicated Short Range Communication，DSRC）標準，主要由美國、歐洲和日本自20世紀90年代開始研究開發；另一種是第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP)于2015年立項啟動的基于蜂窩網絡車用無線通信技術（Cellular Vehicle to Everything，C-V2X）標準，其中包括LTE-V2X標準和5G V2X標準，由中國主導完成。C-V2X技術在我國得到大力扶植，各級政府加強頂層設計和指導，營造產業發展的良好環境。由于基于5G蜂窩網絡的5G V2X技術仍在標準制定中，因此本文分別就DSRC與LTE-V2X的關鍵技術與底層性能指標進行對比，并概述C-V2X標準在我國的演進歷程、產業架構。

2 V2X技術原理與性能比對

2.1 V2X技術應用場景

V2X是利用安裝在車輛上的各類傳感器將車輛與一切事物相連接的新一代信息通信技術。汽車在行進過程中，不斷感應環境，進行數據的運算與分析，從而預判風險，保障車輛安全。V2X的信息交互模式包括車與車之間的通信V2V、車與路之間的通信V2I、車與人之間的通信V2P（Vehicle to Pedestrian）和車與網絡之間的通信V2N（Vehicle to Network），如圖1所示[2-3]。

圖1 車聯網V2X情景

（1）V2V是指車載終端間進行通信。適用于自適應巡航、自動緊急剎車、盲區預警、前車防撞預警等場景。

（2）V2I是指車載設備與路側單元進行通信。適用于自動泊車、交通信號及標志牌識別、不停車收費、限速預警等場景。

（3）V2P是指弱勢交通群體使用移動終端與車載終端進行通信。適用于行人碰撞預警等場景。

（4）V2N是指車載設備與網絡進行連接與信息交互。適用于導航、緊急救援和信息娛樂等場景。

2.2DSRC技術原理

DSRC 技術是基于 IEEE 802.11p、IEEE 1609、SAE J2735和SAE J2945的通信標準[4]，由路側單元（Road Side Unit，RSU），車載單元（On Board Unit，OBU）和通信鏈路組成，主要用于V2I和V2V系統。其中車與車通信主要基于802.11p協議，802.11p是802.11協議在汽車環境的擴充，以增加一定計算復雜度為代價支持移動環境、加強無線通信安全性。RSU與網絡的連接通過光纖來完成，光纖能夠提高通信速率并且具有更高的安全性。由于DSRC屬于視距技術且車載終端與云端的信息交互離不開RSU，因此，DSRC網絡架構中需要部署大量RSU，如圖2所示。

圖2DSRC系統網絡架構

2.3 C-V2X技術原理

C-V2X是基于3GPP LTE-V/5G底層通信和CSAR 0053應用標準的通信標準。C-V2X針對車輛定義了集中式（LTE-V-Cell，廣域蜂窩式）與分布式（LTE-V-Direct，短程直通式）兩種通信方式[5]，并提供Uu接口（用于蜂窩網絡與車載終端之間）與PC5接口（用于終端與終端之間）兩種通信接口。兩種接口的共同作用可滿足V2X業務的傳輸，保證車輛行駛安全。C-V2X技術中路側單元可集中在通信基站上，如圖3所示。

圖3C-V2X系統網絡架構

2.4DSRC與C-V2X性能對比

DSRC與C-V2X技術標準均可用于V2X系統，然而兩種技術的起步時間、關鍵技術、網絡架構、演進路線都不盡相同。為了對DSRC與C-V2X技術進行直觀比對，表1給出了二者的關鍵技術指標。

通過表1對比可見，整體上C-V2X技術在傳輸距離等方面優于DSRC技術[8]。

DSRC技術在美國、歐洲、日本得到了研究和發展，形成了成熟的技術規范，基于DSRC標準的汽車已投入實驗，但DSRC技術仍存在一定缺陷。第一，DSRC技術物理層應用的802.11p標準使用正交頻分復 用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技術，這種技術雖然能夠滿足實時性與可靠性的需求，然而限制了信號的最大傳輸功率與傳輸范圍，很難完全覆蓋汽車的應用環境；第二，DSRC技術屬于視距傳輸技術，惡劣的氣象環境、較多的干擾物都會對通信產生影響；第三，DSRC技術的信息交互需要部署大量的基礎設施；第四，DSRC技術缺乏未來的演進路線。

