基于C-V2X的车路群体协同混合组网

葛 元，张为峰,韩延涛，李静林

(1.中移(上海)信息通信科技有限公司，上海 200131；2.中国移动通信集团有限公司，北京 100033；3.北京邮电大学 网络与交换技术国家重点实验室，北京 100876)

0 引言

车联网通过先进的无线通信和互联网技术，支持车与车(Vehicle-to-Vehicle，V2V)、车与人(Vehicle-to-People，V2P)、车与基础设施(Vehicle-to-Infrastructure，V2I)和车与云端网络(Vehicle-to-Network，V2N)通信，实现全时空交通信息的实时和动态交互，满足车辆主动安全控制和道路协同管理要求，以达到人、车、路的有效协同。在车联网的支持下，车载与路侧和云端的智能能够通过相互协同实现多源异构数据融合、状态预测，满足车辆的环境感知增强和扩展要求，实现安全驾驶。车载与路侧和云端的智能能够通过相互协同实现联合决策和控制，避免交通过程中存在的排队、等待和决策逻辑死锁等问题，提高通行效率，形成安全、高效和环保的道路交通系统[1]。

目前车联网主要基于蜂窝技术的V2X通信技术——C-V2X(Cellular based Vehicle-to-Everything)[2]实现。C-V2X在通信范围、容量、车辆移动速度和抗干扰性等各方面的性能全面优于短距无线通信技术(Dedicated Short-Range Communications，DSRC)[3]，且与4G、5G兼容，具有明确的长期演进路线。根据3GPP标准，C-V2X技术包含2种通信接口：一种是点对点直接通信接口(PC5)，支持V2V/V2I直接通信；另一种是终端和基站之间的通信接口(Uu)，支持V2N/V2P通信。

符合4G规范的C-V2X技术被称为LTE-V2X[4]，符合5G规范的C-V2X技术被称为NR-V2X[5]。与LTE-V2X相比，NR-V2X的PC5口使用Sidelink技术增强了点到点直接通信能力，从LTE-V2X时代的广播体制，进一步扩展为支持单播、多播和广播多种模式，并为多终端的协同控制提供了基础。

针对当前V2X组网面临的现实问题和不同组网方式存在的局限进行深入分析，基于车路协同消息流量测算和网络能力需求，论证了5G独立组网难以支持纯Uu通信方式的车路协同系统应用需求，并提出了C-V2X混合组网方案。

1 C-V2X通信网络架构

目前，3GPP组织规范的以4G/5G为基础的C-V2X车联网通信网络架构如图1和图2所示[6-8]。

图1 4G/C-V2X车联网组网架构Fig.1 4G/C-V2X networking architecture for Internet of Vehicles

图2 5G/C-V2X车联网组网架构Fig.2 5G/C-V2X networking architecture for Internet of Vehicles

该组网架构作为一种理想模型，由于设备终端厂商的终端支持能力程度和设备管理开放性滞后，及产业界对5G性能认识的误区，尚未全面落地。目前实际落地的C-V2X车联网组网模式主要包括3种：C-V2X专网组网、C-V2X/4G/5G叠加组网和4G/5G独立组网。

(1) C-V2X专网组网架构

以设备厂商和传统智能交通企业集成为主的落地项目主要采用C-V2X专网组网架构，通过独立的支持C-V2X的路侧单元(Road Side Unit，RSU)实现基于PC5的广播通信。路侧各类感知设施或交管设施，将感知数据和状态数据实时同步给路侧计算单元，通过计算单元进行信息解析后转为通用V2X消息，再通过RSU分发给目标用户终端。同时，部署车载单元(Onboard Unit，OBU)实现车车、车路之间的PC5广播通信，并最终实现车路协同，如图3所示。

图3 C-V2X专网组网架构Fig.3 C-V2X private network architecture

目前国家已经批复5.9 GHz中的20 MHz频段作为该专网组网模式的专用频段，提供交通信息服务。这一模式的优势在于RSU复杂度要求低，系统整合简单，能够快速形成服务。但缺点是需要在路侧建设足够多的RSU，以便实现服务的广泛覆盖，同时所有用户必须具备支持PC5通信能力的终端。但由于终端的普及率较低和RSU的成本、质量等问题，相关建设规模受到限制。

(2) C-V2X/4G/5G叠加组网架构

由于C-V2X分配的20 MHz专用频段远远不能满足增强的车路协同服务需求，目前在车联网/智能交通示范区建设过程中，亦采用C-V2X/4G/5G叠加组网模式，以充分利用运营商网络资源。

