基于5G+C-V2X的車聯網解決方案及驗證

林曉伯，馮 毅，邱佳慧，蔡 超，張 瀾，豐愛松，鄭 圣，金 天，夏小涵（.中國聯通智網創新中心，北京 0008；.中訊郵電咨詢設計院有限公司，北京 0008；.中質智通檢測技術有限公司，江蘇南京 07；.中國聯通江蘇分公司，江蘇南京 0008）

1 概述

智慧交通出行是我國經濟的重要組成部分。隨著社會的發展，人們對交通出行的體驗要求越來越高，安全、便捷、高效的交通系統成為國家發展的重要目標之一。其中以網絡連接、實時通信為基礎的車路協同是智慧交通必然選擇的技術途徑［1］。

在“新基建”“新一代智慧交通”的大背景下，我國基于5G 的車路協同智慧交通發展迅速。2020年2月，11 部委聯合發布《智能汽車創新發展戰略》正式稿；2020 年4 月，工業和信息化部、公安部、國家標準化管理委員會三部門聯合印發了《國家車聯網產業標準體系建設指南（車輛智能管理）》的通知；2021 年國務院發布了《國家綜合立體交通網規劃綱要》，加強交通基礎設施統籌布局、推動車聯網部署和應用；2021 年“十四五”規劃中明確指出“積極穩妥發展工業互聯網和車聯網”。多部委多次聯合發布相關政策法規，傳達出國家推動相關產業融合創新發展的決心，表現出各部委間合力促進車聯網發展的堅定決心［2］。

在國家政策的大力引導下，車聯網產業化發展逐步走上正軌，車聯網標準體系基本建成。通信企業、主機廠、互聯網企業共推智慧交通產品，并已開發了包括安全相關、效率相關及信息服務相關的多種應用，產業鏈中的芯片、終端、平臺、應用等細分產業均快速發展［3］。同時，全國各地均在開展車聯網的業務示范和應用。

但是目前車聯網發展仍然面臨一些問題，首先車聯網產業跨多行業、跨多部委，產業鏈條長，決策鏈復雜［4］，因此存在產業協同難的問題。在管理上，目前車聯網建設呈點狀分布，運營主體不統一，容易形成煙囪式建設和信息孤島，后續難以實現跨域協同以及數據的集約化管理，影響規模化的發展。在成本上，車聯網的路側單元（RSU）如果在市區內連續覆蓋，數量龐大，成本較高［5］。

本文針對車聯網產業中的痛點和難點問題，提出利用5G SA網絡結合移動邊緣計算（MEC）承載車聯網C-V2X 業務，將5G 的廣覆蓋、低延時、高算力特性賦能車聯網行業，借助5G 云網資源，使車聯網在短期內具備規模化、標準化、一體化的應用落地推廣能力，同時有效降低成本，真正形成業務的“一點復制、全國推廣”的建設模式。本文基于上述車聯網業務承載方案進行實地部署和網絡性能測試、C-V2X 網絡覆蓋測試以及業務支撐測試，全面驗證了該方案的可行性以及可靠性，對于車聯網部署和推廣具有積極意義，并且為通信運營商切入車聯網行業提供了經驗。

2 技術背景

2.1 LTE-V2X通信架構

LTE-V2X 是由我國主導的通信技術，于2015 年在3GPP開始標準化工作［6］，支持PC5和Uu 2種通信模式。網絡通信架構如圖1所示，其中，OBU與RSU之間通過PC5 接口通信，稱為V2I（Vehicle to Infrastructure）通信；OBU 之間通過PC5 接口通信，稱為V2V（Vehicle to Vehicle）通信；OBU 與LTE 基站間通過Uu 口通信，稱為V2N（Vehicle to Network）通信［7］。架構中的關鍵網元包括：

圖1 LTE-V2X通信架構

a）路側單元（RSU）：即V2X 路側終端，支持PC5和Uu 2 種通信模式，其中PC5 用于廣播V2I 并接收V2V 消息。同時作為其他路側設備（例如攝像頭、雷達等）的數據網關，RSU 將其他路側設備的數據通過Uu或者有線方式發送至云端V2X應用服務器。

b）車載單元（OBU）：即V2X 車載終端，支持PC5和Uu 2 種通信模式，其中PC5 用于廣播V2V 并接收V2I消息，Uu可將車端數據發送至云端V2X服務器。

