基于直連通信與移動網絡協作的車聯網信息服務技術

李儼，封翔

（1.高通無線通信技術（中國）有限公司，北京 100013；2.是徳科技（中國）有限公司，北京 100102）

0 引言

自2014 年基于蜂窩通信技術的車聯網的概念提出以來，中國一直在全球范圍內領跑C-V2X（蜂窩車聯網）的技術研發、標準制定、技術試驗和產業推進。特別是2018 年10 月，工業和信息化部發布了《車聯網（智能網聯汽車）直連通信使用5905—5925MHz 頻段管理規定（暫行）》[1]，在全球范圍內率先為C-V2X 分配了專用頻率，極大地調動了交通行業和汽車產業在C-V2X 技術上的投入，加速了C-V2X 的商用部署。2020 年12 月，紅旗E-HS9成為全球首款支持C-V2X 的量產車型[2]，在多個C-V2X通信場景下實現了輔助預警。迄今為止，已有10 余家品牌車廠推出了裝載C-V2X 功能的量產車型。2019 年起，眾多城市開始部署基于C-V2X 的路側設備（RSU,Road Side Unit），目前國內建設的智能網聯測試區、示范區、先導區已經超過50 個，累計有3 500 多公里的智能化道路實現了升級，部署了4 000 多臺的路側通信單元[3,12]。根據中國智能網聯汽車創新聯盟給出的時間表，在2022年之后C-V2X 將進入發展期。根據《C-V2X 產業化路徑和時間表研究白皮書》，2025 年國內C-V2X 車載終端的前裝滲透率將達到50%；路側設施規劃至2025 年實現在典型城市和高速公路覆蓋范圍的擴大[4]。

C-V2X分為直連通信（PC5）和網絡通信（Uu）兩種模式。汽車主機廠商希望使用直連通信模式提供基礎安全類應用來提升道路交通安全和通行效率[5]，而移動網絡運營商和一些城市交通管理部門則希望通過網絡通信模式讓車聯網應用得到快速普及。自2017 年起兩種模式在中國都得到了應用和發展，直連通信模式由于無需移動網絡的參與，汽車廠商和道路建設和運營者完全可控，故而得到了快速的部署和發展；而網絡通信模式逐漸展現出的一些弊端，制約了主機廠商在量產車型上部署網絡通信模式的車聯網應用。

1 直連通信與網絡通信是車聯網的兩種模式

車聯網通常指的是C-V2X，即蜂窩車聯網。C-V2X是目前唯一一項遵循全球3GPP 標準的V2X 技術，早在2016 年9 月，3GPP 就已經制定了C-V2X 的先期版本，不過其重點只是車與車（V2V）的通信。直到2017 年6月，3GPP 在R14 完成了C-V2X 標準化規范，涉及車與車（V2V）、車與人（V2P）、車與基礎設施（V2I）、車與網絡（V2N）的通信[15-17]。

蜂窩網絡通信模式下的車車通信如圖1 所示。車輛將自己的速度位置和行駛狀態通過Uu 接口上報給網絡，網絡將所接收到的車輛的信息匯總之后再通過Uu 接口發給目標車輛，進而通過V2I2V 的方式實現車和車之間的通信。通過網絡的輔助，目標車輛可以獲取周邊道路參與者的詳細信息。網絡還可以整合道路設施的信息，比如路口信號燈的相位信息和配時信息，并通過Uu 接口一并發給目標車輛。Uu 模式由于需要網絡側的中轉，所以車到車的時延相對較高，不適宜做碰撞預警等安全類應用，但Uu 模式可以依賴4G 和5G 網絡的大容量和高帶寬，傳送比如道路地圖等較大數據量的信息。同時Uu 模式不受距離的限制，因此可以向目標車輛發送諸如“2 公里外有交通事故”一類的信息，幫助車輛提早進行路線規劃。

圖1 蜂窩網絡通信模式

直連通信模式如圖2 所示，所有車輛、道路基礎設施和其他道路參與者都在一個公共頻段上將各自的位置、速度、方向、行駛意圖或者交通信號等信息廣播出來，通過接收周圍PC5 設備發送的信息，車輛可以獲取周邊道路參與者的空間信息和行駛狀態以及道路設施的信息，進而對可能發現的道路危險進行判斷，并提醒駕駛者及時采取措施以避免事故的發生。由于不需要經過蜂窩網絡中轉，直連通信能夠讓車輛更快感知周邊環境并做出響應，有助于駕駛安全，因此得到眾多汽車廠商的認可，并基于PC5 模式開發基礎安全類的應用[13,18-20]。現在世界上絕大多數國家都計劃在5.9 GHz 頻段上部署車聯網直連通信[14]。我國規定車載單元（OBU,On Board Unit）和路側設備（RSU,Road Side Unit）共同使用5 905—5 925 MHz 頻段上的20 MHz 帶寬進行直連通信[1]。

