适用于车联网应用的移动通信网络

王 艺，邓佳佳，林 毅

（中国电信股份有限公司上海研究院 上海200122）

1 车联网中的通信技术概述

按照互动百科网站的定义，车联网系统是指利用先进传感技术、网络技术、计算技术、控制技术、智能技术，对道路和交通进行全面感知，实现多个系统间大范围、大容量数据的交互，对每一辆汽车进行交通全程控制，对每一条道路进行交通全时空控制，以提供交通效率和交通安全为主的网络与应用。车联网是目前国内业界的一个热点，但国际上谈及更多的是智能交通系统（intelligent transportation systems，ITS），但无论是在 ITS 中，还是在车联网中，通信技术的合理运用都至关重要。

按照通信交互对象的不同，车联网中的通信场景大致可以分成V2V、V2R和V2I 3种。V2V是车辆之间的通信，V2R是车辆与道路的通信，V2I是车辆与后台设施的通信。每种场景针对的应用不同、需求不同，会采用不同的通信技术，如红外通信、WLAN、DSRC、移动通信网络（蜂窝网络）、地面广播、卫星广播等。从传输距离看，这些通信技术主要分为短距离传输和中远距离传输两大类。短距离传输主要应用于V2V和V2R场景，中远距离传输主要应用于V2I场景。通信作为ITS技术基础的三大核心要素（信息、通信和集成）之一，相关的通信标准化工作一直在进行中。

ISO/TC 204，作为ISO组织内关注ITS的标准组织，设立了WG16，研究ITS所涉及的广域通信体制和标准。ISO 21217标准提出了CALM （communications access for land mobiles，地面移动通信访问）的概念，并描述了CALM框架。CALM框架使用了各种接入技术，包括有线技术和各种无线技术，如 2G、3G、卫星、红外、5 GHz微波、移动无线宽带技术等，实现ITS体系中的移动站点之间、移动站点和固定站点之间、固定站点之间的广播、多播和单播通信。但这些接入技术本身大都已由其他标准组织制定。事实上，CALM是一个从ITS需求角度出发，制定通信协议、程序以及管理流程的集合。其目标如下：

· 满足多种不同的通信需求，如Internet访问或有严

格时延要求的高优先级数据传输等；

· 满足不间断访问的要求，既包括同一种接入技术内部的切换机制，又包括不同接入技术之间的异构切换机制；

·满足应用独立于各种接入技术的需求。

ISO 21217标准中有大量不同类型的通信技术的应用。既有基于5 GHz微波的M5，也有代表当前移动通信网络技术的2G和3G。其中M5基于Wave技术并考虑了全球5 GHz频谱的适用性，同时增加了满足CALM框架要求的其他功能实体。从全球来看，目前主要国家和地区已经基于IEEE 802.11p（Wave）技术制定了各自的专用短程通信（dedicated short range communication，DSRC）标准。目前国际上已形成以欧洲CEN/TC278、美国ASTM/IEEE、日本ISO/TC204为核心的DSRC标准化体系。TC278及TC204选择5.8 GHz作为DSRC通信频率，ASTM/IEEE频率为5.8~5.9 GHz。我国目前采用的是源于ISOTC204（国内编号为 SAC／TC268）的 5.795~5.815 GHz ISM频段。由于DSRC技术针对车辆的高移动性和数据传输的高可靠、低时延等需求进行了优化，适合应用在V2V和V2I场景，尤其是一些和安全相关的场景。例如，根据美国交通运输部的报告，违反交通信号灯指示的时延要求是小于100 ms；车辆防碰撞指示的时延要求是小于20 ms。

中长距离通信技术主要应用于V2I场景中，在V2V和V2R场景中也有机构尝试应用。中长距离通信技术的特点是覆盖广、互联互通好、带宽可以很高，但是以接入时延和传输时延为代表的QoS保证机制相对偏弱。典型的中长距离通信技术包括移动通信网络、卫星通信技术、地面广播技术等。在实时定位、话音通信、互动导航、路况信息、（远程）危险警告、信息娱乐等领域，中长距离通信技术得到了广泛应用。