表1 DSRC與C-V2X關鍵指標對比[6-7]

雖然DSRC技術起步早，技術成熟度高，但在技術演進、商業模式、V2N等場景存在局限性。相比于DSRC技術，C-V2X技術建設相對容易，并且伴隨著3GPP組織的持續推動，C-V2X可以處理DSRC在覆蓋范圍、建設成本、通信可靠以及安全等方面所存在的關鍵問題。但C-V2X也存在著一些十分明顯的缺點。第一，C-V2X標準還在起步階段中，系統側的產品基本具備試驗條件，終端側相關的RSU和OBU及芯片產業鏈相對滯后；第二，C-V2X技術尚需大規模測試驗證；第三，仍需探索C-V2X運營和商業模式，安全監管主體、手段尚未明確。

3 DSRC與C-V2X射頻指標對比[9-10]

汽車相較于其他電子通信設備而言，具有移動速度高，周邊無線電磁環境不固定的特點，因此對V2X終端射頻性能指標測試尤為重要。射頻指標測試是V2X實現終端產業化的重要基礎與保障[11]。符合射頻指標的測試值能夠保證終端發出有用信號的同時將無用雜散發射控制在一定水平之內，保證終端間的有效通信。射頻性能主要關注以下5個指標：最大發射功率、頻率范圍、占用帶寬、頻譜發射模板與占用帶寬。

3.1 最大發射功率

最大測試功率指標要求測試終端的發射功率在一定范圍內以確保設備在不影響其他同頻設備的同時保證設備的覆蓋范圍，DSRC的802.11p標準最大發射功率應符合表2要求。

表2 DSRC 802.11p標準最大發射功率[10]

3GPP的LTE-V標準規定OBU/RSU終端的最大發射功率應在23±2 dBm范圍內。

3.2 頻率范圍

頻率范圍指標是指設備工作時功率包絡下的頻率范圍，DSRC的802.11p標準規定[5 850 MHz，5 925 MHz]頻率段為V2X通信專屬頻段；3GPP的LTE-V標準定義車聯網C-V2X的頻率范圍為[5 905 MHz，5 925 MHz]。

3.3 占用帶寬

占用帶寬指標主要用于檢驗發射機的發射信號帶寬是否超出發射機正常工作的頻譜范圍，以避免對其他通信系統造成干擾。DSRC的802.11p標準要求信號的信道帶寬為10 MHz或20 MHz；3GPP的LTE-V標準信號占用帶寬應小于表3中規定的信道帶寬。

表3 3GPP LTE-V標準占用帶寬[9]

3.4 頻譜發射模板

頻譜發射模板用于測量偏移載波中心頻率的頻譜雜散能量，描述無線發射器的非線性特性，同時可衡量設備造成的相鄰信道干擾。DSRC的802.11p標準在10 MHz信道上的4種發射功率的頻譜發射模板限值如表4所示（美國標準）：

表4 DSRC 802.11p標準頻譜發射模板[10]

3GPP的LTE-V標準要求10 MHz與20 MHz帶寬的頻譜發射模板應符合表5的要求。

3.5 雜散發射

雜散發射是非期望發射，用以衡量該設備的發射功率對其他設備的干擾程度。DSRC的802.11p標準要求設備雜散發射限值符合表6的要求。

表5 3GPP LTE-V標準頻譜發射模板[9]

表6 DSRC 802.11p標準雜散發射限值[10]

3GPP的LTE-V標準要求OBU/RSU終端雜散發射限值應符合表7要求。

表7 3GPP的LTE-V標準雜散發射限值[9]