c）LTE-V 基站（LTE-V eNodeB）：支持Mode3 模式下PC5空口資源配置，Uu口用于V2N 消息的發送及接收。

d）移動邊緣計算節點（MEC）：為PC5 及Uu 提供邊緣算力，主要用于本地化時延敏感V2X業務處理。

e）V2X 應用服務器（V2X Application Server），主要用于處理應用層的消息，包括數據融合計算，輸出決策信息并播發給路側設備。

f）V2X 控制單元（V2X Control Function），主要用于業務邏輯控制單元，提供PC5口鑒權，設備運維管理等。

2.2 LTE-V2X應用類型

在LTE-V2X 車聯網中，應用類型主要分為安全、效率、信息服務3類［8］。目前在標準中分2個階段定義具體的車聯網應用場景，其中第1階段是初級階段，主要面向車聯網設備間的信息互通，如表1 所示。例如安全類中的緊急制動預警，該場景的通信方式為V2V，即前車在進行緊急制動的同時，聯動車內的OBU向周圍的車輛播發其緊急制動預警消息，該消息傳播距離可以達到數百米，使得視距外的OBU 終端也能收到消息，從而提醒遠端車駕駛員注意實時路況。再如，闖紅燈預警應用場景中，RSU 可以與紅綠燈通信，從而獲取紅綠燈的狀態信息，并將該狀態信息播發給周圍的OBU 終端，如果駕駛員疏于觀察，可提醒駕駛員前方路口是禁行狀態。

表1 車聯網第1階段基礎應用場景及通信方式

隨著路邊設備類型的不斷豐富，將部署激光雷達、毫米波雷達、攝像頭等，可以實現更復雜的車聯網應用，因此標準組織基于第1階段應用場景擴展出第2階段應用場景。在第2 階段應用場景中，借助路邊的多元感知設備，可用于多車協同的交通通行場景，應用場景包括協作式變道、協作式匝道匯入、車輛編隊行駛、特殊車優先行駛、車輛路徑引導等［9］。

2.3 LTE-V2X與LTE技術對比

LTE-V2X 直連通信技術沿用LTE 的基礎思想，但是在協議棧、資源選擇和調度方式、重傳機制以及實際部署方式上均有較大差別［10］。例如LTE-V2X 與LTE 的資源調度方式不同。目前LTE-V2X 行業內主流使用的是Mode4，即自主資源選擇模式。該模式采用的是基于感知的半持續資源選擇（Semi-Persistent Scheduling，SPS）的方式，該模式下LTE-V2X 終端不需要通過蜂窩網基站調度，而是自身根據接收到的信息對已占用的資源進行避讓，使用未占用的資源塊進行數據發送并預約周期性的發送資源［11］。此外LTEV2X 與LTE 的HARQ 重傳機制不同。LTE 的重傳流程是在終端接收到數據幀后，對數據幀進行FEC 校驗并反饋ACK 或NACK，發送端會根據終端的反饋進行重傳［12］。而LTE-V2X 僅支持配置最多1 次HARQ 盲重傳，即LTE-V2X 接收端不會對接收到的消息進行反饋，而LTE-V2X 發送端默認對每個數據包進行最多2次發送［13］。LTE-V2X 與LTE 的部分技術及部署差異如表2所示。

表2 LTE-V2X與LTE部分技術及部署差異

2.4 MEC在LTE-V2X中的應用

車聯網是移動邊緣計算（MEC）的重要應用場景。車聯網中包含多種業務類型，不同業務對網絡要求差異較大。例如，高精度地圖與娛樂類業務需要較大帶寬，而安全類業務則需要低時延網絡。MEC 可以靈活部署在車聯網架構的各個層級，在靠近用戶的位置部署MEC 平臺實現部分網絡服務、計算、存儲、決策能力下沉，從而滿足車聯網的超短時延要求并同時減輕核心網流量壓力［15］。

在5G SA 核心網架構中，通過控制面和用戶面分離，將UPF 下沉到邊緣，實現在5G 核心網架構中的邊緣計算，并且能夠利用切片技術實現不同業務的個性化服務管道，從而支撐不同的車聯網應用，如圖2 所示。

圖2 5G核心網服務化網絡架構

此外，MEC 支持多層級靈活部署，下至每一個路口，上至覆蓋一個城市的大型MEC，均可以靈活部署車聯網應用。中國聯通目前已經在全國各個城市廣泛部署可用于服務車聯網的布局型MEC，為車聯網開展商業化快速部署提供高效算力。

