基于5G+C-V2X的车联网解决方案及验证

林晓伯，冯 毅，邱佳慧，蔡 超，张 澜，丰爱松，郑 圣，金 天，夏小涵（.中国联通智网创新中心，北京 0008；.中讯邮电咨询设计院有限公司，北京 0008；.中质智通检测技术有限公司，江苏南京 07；.中国联通江苏分公司，江苏南京 0008）

1 概述

智慧交通出行是我国经济的重要组成部分。随着社会的发展，人们对交通出行的体验要求越来越高，安全、便捷、高效的交通系统成为国家发展的重要目标之一。其中以网络连接、实时通信为基础的车路协同是智慧交通必然选择的技术途径［1］。

在“新基建”“新一代智慧交通”的大背景下，我国基于5G 的车路协同智慧交通发展迅速。2020年2月，11 部委联合发布《智能汽车创新发展战略》正式稿；2020 年4 月，工业和信息化部、公安部、国家标准化管理委员会三部门联合印发了《国家车联网产业标准体系建设指南（车辆智能管理）》的通知；2021 年国务院发布了《国家综合立体交通网规划纲要》，加强交通基础设施统筹布局、推动车联网部署和应用；2021 年“十四五”规划中明确指出“积极稳妥发展工业互联网和车联网”。多部委多次联合发布相关政策法规，传达出国家推动相关产业融合创新发展的决心，表现出各部委间合力促进车联网发展的坚定决心［2］。

在国家政策的大力引导下，车联网产业化发展逐步走上正轨，车联网标准体系基本建成。通信企业、主机厂、互联网企业共推智慧交通产品，并已开发了包括安全相关、效率相关及信息服务相关的多种应用，产业链中的芯片、终端、平台、应用等细分产业均快速发展［3］。同时，全国各地均在开展车联网的业务示范和应用。

但是目前车联网发展仍然面临一些问题，首先车联网产业跨多行业、跨多部委，产业链条长，决策链复杂［4］，因此存在产业协同难的问题。在管理上，目前车联网建设呈点状分布，运营主体不统一，容易形成烟囱式建设和信息孤岛，后续难以实现跨域协同以及数据的集约化管理，影响规模化的发展。在成本上，车联网的路侧单元（RSU）如果在市区内连续覆盖，数量庞大，成本较高［5］。

本文针对车联网产业中的痛点和难点问题，提出利用5G SA网络结合移动边缘计算（MEC）承载车联网C-V2X 业务，将5G 的广覆盖、低延时、高算力特性赋能车联网行业，借助5G 云网资源，使车联网在短期内具备规模化、标准化、一体化的应用落地推广能力，同时有效降低成本，真正形成业务的“一点复制、全国推广”的建设模式。本文基于上述车联网业务承载方案进行实地部署和网络性能测试、C-V2X 网络覆盖测试以及业务支撑测试，全面验证了该方案的可行性以及可靠性，对于车联网部署和推广具有积极意义，并且为通信运营商切入车联网行业提供了经验。

2 技术背景

2.1 LTE-V2X通信架构

LTE-V2X 是由我国主导的通信技术，于2015 年在3GPP开始标准化工作［6］，支持PC5和Uu 2种通信模式。网络通信架构如图1所示，其中，OBU与RSU之间通过PC5 接口通信，称为V2I（Vehicle to Infrastructure）通信；OBU 之间通过PC5 接口通信，称为V2V（Vehicle to Vehicle）通信；OBU 与LTE 基站间通过Uu 口通信，称为V2N（Vehicle to Network）通信［7］。架构中的关键网元包括：

图1 LTE-V2X通信架构

a）路侧单元（RSU）：即V2X 路侧终端，支持PC5和Uu 2 种通信模式，其中PC5 用于广播V2I 并接收V2V 消息。同时作为其他路侧设备（例如摄像头、雷达等）的数据网关，RSU 将其他路侧设备的数据通过Uu或者有线方式发送至云端V2X应用服务器。

b）车载单元（OBU）：即V2X 车载终端，支持PC5和Uu 2 种通信模式，其中PC5 用于广播V2V 并接收V2I消息，Uu可将车端数据发送至云端V2X服务器。