圖2 直連通信模式

中國汽車工程學會于2017 年9 月發布了CSAE-53《合作式智能運輸系統 車用通信系統 應用層及應用數據交互標準(第一階段)》[6]，詳細定義了17 種車聯網應用，其中16 項是基于PC5 的V2V 和V2I 應用。現在國內部署的車輛和路側設備都是參照CSAE-53 的2020 年修訂版或者其等同標準YD/T 3709-2020[7]。

2 區域性服務制約網絡通信模式的應用

網絡通信模式由于網絡中轉時延較高而不適合于承載基礎安全類的應用，但是可以用于對實時性要求不高的I2V 應用，比如道路危險狀況提示、限速預警、闖紅燈預警、綠波車速引導、車內標牌和前方擁堵提醒等。網絡通信模式不需要額外部署路邊基礎設施和支持PC5的OBU，因此可以得到快速推廣。

身為其中的“先頭兵”，無錫早在2018 年便開始正式啟動無錫車聯網（C-V2X）城市級示范應用項目（一期）和國家智能交通綜合測試基地建設；2019 年，無錫獲工信部支持建設全國首個國家級車聯網先導區；2021 年，無錫又成為國家智慧城市基礎設施建設與智能網聯汽車協同發展首批試點城市（以下簡稱“雙智試點”）。據了解，無錫現已完成450 平方公里、856 個點段智能化改造，部署路側通信單元、毫米波雷達、邊緣計算設備等智能路網設施達1 200 余套。目前，無錫298 個路口均已實現在百度地圖上信號燈在線導航，將向支持Uu 模式的車型提供信號燈倒計時、行人預警等道路信息服務[7,9]。

網絡通信模式的車聯網應用需要車輛連接到網絡服務器上獲取整合后的道路和交通信息。由于信息安全問題及信息的時延問題，現在不存在全國性的交通信息服務器獲取入口，各地管理機構獨自維護各自的本地信息，彼此之間沒有共享。由于云端服務器入口在各地都不相同，汽車廠商在設計車聯網應用時，很難準確獲取和維護各地的信息服務器地址并將服務器地址及時更新到車輛中，故而制約了網絡模式的應用的推廣。

盡管大部分汽車廠商在設計車聯網應用的時候會首先考慮直連通信，在一些已經能夠將信號燈信息聯網但尚未完成利用PC5 對路口信號機智能化改造的城市和路口，車輛仍然希望利用網絡模式獲取路口的信號燈相位信息和配時信息進而實現I2V 應用，但前提是必須要讓車輛提前獲取信息服務器的地址。為此設計了直連通信與網絡通信融合的雙模協作模式。

3 直連通信與網絡通信融合的雙模協作模式

既然使用網絡通信模式獲取信息服務的難點是如何獲取當地的信息服務器入口地址，那么可以利用直連模式區域化廣播的優勢，在當地城市的主要入口和流量大的地區，利用RSU 廣播當地信息服務器的入口地址。因為PC5 功能在車輛行駛時是一直開啟的，所以當車輛進入PC5 RSU 的覆蓋范圍時，車輛即會自動獲得本地業務指示、業務的服務器URL 以及業務的位置信息推送。車輛獲取到PC5 RSU廣播的信息后，可將信息臨時存儲起來，當車輛行駛到業務區域后或有相關業務需求時，可使用Uu 接口訪問本地服務器，獲取本地車聯網信息服務。圖3 是直連通信與網絡通信融合的雙模協作模式的工作示意圖。

圖3 直連通信與網絡通信融合的雙模協作模式

4 直連通信與網絡通信融合的雙模協作模式下的典型應用

當車輛具備通過PC5 接口獲取當地信息服務器入口的能力之后，可以利用RSU 廣播其它消息來支持更加豐富的融合類應用。下面介紹一些直連通信與網絡通信融合的雙模協作模式下的典型應用[10]。

4.1 信號燈信息獲取

在現有的單獨使用PC5 或Uu 的方案中，信號燈信息可用PC5 或Uu 方式之一獲取。在采用融合方案后，車輛可以結合兩種獲取方式，即在PC5 覆蓋范圍內，優先使用PC5 方式獲取信號燈信息，同時PC5 RSU 推送本地Uu 方式信息服務器的云端接入地址，車端OBU 收到后，將Uu 的接入方式儲存起來。當車輛駛離PC5 覆蓋區域后，車輛使用儲存的Uu 接入方式持續獲取信號燈信息，實現信號燈信息的全域可用。

4.2 地圖下載

地圖信息（包括與地圖相關的動態信息，如交通參與者、交通擁堵狀況等）一般儲存在本地服務器中，具有區域屬性。地圖下載應用通過在PC5 消息中廣播地圖服務器的入口信息，輔助車輛在需要時能夠通過Uu 方式連接本地服務器下載本地地圖。

