基于蜂窩通信車聯網系統的車路協同應用場景測試方法

董金瑋 苑壽同 龍 騰

(中汽研智能網聯技術(天津)有限公司，天津 300393)

0 前言

隨著智能互聯技術研究的不斷進步，車聯網(V2X)技術作為一種新興的汽車網聯通信技術已得到業界廣泛認可。V2X 技術的應用場景主要包括以下4類：車與車(V2 V)、車與路側基礎設施(V2I)、車與行人(V2P)及車與網絡(V2N)[1]。

在V2X通信技術發展衍變過程中，主要有2 種實現方式：①以國際芯片廠商高通主導的無線專用短程通信技術(DSRC)；②由中國車路協同廠商大唐與華為主導的基于第三代移動通信(3G)/第四代移動通信(4G)/第五代移動通信(5G)蜂窩網通信技術演進形成的蜂窩車聯網(C-V2X)通信技術。車用無線通信技術以以下2 種通信傳輸接口為主：①針對短距離直接通信在車、路、人之間傳輸的接口(PC5)；②在基站和終端之間實現長距離直接通信傳輸的車與云端接口(Uu)。C-V2X 通信技術同時是具備5G通信，包含長期演進網絡R14 版本的車聯網技術(LTE-V2X)和基于5G 網絡的車聯網技術(5GV2X)。基于5G通信特點，LTE-V2X傳輸支持向5G-V2X平滑演進。車聯網V2X 通信架構如圖1所示。

圖1 車聯網V2X 通信架構

2020年2月，國家發展和改革委員會發布的《智能汽車創新發展戰略》提出，至2025年底，C-V2X 在中國的覆蓋率將達到90%。2021年12月，工業和信息化部批準的全國第2個先導區“天津(西青)國家車聯網先導區”一期車路協同環境建設工程已基本完成，為車路協同應用場景的測試驗證、標準規范的制定提供了重要的研究平臺。

C-V2X作為智能網聯汽車無線通信的關鍵技術，對應的測試工作也是先導區的重要工作之一。本文在天津先導區車路協同環境建設的基礎上，對CV2X 測試方法進行了研究，并對測試標準進行了分析。

1 發展與應用

1.1 C-V2X演進路線

為了支持多樣化的車聯網應用，開展了C-V2X 關鍵技術和行業標準的研究。C-V2X 的標準化準則主要分為以下3個階段。

(1)2017年5月，完成了基于長期演進(LTE)的第3代合作伙伴計劃(3GPP)V2X 標準化工作，主要面向實際道路安全的業務通信需求，制定了5.9 GHz頻段的C-V2X 底層直通蜂窩通信協議(PC5)接口通信方式。

(2)2018年6月，完 成 了3GPP 對LTE-V2X 的增強標準化工作，主要是在PC5 接口引入了高階調制及載波聚合等技術，提升了數據的傳輸速率，降低了時延，同時在5G 標準的制定上，著重提出了增強移動式車路協同場景。

(3)2018年6月，啟動了基于5G 新空口-車用無線通信(5G NR-V2X)技術的3GPP 具體研究內容，重點是面向5G 車路協同V2X 業務，研究基于5G NR 的PC5接口技術和Uu 增強技術。

1.2 C-V2X技術架構

C-V2 X 技術應用場景既要包含帶有基站的蜂窩場景，也要涵蓋無蜂窩網絡覆蓋無基站的場景，其技術架構目前主要有2 種方式：集中式和分布式[2]。其中，集中式技術架構需要借助Uu接口來實現基站與設備終端的長距離通信；分布式技術架構主要以PC5接口作為設備間通信的基礎。2 種方式彼此交叉使用，共同作用于車路協同數據信息傳輸，同時也建立起車路協同的冗余機制，確保數據傳輸的可靠性。

1.2.1 PC5接口關鍵技術

作為V2X 通信技術實現長距離傳輸的主要接口，PC5接口的機制主要圍繞點對點的通信技術，尤其是在車輛間的通信傳輸技術展開，其應用場景較為復雜多變，并存在快速動態變化。此外，除了已開展的自動駕駛應用場景，針對車輛動態環境數據感知、車輛編隊行駛等在內的未來更為先進的場景，PC5技術都將得到更為廣泛的應用。目前，PC5技術主要在以下3個層面進行增強。

(1)車聯網物理層架構增強。增強后最高支持500 km/h的車輛相對移動速度，同時能夠解決高頻率的信息傳輸和信道快速時變的問題。

本文使用MATLAB仿真軟件對考慮風速、風向變化及機組間尾流效應的風場模型進行仿真。風電場內運行16臺1.5 MW雙饋異步風力發電機,機組間距離均為300 m,風機葉片半徑為31.5 m,風輪中心點高度為70 m,風機額定風速為13 m/s。考慮到海面相對平穩,本文采用修正后的Jensen地形平坦模型計算尾流風速。威布爾分布用于模擬所選風電場風塔測量的風速。仿真結果表明,當α=7,β=2時,仿真曲線符合實際

(2)高精度定位增強。與全球衛星導航定位系統(GNSS)進行同步，保證數據的傳輸性能，確保數據的發送和接收在傳輸過程中保持同步。

(3)資源分配機制和擁塞控制機制的增強。使PC5接口既支持集中調度式的資源分配方式(Mode3)，也支持終端分布式的資源分配方式(Mode4)。

1.2.2 Uu接口關鍵技術

作為C-V2X 通信技術中實現短距離傳輸的接口，Uu 接口采用集中式的分配方式，實現車輛、基礎設施和手持終端之間的信息傳輸，以基站為中心，實現數據的中轉。此外，在Uu空口技術層面，也對C-V2X 作了增強，具體分為以下2個方面。

