車聯(lián)網(wǎng)C-V2X技術(shù)原理及測(cè)試解決方案

姚勤文 劉玥 張玉穩(wěn) 裴靜

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司 天津市 300300）

車聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上，融合使用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種全新化車載服務(wù)技術(shù)，其對(duì)于智能交通目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)就有積極作用。作為車聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)，C-V2X 技術(shù)原理的測(cè)試解決方案和具體應(yīng)用對(duì)于智能交通目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有積極作用。新時(shí)期，有必要把握C-V2X 這一核心技術(shù)，優(yōu)化其測(cè)試解決方案，并深化其在城市交通管理系統(tǒng)中的深層次應(yīng)用。

1 車聯(lián)網(wǎng)內(nèi)涵及C-V2X技術(shù)原理

1.1 車聯(lián)網(wǎng)內(nèi)涵界定

車聯(lián)網(wǎng)是汽車和交通服務(wù)新業(yè)態(tài)應(yīng)用發(fā)展的基本手段和技術(shù)支撐，其在新一代信息技術(shù)的支撐下，融合使用了現(xiàn)代通信技術(shù)，經(jīng)這些技術(shù)交融，不僅加強(qiáng)了車內(nèi)、車與車、車與路的相互關(guān)聯(lián)，而且實(shí)現(xiàn)了車與人、車與服務(wù)平臺(tái)的全方位網(wǎng)絡(luò)連接。從應(yīng)用效果來(lái)看，新時(shí)期的車載服務(wù)系統(tǒng)具有高效、節(jié)能、舒適的特點(diǎn)，而且安全、智能的優(yōu)勢(shì)極為突出[1]。

車聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用主要涉及三個(gè)核心要素，即網(wǎng)絡(luò)連接、汽車智能化以及服務(wù)新業(yè)態(tài)發(fā)展。在實(shí)際的車載服務(wù)過(guò)程中，信息通信技術(shù)的應(yīng)用極為關(guān)鍵；現(xiàn)階段，車用無(wú)線通信技術(shù)V2X 是車聯(lián)網(wǎng)信息通信技術(shù)的主要應(yīng)用形式。在V2X 技術(shù)中，V、X 分別代表車輛和任何與車交互信息的對(duì)象；這里與車交互信息的對(duì)象涉及車、人、交通基礎(chǔ)設(shè)施與網(wǎng)絡(luò)扥諸多內(nèi)容，受此影響，V2X 交互的信息模式也逐漸多樣，除車與車（V2V）、車與路（V2I）外，車與人（V2P）、車與網(wǎng)絡(luò)（V2N）等都是其重要的交互形式[2]（見(jiàn)圖1）。

1.2 C-V2X技術(shù)原理

C-V2X 通信技術(shù)本質(zhì)上是一種車用無(wú)線通信技術(shù)，其是通過(guò)3G、4G、5G 等蜂窩網(wǎng)通信技術(shù)發(fā)展起來(lái)的，在C-V2X 通信技術(shù)中，C 代表了蜂窩。目前，C-V2X 通信技術(shù)包含LTE-V2X 系統(tǒng)和NRV2X 系統(tǒng)兩種主要形式；NR-V2X 系統(tǒng)的應(yīng)用以5G 網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，現(xiàn)階段的應(yīng)用較少，而LTE-V2X 系統(tǒng)以LTE 網(wǎng)絡(luò)為支撐，其在目前應(yīng)用較多，且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了V2V、V2I、V2P、V2N 等過(guò)程的信息交互。相比于傳統(tǒng)的車載服務(wù)系統(tǒng)，C-V2X 通信技術(shù)的應(yīng)用具有低延遲、高可靠性的特征，其在滿足帶寬要求的基礎(chǔ)上，適應(yīng)了復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景的車載服務(wù)需要[3]。

C-V2X 技術(shù)系統(tǒng)不僅包含車載單元OBU、路測(cè)單元RSU，而且涉及行人、基站eNB，此外云服務(wù)器等都是其極為重要的組成部分。在實(shí)際應(yīng)用中，C-V2X 技術(shù)包含集中式和分布式兩種布置形式，其中集中式C-V2X 技術(shù)主要采用廣域蜂窩式布局，而分布式C-V2X技術(shù)采用短程直通式蜂窩布局[4]。在提供車載服務(wù)過(guò)程中，C-V2X技術(shù)下的通信實(shí)現(xiàn)主要依賴于Uu 和PC5 兩種接口形式；其中當(dāng)車載終端、智能手機(jī)等終端設(shè)備支持C-V2X 技術(shù)，且位移蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍時(shí)，可通過(guò)Uu 接口進(jìn)行通信，PC5 接口的應(yīng)用不受蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋限制。