3.6 本章小結

通過對DSRC與C-V2X的射頻指標對比可見，CV2X射頻指標更為嚴苛。因此，符合C-V2X標準的車輛在未來會具有更優的通信性能，其安全性與有效性將得到更好的保障。

4 我國C-V2X標準演進

我國C-V2X經過幾年快速發展，標準體系初步建立、道路交通基礎設施較為完備、產業鏈初具雛形、相關終端廠商和軟件提供商具備了較高的技術實力。與此同時我國C-V2X國家戰略路線清晰，具備實現V2X全球領先的優勢條件。因此，應加快各領域標準的制定，推進我國C-V2X產業進一步發展。各行業協會和標準化組織高度重視我國C-V2X標準的制定與完善，如中國通信標準化協會、中國智能交通產業聯盟、公安部交通管理科學研究所等都已積極開展相關工作[12-13]。

4.1 應用場景

基于C-V2X的應用場景可以劃分為4大類：安全類、效率類、信息服務類和綜合類。中國汽車工程學會發布了第I階段的17個C-V2X基礎業務場景，如表8所示；第II階段的13個增強型業務場景如表9所示。目前，第I階段的17個基礎業務場景已進行了較為明確的定義，其中7項典型應用在2018年11月“3跨”（跨通信模組、跨終端和跨整車）互聯互通應用展示活動中進行了演示。第II階段增強型業務場景具體標準尚未制定完成。

表8 C-V2X基礎業務場景[13]

4.2 C-V2X應用標準

C-V2X應用標準規定了基礎業務場景標準、增強業務場景標準與各業務場景的應用層消息集；規定了道路交通信號控制系統的相關要求，及其與車聯網平臺進行信息交互的數據與通訊規程；規定了營運車輛車路協同架構、車路交互信息集結構、車路協同場景、編碼原則和方法等。C-V2X應用標準如表10所示。

表9 C-V2X增強業務場景[13]

表10 C-V2X應用標準[13]

4.3 C-V2X相關標準

我國的C-V2X相關標準可以劃分為接入層協議標準、網絡層協議標準、消息層協議標準、安全標準以及技術要求規范。圖4給出了C-V2X協議棧示意圖，協議棧對物理層以上的C-V2X通信協議進行解析和打包，并提供了安全與管理等相關功能，完善的CV2X協議棧相關標準能夠保證C-V2X通信的一致性、安全性與穩定性。我國已制定了第I階段的C-V2X協議相關標準，第II階段的相關標準尚未制定完成。

圖4 C-V2X協議棧[13]

4.3.1 接入層協議

第I階段我國共有兩個接入層協議標準，如表11所示。標準規定了LTE-V2X的總體業務和技術要求、系統架構和基本功能，并且規定了各層的基本協議技術要求。

表11 接入層協議標準[13]

4.3.2 網絡層協議

第I階段我國共有3個網絡層協議標準，如表12所示。標準對消息集進行了定義，規定了基本安全消息（BSM）、路側單元發布的交通事件消息（RSM）、地圖消息（MAP）、路側交通信息消息（RSI）與信號燈消息（SPAT）；規定了網絡層技術要求和與其配套的網絡層測試方法。

表12 網絡層協議標準[13]

4.3.3 消息層協議

第I階段我國共有3個消息層協議標準，如表13所示。消息層協議制定同樣以T/CSAE 53-2017《合作式智能運輸系統車用通信系統應用層及應用數據交互標準》為基礎，進一步規定了C-V2X消息層技術要求與對應測試方法。關于第II階段的消息層協議制定標準工作已經開展。

表13 消息層協議標準[13]

4.3.4 安全標準

我國C-V2X第I階段有3個安全標準規范，如表14所示。標準規定了C-V2X通信安全的總體技術要求；規定了安全過程、接口安全和顯性證書管理及相關流程，并給出了安全認證技術要求與測試方法。

4.3.5 技術要求規范

我國C-V2X第I階段有10個技術要求規范，如表15所示。技術要求規范是在以上標準基礎上對設備或通信系統提出功能和性能相關技術要求。

表14 安全標準[13]

