车联网V2X通信技术及应用介绍(上)

◆文/江苏 高惠民

一、概述

智能网联汽车是《中国制造2025》规划中提出的新概念，是智能汽车与互联网相结合的产物。近年来，随着我国汽车保有量的不断增加，带来了能源短缺、环境污染、交通拥堵和事故频发等社会问题。智能网联汽车是解决这些社会问题的有效方案。在《节能与新能源汽车技术路线图》中明确了智能网联汽车的定义：“智能网联汽车是指搭载先进的车载传感器、控制器、执行器等装置，并融合现代通信和网络技术，实现车与X(X指人、车、路、云等)智能信息交换、共享，具备复杂环境感知、智能决策、协同控制等功能，可实现安全、节能、高效、舒适行驶，并最终可实现替代人来操作的新一代汽车”。从该定义可以看出智能网联汽车集中运用了汽车工程、人工智能、计算机、微电子、自动控制、通信技术、大数据、云计算等专业知识，是一个集环境感知、规划决策、控制执行、信息交互为一体的高新技术综合体。而车联网技术是构成智能网联汽车重要核心技术的基础。(如图1所示，智能网联汽车相关概念之间的关系)。因此，目前国内外各大汽车企业联合互联网通信企业都在积极进行车联网技术的研究，主要涉及相关标准、协议、终端等系统的设计与开发，逐步推动车联网技术在实车上的应用与量产落地。

二、车联网的体系架构与体系参考模型

如图2所示，车联网包括5个组成部分：“人、车、路、V2X和云”。其中“人”是道路环境的参与者和车联网服务的使用者；“车”是车联网的核心，主要涉及车联网、智能决策系统和车辆控制系统；“V2X”是信息交互的载体，负责打通车内、车间、车路、车人和车云信息流， “云”是实现车联网云端服务能力的业务载体和数据载体。上述5部分构成了车联网“云、管、端”体系新架构，如图3所示。它展示车辆面向未来自动驾驶的端到端综合解决方案。

图2 车联网V2X组成

V2X是Vehicle to Everything的简称，就是车辆和一切万物连接的全称，包括V2V：Vehicle to Vehicle ，实现车与车之间的信息通信，能够使车辆获知附近其他车辆的行驶状态，避免碰撞的发生； V2I：Vehicle to Infrastructure ，实现车和道路交通基础设施之间的通信，例如交通信号灯状态、交通信息牌内容以及通过实时信息了解路况等相关信息，减少交通事故的发生；V2P：Vehicle to Pedestrian ，实现车与行人或非机动车之间的信息传递，提供安全警告； V2N ：Vehicle to Network ，通过互联网将车辆连接到应用平台或云端，使用应用平台或云端上的服务功能，汽车成为互联网重要终端。

图3 车联网端、管、云体系新架构

车联网是物联网在交通这个特殊行业的典型应用。在车联网体系参考模型中主要包括三层：数据感知层、网络传输层和应用层。

1.数据感知层

数据感知层承担车辆与道路交通信息的全面感知和采集，是车联网的神经末梢，通过传感器、RFID(射频)、车辆定位等技术，实时感知车况及控制系统、道路环境、车辆当前位置、周围车辆等信息，实现对车辆自身属性以及车辆外在环境，如道路、人、车等静、动态属性的提取，为车联网全面、原始的终端信息服务。数据感知层的数据来源包括多个部分，一是车辆自身的感知，例如速度、加速度、位置、横摆角加速度等，主要通过车内总线、GPS和其他感知设备来实现；二是对周围车辆行驶状态的感知，比如周围车辆的位置、方位、速度、航向角，这就需要车间通信，以及道路环境的感知，比如交通信号状态、道路拥堵状态、车道驾驶方向、这就需要车路通信，每辆车和路边设施单元需要把自己感知到的信息分发出去；三是通过后台或第三方应用交互来获取更多的数据，比如天气数据等。

