基于5G和MEC的車聯網綜合測試基地研究

陳海燕，劉 冰

（安徽電信規劃設計有限責任公司，安徽 合肥 230031）

0 引 言

車聯網作為汽車、電子、信息通信等深度融合的新興產業生態，對通信網絡的傳輸時延、可靠性以及速率要求極高[1]。5G的高寬帶、高可靠、低時延、廣覆蓋、大連接等特性為其廣泛應用提供了支撐。在5G基礎設施建設、汽車電子普及、電動汽車快速發展的3大基礎上，車聯網市場爆發成為確定性機遇，車聯網有望成為5G最大的單體應用市場[2]。

多接入邊緣計算（Multi-access Edge Computing，MEC）是信息和通信技術（Information and Communication Technology，ICT）融合的產物，支持多種形式的接入技術，其云數據中心的服務和功能轉移到網絡的邊緣節點，在網絡邊緣提供計算、存儲、網絡以及通信資源，滿足高密度計算、大流量、低時延等需求業務的就近部署，極大地提高了安全性、速率、可靠性[3,4]。

面對遠程駕駛、自動駕駛等端到端時延要求極低且可靠性要求極高的業務場景，5G+MEC技術為其帶來了可能，但仍存在以下諸多挑戰。一是確定性網絡。5G網絡延續了傳統蜂窩網絡特性，滿足公眾通信要求，而公眾通信與車聯網通信在移動性（低速、高速）、區域范圍（室內、室外）的需求恰好相反。此外，面向公眾通信的5G網絡只有在使用時才占用信道，而車聯網基本是永遠在線，需要一個高可靠的確定性網絡[5]。二是信道模式。國內5G商用頻段的工作模式以時分雙工（Time Division Duplexing，TDD）為主，面向公眾5G網絡下行需求大于上行，而面向車聯網則剛好相反，車端、路端智能傳感器向云端反饋的信息量遠大于下行。不同的上下行時隙配比在同一張網絡下，如何避免干擾成為一大難題。三是頻段差異帶來的器件開發難度提升。5G商用頻段在4 GHz以下，而目前分給車聯網的頻率是5.8 GHz。除了高頻器件的開發成本較高，未來5G網絡和蜂窩車聯網（Cellular Vehicle-to-Everything，C-V2X）技術融合后器件更需要支持多頻、寬頻接入，開發難度巨大。四是缺乏行業技術標準。車聯網涉及多個行業，行業間在網絡信息傳輸標準上各不相同，且尚未形成統一的技術標準，導致網絡互聯互通難度巨大。

為了探索目前車聯網行業中難題的解決方案，加快5G和車聯網融合的步伐，文章從功能設計、架構設計、方案設計以及應用場景等方面來探討如何搭建基于5G和MEC的車聯網綜合測試基地。

1 基于5G和MEC的車聯網綜合測試基地解決方案

1.1 功能設計

測試基地可基于5G R16及后續R17版本做高級C-V2X業務總集成測試，主要的C-V2X業務測試場景包括3類。一是前向防碰撞預警、交叉路口防碰撞預警、盲區預警、緊急制動、異常、緊急車輛預警、超視距防碰撞等安全類場景。二是基于V2X車路協同的綠波引導、智能車速控制、智慧路徑引導等效率類場景。三是基于R16新空口（New Radio，NR）V2X的高效編隊駕駛、智慧遠程駕駛、感知數據共享、協同式匯入等更高級的應用場景[6]。

根據以上場景的業務特性，車聯網綜合測試基地的主要功能如下。首先是支持C-V2X應用測試，針對C-V2X的低時延和可靠性傳輸需求，驗證5G網絡切片技術和專網技術的應用，同時也為工業互聯網等其他領域提供技術支撐。其次是測試驗證5G毫米波技術在垂直行業的應用及對NR—V2X的應用支持。5G毫米波技術能為園區內豐富的智能業務提供大容量、高速率的專網服務[7]。再次是面向智慧交通，結合新一代全息路口融合感知技術，以“5G+視覺+AI+MEC”為技術底座，通過多維感知技術和智能算法，提供路口實時動態信息，驅動交通管理智能升級。最后是面向垂直行業，提供開放道路測試環境，推動車聯網產業發展。

1.2 架構設計

綜合測試基地采用“端-管-云”的架構設計，如圖1所示。

圖1 “端—管—云”架構

“端”側主要指可穿戴設備、車載終端、融合感知設備等交通基礎設施，具體包括手機、車載單元（On Board Unit，OBU）、路側單元（Road Side Unit，RSU），激光雷達、攝像機等。“管”側主要是指基于PC5口的直通信系統以及基于5G網絡的蜂窩通信系統。“云”側實現對V2X設備的集中管控，進而實現對整個道路的實時動態管控，具體包括MEC邊緣計算平臺、高精地圖定位系統和V2X云控平臺[8]。其中，MEC邊緣計算平臺主要對端側數據進行實時綜合計算，高精地圖定位系統提供車輛精確定位功能，V2X云控平臺是與外界系統對接的應用和數據管理系統，對匯總的交通大數據提供非實時的管理、分析和決策功能，支持將高精度地圖數據分發給邊緣計算單元MEC做融合感知計算，提高計算的精度，同時結合高精度地圖開發車道級的應用服務。