表15 技術要求規范[13]

4.4 本章小結

目前我國C-V2X第I階段的相關標準已經初步制定完成，彌補了C-V2X標準方面的空白。相比于DSRC標準起步較早，發展較為成熟，大部分標準已凍結，C-V2X標準的進一步完善還需車企、供應商、交通監管部門、標準化組織的共同努力，盡早完成C-V2X第II階段標準。

5 C-V2X產業架構

C-V2X的產業架構可以分為C-V2X產業鏈、CV2X產業支撐與C-V2X產業推進，如圖5所示[13]。

圖5 C-V2X產業架構圖[13]

盡早實現C-V2X產業化落地意義巨大。C-V2X技術通過車載終端設備與路側單元的信息交互，可以實時分析道路狀況，提升交通效率、規避碰撞風險。車載終端和路側單元是C-V2X系統的重要組成部分，加速推進車載終端與路側單元的產業化是實現CV2X產業化的基礎。

5.1 車載終端產業架構

車載終端是指在車內提供無線通信能力的電子設備，是構成C-V2X的關鍵節點。從產業架構的角度來看，車載終端主要產業參與者包括V2X應用軟件提供商、V2X協議棧軟件提供商、終端設備制造商、通信模組制造商、安全芯片制造商與通信芯片制造商，所提供的服務與相關廠商如表16所示。

表16 車載終端產業架構表

5.2 路側單元產業架構

路側單元（RSU）集成C-V2X技術，實現路與車、路與人、路與云平臺之間的全方位連接，為聯網車輛提供交通安全、交通效率和信息服務應用，同時也為交通協同管控提供有效監管。從產業結構的角度上看路側單元主要產業參與者包括V2X應用軟件提供商、V2X協議棧軟件提供商、終端設備制造商、通信模組制造商、安全芯片制造商與通信芯片制造商，所提供的服務與相關廠商如表17所示。

表17 路側單元產業架構表

6 總結與展望

隨著人們生活水平的不斷提高，近年來道路車輛數量迅猛增長。道路安全問題、交通擁堵問題日趨嚴重。V2X作為通信、交通與汽車行業的跨界融合產業，通過在車輛上增加傳感器，在道路上增添路側單元等，實現車載終端與車載終端、道路基礎設施、行人等實時信息交互，提升駕駛員駕駛體驗。

本文首先對比了V2X兩大技術的射頻標準：DSRC技術的802.11p標準與C-V2X的3GPP標準。并著重參考了最大發射功率、頻率范圍、占用帶寬、頻譜發射模板與占用帶寬5項關鍵射頻指標。通過分析對比可知，C-V2X標準規定更為嚴苛，車輛符合3GPP標準時具有更優的射頻性能，從根本上保證C-V2X通信的有效性和可靠性。

其次，闡述了我國C-V2X標準的演進路線。在我國各個部門和組織的努力下，C-V2X標準初步完成，然而C-V2X標準仍需進一步完善以彌補和DSRC之間的差距。全面、可靠的測試標準是C-V2X進行大規模驗證的保障，也是C-V2X實現產業化的先決條件。

最后，對我國C-V2X產業架構進行了分析。目前我國C-V2X產業架構清晰，各大廠商積極參與，終端設備不斷成熟。但我國仍需加快標準制定，推動路側單元基礎設施的部署，確定路側設施的商業發展模式，加速中國C-V2X產業化落地。

目前國內很多主機廠、軟件提供商、標準化組織機構都致力于C-V2X的落地、推廣、商用。然而我國C-V2X標準尚未完善，各個廠商和機構的測試驗證標準還不統一，需要標準化組織盡快實現跨行業合作，完善C-V2X的測試驗證規范與測試認證體系，保證各大車廠在進行外場驗證時有據可依，推動C-V2X產業化落地。尤其在5G大環境下，需要盡早為NR V2X做充足的技術儲備。