2.网络传输层

为了车与车、车与路、车与人、车与云(车与后台中心)之间实现信息共享，这就需要考虑通信协议的制定。网络层通过制定满足业务传输需求的能够适应通信环境特征的网络架构和协议模型，在一种网络环境下整合不同实体所感知到的数据，通过向应用层屏蔽通信网络类型，为应用程序提供透明的信息传输服务。通过云计算、虚拟化等技术的综合应用，充分利用现有网络资源，为上层应用提供强大的通信支撑和信息支撑服务。

3.应用层

车联网的各项应用必须在现有网络体系和协议基础上，兼容未来可能的网络拓展功能。应用需求是推动车联网发展的原动力，车联网在实现智能交通管理、车辆安全控制、交通事件预警等功能的同时，还应为车联网用户提供车辆信息查询、信息订阅、事件告知等各类服务功能。同时可以运用云计算平台，面向政府管理部门、整车厂商和信息服务运营企业以及个人用户在内的不同类型用户，提供汽车综合服务与管理功能，共享汽车与道路交通数据，从而支持新型的服务形态和商业运营模式。

由于不同的业务需求和传输环境，整个车联网采用不同的通信技术，一个实体往往具有多模式的接入能力，比如车载单元，既有Wi-Fi、DSRC(专用短程通信)、3G/4G蜂窝通信接入，还有卫星通信，如图4所示。

图4 车联网各个子系统间通信方式

具体到实体之间，如路侧单元和后台中心采用光纤通信子系统，行人、车辆与中心之间采用蜂窝接入子系统。由于交通安全需要及其严苛的通信时延和传输可靠性，因此需要车与车、车与路之间的实时通信，且不与其他的通信系统相互干扰，就必须制定专门用于车辆环境的通信标准以及开发相应的通信技术。而现在常常所说的车联网(V2X)就是针对车车/车路通信这种侠义的车联网技术而言。

三、车联网的组成

根据车联网产业技术创新联盟的定义，车联网是以车内网、车际网和车云网组成，进行无线电通信和信息交互的大系统网络。如图5所示，通过三网融合，实现V2X之间通信的无缝连接，提高通信效率，减少通信盲区。

图5 车内网、车际网、车云网三网融合

1.车内网络

车内网络是基于CAN、LIN、FlexRay、MOST、以太网等总线技术建立的标准化整车网络，实现车内各电器、电子单元间的状态信息和控制信号在车内网上的传输，使车辆具有状态感知、故障诊断和智能控制等功能。如图6所示车载网络以高速以太网作为骨干，将动力总成、底盘控制、车身控制、娱乐、ADAS(先进驾驶辅助系统)共5个核心域连接在一起，各个域控制器在实现专用的控制功能的同时，还提供强大的网关功能。图7所示奔驰222型号轿车网络总线拓扑图。

图6 车载网络总线结构

图7 奔驰222型号轿车车载网络总线拓扑图

2.车际网络

车际网络(也称车载自组织网络Vehicular Ad hoc Networks VANET)是指在交通环境中，以车辆、路侧单元以及行人为节点而构成的开放式移动自组织网络。它通过结合全球定位系统及无线通信技术，如无线局域网、蜂窝网络等，建立无线多跳连接，为处于高速移动状态的车辆提供高速率的数据接入服务，以实现V2X之间的信息交互，如图8所示。车载自组织网络是智能交通系统未来发展的通信基础，也是智能网联汽车安全行驶的保障。

图8 车载自组织网络结构

(1)专用短程通信(DSRC)