c）LTE-V 基站（LTE-V eNodeB）：支持Mode3 模式下PC5空口资源配置，Uu口用于V2N 消息的发送及接收。

d）移动边缘计算节点（MEC）：为PC5 及Uu 提供边缘算力，主要用于本地化时延敏感V2X业务处理。

e）V2X 应用服务器（V2X Application Server），主要用于处理应用层的消息，包括数据融合计算，输出决策信息并播发给路侧设备。

f）V2X 控制单元（V2X Control Function），主要用于业务逻辑控制单元，提供PC5口鉴权，设备运维管理等。

2.2 LTE-V2X应用类型

在LTE-V2X 车联网中，应用类型主要分为安全、效率、信息服务3类［8］。目前在标准中分2个阶段定义具体的车联网应用场景，其中第1阶段是初级阶段，主要面向车联网设备间的信息互通，如表1 所示。例如安全类中的紧急制动预警，该场景的通信方式为V2V，即前车在进行紧急制动的同时，联动车内的OBU向周围的车辆播发其紧急制动预警消息，该消息传播距离可以达到数百米，使得视距外的OBU 终端也能收到消息，从而提醒远端车驾驶员注意实时路况。再如，闯红灯预警应用场景中，RSU 可以与红绿灯通信，从而获取红绿灯的状态信息，并将该状态信息播发给周围的OBU 终端，如果驾驶员疏于观察，可提醒驾驶员前方路口是禁行状态。

表1 车联网第1阶段基础应用场景及通信方式

随着路边设备类型的不断丰富，将部署激光雷达、毫米波雷达、摄像头等，可以实现更复杂的车联网应用，因此标准组织基于第1阶段应用场景扩展出第2阶段应用场景。在第2 阶段应用场景中，借助路边的多元感知设备，可用于多车协同的交通通行场景，应用场景包括协作式变道、协作式匝道汇入、车辆编队行驶、特殊车优先行驶、车辆路径引导等［9］。

2.3 LTE-V2X与LTE技术对比

LTE-V2X 直连通信技术沿用LTE 的基础思想，但是在协议栈、资源选择和调度方式、重传机制以及实际部署方式上均有较大差别［10］。例如LTE-V2X 与LTE 的资源调度方式不同。目前LTE-V2X 行业内主流使用的是Mode4，即自主资源选择模式。该模式采用的是基于感知的半持续资源选择（Semi-Persistent Scheduling，SPS）的方式，该模式下LTE-V2X 终端不需要通过蜂窝网基站调度，而是自身根据接收到的信息对已占用的资源进行避让，使用未占用的资源块进行数据发送并预约周期性的发送资源［11］。此外LTEV2X 与LTE 的HARQ 重传机制不同。LTE 的重传流程是在终端接收到数据帧后，对数据帧进行FEC 校验并反馈ACK 或NACK，发送端会根据终端的反馈进行重传［12］。而LTE-V2X 仅支持配置最多1 次HARQ 盲重传，即LTE-V2X 接收端不会对接收到的消息进行反馈，而LTE-V2X 发送端默认对每个数据包进行最多2次发送［13］。LTE-V2X 与LTE 的部分技术及部署差异如表2所示。

表2 LTE-V2X与LTE部分技术及部署差异

2.4 MEC在LTE-V2X中的应用

车联网是移动边缘计算（MEC）的重要应用场景。车联网中包含多种业务类型，不同业务对网络要求差异较大。例如，高精度地图与娱乐类业务需要较大带宽，而安全类业务则需要低时延网络。MEC 可以灵活部署在车联网架构的各个层级，在靠近用户的位置部署MEC 平台实现部分网络服务、计算、存储、决策能力下沉，从而满足车联网的超短时延要求并同时减轻核心网流量压力［15］。

在5G SA 核心网架构中，通过控制面和用户面分离，将UPF 下沉到边缘，实现在5G 核心网架构中的边缘计算，并且能够利用切片技术实现不同业务的个性化服务管道，从而支撑不同的车联网应用，如图2 所示。

图2 5G核心网服务化网络架构

此外，MEC 支持多层级灵活部署，下至每一个路口，上至覆盖一个城市的大型MEC，均可以灵活部署车联网应用。中国联通目前已经在全国各个城市广泛部署可用于服务车联网的布局型MEC，为车联网开展商业化快速部署提供高效算力。