1.3 方案設計

總體方案包括底端的路側基礎設施建設、管側的5G專網建設、V2X云控平臺建設、智能網聯汽車改造。

1.3.1 路側基礎設施建設

根據測試場地面積搭建V2X的測試場，包括主干道、非主干道等關鍵路口，形成閉環，可完成V2X典型應用場景測試。在關鍵路口處布置激光雷達、攝像機等感知設備和路側RSU設備，進行路側信息收集。RSU及感知設備布置如圖2所示。

圖2 RSU及感知設備布置

1.3.2 5G專網建設

5G網絡采用基于MEC的5G專網方式，控制面和用戶面均在本地處理，組網架構如圖3所示。

圖3 5G專網網絡架構

采用新建5G核心網（5G Core Network，5GC）的方式，滿足獨立組網（Standalone，SA）的要求。5GC設備采用網絡功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）架構進行部署，支持接入和移動管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF）、會話管理功能（Session Management Function，SMF）以及用戶面管理功能（User Plane Function，UPF）等，就近部署在測試基地[9]。

1.3.3 V2X云控平臺建設

V2X云控平臺是整個車聯網架構的核心，處理人、車、路匯集過來的各類信息，通過對多源數據的建模分析，為各類車聯網業務提供決策。

V2X云控平臺至少需要包含以下功能。一是基礎功能，包含權限管理、系統管理以及個人中心，支持系統操作日志存儲、查詢與個人消息管理。二是設備管理服務功能，主要指智能網聯設備接入及運維服務功能，對路端及車端的設備提供監測、告警、升級等全生命周期運維服務。三是數據共享服務功能，提供數據轉發、開放應用程序接口（Application Program Interface，API）、共享監測等全面的數據共享服務。四是V2X服務器提供感知設備管理、場景管理、算法管理等功能，實現V2X場景下數據融合、計算機下發，并對上層車路協同應用提供支撐。五是MEC服務器提供MEC設備的遠程控制、運維狀態監控、邊緣側算法管理、模型下發等功能，實現車路協同。六是高精度地圖服務功能，高精度地圖是實現自動駕駛業務和車聯網V2X業務的基礎，主要提供輔助感知、高精度定位、路徑規劃以及三維可視化仿真服務。七是場景服務功能，建立應用場景庫，結合車聯網V2X業務的需求開發相應的場景應用，包括交通安全類、交通效率類、信息服務類等[10]。

1.3.4 車輛的改造

為使車輛能夠滿足測試需求，需對車輛進行智能化的改造。搭載車規級5G-V2X通信模組的OBU，安裝激光雷達、高清攝像頭、毫米波雷達、全球定位系統（Global Positioning System，GPS）、慣導定位系統、高清顯示屏、車載服務器等設備，實現車輛的決策、安全冗余、車身控制、自動泊車、局部路徑規劃、局部環境感知等功能，從而使車輛具備公開道路上的自動駕駛能力。

2 應用場景

綜合測試基地提供基于5G的C-V2X業務演進和業務測試，主要包括以下內容。首先，基地本身可以被視為一個封閉園區，在此可以進行車輛前向防碰撞預警、車輛動態高精度定位、車輛盲區融合檢測、車輛智慧遠程駕駛、車輛高效編隊駕駛等業務場景測試，這些在園區的智慧泊車、港口貨運車輛遠程操作、危險區域無人操作以及面向園區的智慧物流配送、無人巡檢等應用中均有涉及。其次，在基地中能模擬城市道路的交叉路口場景，可進行車輛綠波通行、智慧車速引導、精準停靠、超視距防碰撞等業務場景測試，以便于提升交通出行效率。最后，面向智慧高速應用場景需求，測試基地可以通過設置多個場景進行測試，如車輛失控預警、緊急電子剎車燈預警、超車預警、協同式匝道匯入、異常事件感知共享等，從而保障交通安全。

3 結 語

文章從功能設計、架構設計、方案設計以及應用場景描述4個方面研究了基于5G和MEC的車聯網綜合性測試基地的建設。測試基地依托高可靠、低時延的5G通信環境，利用V2X云控平臺和MEC平臺，全方位提供C-V2X業務場景的測試驗證，為解決5G融合車聯網過程中的難題提供了基礎保障。