叠加组网的用户终端同时支持PC5口和Uu口，分别通过RSU接入专网实现基于PC5口的交通信息广播服务，通过基站接入公网实现基于Uu口的车载信息服务，如图4所示。

图4 车路协同叠加组网架构Fig.4 Superposed networking architecture for vehicle-infrastructure cooperation

叠加组网架构能够发挥RSU专网的优势，V2V/V2I消息无需经过4G/5G基站转发，能够较好地满足实时性等要求。但缺点是用户端设备需专用芯片以同时支持Uu口和PC5口通信能力，且电信域和路侧专网域只能在云端进行数据统合，互操作能力弱。

(3) 4G/5G独立组网架构

由于RSU部署和OBU渗透率问题，电信运营商和车载信息服务提供商(Telematics Service Provider，TSP)等也在尝试直接基于4G/5G网络提供车路协同服务。

4G/5G独立组网主要通过Uu口实现对目标用户的V2V/V2I信息交互。路测数据通过路侧计算单元处理后，传输至平台数据中心部署的信息分发管理平台或应用平台，通过Uu口分发给目标用户终端。这一组网架构的优点是对用户终端类型等无特殊要求，具备4G/5G蜂窝通信网接入许可的传统手机也可满足，且网络结构成熟、易于管理。但缺点是终端数据和路测数据需要全部传回平台进行处理，处理延迟较大。

在5G时代，5G NR无线信道的低时延、大带宽和大连接能力能够实现车路通信优化。核心网侧则通过UPF直接接入基于特定区域的边缘计算节点，平台能力可以下放到边缘侧，实现数据转发路径的大幅缩短，系统时延亦能够满足大部分V2X服务要求。但由于5G独立组网需要将车载终端与传统移动互联网终端统一接入基站，存在资源竞争，需要考虑网络资源负载情况。

2 车路协同通信流量测算

目前车路协同所需支持的服务主要包括车辆安全、地图分发、红绿灯信号、车速引导、异常预警、道路信息广播和电子路牌信息等[9]，如表1所示。

表1 V2X应用层及应用数据交互标准(第1阶段)

要传输的数据为经过协议转化的V2X消息，根据消息的种类以及每一类的数据量和消息的传输频次，V2X的消息传输总量可表示为：

V2X消息流量=∑(各类消息数据量×频次)。

如果采用叠加组网方式，通过RSU PC5口进行V2X消息广播，由于广播模式与用户规模关系较小，下行流量整体可控。

如果采用独立组网方式，通过基站Uu口进行V2X消息播发，由于Uu口与PC5口的模式差异，广播式消息需拆分到每一个目标用户，以进行消息播发，则单个消息的下行流量为：

Vv2x下行=B×VMAP×2+C×VRSI×10+D×VRSI×1+

(A+E+F)×VRSM×10+G×VSPAT×2，

其参数含义如表2所示。

表2 下行消息计算公式中的参数含义

基于以上模型，选取典型路口场景，对人流和车流进行假定，计算瞬时消息流量。

结合实际环境，选取双向8车道路口，无线覆盖半径200 m，在早晚交通严重拥堵高峰期的道路状态如图5所示。

图5 交通一般拥堵场景Fig.5 General traffic congestion scenario

这种情况下，覆盖范围内车辆的数量为384，范围内行人瞬时流量可达500人，非机动车数量为100辆。在不考虑算力需求的前提下，仅考虑技术成熟度和商业化进展情况下，分以下情况测定V2X数据流量。

(1) 试验阶段

按目前常规车路协同业务考虑，主要为测试车辆，用户占总体车辆的1%，相关数据模型如表3所示。业务用户仅4个测试车辆用户，则整体数据流量：

VV2X下行=216.24 KB/s，

整个小区的流量使用为0.810 9 MB/s。

表3 试验阶段相关数据模型

(2) 初步商业化阶段

如业务得到发展应用，V2X用户占总体车辆的比例可能快速到达10%，在其他条件不变情况下，相关数据模型如下。

业务用户40个，整体数据流量：

单个消息VV2X下行=561.84 KB/s，

整个小区的流量使用为21.069 MB/s。

初步商用阶段相关数据模型如表4所示。

表4 初步商用阶段相关数据模型

(3) 初步规模化应用阶段

V2X业务得到普及，车辆和个人用户普及率达到50%(根据智能网联汽车发展路线图，预计为2025年达到)，技术有所突破，相关数据模型如下。

业务用户442个，则整体数据流量：

单个消息VV2X下行=2 587.68 KB/s，

整个小区的流量使用为1 116.95 MB/s。

由于从广播到点到点单播需要消息复制拆分，会存在消息冗余，造成下行流量因用户规模影响出现较大变化。

初步规模化应用阶段相关数据模型如表5所示。

表5 初步规模化应用阶段相关数据模型

3 4G/5G基站承载能力测算

由于V2X通信需求为实时的ms级通信，所以V2X消息终端始终处于激活RRC状态，对于4G/5G网络主要影响有2个层面，分别是小区激活通信通道的占用和小区PDSCH资源的占用。