本文以江苏常州“新一代国家交通控制网智能网联开放道路测试”车联网网络建设方案为例，介绍5G+MEC+C-V2X 的车联网网络部署方案，并对网络部部署性能及业务演示性能进行了测试验证。

3 车联网5G+MEC承载方案

3.1 车联网网络承载部署

该网络方案跨两地部署，其中5G核心网部署于南京，而5G 基站和承载V2X 业务的MEC 位于常州，核心网和基站通过IP 承载网连接，如图3 所示。在该架构下，控制信令和用户数据分离，业务数据通过UPF 分流至本地的V2X 应用服务器，从而保证低时延，且业务流量不经过核心网，减轻了核心网业务处理压力。

图3 5G SA+MEC网络部署架构

在测试场侧，共部署8 个5G 基站及15 个RSU 设备，RSU 北向通过5G 访问V2X 应用边缘服务器，南向通过以太网连接其他路侧设备。其中RSU 实际部署点位如图4所示，1～15代表本次部署的15个RSU 的部署位置。其中应用序号①②③④⑤⑥本次6个关键场景，其中RSU3、5、7、9、12、14 配合完成场景演示，其余RSU 均提供云端信息下发和基础地图数据下发的功能。

图4 RSU部署位置及车联网应用触发位置

应用序号与具体应用的对应关系如表3所示。

表3 应用序号与具体应用对应关系

该网络方案包含5G 承载网络部署、LTE-V2X 覆盖网络部署及业务应用部署的端到端C-V2X 车联网整体实验环境，模拟未来实际商用环境，测试结果具有应用实践价值。该网络方案相比于4G 承载方式更具优势，4G 采用传统集中式部署的云控中心，业务部署位置距离用户较远，无法对时延、带宽、可靠性等提供保障，此外在可扩展性及经济性方面也无法适应业务规模化推广的需求。

3.2 路侧设备部署

在路侧设备部署过程中，抱杆上一般会同时部署多个设备，包括RSU、摄像头、毫米波雷达、激光雷达等［16］。在实际部署中，上述设备均直接与抱杆箱中的交换机连接，如图5所示，并进行设备物理接口的地址配置，使其组成本地局域网络。而RSU 作为其他设备的网关设备，南向收集同一抱杆上的其他设备的数据，北向通过5G访问MEC服务器。

图5 设备实际部署方式

4 测试验证

4.1 网络能力测试

网络测试主要是测试5G∕V2X 双模RSU 与边缘云服务器之间的通信时延，采用ping 测试方式。实测结果如表4 所示，最大往返时延14.8 ms，最小往返时延11.2 ms，平均往返时延11.78 ms；最大单向时延7.4 ms，最小单向时延5.6 ms，平均单向时延5.89 ms。

表4 RSU设备至边缘云服务器之间通信时延

车联网业务对于时延敏感度较高，根据3GPP TR 22.885定义的车联网应用场景，在辅助驾驶类业务中，如主动安全（例如碰撞预警、紧急刹车等）、交通效率（例如车速引导）、信息服务等，对于时延的要求均在20～100 ms，因此5G+MEC的承载网络目前可以满足车联网业务对时延的要求。

4.2 LTE-V2X覆盖测试

车联网通信场景较多，包括高速、城区、隧道、高架桥、环岛、停车场等，不同场景由于遮挡、RSU 部署位置等环境因素导致通信性能差异较大。RSU 在实际部署后，应进行实地测试，从而验证车联网网络的有效覆盖范围，将其作为工程验收的标准和依据。本文以路测的形式，对整个测试场覆盖进行测试，此外针对某一特定RSU，验证其在高速场景下的覆盖能力，能够为以后类似场景的RSU 设备大规模部署提供工程经验。

本次测试场路测结果如图6 所示，大部分区域都有LTE-V2X 信号覆盖，RSRP 值主要集中在-120～-105 dBm。个别地区由于环境遮挡、RSU 部署位置等因素导致出现覆盖盲区。而部分地区虽然相对距离较远，但是由于传播条件较好，信号强度较高。

图6 测试场整体LTE-V2X网络RSRP热力图

由于该测试场整体环境开阔，可以作为典型的高速车联网通信场景，因此本文在测试中针对高速场景进行了打点测试。图7中标识了测试场中用于高速直道打点测试的RSU 以及相应的路段，其中红色箭头指示的是车辆前进方向。