目前国内车联网方面的应用主要还是在V2I层面，除了卫星定位技术的应用外，集中在基于车辆定位信息回传后台和小数据指令下发的各种派生应用，如出租车定位调度、车队定位调度、乘用车互动导航、路况信息广播等。部分车厂开始涉及车辆诊断数据回传、车内上网等娱乐应用。在V2V和V2R层面，则鲜见应用（ETC除外），尚处于探索和起步阶段。

2 移动通信网络的优势和面临的主要问题

目前，我国的移动通信网络覆盖广、性能优、可靠性高。2.5G网络覆盖范围广；3G网络高速发展，能够提供高宽带的无线数据传输通道。这些都为车联网提供了坚实的网络基础。

移动通信网络在车联网应用中起着举足轻重的作用。早期车联网应用主要以定位应用为主，应用模式主要采用GPS卫星定位和2.5G通道数据回传；车辆视频监控应用采用本地存储结合远程图像实时调看模式，远程图像实时调看通常采用2.5G（cdma2000 1x为主）以及后来的3G网络（WCDMA和cdma2000）。移动通信网络技术的优势主要在于其覆盖能力、互联能力和成本优势。

以DSRC为代表的近程通信技术得到广泛应用的前提是在道路节点和车辆上布防DSRC节点。由于实施成本和实施周期因素，DSRC节点大都会分布在重点道路，无法覆盖到所有的道路。但国内的移动通信网络，已经覆盖了绝大多数的道路。公用移动通信网络经过近20年的发展，产业链高度成熟，通信模块和终端成本已经很低，而且还将继续降低，通信资费多年来呈现资费逐步下降的趋势。这些因素能够使得基于移动通信网络的车联网应用的实施成本和使用成本较低。此外，公用移动通信网络能够非常方便地实现互联互通。

但是同时也要看到，车联网应用作为物联网应用的一个重要领域，其通信模式和通信机制和传统的人与人（H2H）通信对移动通信网络的需求不完全相同，主要体现在网络覆盖、信道容量、QoS保证等层面。

广泛的网络覆盖仍然是移动通信网络应用于车联网应用的重要基础。虽然目前移动通信网络覆盖已做得相当好，但仍然存在部分道路的盲区。我国国内的移动通信网络覆盖总体程度优于欧洲和美国，但同样仍存在道路盲区。

从通信容量角度看，车载终端主要利用数据信道接入移动通信网络。对于长时间连续定位的车辆，由于不能容忍较长的拨号时延，终端经常采用一直在线模式，这对网络的PPP同时在线数造成较大压力。如果大量车辆同时进入某个小区，终端以高频次不断发送定位数据，会对此小区的空口信道造成较大压力。如果无法获取到空口信道传输数据，程序控制的车载终端会不断重复请求分配空口信道，进一步增加了对空口信道的压力，甚至造成信道的拥塞。

从QoS保证看，可以把车联网通信模式分成5种：小数据采集且时延一般敏感、小数据采集且时延敏感、大数据上传和大数据下发、小数据下发且时延一般敏感、小数据下发且时延敏感。不同种类的通信模式对QoS保证有不同的需求。

（1）小数据采集且时延一般敏感

例如定位数据和车辆诊断数据传送到后端平台，主要使用空口的反向信道。对于这一类数据，时延有一定要求。但由于不是关键业务，能够容忍普通的网络传输时延。因而非常适合移动通信网络接入。部分应用甚至能够忍受部分情况下网络无法接入（从而无法成功发送数据）的情况。例如，在连续定位模式下，部分定位数据的丢失在应用上是能够容忍的。这就是所谓“掉点率”指标产生的原因。