圖1：車聯(lián)網(wǎng)V2X 交互形式

圖2：車聯(lián)網(wǎng)C-V2X 技術(shù)下的應(yīng)用場(chǎng)景模擬

2 C-V2X技術(shù)下的核心技術(shù)應(yīng)用

2.1 Uu接口技術(shù)應(yīng)用

基于Uu 接口完成車載服務(wù)業(yè)務(wù)通信時(shí)，基站往往充當(dāng)著控制中心的角色，即不論是車輛與基礎(chǔ)設(shè)施，還是車輛與車輛，其通信功能的實(shí)現(xiàn)均需要通過(guò)基站來(lái)完成數(shù)據(jù)傳輸。Uu 接口不僅支持大帶寬、大覆蓋通信，而且有效地滿足了Telematics 的應(yīng)用需求。在一定程度上，Uu 接口技術(shù)應(yīng)的應(yīng)用增強(qiáng)了上下行傳輸功能，并對(duì)多接入邊緣計(jì)算功能產(chǎn)生了較大影響。

從上行傳輸過(guò)程來(lái)看，Uu 接口下的上行傳輸可實(shí)現(xiàn)多路半靜態(tài)調(diào)度，這在保證傳輸可靠性的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了上行調(diào)度時(shí)延的控制與縮減。而在下行傳輸中，Uu 接口在考慮通信局部性的基礎(chǔ)上，為小范圍廣播、多點(diǎn)傳輸、多播/組播單頻網(wǎng)絡(luò)功能的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了良好條件。在車載服務(wù)中，一些業(yè)務(wù)需要在超低時(shí)延下，完成超高可靠性的傳輸業(yè)務(wù)需求，如駕駛、高清地圖下載等。此時(shí)基于Uu接口技術(shù)應(yīng)用，C-V2X 技術(shù)能耐較為準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)多接入邊緣計(jì)算，提升車站服務(wù)控制效果。

2.2 PC5接口技術(shù)應(yīng)用

PC5 接口為車輛之間直接通信功能的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了有利條件，在PC5 接口下，車輛之間可以實(shí)現(xiàn)位置、速度、行駛方向等動(dòng)態(tài)變化信息的有效交換，這實(shí)現(xiàn)了無(wú)線資源分配機(jī)制的有效優(yōu)化。一方面，基于PC5 接口的實(shí)現(xiàn)了物理層結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，這在解決多普勒頻率擴(kuò)展問(wèn)題的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了信道快速時(shí)變問(wèn)題，滿足了更高速度車載服務(wù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸需要。另一方面，在PC5 接口下，C-V2X 接收機(jī)和發(fā)射機(jī)能始終保持相互同步狀態(tài)，這對(duì)于網(wǎng)絡(luò)控制及調(diào)取預(yù)配置信息功能的實(shí)現(xiàn)具有積極作用。此外在C-V2X 技術(shù)應(yīng)用中，PC5接口還實(shí)現(xiàn)了資源分配機(jī)制的優(yōu)化，即其不僅可以為調(diào)度式的資源分配方式提供支撐，而且能為終端自主式的資源分配提供便利。

2.3 通信頻段及傳輸模式

通信頻段和傳輸模式的系統(tǒng)管理中，3GPPTR36.785 對(duì)PC5接口協(xié)議進(jìn)行了界定管理。即采用PC5 接口時(shí)，專用載波頻段使用E-UTRA47 類型，該類型下的信道帶寬包含兩種類型，分別為10MHz 和20MHz；我國(guó)車聯(lián)網(wǎng)頻率范圍5905MHz~5925MHz。

TM3 和TM4 是適用于V2V 通信的兩種傳輸模式。其中M3 傳輸模式主要是在eNB 基站的支撐下，利用接口Uu 來(lái)完成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的調(diào)動(dòng)管理的；這種數(shù)據(jù)調(diào)度方式具有一定動(dòng)態(tài)性，要注意的是，在車間資源調(diào)度時(shí)，還要求進(jìn)行PC5 接口通信的靈活使用。而當(dāng)使用TM4 傳輸模式時(shí)，車間的分布算法不僅會(huì)對(duì)V2V 數(shù)據(jù)調(diào)度產(chǎn)生較大作用，而且對(duì)于接口管理具有深刻影響，在實(shí)際管理中，基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的應(yīng)用，可充分實(shí)現(xiàn)與車交互信息對(duì)象之間的時(shí)間同步管理。