图7 高速场景地图视角

该路段周围无建筑物，环境开阔，符合高速场景的测试条件。RSU部署在道路龙门架上

测试使用的测试设备是支持直连通信的终端设备，并支持输出一系列网络指标如RSRP、RSSI、SNR及收包率。被测RSU 部署高度约10 m，发送功率为23 dBm，天线增益为6 dBi。配置被测RSU 发送V2X消息，每个包大小约为150 B，包与包之间的发送频率约为100 ms。测试方法为打点测试，沿高速道路向北逐渐拉远，在每个测试点配置被测RSU 发送5 000 个数据包，并通过测试设备统计收包率，测试结果如图8所示。

图8 高速直道带打点测试结果

在前0～800 m 的过程中，平均收包率为95.65%，且比较稳定，可以视为良好覆盖路段。通过路口以后，收包率波动较大，在1 200 m 位置，仍能够达到最高92.95%的收包率。而到达1 300 m 后，收包率就降为0。后半段收包率的折线图如图9所示。

图9 高速直道后半段打点测试结果

从图9 可以看出整体波动比较大，可能与周围大型车辆经过导致传播环境发生剧烈变化有关。图9中红色虚线展示的是丢包率与距离的变化趋势。

根据高速场景的测试结果，主要结论有以下3点。

a）RSU在高速路段覆盖距离可以达到1 km。

b）在覆盖极限距离附近会出现抖动，可能与周围环境变化有关。

c）在覆盖极限区域会出现明显的丢包拐点，即丢包率与距离的变化并不是线性的。

根据以上实测情况，给出高速场景RSU 的部署建议如下。

a）考虑覆盖质量及经济实用性，两RSU 之间距离应在1.5 km左右。

b）RSU的部署高度应在10 m以上，从而减少大车对于RSU信号的遮挡。

4.3 V2X应用测试

本文验证了承载于5G 网络的LTE-V2X 应用运行情况。基于现场5G 网络环境、MEC 应用部署以及车联网终端设备，在常州测试场落地并验证了包括车速建议、闯红灯预警、后方快速车辆预警、超速提醒、十字路口碰撞预警、紧急车辆提醒、弯道提醒、路面湿滑预警、道路施工预警等车联网应用。

以车速建议为例，在设备部署上，将信号灯或信号灯的相位机与RSU 相连，使得RSU 获得信号灯的相位信息。相位信息即包含当前信号灯状态及所剩的时间。RSU 将信号灯相位信息转换成SPAT（Signal Phase Timing Message）消息播发给周围的车辆OBU 终端。车辆终端会根据自身行驶方向、行驶速度以及红绿灯相位信息计算出可通过绿灯的最低速度或者应立即制动从而在红灯前停住车辆。

另以道路施工预警为例，在设备部署上，摄像头与RSU 相连，并将视频信息实时发送给RSU，如图10中①所示。RSU 通过Uu口将视频信息实时经由5G 网络发送至V2X应用服务器，如图10中②所示。V2X应用服务器实时对监控视频进行图像分析，如果发现道路上出现类似施工特征，如三角锥、施工警示牌等，将告知RSU，如图10中③所示。RSU通过组织BSM消息将施工情况播发到周围车辆，如图10 中④所示，消息覆盖范围可以达到500～1 000 m。因此在该场景下，视距外的车辆可以提前收到前方施工消息，从而避免事故发生。

上述案例是LTE-V2X、5G、MEC 共同协同的结果，在5G+MEC 网络的支撑下，上述案例均能够正常实现相应功能，在时效性上与固定网络无明显感知差异。随着5G网络向R16演进，uRLLC超低时延将可以更贴近于车联网业务需求，为车联网提供多元化、定制化的网络管道。

5 总结及建议

车联网产业正在蓬勃发展，政府、企业、院校都积极参与到我国车联网发展浪潮当中。中国联通较早开始进行车联网相关研究及产品化工作，并持续关注车联网产业，从产品、规划、建设、优化等方面切入车联网行业。本文提出了5G+MEC 承载车联网的网络方案并实地部署，进行了网络测试、LTE-V2X 覆盖测试以及应用测试，测试结果符合预期，是运营商在车联网行业一次全面的探索与实践，为日后规划部署提供了宝贵经验。