（2）小数据采集且时延敏感

对于小数据采集且时延敏感的应用，首先要保证网络的最大可用性，即终端能够随时接入网络、发送数据。其次要保证数据传输的时延在允许范围内。欧盟的紧急呼叫系统——ECall系统为车内系统（in-vehicle system，IVS）和公共安全响应点（public safety answering point，PSAP）之间提供双工数据通信，每次传送的数据包含在最小数据集（minimum set of data，MSD）中，包含的数据可以是车辆的位置信息、时间戳、乘客的数量、车辆标识以及其他和交通事故相关的信息。当车辆发生紧急事故时，ECall系统将基本信息发送到第一层PSAP，并进而转至第二层PSAP，比如医院、消防队、警局等部门进行处理。用户也可直接通过ECall系统进行呼救，Ecall系统生成的呼叫关乎生命的紧急救援，必须具备高可靠性和低传输时延。直接使用当前的移动通信网络的数据业务信道完成数据传输，无法完全满足上述需求。

（3）大数据上传和大数据下发

对于大数据上传和大数据下发应用，一般情况下对时延没有太高要求，也能够容忍部分时间的网络不可用（主要是数据接入信道拥塞导致）。这类应用主要集中在车辆视频监控数据上传和多媒体娱乐数据下载类应用上。移动通信网络非常适合此类应用的开展。

（4）小数据下发且时延一般敏感

对于小数据下发且时延一般敏感的应用，一般情况下对网络可用性有较高要求。在人工辅助导航模式下，向车载终端发送目的地的定位数据就是这种情况。当前的移动通信网络数据信道在较高的可用性这一点上仍然存在改善的空间。

（5）小数据下发且时延敏感

对于小数据下发且时延敏感的应用，目前在移动通信网络中的应用尚无明显报道。将其和小数据量上传且时延敏感这种模式一并考虑，如果移动通信网络能够满足此种模式的需要，那么就可以建立车辆到移动通信网络的可靠接入链路，之后车辆之间就可以采用P2P叠加网络的方式，实现信息共享、发现和交换，最终实现V2V通信模式。总之，面对车联网，移动通信通信网络面临着以下问题：

·道路覆盖问题；

· 由于海量车载终端接入、车辆移动导致的临时集中访问等问题带来的网络拥塞；

·对于时延敏感的关键应用所需要的QoS保证问题。

3 解决方案和技术演进方向

针对上述问题，需要从不同的角度寻求解决方案，采用各种方式扩大覆盖、扩充容量和提高QoS。一方面可以通过改善移动通信网络本身实现，另一方面也可以在移动通信网络本身之外，利用其他通信技术和手段实现。

对于以车辆定位为主的应用，可以考虑使用北斗卫星导航系统（以下简称北斗系统）。北斗系统主要功能包括定位、测速、单双向授时、短报文通信等。北斗系统支持单次传送长度为120个汉字的双向短信报文通信服务。短信和定位结合起来，在没有移动通信网络覆盖的地区，通过向卫星发送短信，及时将当前的位置信息发送到后端平台，对车辆进行远程定位。后端平台也可以通过短信下发简单的控制指令到车载终端，实现远程控制。上述模式能否大规模地应用，需要考察导航卫星并行处理能力、后端平台并行处理能力以及短信传输可靠性和时延问题。

采用专门的卫星通信终端，可以解决野外无移动通信网络环境下的数据通信需求，也是车载应用中采用比较普遍的一种方式。比如，美国的FMS公司提供车队管理服务，通过GPS实现卫星定位，通过铱星终端实现双向数据传输，广泛应用于能源、物流、国际组织等机构的车辆管理中。

对于单向的信息下发类型的应用，可以使用广播通信技术。欧洲的RDS-TMS项目，采用交通信息频道（traffic message channel，TMC）播报实时交通消息，配备TMC功能的车载终端或导航设备可以对TMC广播接收并解码，并通过各种形式传递给驾驶员，实时反映区域内交通路况，指引最快捷的行驶路线，提高道路和车辆的使用效率。从1994年开始，瑞典、德国、荷兰、法国、瑞士、奥地利、意大利等国先后实施了RDS-TMS项目。全球其他此类系统还包括美国的TravTek系统、日本的VICS等。

