基于车联网通信组网架构的分析与研究

李柱，丁巍，王勇刚

（车百智能网联研究院（武汉）有限公司，湖北 武汉 430000）

0 引言

国家智能网联汽车（武汉）测试示范区一二期项目，从智能道路、路侧智能基础设施、城市操作系统、测试体系、应用系统等方面开展示范区建设，形成具备开放道路测试、自动驾驶应用、基于5G的智能网联汽车和智能交通等功能的示范应用[1]。

1 研究背景

项目建设了106km基于开放标准的智能道路，形成了覆盖整个经开区全域的5G网络，同时，根据不同的需求及应用场景，搭建了有线光纤组网、5G专网组网和公网组网的三种通信组网架构环境。具体如下图1所示。

图1 武汉示范区车辆网通信组网架构图

2 示范区组网环境测试及分析

2.1 5G专网组网

2.1.1 组网需求

武汉示范区二期项目77km道路智能化建设，主要以5G专网组网为主。路侧杆件点位220个，每个杆件部署一个5G CPE或者5G RSU作为网络节点，每个设备安装5G SIM卡，通过无线UU口将杆件上安装的传感器感知的原始视频流、设备处理后的结构化等数据直接上传云平台。同时在5G专网覆盖范围内的各类智能网联汽车通过安装有5G SIM的OBU实时上传各类车辆行驶状态信息[2]。

在路侧端，主要在重要的路口、环岛等交叉口以及特殊场景路段，增加枪球一体机和雷视一体机智能化感知设备的覆盖，每个路侧杆件的数据上传需求不大于50Mbps，通信时延要求20ms左右。在车载端，通过对智能网联汽车安装车载OBU，将智能网联汽车的行驶状态信息等数据通过PC5口或通过UU口上传平台，数据上传需求不大于10Mbps，通信时延要求20ms左右。

2.1.2 网络性能测试

基于进行网络测试及对网络长期监控的数据分析，5G专网组网存在以下特点：

（1）对于5G专网覆盖区域内的路侧杆件通过5G RSU/5G CPE进行通信的固定场景，从RSU/CPE侧统计UU口5分钟的应用层平均上行速率均在100Mbps，固定场景下上行带宽能稳定保障的上行速率不小于50Mbps。（2）对于5G专网覆盖区域内ADAS公交车行驶路线的移动场景线路上行平均速率为91.5Mbps，路测上行速率高于100Mbps采样点数/路测上行速率总采样点数占比为43.25%，路测上行速率低于20Mbps采样点数/路测上行速率总采样点数占比为0.24%，移动场景下上行速率能稳定保障不小于20Mbps。（3）对于5G专网覆盖区域内的路侧杆件通过5G RSU/5G CPE进行通信的固定场景，220个杆件端到端平均时延7.94ms(往返时延15.88ms)，其中216个点位的平均时延在10ms(往返时延20ms)以下，能保障95%以上的固定点位时延小于10ms，但每个点位的时延不固定，根据时间呈动态变化。（4）5G专网覆盖区域内ADAS公交车行驶路线的移动场景端到端平均时延12.075ms（往返时延24.15ms），采集时延呈动态变化，能满足动态场景下时延小于50ms的需求[3]。

2.1.3 应用场景及优势

（1）适用于固定场景上行传输速率需求在50Mbps以下，移动场景上行传输速率在20Mbps以下，网络稳定性要求不高，同时时延根据固定场景和移动场景分别在20ms和50ms以下的业务场景；（2）适用于安全性要求较高的业务场景，数据通过专网环境以及5G网络切片技术实现数据传输的高安全性；（3）适用于乡村道路，公路及没有管网资源等应用场景。可根据场景需要，不依赖现有及新建设的光纤及管道资源，在任意有网络覆盖的地方都可进行网络部署；（4）基于5G空口的组网，可大大降低路侧施工难度与成本，解决有线大面积管道铺设，成本高、工期慢等问题，同时可灵活选择并兼容各个运营商网络，有效降低后期管理运维难度和成本。

2.2 公网组网

2.2.1 组网需求

武汉示范区二期项目给整个经开区236辆公交车安装了OBU，同时对武汉市一万辆社会车辆加装了定制化的智能后视镜，智能网联汽车除了77km智能化道路范围外，在有5G专网覆盖或者只有4G网络覆盖的整个经开区近500平方公里范围及1000公里道路范围行驶的智能网联汽车都可以提供车路协同应用及服务。因此，对于网络延时及带宽要求不高的区域，通过公网的组网模式，基于UU口通信同时可为更大范围的智能网联汽车提供应用及服务[4]。

