基于车路协同C-V2X 技术设计与应用研究

冯舒 南洋 董馨 李长龙 刘晓东

（中国第一汽车股份有限公司 智能网联开发院，汽车振动噪声与安全控制综合技术国家重点实验室，长春130013）

主题词：车联网 C-V2X 自动驾驶 应用场景 5G

缩略语

V2X Vehicle to Everything（车联网）

V2P Vehicle to Pedestrian（车与行人）

V2V Vehicle to Vehicle（车与车）

V2I Vehicle to Infrastructure（车与基础设备）

V2N Vehicle to Network（车与互联网）

DSRC Dedicated Short Range Communication（专用短距离通信技术）

C-V2X Cellular-V2X（蜂窝车联网）

LTE Long Term Evolution（长期演进）

3GPP 3rd Generation Partnership Project（第三代合作伙伴项目）

GNSS Global Navigation Satellite System（全球导航卫星系统）

eMBB enhanced Mobile Broadband（增强移动宽带）

mMTC massive Machine Type Communication（大规模机器类型通信）

URLLC Ultra Reliable Low and Latency Communications（低时延高可靠性通信）

NR-V2X New Radio-V2X（新空口车联网）

CAN Controller Area Network（控制器局域网）

OTA Over the Air Technology（无线下载技术）

TA Threat Arbitration（危险仲裁）

EV Equipped Vehicle（装载通信系统的车辆）

RSURoad Side Unit（路侧单元）

NV Normal Vehicle（普通车辆）

1 前言

当今，移动互联、人工智能、大数据等新一代信息技术发展迅速，紧随互联网时代的变革，以自动驾驶为主要特征的新一代智能交通系统成为了缓解交通拥堵和保证交通安全的重要技术手段[1]。虽然自动驾驶技术在不断完善，但仍存在车载传感器使用有局限性、准确度不高、获得环境参数的范围有局限性、突发事件无法进行预测的问题。造成这些现象的主要原因在于目前的自动驾驶汽车只是单方向感知车辆周围的信息，并不能与参与交通系统的各个单元，实现多方向、多层次的环境感知，而基于无线通信的车联网技术，即V2X（Vehicle to Everything）技术是很好的解决方案。

基于实现V2X的自动驾驶技术，利用了领先的无线通信与新一代互联网技术结合，全方位实现车与车之间、车与路之间动态实时信息交互，并在动态交通信息采集与融合的基础上，开展车辆协同安全控制和道路交通主动控制。充分实现人、车、路的有效协同，是信息技术在汽车和交通产业的重要突破，为解决车辆安全控制和交通管理提供了新的解决途径。

2 车联网技术发展

2.1 V2X技术

V2X通信是车联网实现车路协同的重要关键技术，已成为当前世界各国解决道路安全问题的一个研究热点。V2X技术借助车与人之间V2P（Vehicle to Pedestrian），车与车之间V2V（Vehicle to Vehicle），车与路之间V2I（Vehicle to Infrastructure），车与网络之间V2N（Vehicle to Network）的无线通信，及时感知车辆周边的环境状况向用户进行预警。它以交通系统下的车辆为中心，允许通过通信信道彼此共享信息，它可扩大自动驾驶感知范围，能够实现更加安全、高效、便捷的驾驶体验，是未来更高级别自动驾驶的基础支撑。根据美国交通部提供的数据，V2V技术可帮助预防80%各类交通事故的发生[2]。

2.2 C-V2X技术

目前，V2X通信技术全球发展主要是以IEEE 802.11p为代表的专用短距离通信技术（DSRC，Dedicated Short Range Communication）和以蜂窝为基础的C-V2X（Cellular-V2X）通信技术，这2大主要技术阵营。DSRC发展较早，已在美国开发测试。不过随着LTE（Long Term Evolution）技术的发展，在移动通信标准化组织3GPP（3rd Generation Partnership Project）的推动下，基于4G网络LTE的车联网通信技术LTEV2X也开始逐渐发展起来。