4.3 區域性信息服務

區域性信息僅在本地特定范圍內有效，內容包括加油站、旅游景點、本地交通事件、臨時交通管制信息等本地特有的區域性交通及服務信息，可由PC5 RSU 廣播此類本地服務的服務器的入口信息，使車輛可獲得區域相關的服務。

4.4 數據業務引導

餐飲、商場、互聯網等增值業務提供商通過PC5 RSU廣播其商業推廣信息（如促銷活動、優惠券等），類似于播發廣告，播發的內容也同時包含其業務的獲取方式，如活動介紹、所在位置區域、接入的URL 等。車輛接收到此類消息后，可先將此類信息儲存起來，當行駛至服務可達的區域后，可向車主進行提示，并可依據之前儲存的信息訪問本地服務器，進行消費活動。通過PC5 RSU 的數據業務引導服務，增加了增值業務提供商的業務流量入口。

4.5 路況環境感知

路況環境感知（擴增傳感）是當車輛行駛在道路上時，能夠通過V2X 獲取周圍碰撞預警/ 相關應用業務的移動特征信息（比如車輛位置、速度、加速度、方向，或其它智能裝置的移動特征等）或是與通行相關的路段信息（比如路面狀態、路口有無信號燈、緊急施工、突發事故、擁塞情況等）并顯示給用戶。當車輛使用PC5 與鄰近車輛進行車車直連時，無需借由RSU 通訊；當車輛間無法建立PC5 直連通訊時，可由RSU 協助；進一步當車輛無PC5 時，可由Uu 獲取應用業務，實現路況環境感知。

該應用擴展了車輛對鄰近路況/ 前方路況信息的感知范圍，可應用于車輛碰撞預警與控制、行駛路線規劃等目的，提高行車安全可靠性與通行效率，圖4 為路況環境感知場景示意圖。

圖4 路況環境感知場景示意圖

4.6 無線連接發現

無線連接發現指的是車輛通過PC5 RSU 廣播信息獲取本地附近（商場、停車場或服務區等）可以提供特定服務的無線連接網絡信息（連接方式、覆蓋范圍和服務列表等）。車輛獲取到無線連接發現信息后，根據需要獲取的服務類型，在有效的服務區域內連接到相應的無線設備（基站、WLAN、藍牙、ZigBee、UWB 和RFID 等），進而可以獲取由本地網絡提供的服務，如室內定位、進出場路徑引導和空閑車位信息等。該應用使得網聯車輛可以自動地連接到第三方提供的本地服務的無線網絡中，并獲取相應的服務，使RSU 運營者可以獲取服務收益分成。

5 標準化與實施

為充分發揮各地交通信息平臺的作用，尤其是讓支持網聯功能的汽車在尚未完成路口PC5 信息化改造的地區也能夠及時獲取信號燈相位和配時等交通信息，高通無線通信技術（中國）有限公司和北京星云互聯科技有限公司于2021 年9 月在TIAA（中關村車載信息服務產業應用聯盟）發起立項，制定TIAA 團體標準《基于直連通信與移動蜂窩雙模協作的車聯網信息服務技術要求》。眾多TIAA 成員單位尤其是諸多汽車廠商也參與了該標準的制定，并于2022 年9 月通過評審。該標準提出了基于直連通信與移動蜂窩雙模協作的車聯網信息服務總體架構，規定了其典型應用及流程、PC5 應用層消息定義、RAM消息（Roadside Advertisement Message，路側通知消息）發送要求。該標準的發布，將推動直連通信與移動蜂窩雙模協作的車聯網信息服務功能的開發、驗證及應用。

高通公司于2019 年2 月發布了驍龍汽車4G/5G 平臺[11]，現在這兩個平臺正被全球汽車廠廣泛用于量產車型中。這兩個平臺均支持C-V2X PC5 接口和4G/5G Uu 接口，汽車廠商和供應商可以在該平臺上開發符合TIAA 團體標準的PC5 和Uu 融合解決方案，并提供更加豐富的車聯網應用。

6 結束語

直連通信與網絡通信是車聯網的兩種模式。C-V2X直連通信正在被眾多汽車廠商裝載到量產車型中，支持基礎安全類應用。網絡通信模式由于區域性服務的特點，限制了其在量產車型中的應用。PC5 與Uu 融合解決方案首次將兩種車聯網通信形式相結合，有效地利用了兩種技術的優勢，解決了PC5 覆蓋范圍有限，而Uu 服務無法獲取本地接入方式的問題。

現TIAA 已經完成了直連通信與網絡通信融合相關標準的開發，正待發布。相信TIAA 團體標準《基于直連通信與移動蜂窩雙模協作的車聯網信息服務技術要求》的發布將為C-V2X 帶來更廣闊的發展前景，會有更多基于融合協同方案的應用被開發出來，并應用于量產車型中，為駕乘人員提供更大的便利和安全保障。