基于整车道路试验的V2X研究

黄鑫

【摘 要】在整车道路试验中，需要车与地面设备之间进行信息交互，地面设备和服务器端通过对试验车上采集到的数据进行实时计算和分析，确定试验的工况结果。高效、高可靠性、低成本的车地通信是整车试验的重要环节。本文根据整车试验的车地通信需求，对车地通信的系统进行了研究分析，提出了一种未来车地通信的系统设计，在提升传输效率，降低成本的同时，提升了车地通信系统的通用性。

【关键词】车地通信；车辆试验；蜂窝车地通信系统

【Abstract】The information exchanges between the vehicle and the road side unit are necessary in the vehicles road test. The server will calculate and analyze the data got by the road side unit and feed back the results. It is very important for the vehicle road test to get efficient， reliable and low cost vehicle-to-roadside system. A promised vehicle-to-roadside system based on the requirements of the vehicle road test is proposed in this paper. It can not only improve the transmission efficiency and the cost but also the universality of the communication systems.

【Key words】Vehicle-to-roadside communication； Vehicle road test； Cellular-based vehicle-to-roadside communication system

0 前言

车地通信系统是高效整车道路试验不可或缺的关键部分。试验过程中，试验车辆上大量的传感器采集到海量的数据。这些数据需要及时回传给地面计算系统，以便及时监控车辆的运行状态，反馈测试调整信息，保证整个测试过程的顺利进行。由于车辆道路试验需要大量的人力、物力和时间，在特定的工况条件下进行试验，因此高效的车地系统，可以减少多次重复试验，提升试验效率的同时，解决特定工况的局限性。

整车道路试验中的车地通信，属于车辆对基础设施（V2I，Vehicle to Infrastructure）通信。V2I通过车载通信系统与地面路边的基础设施通信系统进行信息交互。随着智能交通和自动驾驶技术的快速发展，车辆与车辆（V2V，Vehicle to Vehicle）通信，车辆与行人（V2P， Vehicle to Pedestrian）被广泛研究。V2I、V2V和V2P被统称为V2X（Vehicle to Everything）技术[1]。本文对当前V2X的主流技术进行了分析，并基于当前通信技术的演进，提出了一种新的V2X高效通信系统结构，在高效地进行车地通信的同时，有效降低了网络的运营成本，解决了当前V2X通信系统中的瓶颈问题。

1 V2X通信系统模型

V2X是车辆系统与其它带有通信系统的物体进行通信的统称。如图1所示，正在行进中的车辆，通过车载通信模块可以与地面的通信设施进行通信（V2I），可以与其它车辆进行通信（V2V），也可以与行人的手持终端进行通信（V2P）。

V2I中车辆需要通过移动网络运营商网络（MNO）或者专用的网络，车与其它设施进行信息交互。V2V和V2P可以通过运营商网络，也可以在没有运营商网络的条件下，通过设备与设备（D2D）通信或者自组织网络的形式，进行信息传输。第三代移动通信合作伙伴计划（3GPP， the 3rd Generation Partner Project）组织的V2X技术报告中，定义了没有通信网络的D2D式的V2X场景，单个移动网络运营商的V2X场景以及多个网络运营商服务的V2X场景[1]。

基于整车道路试验的V2X主要是V2I通信。试验车辆上采集的数据可以通过MNO与地面服务器进行V2I通信，获取车辆的试验数据。

2 基于Wi-Fi和LTE的V2X通信

随着智能交通、自动驾驶等需求的增加，V2X通信被广泛研究。美国主导的以IEEE 802.11p为基础的专用短距离通信（Dedicated Short-Range Communications，DSRC）与3GPP主导的基于3GPP的长期演进（LTE，Long Term Evolution）项目的V2X是被广泛认可的两个V2X标准。

1999年，美国联邦通信委员会（FCC）分配了5GHz频段的5.850-5.925GHz总共75MHz频谱资源用于进行V2X通信。IEEE 802.11工作组与2006年发布了IEEE 802.11p标准的1.0版本的草案，并于2010年发布了11.0的最终版本[2]。IEEE 802.11p标准是当前被车载通信系统广泛研究的一个重要标准，它是由IEEE 802.11进行演进扩充的无线局域网标准，因为被称为基于Wi-Fi（Wireless Fidelity，无线高保真）的V2X通信标准。为了满足车载通信的流动性高、连接时间短、传输距离长的特定，IEEE 802.11p标准任务组对传统的802.11进行了一些调整，以满足“连接更快速，传输更可靠”的V2X通信要求。由于IEEE 802.11标准主要定义了物理层和媒体接入控制（MAC）层的技术规范，因此IEEE 802.11p分别对IEEE 802.11传统的技术规范进行了调整。在物理层，11p沿用了OFDM技术，但是将信道宽度由20MHz调整为10MHz，子载波间隔调整为原来的一半，符号间的保护间隔增加了一倍，由此可以较好地应对高移动速度带来的多普勒干扰。传输距离是车辆行驶过程中的V2X的另外一个重要考虑因素。FCC允许在这个75MHz的频段上以33dbm的功率进行发送，覆盖范围可达1000m，这个距离远远超过了传统Wi-Fi的覆盖范围，更加适用于V2X的通信场景。在MAC层，传统Wi-Fi的连接时延难以满足V2X的通信需求，IEEE 802.11p统一了所有接入点的标识符，取消了鉴权和关联的环节，大大缩短了建链时长。11p沿用了Wi-Fi用了增强分布式协调访问机制，保证V2X不同业务的服务质量（QoS）。