C-V2X针对于车联网应用场景，定义了2种通信方式，广域蜂窝式与短程直通式。广域蜂窝式采用终端和基站之间的网络通信接口（Uu），可实现长距离和更大范围的可靠通信。另一种短程直通式采用的是车辆之间的短距离直接通信接口（PC5）。C-V2X的2种通信接口，如图1所示。

图1 C-V2X 2种通信接口

网络通信（Uu接口），需要基站作为控制中心，车辆与基础设施、其他车辆之间需要通过将数据在基站进行中转来实现通信。Uu接口支持大带宽、大覆盖通信，可回传到云平台，适合信息娱乐类、远距离的道路危险或交通状况、延迟容忍安全消息等业务类型。

直连通信（PC5接口）定义了车辆之间的直接通信方式，其信道、参考信号和资源处理将会与以往工作模式有所不同，可以实现高速度和高密度通信。它同时支持基站和全球导航卫星系统GNSS（Global Navi-gation Satellite System）的时间同步。允许用户在无网络部署的区域，通过PC5接口车辆彼此间直接广播消息，提供车联网道路服务，满足行车安全需求。它具有低延时、覆盖范围小的特点，适合交通安全类、局域交通效率类业务[3]。

2.3 5G-V2X技术

5G-V2X，是基于5G蜂窝网通信技术演进形成的车用无线通信技术，是LTE-V2X技术的平滑演进。5G-V2X在3GPP的推进下启动，形成以华为、高通等通信产业链企业、电信运营商和汽车企业为主的产业阵营[4]。

5G技术最大的特点就是包含了面向大带宽（enhanced Mobile Broadband，eMBB），面向大连接物联网（massive Machine Type Communication，mMTC），面向低时延高可靠性车联网通信（Ultra Reliable Low and Latency Communications，URLLC）3个方面的实现。基于LTE-V2X技术演化得到的NR-V2X（New Radio-V2X）直连通信模式也会是URLLC的一个重要补充。由于直连模式部署更加灵活，部署成本更低，可以应用于5G基站信号未覆盖的地方，或者分担一部分V2V、V2I通信需求，来缓解网络上的压力。

5G网络对车联网业务的支撑体现在其超低时延、超高可靠性以及更高的网络可靠性。未来更优化、技术更领先的车载、路侧单元应是满足5G环境下车联网应用场景的硬件设备及配套软件算法。结合现有的C-V2X技术来看，根据V2X各个场景的应用需求，体现出了不同的通信技术要求，如图2所示。

图25 G-V2X通信场景

3 车载网联设备

车载网联设备是基于C-V2X技术实现自动驾驶系统中最核心的设备之一，它可以随时向网络汇报自身的状态，是车辆和其他信息节点及网络的联系枢纽。

3.1 网联功能

为了支持车联网通信技术，更好地实现车路协同的应用，车载网联设备应满足以下基本功能：

（1）支持通过V2V实现车辆间通信，实时获取周围车辆的速度、位置、行车情况信息。

（2）支持通过V2I与路侧基础设施（如红绿灯）通信，获取交通信号配时和信号灯状态信息。

（3）支持通过V2P与用户终端设备通信，获取行人位置信息。

（4）可通过接入网/核心网与云平台连接，使得车辆和云平台之间能够进行数据交互，并对获取的数据进行存储和处理。

（5）支持通过CAN（Controller Area Network）或以太网总线网络与车内其它电子控制单元进行双向通信。

（6）支持与车载信息娱乐系统进行数据通信，以进行V2X预警提醒和界面显示。

（7）支持实时定位和盲区定位，实现高精度的定位信息传输。

3.2 硬件开发平台

基于上述网联化与智能化基本功能的实现，车载网联设备需要包含应用处理器、控制器、定位模组、4G/5G模组、C-V2X模组、CAN、传感器、车载以太网、安全、串口、及其他接口等功能模块，如图3所示。

图3 V2X网络及应用软件架构

（1）处理器主要采用主从处理器模式，主从处理器均应达到车规级要求。主处理器处理能力强大，接口功能丰富，能够满足V2X应用需求；从处理器一方面能实现CAN总线快响应的功能要求，另一方面兼具实现网联终端的功能。