3 車聯(lián)網(wǎng)C-V2X技術(shù)的測(cè)試解決方案

3.1 協(xié)議測(cè)試方案

在3GPP 標(biāo)準(zhǔn)中，R14 已經(jīng)對(duì)C-V2X 的兩種通信接口形式進(jìn)行了規(guī)范說(shuō)明，這為PC5 和Uu 接口的應(yīng)用提供了有效支撐。在協(xié)議中，TM4 規(guī)定指出：一旦車聯(lián)網(wǎng)車載服務(wù)系統(tǒng)使用受環(huán)境限制，即區(qū)域內(nèi)無(wú)網(wǎng)絡(luò)覆蓋，此時(shí)需要在GNSS 衛(wèi)星支持下，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)信息的同步管理；并且該信息同步過(guò)程需滿足3GPP 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。針對(duì)這種環(huán)境下的車聯(lián)網(wǎng)C-V2X 技術(shù)應(yīng)用，可采用基于CMW500 和SMBV100A/B 的測(cè)試方案；前者在C-V2X PC5 接口通信協(xié)議測(cè)試中的應(yīng)用較多，而后者多用于GNSS 衛(wèi)星同步功能測(cè)試。新時(shí)期，通過(guò)C-V2X TM4SideLink 測(cè)試方案，不僅能較為方便地完成數(shù)據(jù)的發(fā)射與接收，而且能為數(shù)據(jù)性能測(cè)試提供有效支撐，此外，該測(cè)試方案滿足GCF 認(rèn)證的規(guī)范測(cè)試要求，具有較高適應(yīng)性。

3.2 應(yīng)用測(cè)試方案

從C-V2X 技術(shù)應(yīng)用過(guò)程來(lái)看，其不僅實(shí)現(xiàn)了3GPP 物理層、協(xié)議層的規(guī)范約束，而且對(duì)應(yīng)用層進(jìn)行重新定義。就C-V2X 技術(shù)的應(yīng)用層而言，其側(cè)重于車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景的系統(tǒng)模擬（見(jiàn)圖2）。

由圖2 可知，一旦前車實(shí)施緊急剎車操作，則在PC5 接口的作用下，操作信息會(huì)及時(shí)地傳遞給周邊的其他車輛。人們對(duì)車聯(lián)網(wǎng)C-V2X 技術(shù)下的應(yīng)用場(chǎng)景模擬提出了較高要求，并且我國(guó)進(jìn)一步界定了PC5 接口下C-V2X 技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景，具體場(chǎng)景不僅包含前向碰撞告警FCW，而且涉及緊急制動(dòng)預(yù)警，此外限速預(yù)警等場(chǎng)景均需要C-V2X 技術(shù)作為支撐。在這些場(chǎng)景下C-V2X 技術(shù)的應(yīng)用測(cè)試管理中，可采用R&S 公司與Vector 合作開(kāi)發(fā)的測(cè)試方案。該測(cè)試方案特點(diǎn)包括：

（1）在CMW500 和SMBV100A 平臺(tái)下，開(kāi)展測(cè)試方案應(yīng)用，能有效確保接口協(xié)議的一致性。

（2）在CANoe 軟件下，通過(guò)SAEIEEE 場(chǎng)景模擬，能為C-V2X后期應(yīng)用提供ITS 消息設(shè)置功能。

（3）CANoe 軟件采用Car2x 實(shí)施場(chǎng)景編輯，編輯過(guò)錯(cuò)較為靈活，并且數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、交互較為邊界。

（4）R&S 公司與Vector 合作開(kāi)發(fā)的測(cè)試方案還允許總線鏈接，其接口不僅包含CAN、LIN、MOS，而且涉及FlexRay 及車載以太網(wǎng)接口的應(yīng)用。

3.3 產(chǎn)線測(cè)試方案

新時(shí)期，基于LTE 網(wǎng)絡(luò)的LTE-V2X 系統(tǒng)應(yīng)用逐漸增多，其為人們提供了較高質(zhì)量的車載服務(wù)，在車聯(lián)網(wǎng)C-V2X 技術(shù)應(yīng)用中，還需要在3GPP 的支撐下，對(duì)PC5 接口的產(chǎn)線應(yīng)用情況進(jìn)行測(cè)試。實(shí)際測(cè)試中，可通過(guò)CMWKM570 完成該接口的物理測(cè)試。在非信令模式下，規(guī)范合理地開(kāi)展CMW-KM570 選件控制，能有效完成C-V2X PC5 接口射頻一致性的測(cè)試。在實(shí)際測(cè)試中，基于CMWKM570 還能進(jìn)行多臺(tái)CMW100 設(shè)備的聯(lián)合測(cè)試，測(cè)試效率較高，結(jié)果精度較高。

4 結(jié)語(yǔ)

車聯(lián)網(wǎng)C-V2X 技術(shù)的應(yīng)用智能交通的實(shí)現(xiàn)具有深刻影響。新時(shí)期，人們只有充分理解車聯(lián)網(wǎng)車載服務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)用模式，掌握C-V2X 技術(shù)原理和關(guān)鍵技術(shù)操作要點(diǎn)，并做好車聯(lián)網(wǎng)C-V2X 技術(shù)的測(cè)試管理，合理布局測(cè)試方案，這樣才能確保車聯(lián)網(wǎng)C-V2X 技術(shù)應(yīng)用的高效性、節(jié)能性、舒適性、安全性和智能性，為駕乘人員提供更高質(zhì)量的車載服務(wù)，促進(jìn)智能交通的持續(xù)、穩(wěn)步發(fā)展。