2.2.2 网络性能测试

（1）对于5G专网和4G公网协同覆盖区域的车路协同/车联网应用车辆行驶的移动场景端到端平均时延25.66，部分点位时延大于50ms。（2）对于5G专网和4G公网协同覆盖区域内普通公交车行驶路线的移动场景线路上行FTP平均速率为53.7Mbps，路测上行速率高于50Mbps，采样点数/路测上行速率总采样点数占比为83%，路测上行速率低于10Mbps，采样点数/路测上行速率总采样点数占比为1.8%，上行传输速率基本满足10Mbps要求。（3）国家智能网联汽车（武汉）示范区内实现了5G专网全覆盖，为了确保测试车辆（如智能公交车）驶出示范区范围外仍能向平台正常上报车辆状态数据，5G专网应具备向下兼容4G公网的能力。通过在道路上对5G/4G兼容性进行测试， 5G至4G切换平均时延约为56ms。

2.2.3 应用场景及优势

（1）适用大范围智能网联汽车移动场景，对数据的实时性、安全性、完整性要求不高，带宽需求小于10Mbps的应用场景。（2）公网组网环境不需要额外的网络建设，基于现网已有的网络覆盖，可实现大范围的场景应用及落地。

2.3 有线光纤组网

2.3.1 组网需求

武汉示范区一期项目28km道路为新建道路，便于进行有线光纤网络的同步规划和实施，且一期项目中感知设备布设较为密集，不仅在路口进行布设在路段也有布设，在路口和路段均布设有激光雷达，数据传输量较大，因此在一期建设的探索期道路智能化建设主要采用有线光纤组网模式，为路侧感知设备提供稳定、安全、高速的网络通信服务。另外，在二期项目中，规划建设了3个实验路口，安装部署了包括激光雷达、毫米波雷达、摄像机、MEC等感知设备和边缘计算设备，由于激光雷达数据量很大，而且为了进行不同厂家方案的对比分析，单个路口同时布设了多套感知设备，实验路口数据传输需求是一般路口的2～5倍以上。例如单一杆件上传感器数量为9个，保守估计数据量约200Mbps，一个十字路口的4 个路口方向数据量合计可能超过1000Mbps。因此，对于实验路口也采取有线光纤的组网方案[5]。

2.3.2 应用场景分析

（1）目前国内外智能网联示范区和车联网项目路测基础设施大多采用有线光纤组网模式，可为路侧杆件提供至少1000M的带宽需求，适用于多传感器大带宽需求的固定应用场景。（2）光纤组网存在施工难度大、施工成本高、施工周期长等缺点，但网络环境相对固定，抗干扰能力强，可提供无线通信无法比拟的安全、可靠、稳定的网络服务。

3 结论

不同的业务场景对网络的需求和要求不尽相同，实际工程应用过程中，可根据具体的带宽、时延、稳定性、安全性、可靠性等需求选择不同的组网方案。5G专网组网适用于数据传输量较大，对时延要求较高的场景，流量相对密集的场景。利用运营商已有的5G网络资源，适当增加UPF等网络设施，快速实现专网覆盖，在工程上能大大降低路侧通信施工难度、施工周期和建设成本。充分利用5G网络的大带宽、低延迟、高速率、高可靠性的优势，通过共用无线资源、行业专用核心网部分共用、专用传输链路、网络切片、UPF下沉实现数据本地化、流量卸载本地分流快速闭环，以及车联网业务低时延和安全保障。公网组网适用于数据量传输不大，对实验要求不高，且流量不密集的场景，主要适用于智能网联汽车的活动范围广和气象/路面传感器等物联网设备小数据量传输的场景。不需要额外的建设，直接利用运营商已有的公网资源，实现大范围场景应用落地。有线光纤组网适用于新建道路和对数据量传输需求很大、稳定性要求很高的场景，但也存在施工难度大、施工成本高、施工周期长等缺点。

武汉示范区根据5G技术的发展及应用场景需求，建设了5G专网、有线光纤网和公网三种组网模式，特别是在武汉示范区二期项目开创性采用全5G空口通信方案，并在工程实践中验证了5G专网功能和性能可以满足项目智能网联路侧和车端业务的测试应用需求。