DSRC是基于美国电气电子工程师协会(IEEE)，在IEEE802.11 的Wi-Fi技术基础上改进制定的IEEE802.11p标准和IEEE1609标准的V2V和V2I通信协议，是比较成熟、高效的无线通信系统技术，它是智能交通系统的重要基础之一，目前已被欧洲、日本等国汽车制造企业采用并完善。我国在高速公不停车收费设备(ETC)也采用该项技术。DSRC通信在5.9GHz附近的频段上，专门将车与车、车与道路基础设施有机连接，实现在数百米的范围内对高速行驶的车辆进行识别和双向通信，提供实时图像、语音和数据信息传输，保证通信链路的低时延和低干扰以及系统的可靠性。例如DSRC在有效通信距离范围内，本车辆通过DSRC以10Hz的频率，向路上其他车辆发送位置、车速、方向等信息；同时本车辆还能收到其他车辆所发出的信号，在必要时(例如马路转角有车辆驶出，或前方车辆突然紧急刹车，变换车道的情况发生)车内信号装置会以闪烁、语音提醒或座椅、方向盘振动等方式提醒驾驶员注意，采取必要安全措施，如图9所示。

DSRC系统结构主要由三部分组成，如图10所示。分别是车载单元(on Board unit，OBU)、路侧单元(road-side unit，RSU)、专用通信链路。OBU安装在车辆上的嵌入式车载通信单元内，它通过专用的通信链路依照通信协议的规定与RSU进行信息交互。RSU是安装在指定地点(如车道旁边、车道上方等)固定的通信设备，与不同OBU进行实时高效的通信，并通过有线光纤的方式接入移动互联网设备，与云端智能交通(ITS)平台进行数据交互。专用通信链路是OBU和RSU保持信息交互的通道，它由两部分组成：下行链路和上行链路。RSU到OBU的通信应用为下行链路，主要实现RSU向OBU写入信息的功能。上行链路是从OBU到RSU的通信，主要实现RSU读取OBU的信息，完成车辆状态的自主识别功能。因此在DSRC的架构中需要部署大量的RSU才能较好地满足业务需要，建设投资较大。

图9 专用短程通信(DSRC)在V2X通信的应用

(2)C-V2X 通信

图10 专用短程通信(DSRC)系统结构组成

图11 LTE—V2X通信系统的组成

C-V2X通信是基于 3G/4G/5G 等蜂窝网通信技术演进形成的车用无线通信技术，包含基于4G网络的LTE-V2X系统以及未来5G资源的 5G -V2X 系统，借助已存在的LTE网络设施来实现V2V、V2I、V2P、V2N的信息交互，适应于更复杂的安全应用场景，满足低时延高可靠性和带宽要求。

①LTE-V2X技术

LTE—V (Long Term Evolution—Vehicle，长期演进，V2X)是我国具有自主知识产权的V2X技术，是基于TD.LTE(Time Division—Long Term Evolution，分时长期演进)的ITS(Intelligent Transport System，智能交通系统)系统解决方案，属于LTE后续演进生态系统的重要应用分支。

②LTE-V2X协议架构与组成

LTE-V2X标准协议架构由三部分组成，包括物理层、数据链路层、应用层。物理层是LTE-V2X系统的底层协议，主要提供帧传输控制服务和信道的激活、失效服务，定时收发及同步功能。数据链路层负责信息的可靠传输，提供差错和流量控制，对上层提供无差错的链路链接。应用层基于数据链路层提供的服务，实现通信初始化和释放程序、广播服务、远程应用等相关操作。LTE-V2X系统设备组成包含了UE(User Equipment，用户终端)、RSU(Road Side Uni，路侧单元)、和基站三部分，具体组成如图11所示。

UE包含了车载设备、个人用户便携设备等。RSU处于基站和UE之间，承担着V2I的数据通信任务。基站是承担了LTE-V2X系统的无线接入控制功能的设备，主要完成无线接入功能，包括管理空中接口、用户资源分配、接入控制、移动性控制等无线资源管理功能。GPS信号则通过卫星地面站与基站进行通信。

③LTE-V2X主要技术指标分析

V2X技术影响用户体验的主要系统指标有延时时间、可靠性、数据速率、通信覆盖范围移动性、用户密度、安全性等。其相关指标有安全类时延≤20ms，非安全类时延≤100ms，峰值速率上行500Mbps、下行1Gbps，支持车速280km/h，在后续演进5G版本中提升至500km/h，可靠性几乎为100%，覆盖范围与LTE范围相当。(未完待续)