本文以江蘇常州“新一代國家交通控制網智能網聯開放道路測試”車聯網網絡建設方案為例，介紹5G+MEC+C-V2X 的車聯網網絡部署方案，并對網絡部部署性能及業務演示性能進行了測試驗證。

3 車聯網5G+MEC承載方案

3.1 車聯網網絡承載部署

該網絡方案跨兩地部署，其中5G核心網部署于南京，而5G 基站和承載V2X 業務的MEC 位于常州，核心網和基站通過IP 承載網連接，如圖3 所示。在該架構下，控制信令和用戶數據分離，業務數據通過UPF 分流至本地的V2X 應用服務器，從而保證低時延，且業務流量不經過核心網，減輕了核心網業務處理壓力。

圖3 5G SA+MEC網絡部署架構

在測試場側，共部署8 個5G 基站及15 個RSU 設備，RSU 北向通過5G 訪問V2X 應用邊緣服務器，南向通過以太網連接其他路側設備。其中RSU 實際部署點位如圖4所示，1～15代表本次部署的15個RSU 的部署位置。其中應用序號①②③④⑤⑥本次6個關鍵場景，其中RSU3、5、7、9、12、14 配合完成場景演示，其余RSU 均提供云端信息下發和基礎地圖數據下發的功能。

圖4 RSU部署位置及車聯網應用觸發位置

應用序號與具體應用的對應關系如表3所示。

表3 應用序號與具體應用對應關系

該網絡方案包含5G 承載網絡部署、LTE-V2X 覆蓋網絡部署及業務應用部署的端到端C-V2X 車聯網整體實驗環境，模擬未來實際商用環境，測試結果具有應用實踐價值。該網絡方案相比于4G 承載方式更具優勢，4G 采用傳統集中式部署的云控中心，業務部署位置距離用戶較遠，無法對時延、帶寬、可靠性等提供保障，此外在可擴展性及經濟性方面也無法適應業務規模化推廣的需求。

3.2 路側設備部署

在路側設備部署過程中，抱桿上一般會同時部署多個設備，包括RSU、攝像頭、毫米波雷達、激光雷達等［16］。在實際部署中，上述設備均直接與抱桿箱中的交換機連接，如圖5所示，并進行設備物理接口的地址配置，使其組成本地局域網絡。而RSU 作為其他設備的網關設備，南向收集同一抱桿上的其他設備的數據，北向通過5G訪問MEC服務器。

圖5 設備實際部署方式

4 測試驗證

4.1 網絡能力測試

網絡測試主要是測試5G∕V2X 雙模RSU 與邊緣云服務器之間的通信時延，采用ping 測試方式。實測結果如表4 所示，最大往返時延14.8 ms，最小往返時延11.2 ms，平均往返時延11.78 ms；最大單向時延7.4 ms，最小單向時延5.6 ms，平均單向時延5.89 ms。

表4 RSU設備至邊緣云服務器之間通信時延

車聯網業務對于時延敏感度較高，根據3GPP TR 22.885定義的車聯網應用場景，在輔助駕駛類業務中，如主動安全（例如碰撞預警、緊急剎車等）、交通效率（例如車速引導）、信息服務等，對于時延的要求均在20～100 ms，因此5G+MEC的承載網絡目前可以滿足車聯網業務對時延的要求。

4.2 LTE-V2X覆蓋測試

車聯網通信場景較多，包括高速、城區、隧道、高架橋、環島、停車場等，不同場景由于遮擋、RSU 部署位置等環境因素導致通信性能差異較大。RSU 在實際部署后，應進行實地測試，從而驗證車聯網網絡的有效覆蓋范圍，將其作為工程驗收的標準和依據。本文以路測的形式，對整個測試場覆蓋進行測試，此外針對某一特定RSU，驗證其在高速場景下的覆蓋能力，能夠為以后類似場景的RSU 設備大規模部署提供工程經驗。

本次測試場路測結果如圖6 所示，大部分區域都有LTE-V2X 信號覆蓋，RSRP 值主要集中在-120～-105 dBm。個別地區由于環境遮擋、RSU 部署位置等因素導致出現覆蓋盲區。而部分地區雖然相對距離較遠，但是由于傳播條件較好，信號強度較高。

圖6 測試場整體LTE-V2X網絡RSRP熱力圖

由于該測試場整體環境開闊，可以作為典型的高速車聯網通信場景，因此本文在測試中針對高速場景進行了打點測試。圖7中標識了測試場中用于高速直道打點測試的RSU 以及相應的路段，其中紅色箭頭指示的是車輛前進方向。