数 字 多 媒 体 广 播 （digital multimedia broadcasting，DMB）除了发送声音广播外，还提供了影视娱乐节目、智能交通导航、城市综合信息等可视数据业务，广泛应用在城市公交车、地铁、列车等移动终端上。这项技术最早在韩国发展起来。

对于移动通信网络，即蜂窝移动通信网络，可以采用多种方式来满足车联网通信的需要，既可以采取终端和平台协作，网络本身不做改变的模式；也可以对网络进行简单优化；还可以针对车联网应用的需求实施特定的网络改进。

（1）终端和平台协作，网络不做改变

典型案例是DOV（data over voice）技术的应用。DOV技术使用普通话音信道传输少量数据。对于“小数据采集且时延敏感”和“小数据下发且时延敏感”的应用，部分方案采用了DOV技术。其设计者的出发点是，话音业务仍然是目前移动通信网络所能承载的最成熟的业务，其覆盖范围最广，同时运营商在网络资源的分配策略上，往往优先考虑话音服务。代表性的应用有两个：通用的OnStar服务和欧盟制定的ECall服务。ECall的数据通道采用移动通信网络的话音信道进行传递数据，这种采用带内（in-band）调制的技术能够提高此项服务接入网络的可用性以及一定的时延保障。

另一种改善方案是应用层的改进，即减少数据发送的频度和数据发送的集中度。例如车载终端可采用下述数据发送频度，既不影响业务使用，也能实现减少网络资源占用，提高网络可用性的目的：车速在10~30 km/h，定时上报间隔为90 s；车速在31~60 km/h，定时上报间隔60 s；车速在61 km/h以上，定时上报间隔30 s；当车辆速度极低，且位置没有变化时，不上报定位数据。

（2）网络进行简单优化

网络简单优化模式，指不改变现有网络协议，通过配置参数的优化或增加局部区域容量和覆盖来满足特定应用的需要。例如，由于大量高频次小流量数据的发送，空口信道的建立和释放频度增加很快，那么通过调整一些公共控制信道的数量，如接入信道的数量，能够提高网络有效接入终端的数量。

（3）实施特定的网络改进

网络简单优化模式只能局部地解决问题，如果需要全面地改善网络能力，需要考虑采用网络改进模式。针对车联网应用实施特定的网络改进，必须放在整个移动通信网络适配M2M通信的大背景中考察。当前的移动通信网络在最初设计时，是以所承载的业务主要是话音、上网等业务为前提的，主要考虑的是以前向流量为主、以手机终端和上网卡为主的业务。随着机器通信业务的大规模发展，逐渐需要在网络侧进行相应的改造来实现对于机器通信的区别承载。

在更高的数据信道带宽 （和H2H通信目标一致）之外，针对车联网通信，移动通信网络的改进目标主要针对大量终端的接入以及时延敏感的小数据应用所需要的QoS保证需求。

针对单播信道，改进目标是提高网络资源可用度、降低连接建立时延和数据传输时延。

对于网络资源可用度而言，首先要做好满足通信需求的网络规划，做好道路的覆盖。同时要设法降低网络拥塞发生的可能性，面向大量终端在某个小区同时接入网络或同时附着网络情景设立针对性的策略。例如，3GPP SA2 R10中主要基于以下两种场景来考虑网络过载和拥塞：第一种场景时，运行在终端上的应用可能会使大量终端同时做某事；第二种场景时，若拥有大量漫游终端，且它们服务网络出现故障，会同时重新附着到新的网络中，使网络产生拥塞。在R10阶段，基于以上两种场景的考虑，对网络过载和拥塞处理控制机制进行优化，以应对未来海量终端对网络的冲击。