（2）定位模组作为处理器外部模块，接收GPS与北斗信号，向上层提供世界标准时间及地理位置信息；提供与标准时间整秒对齐的高精度秒脉冲信号，为时隙切换提供准确的时间信息。

（3）4G/5G通信模块同样作为处理器外部模块，用于设备与服务器或云端的通信，用于OTA（Over the Air Technology）升级和网联终端的应用。

（4）外置的C-V2X网卡能够实现与其它设备进行短程通信，实现车辆安全、车路协同等应用。

（5）分别内置低速和高速CAN接口。低速CAN接口，用于CAN唤醒和低速通信应用，高速CAN接口，用于高速通信应用。基于CAN接口同时支持V2X设备和中控间的通信。

（6）内置加速度传感器，用于网联终端应用。

（7）内置车载以太网接口，可用于设备与汽车中控交互，将安全预警信息传递给汽车中控，接收汽车中控下发的控制命令，也可用于多源信息融合。

（8）内置硬加密的安全模块，用于数据安全。

（9）串口用于内部调试，预留一路通用串口，可接入外部传感模块。

（10）其他接口，如电源接口为设备的正常工作提供12 V或24 V直流电源。下载接口烧录系统专用，分为处理器和控制器烧录。

随着5G车联网技术的到来，各模组企业积极规划5G+C-V2X车载前装模组，支持5G的通信频段，同时将会集成C-V2X与多频GNSS。

4 系统软件

建立在硬件平台的基础上，车载网联设备系统软件根据其功能要求进行了分层架构的实现。

4.1 系统软件架构

整个软件平台包含应用层、系统层和驱动层。

驱动层主要负责驱动硬件层模块，包含各硬件模块的驱动程序，实现与外部设备的操作接口，为系统层或应用层提供服务，以便与外界进行信息交互。

系统层基于Linux开源操作系统，包含串口控制、网络子系统、文件子系统。其中，串口控制部分将作为中间件，接受应用层的控制指令，转而对串口属性进行配置。网络子系统为Linux系统的组成部分，在Linux系统原生支持的基础上，进行了相应改进，以使应用层能够正常使用CAN、4G、5G等常见网络。文件子系统包含文件中的数据和文件系统的结构，包括用户和程序的文件、目录、软连接及文件保护信息等。

应用层主要分为2部分，一部分作为基础子系统，集合了更上层应用公共部分，向这些应用提供交互接口，供更上层的应用自由组合使用；另一部分使用基础子系统提供的服务，构建成直接面向用户的车辆安全、车路协同、网联类应用。

4.2 系统应用架构

在操作系统之上，V2X应用运行环境软件可划分为3个层次：I/O Layer（输入输出层）、Service Layer（应用服务层）和Application Layer（应用层）。每层软件划分为多个相互独立的单一职责的模块，模块间耦合性低，如图4所示。

（1）I/O Layer输入输出层

主要负责设备与外部设备的通讯功能，实现设备所有数据的输入和输出，包括GNSS定位模块、无线通信模块和车辆数据CAN通信等。

（2）Service Layer应用服务层

主要负责对输入数据的整合、处理，并分发至应用层，同时为应用层提供数据发送的接口。

（3）Application Layer应用层

本层主要负责实现常见的安全应用和第3方扩展应用，对影响车辆安全的危险进行判别和输出。

对于预警的输出，在车载设备的TA（Threat Arbitration）模块中实现，这样做到了显示与功能的分离。在V2V与V2I的场景中，首先确认场景的类别，分为安全类、交通效率类与信息服务类，优先级从高到低。预警等级的确定由各安全应用根据各自应用的相关参数由统一的算法计算。TA模块负责接收安全应用场景输出的预警信息，并按照相应的规则对预警信息进行调度、仲裁，挑选出最紧急的预警信息，输出至车机。

