基于車聯網通信組網架構的分析與研究

李柱，丁巍，王勇剛

（車百智能網聯研究院（武漢）有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

國家智能網聯汽車（武漢）測試示范區一二期項目，從智能道路、路側智能基礎設施、城市操作系統、測試體系、應用系統等方面開展示范區建設，形成具備開放道路測試、自動駕駛應用、基于5G的智能網聯汽車和智能交通等功能的示范應用[1]。

1 研究背景

項目建設了106km基于開放標準的智能道路，形成了覆蓋整個經開區全域的5G網絡，同時，根據不同的需求及應用場景，搭建了有線光纖組網、5G專網組網和公網組網的三種通信組網架構環境。具體如下圖1所示。

圖1 武漢示范區車輛網通信組網架構圖

2 示范區組網環境測試及分析

2.1 5G專網組網

2.1.1 組網需求

武漢示范區二期項目77km道路智能化建設，主要以5G專網組網為主。路側桿件點位220個，每個桿件部署一個5G CPE或者5G RSU作為網絡節點，每個設備安裝5G SIM卡，通過無線UU口將桿件上安裝的傳感器感知的原始視頻流、設備處理后的結構化等數據直接上傳云平臺。同時在5G專網覆蓋范圍內的各類智能網聯汽車通過安裝有5G SIM的OBU實時上傳各類車輛行駛狀態信息[2]。

在路側端，主要在重要的路口、環島等交叉口以及特殊場景路段，增加槍球一體機和雷視一體機智能化感知設備的覆蓋，每個路側桿件的數據上傳需求不大于50Mbps，通信時延要求20ms左右。在車載端，通過對智能網聯汽車安裝車載OBU，將智能網聯汽車的行駛狀態信息等數據通過PC5口或通過UU口上傳平臺，數據上傳需求不大于10Mbps，通信時延要求20ms左右。

2.1.2 網絡性能測試

基于進行網絡測試及對網絡長期監控的數據分析，5G專網組網存在以下特點：

（1）對于5G專網覆蓋區域內的路側桿件通過5G RSU/5G CPE進行通信的固定場景，從RSU/CPE側統計UU口5分鐘的應用層平均上行速率均在100Mbps，固定場景下上行帶寬能穩定保障的上行速率不小于50Mbps。（2）對于5G專網覆蓋區域內ADAS公交車行駛路線的移動場景線路上行平均速率為91.5Mbps，路測上行速率高于100Mbps采樣點數/路測上行速率總采樣點數占比為43.25%，路測上行速率低于20Mbps采樣點數/路測上行速率總采樣點數占比為0.24%，移動場景下上行速率能穩定保障不小于20Mbps。（3）對于5G專網覆蓋區域內的路側桿件通過5G RSU/5G CPE進行通信的固定場景，220個桿件端到端平均時延7.94ms(往返時延15.88ms)，其中216個點位的平均時延在10ms(往返時延20ms)以下，能保障95%以上的固定點位時延小于10ms，但每個點位的時延不固定，根據時間呈動態變化。（4）5G專網覆蓋區域內ADAS公交車行駛路線的移動場景端到端平均時延12.075ms（往返時延24.15ms），采集時延呈動態變化，能滿足動態場景下時延小于50ms的需求[3]。

2.1.3 應用場景及優勢

（1）適用于固定場景上行傳輸速率需求在50Mbps以下，移動場景上行傳輸速率在20Mbps以下，網絡穩定性要求不高，同時時延根據固定場景和移動場景分別在20ms和50ms以下的業務場景；（2）適用于安全性要求較高的業務場景，數據通過專網環境以及5G網絡切片技術實現數據傳輸的高安全性；（3）適用于鄉村道路，公路及沒有管網資源等應用場景。可根據場景需要，不依賴現有及新建設的光纖及管道資源，在任意有網絡覆蓋的地方都可進行網絡部署；（4）基于5G空口的組網，可大大降低路側施工難度與成本，解決有線大面積管道鋪設，成本高、工期慢等問題，同時可靈活選擇并兼容各個運營商網絡，有效降低后期管理運維難度和成本。

2.2 公網組網

2.2.1 組網需求

武漢示范區二期項目給整個經開區236輛公交車安裝了OBU，同時對武漢市一萬輛社會車輛加裝了定制化的智能后視鏡，智能網聯汽車除了77km智能化道路范圍外，在有5G專網覆蓋或者只有4G網絡覆蓋的整個經開區近500平方公里范圍及1000公里道路范圍行駛的智能網聯汽車都可以提供車路協同應用及服務。因此，對于網絡延時及帶寬要求不高的區域，通過公網的組網模式，基于UU口通信同時可為更大范圍的智能網聯汽車提供應用及服務[4]。