圖7 高速場景地圖視角

該路段周圍無建筑物，環境開闊，符合高速場景的測試條件。RSU部署在道路龍門架上

測試使用的測試設備是支持直連通信的終端設備，并支持輸出一系列網絡指標如RSRP、RSSI、SNR及收包率。被測RSU 部署高度約10 m，發送功率為23 dBm，天線增益為6 dBi。配置被測RSU 發送V2X消息，每個包大小約為150 B，包與包之間的發送頻率約為100 ms。測試方法為打點測試，沿高速道路向北逐漸拉遠，在每個測試點配置被測RSU 發送5 000 個數據包，并通過測試設備統計收包率，測試結果如圖8所示。

圖8 高速直道帶打點測試結果

在前0～800 m 的過程中，平均收包率為95.65%，且比較穩定，可以視為良好覆蓋路段。通過路口以后，收包率波動較大，在1 200 m 位置，仍能夠達到最高92.95%的收包率。而到達1 300 m 后，收包率就降為0。后半段收包率的折線圖如圖9所示。

圖9 高速直道后半段打點測試結果

從圖9 可以看出整體波動比較大，可能與周圍大型車輛經過導致傳播環境發生劇烈變化有關。圖9中紅色虛線展示的是丟包率與距離的變化趨勢。

根據高速場景的測試結果，主要結論有以下3點。

a）RSU在高速路段覆蓋距離可以達到1 km。

b）在覆蓋極限距離附近會出現抖動，可能與周圍環境變化有關。

c）在覆蓋極限區域會出現明顯的丟包拐點，即丟包率與距離的變化并不是線性的。

根據以上實測情況，給出高速場景RSU 的部署建議如下。

a）考慮覆蓋質量及經濟實用性，兩RSU 之間距離應在1.5 km左右。

b）RSU的部署高度應在10 m以上，從而減少大車對于RSU信號的遮擋。

4.3 V2X應用測試

本文驗證了承載于5G 網絡的LTE-V2X 應用運行情況。基于現場5G 網絡環境、MEC 應用部署以及車聯網終端設備，在常州測試場落地并驗證了包括車速建議、闖紅燈預警、后方快速車輛預警、超速提醒、十字路口碰撞預警、緊急車輛提醒、彎道提醒、路面濕滑預警、道路施工預警等車聯網應用。

以車速建議為例，在設備部署上，將信號燈或信號燈的相位機與RSU 相連，使得RSU 獲得信號燈的相位信息。相位信息即包含當前信號燈狀態及所剩的時間。RSU 將信號燈相位信息轉換成SPAT（Signal Phase Timing Message）消息播發給周圍的車輛OBU 終端。車輛終端會根據自身行駛方向、行駛速度以及紅綠燈相位信息計算出可通過綠燈的最低速度或者應立即制動從而在紅燈前停住車輛。

另以道路施工預警為例，在設備部署上，攝像頭與RSU 相連，并將視頻信息實時發送給RSU，如圖10中①所示。RSU 通過Uu口將視頻信息實時經由5G 網絡發送至V2X應用服務器，如圖10中②所示。V2X應用服務器實時對監控視頻進行圖像分析，如果發現道路上出現類似施工特征，如三角錐、施工警示牌等，將告知RSU，如圖10中③所示。RSU通過組織BSM消息將施工情況播發到周圍車輛，如圖10 中④所示，消息覆蓋范圍可以達到500～1 000 m。因此在該場景下，視距外的車輛可以提前收到前方施工消息，從而避免事故發生。

上述案例是LTE-V2X、5G、MEC 共同協同的結果，在5G+MEC 網絡的支撐下，上述案例均能夠正常實現相應功能，在時效性上與固定網絡無明顯感知差異。隨著5G網絡向R16演進，uRLLC超低時延將可以更貼近于車聯網業務需求，為車聯網提供多元化、定制化的網絡管道。

5 總結及建議

車聯網產業正在蓬勃發展，政府、企業、院校都積極參與到我國車聯網發展浪潮當中。中國聯通較早開始進行車聯網相關研究及產品化工作，并持續關注車聯網產業，從產品、規劃、建設、優化等方面切入車聯網行業。本文提出了5G+MEC 承載車聯網的網絡方案并實地部署，進行了網絡測試、LTE-V2X 覆蓋測試以及應用測試，測試結果符合預期，是運營商在車聯網行業一次全面的探索與實踐，為日后規劃部署提供了寶貴經驗。