5 智慧交通的应用

通过车路协同C-V2X通信技术的应用，可以实现人、车、路和管理平台全方位实时无障碍沟通。未来更高效的智慧交通应用场景有：感知数据共享、协作式变道、协作式交叉口通行、动态车道管理、特殊车辆优先和浮动车数据采集。

本节针对感知数据共享的应用场景，明确场景的定义，详细阐述了场景下的车辆如何利用网络感知实现有效避让。

5.1 场景定义

装载通信系统的车辆EV（Equipped Vehicle）以及路侧设备RSU（Road Side Unit）通过自身搭载的感知设备如摄像头、雷达等，探测到周围其他交通参与者，并将探测到的目标信息处理后，通过V2X发送给周围其他车辆，收到此信息的其他车辆可提前感知到不在自身视野范围内的交通参与者，辅助自身做出正确的驾驶决策。

5.2 场景描述

（1）车与车间交通参与者感知数据共享

应用场景中的交通参与者有装载通信系统的车辆EV-1与EV-2以及未装载通信系统的普通车辆NV（Normal Vehicle）或者行人P，如图5和6所示。

车辆EV-1与EV-2在同一车道内同向行驶，EV-1在前，EV-2在EV-1后方跟车行驶，EV-2的视线可能被EV-1遮挡。EV-1与EV-2组成车队。

此时，有车辆NV在EV-1、EV-2相邻车道逆向行驶，或道路附近有行人P接近。

EV-1、EV-2需具备无线通信能力，且EV-1具有感知能力，搭载摄像头或雷达等车载传感器，车辆NV与行人P是否具有5G-V2X通信能力不影响场景有效性。

EV-1通过车载传感器检测到前方有车辆NV或行人P，通过无线通信向队内组播或向EV-2单播发送车辆NV或行人P的感知数据信息。

队内车辆EV-2根据收到的车辆NV或行人P的感知数据信息，及时提醒驾驶员做出合理的驾驶行为调整。

图6 车队内对于行人的感知数据共享场景

（2）车路间交通参与者感知数据共享

应用场景中的交通参与者有装载通信系统的车辆EV，未装载通信系统的普通车辆NV-1与NV-2或者行人P，以及路侧设备RSU。

车辆EV与NV-1在同一车道同向行驶，NV-1在前，EV在NV-1后方行驶，EV的视线可能被NV-1遮挡，道路附近设有RSU（图7）。

图7 车路间对于车辆的感知数据共享场景

此时有车辆NV-2在EV、NV-1相邻车道逆向行驶，或道路附近有行人P接近（图8）。

图8 车路间对于行人的感知数据共享场景

EV与RSU需具备无线通信能力，且RSU具有感知能力，搭载摄像头或雷达等传感器，车辆NV-1、NV-2与行人P是否具有V2X通信能力不影响场景有效性。

RSU通过传感器检测到前方有车辆NV-2或行人P，通过无线通信向EV发送车辆NV-2或行人P的感知数据信息。

EV根据收到的车辆NV-2或行人P的感知数据信息，及时提醒驾驶员做出合理的驾驶行为调整。

5.3 应用目标

车载网联终端可以进行与智能路侧设备的信息交互，获取大量无法感知到的信息，弥补摄像头、雷达等车载传感器视距不足的缺点，实现了场景应用场景下的感知数据共享，增强了混合交通环境中车辆的感知能力，尤其是对弱势群体的感知能力，能有效的减少交通事故和二次伤害，提高复杂道路通行安全和通行效率。

6 结论与展望

随着5G商用的开启，5G-V2X车联网技术的发展，让车辆和道路能够深度实时通信，构建真正的人、车、路、互联网全方位的网络，为车辆使用者实现行车安全。在现有的监测技术手段和通信手段基础上，结合5G技术大带宽、低时延、高可靠性的特点为道路交通管理提供道路标识和引导系统、道路综合监测、紧急状态协同、统计监测应用，以提高道路管理信息化水平及道路状态监测水平。

未来，随着5G技术加速走向成熟，将为车联网发展提供更强的通信支持和更多选择。