2.2.2 網絡性能測試

（1）對于5G專網和4G公網協同覆蓋區域的車路協同/車聯網應用車輛行駛的移動場景端到端平均時延25.66，部分點位時延大于50ms。（2）對于5G專網和4G公網協同覆蓋區域內普通公交車行駛路線的移動場景線路上行FTP平均速率為53.7Mbps，路測上行速率高于50Mbps，采樣點數/路測上行速率總采樣點數占比為83%，路測上行速率低于10Mbps，采樣點數/路測上行速率總采樣點數占比為1.8%，上行傳輸速率基本滿足10Mbps要求。（3）國家智能網聯汽車（武漢）示范區內實現了5G專網全覆蓋，為了確保測試車輛（如智能公交車）駛出示范區范圍外仍能向平臺正常上報車輛狀態數據，5G專網應具備向下兼容4G公網的能力。通過在道路上對5G/4G兼容性進行測試， 5G至4G切換平均時延約為56ms。

2.2.3 應用場景及優勢

（1）適用大范圍智能網聯汽車移動場景，對數據的實時性、安全性、完整性要求不高，帶寬需求小于10Mbps的應用場景。（2）公網組網環境不需要額外的網絡建設，基于現網已有的網絡覆蓋，可實現大范圍的場景應用及落地。

2.3 有線光纖組網

2.3.1 組網需求

武漢示范區一期項目28km道路為新建道路，便于進行有線光纖網絡的同步規劃和實施，且一期項目中感知設備布設較為密集，不僅在路口進行布設在路段也有布設，在路口和路段均布設有激光雷達，數據傳輸量較大，因此在一期建設的探索期道路智能化建設主要采用有線光纖組網模式，為路側感知設備提供穩定、安全、高速的網絡通信服務。另外，在二期項目中，規劃建設了3個實驗路口，安裝部署了包括激光雷達、毫米波雷達、攝像機、MEC等感知設備和邊緣計算設備，由于激光雷達數據量很大，而且為了進行不同廠家方案的對比分析，單個路口同時布設了多套感知設備，實驗路口數據傳輸需求是一般路口的2～5倍以上。例如單一桿件上傳感器數量為9個，保守估計數據量約200Mbps，一個十字路口的4 個路口方向數據量合計可能超過1000Mbps。因此，對于實驗路口也采取有線光纖的組網方案[5]。

2.3.2 應用場景分析

（1）目前國內外智能網聯示范區和車聯網項目路測基礎設施大多采用有線光纖組網模式，可為路側桿件提供至少1000M的帶寬需求，適用于多傳感器大帶寬需求的固定應用場景。（2）光纖組網存在施工難度大、施工成本高、施工周期長等缺點，但網絡環境相對固定，抗干擾能力強，可提供無線通信無法比擬的安全、可靠、穩定的網絡服務。

3 結論

不同的業務場景對網絡的需求和要求不盡相同，實際工程應用過程中，可根據具體的帶寬、時延、穩定性、安全性、可靠性等需求選擇不同的組網方案。5G專網組網適用于數據傳輸量較大，對時延要求較高的場景，流量相對密集的場景。利用運營商已有的5G網絡資源，適當增加UPF等網絡設施，快速實現專網覆蓋，在工程上能大大降低路側通信施工難度、施工周期和建設成本。充分利用5G網絡的大帶寬、低延遲、高速率、高可靠性的優勢，通過共用無線資源、行業專用核心網部分共用、專用傳輸鏈路、網絡切片、UPF下沉實現數據本地化、流量卸載本地分流快速閉環，以及車聯網業務低時延和安全保障。公網組網適用于數據量傳輸不大，對實驗要求不高，且流量不密集的場景，主要適用于智能網聯汽車的活動范圍廣和氣象/路面傳感器等物聯網設備小數據量傳輸的場景。不需要額外的建設，直接利用運營商已有的公網資源，實現大范圍場景應用落地。有線光纖組網適用于新建道路和對數據量傳輸需求很大、穩定性要求很高的場景，但也存在施工難度大、施工成本高、施工周期長等缺點。

武漢示范區根據5G技術的發展及應用場景需求，建設了5G專網、有線光纖網和公網三種組網模式，特別是在武漢示范區二期項目開創性采用全5G空口通信方案，并在工程實踐中驗證了5G專網功能和性能可以滿足項目智能網聯路側和車端業務的測試應用需求。