(1)數據上下行傳輸切換增強。數據上行傳輸以半靜態調度為核心，支撐對應的通信業務。既能縮減上行調度的時延，也保證了業務傳輸的高可靠性[3]。基于V2X 業務的區域通信特點，針對數據下行傳輸，在Uu空口增加了低延時的單點到多點傳輸，以及多播/組播單頻網絡的數據傳輸。

(2)邊緣計算的應用擴展。雖然Uu接口在點對點信息傳輸中的數據消耗弱于PC5，為適應超低時延與超高可靠性傳輸的車聯網通信，如自動駕駛、實時高清地圖下載等，基于C-V2X 業務的Uu接口技術加入了多接入邊緣計算節點(MEC)。大規模部署的邊緣計算節點可降低信息傳輸的損耗。

1.3 C-V2X典型應用場景

(1)信息服務類應用場景。信息服務是用戶提高乘車體驗的重要應用。目前主流的信息服務應用場景仍是圍繞緊急類呼叫來呈現，即當車輛出現緊急狀況時，車輛能手動或自動對外發起求助。

(2)交通安全類應用場景。該類應用場景在一定程度上降低了交通事故的發生，能最大程度地減少事故帶來的人身危害和財產損失等。典型的C-V2X 交通安全應用場景包括前向碰撞預警和交叉路口碰撞預警等。

(3)交通效率類應用場景。該類應用場景對緩解道路交通擁堵和提高道路通行質量具有重要的意義。典型的應用場景如綠波車速引導等。

2 室內互聯互通協議一致性測試

互聯互通測試是車聯網偏向底層通信協議一致性的測試，主要驗證分組數據匯聚協議(PDCP)、無線鏈路控制協議(RLC)、遠程資源控制協議(RRC)和安全協議等互聯互通協議的兼容性。本文基于天津國家級車聯網先導區規劃的典型場景，在試驗室環境下進行協議一致性測試，測試環境如圖2所示。

圖2 車聯網V2X 通信協議一致性測試

室內互聯互通協議一致性測試包含以下2 方面內容。

(1)路側單元(RSU)/車載單元(OBU)接收信息測試。具體的測試步驟為：①從消息庫中隨機選擇5類消息(包括基礎安全消息(BSM)、路側消息(RSI)、交通燈相位與時序消息(SPAT)、路側安全消息(RSM)和地圖(MAP)消息)中的若干條信息[4]，通過上位機軟件將所選消息由測試系統進行發送。若被測實體是OBU 時，發送全部5類消息，若被測實體是RSU 時，僅發送BSM 消息。②被測實體將接收到的消息進行解析，輸出經ASN.1解碼器解碼后的結構化數據(數據格式由參與測試單位自定義，但要求全部數據元素具備可讀性)。③比對測試用例消息與被測實體解析消息內容一致性。

(2)RSU/OBU 發送信息測試。其測試步驟為：①被測實體發送所公示的消息，由測試系統進行接收。若被測實體是RSU 時，發送RSI、SPAT、RSM 和MAP消息；若被測實體是OBU 時，僅發送BSM 消息。②測試系統將接收到的消息進行解析，輸出經ASN.1解碼器解碼后的結構化數據到上位機軟件。③比對被測實體所發消息與測試系統解析消息的內容一致性。

目前，國內參與OBU/RSU 測試的廠商有華為、大唐高鴻、星云互聯、高新興、海康智聯和希迪等公司。經過測試，各廠商均實現了OBU 與RSU 協議的互聯互通功能。

3 外場車路協同功能場景測試

V2X車載終端包括通信模塊、信號處理模塊，以及人機界面(HMI)交互接口。通信模塊負責PC5與Uu之間進行通信；信號處理模塊負責對接收的附近車輛信息進行處理，識別出異常的車輛或危險狀況；HMI交互接口負責在發現危險情況下，第一時間向駕駛員進行提醒。

通過前方道路擁堵提醒(TJW)場景，可以簡要說明外場車路協同測試的整體流程。TJW 是指當主車行駛前方發生交通擁堵狀況時，RSU 將擁堵路段信息發送給主車，并對駕駛員進行提醒的場景，如圖3所示。

圖3 TJW 場景示意圖

通常，外場車路協同功能場景測試的流程如下：①測試前確保主車和擁堵測試通信正常，車輛剎車系統功能正常；②沿路口直線正向，主車以60 km/h行駛；③記錄主車TJW 功能報警時間，同時記錄碰撞時間(TTC)；④記錄各設備廠商提示前方擁堵語音與實際擁堵距離，以及提示的不同類型車輛的狀態；⑤根據測試數據對測試設備進行詳細評價。

4 結語

作為車路協同應用場景實現的一種主流技術方案，目前C-V2X 技術已得到國內外多家設備廠商的支持。基于天津(西青)國家車聯網先導區車路協同環境建設，本文對C-V2X 相關測試技術進行了研究，并對復雜的車路協同應用場景測試標準進行了分析。

在未來幾年，C-V2X 測試技術的深入化、測試標準的規范化及測試場景的拓展都將是業內重點關注的課題。