此外，在车辆网应用场景中，还需要充分利用移动通信网络的基于小区的多播/广播机制，通过下发广播信息进一步降低下行小数据传送对于网络资源的占用。

对于降低连接建立时延和传输时延，除了进一步优化空口的QoS保证机制，还可以考虑其他一些措施，如：

· 采用PPP一直在线模型，不再存在IP通道建立时间；

· 采用公共控制信道传送小数据，达到快速发出和传输数据的目的；

· 设立专用的小数据收发信道，发送和接收时间敏感数据。

4 案 例研究——CoCar项目

业界已经在移动通信网络支持V2V和V2I应用上开展了一些研究工作。Coperative Cars（简称CoCar）项目，是欧洲开展的一个基于移动通信网络开展部分V2V和V2I应用的可行性研究项目。CoCar项目的出发点是，并不是所有的V2V应用都需要采用Wave/IEEE 802.11p技术，通过车辆之间的直接通信模式来实现。有的V2V应用，通过一些中间节点，诸如基础设施的中间节点进行信息传送，反而具有一些优势。CoCar项目选取了基于蜂窝扇区的危险告警（cellular hazard warning，CHW）作为评估的目标应用。CHW是一种在高速行驶的车辆之间，通过移动通信网络传送关键安全告警信息的应用，具备较低的传输时延。车辆接收到这种告警信息后，司机可以调整车辆行驶速度，以保持合理的行驶间距。CoCar系统结构示意如图1所示。

图1 CoCar系统结构示意

在CoCar系统中，车辆之间的通信需要通过位于移动通信网络的中间结点——CoCar信息系统来中转。CoCar信息系统由3种实体组成：Reflector、Aggrerator和 Geocast Manager。车辆监测设施一旦发现需要上报的突发事件信息，立即通过特别设计的FTAP（fast traffic alert protocol）（应用层协议）将事件信息上传到网络中设立的处理实体——Reflector。Reflector根据车辆终端的位置信息将这些事件信息直接下传到邻近车辆的终端上。同时，Refector将这些信息转发到Aggrerator。Aggrerator同时还接收车辆终端使用TPDP（traffic probe data protocol）定期上报的普通流量信息和使用其他手段（例如人工输入交通信息）得到的交通信息，一并汇总后，形成周期性的交通信息，由 Geocast Manager使用 TPEG（transport protocol expert group）报文通过移动通信网络下发到更大范围的车载终端上。

此项研究的结果表明，从技术角度看，上述系统架构下，通过选取恰当的传输信道等手段，从发送方到接收方的CHW平均时延在500 ms以下。这是一个能够满足CHW业务的、可以接受的时延。研究结果同时指出，为达到上述指标，推荐采用公共信道进行上述信息的传送，而不采用主要进行大数据量上传和下载的业务信道。研究结果同时也指出，一旦使用此项业务的车辆数量增加到一定规模后，CHW业务的下行数据传送应使用移动通信网络中的小区广播机制来完成。

5 结束语

业界一直不断进行通过移动通信网络构建车辆终端和基础设施之间的各种应用的实践。移动通信网络支撑了当今的绝大多数车联网应用。不过，车联网应用或者说ITS应用仍然处于进一步拓展深化的过程之中，移动通信网络需要进一步挖掘其潜力，更好地面对各种层出不穷的新应用。3GPP和3GPP2正在进行相关网络改进的标准化工作。未来，以DSRC为代表的近程通信技术和以移动通信网络 （无论是公共网络还是专用网络）为代表的中远程通信技术都将在车辆网应用中继续发挥重要作用。

1 互动百科.http://www.hudong.com/

2 ISO 21217.Intelligent Transport Systems-Communications Access for Land Mobiles(CALM)-Architecture,2010

3 ETSI EN 302 665.Intelligent Transport Systems （ITS）Communications Architecture,2010

4 3GPP TS 26.267.eCall Data Transfer;In-band Modem Solution;General Description(Release 10),2011

5 杜加懂.M2M在3GPP SA2的研究进展.电信网技术,2011(11)

6 Project cooperative cars. http://www.aktiv-online.org/english/aktiv-cocar.html