LTE-V2X正在被广泛研究和讨论，3GPP已经在2015年底完成了了V2X研究项目[3]，并于2016年开始了工作项目，预计2017年完成R14的标准，2018年开始商用。V2X是基于LTE的D2D技术进行通信。LTE的D2D与R12立项，并完成了公共安全的通信功能。目前，LTE的D2D技术尚不支持商用点对点通信的功能。最新的LTE演进版本需要支持商用通信的D2D，进而才能进一步支持V2X。3GPP中的服务架构（SA）组已经完成了V2X的研究报告TR 22.885[1]。3GPP的接入网工作组正在基于该研究报告，进行V2X的研究项目[3]和V2V的工作项目[4]。V2V是LTE中新引入的特性，目前正在以工作项目的方式写入LTE标准。LTE-V2X主要采用了LTE中的增强D2D技术，基站将某个上行资源调度用来进行D2D传输，V2X中调度用来进行V2X传输。除了传输过程，D2D还需要相邻节点发现的技术环节。如果定义车辆与车辆、地面通信设施或者行人之间的发现，也是LTE-V2X要解决的一个重要问题，尤其是在车辆密集的环境中，大量车辆需要进行发现和通信，这对集中调度的LTE-V2X来说，是一个挑战。

尽管两大标准瞄准了巨大的V2X市场，但是IEEE 802.11p和LTE-V2X各自的优缺点明显，两者目前都尚没有成为市场的主流或者被广泛应用。两者的具体优缺点对比如表1所示：

整车道路试验通常是在试验场或者特定工况的路段进行测试，可以通过部署低成本的IEEE 802.11p网络进行V2X通信，其布网和通信成本较低，安全和服务质量在这种小范围布网的情况下可以得到有效保证。

3 基于融合的V2X通信系统

由表1可见，IEEE802.11p在2010年之后没有进一步演进的计划，很难支撑迅速发展的通信需求，例如TR 22.885中定义的典型V2X通信场景[1]。LTE-V2X基于D2D技术进行V2X通信，属于LTE通信系统的特性补充，受限于LTE系统的原生设计和D2D技术的发展。目前LTE D2D技术尚不能支持数据通信，更无法满足密集场景下的大数目连接条件下的通信要求。

第五代移动通信（5G）技术正在被如火如荼地讨论，3GPP已经完成了5G的通信场景和需求研究报告[5]，V2X是被重点考虑的场景之一。许多知名汽车制造商如BMW等都是5G研究计划的重要伙伴，重点关注之一就是V2X通信，目标是5G移动通信系统可以原生支持V2X通信要求。RP-160315对V2X的关键性能指标，如传输速率，时延、带宽以及覆盖范围等进行了深入讨论[6]。

V2X在不同的场景下有不同的需求，例如视频、通话、控制信息、文本信息、图片等通信需求，也需要支持稀疏连接和高密连接的通信场景。这与5G的灵活接入，支持大数目连接，高速率传输和低时延等基本指标高度吻合。5G系统的频谱范围是0～100GHz，这其中可以包含授权和非授权频段。这可以很好地解决LTE-V2X无法支持5.9GHz的非授权V2X专用频段的缺陷。基于5G架构的D2D，用户协作通信，中继技术，可以充分解决大连接，广覆盖的V2X通信需求。对于V2X的不同业务需求，可以采用不同的QoS指标，如时频业务可以采用大速率，相对时延要求放低的QoS要求，可以采用非授权频段的传输方式。控制信令业务可以采用高速低时延的要求在授权频段进行可靠传输。对于不同的业务需求，用户可以通过对宏基站和微蜂窝基站的双链接，实现不同QoS业务的同时传输。对于遭受灾害的应急通信场景，D2D的自组织通信模式可以实现临时通信的要求。

基于支持授权频段和非授权频段，支持大数目连接、大数据量和低负载、小包业务的灵活接入，支持高效数据通信的D2D，中继，协作通信，支持双链接以及应急通信的5G融合 V2X系统，将能够更好地实现V2X通信。对于整车道路试验而言，这些多元化的技术和服务，可以满足更多的试验需求，例如实时试验操作控制，海量数据的实时回传，实验人员的地面控制与交互等，提升试验效率的同时，保证了试验过程中的人员安全。

4 结束语

可靠的V2X通信系统可以提高的整车道路试验效率，降低车辆道路试验成本。现有的两大V2X系统中，基于IEEE 802.11p的V2X技术由于小范围布网成本低，技术成熟度相对较高，安全和服务质量可控等因素，更加适合于 整车道路试验系统。未来基于融合的5G V2X系统，具备通用性强，实现灵活等特点，将能够更好地支撑整车道路试验的多方面要求，更完美地支撑整车道路试验。

【参考文献】

[1]3GPP TR 22.885， Study on LTE support for Vehicle to Everything（V2X） service[Z].

[2]IEEE Standard for Information technology--Telecommunications and information exchange between systems Local and metropolitan area networks--Specific requirements Part 11： Wireless LAN Medium Access Control（MAC） and Physical Layer （PHY） Specifications[Z].

[3]3GPP TR 36.885， Study on LTE-based V2X Services[Z].

[4]3GPP RP-160649 Revised WID： Support for V2V services based on LTE sidelink[Z].

[5]3GPP TR 38.913， Study on Scenarios and Requirements for Next Generation Access Technologies[Z].

[6]3GPP RP-160315， Summary of email discussion[5G-AH-09] on V2X[Z].

[责任编辑：杨玉洁]