根据常规公开数据，4G的小区激活RRC连接用户数约400个，常规配置下无线流量峰值速率为150 Mb/s，即18.75 MB/s。考虑4G/5G网络目前主要仍用于个人用户通信保障，分配给V2X的资源占比一般不会超过20%。故对于V2X用户仅能提供80个激活RRC连接用户数，无线峰值流量为18.75 MB/s，仅能支持试验状态下的车路协同系统使用。

5G的小区激活RRC连接用户数约3 000个，常规配置的峰值流量达到1.5 Gb/s，即192 MB/s，仅能支持初步商业化程度的车路协同系统使用。

由此可见，虽然5G独立组网能够支持商业化起步阶段的车路协同系统应用，但也难以承载车路协同系统初具规模时的通信需求。其核心原因是：

(1) V2X消息为实时性要求高的业务类型，要求高等级SLA进行通信资源保障，具有远超手机或其他物联网终端用户的高优先级资源抢占，基站难以平衡车联网需求和移动互联网需求；

(2) 第1阶段需支持的V2X消息在内容上主要为预警、通知类信息，基于用户规模大量重复播发，用户量越大，资源消耗越大。而传统移动通信网络MBMS广播体制并非为这种高频信息类广播设计，难以满足需求；

(3) 使用Uu口进行点到点通信的定向播发，适合精细化单车控制，将高频度广播类消息转化为点到点消息，必然会带来大量计算和带宽资源冗余消耗，该计算量会由消息数量与用户规模乘积规模增长，造成数据交互延时和成本高企。

因此，目前在实践中，主要采用支持C-V2X标准的叠加网络构建模式，解决4G/5G网络下Uu口能力无法满足即时、冗余的广播业务需求的问题。

4 支持网络协调的混合组网模式

随着自动驾驶和智能网联汽车的发展，新型的感知数据共享、协作式控制等车车、车路协同类服务已经出现，这些服务具有两方面特征：一是资源需求大，如感知数据共享，其可能包括全路面范围内所有目标对象(300～500个)的历史轨迹点和预测轨迹点，平均报文大小可能超过10 Kb/s；二是目的性强，如车辆引导、驾驶决策等，需要有选择性地与特定位置和时机的参与方进行通信[10]。

这类新型服务给传统C-V2X组网模式带来2个问题：

(1) 支持用户数量瓶颈问题：LTE-V目前所支持的PC5直通接口广播类服务主要基于Mode 4方式，通过车辆间的分布式算法进行流量调度和干扰管理。即便使用5G NR-V2X，并将PC5接口带宽扩展为40 MHz，5G PC5接口模式2(依靠终端自身进行分布式资源选择)可以承载的用户数也将远少于300个[11-13]，不足以支持规模化应用。更大的报文长度或将点到点消息转换为广播消息都将进一步恶化承载用户数量。

(2) 复杂场景资源调度问题：虽然基站和网络能够探测网络资源状态并利用NR-V2X模式1或高级别的资源调度方式解决无线资源有效利用问题，但单独部署的RSU难以与运营商基站共享无线资源探测结果，无法实现协同调度。同时由于车辆的高速移动，车辆间的拓扑复杂时变，不管是基站还是RSU，仅仅依靠无线资源探测都无法准确预测车辆之间的位置关系变化所引起的潜在资源冲突。

这些问题都限制了大规模车路群体智能协同过程中的资源分配准确性和效率。针对以上问题，需考虑构建新型混合组网模式。该模式一方面利用独立部署的RSU实现路面标牌、事件和状态的I2V广播，从而简化交通广播类服务实现。另一方面，利用网络控制下的Sidelink实现车车之间PC5口的单播或广播，降低Uu口对移动互联网的资源抢占，提高所能支持的网络容量。同时将V2X应用功能分层，通过构建RSU网络与基站网络共享的区域边缘计算，解决RSU/基站联合无线资源占用态势认知和RSU/基站/D2D混合业务提供问题。

支持网络协调的混合组网模式如图6所示。

图6 支持网络协调的混合组网模式Fig.6 Hybrid networking mode supporting network coordination

支持网络协调的混合组网模式在以下几方面引入变革：

(1) V2X应用服务能力下沉与能力开放

将云端的V2X应用服务能力分解和下沉到边缘计算，同时将V2X应用服务能力划分为路侧协同认知服务和区域协同决策服务，分别部署在路侧边缘计算和区域边缘计算，实现V2X应用服务能力的分级管理[14]。区域边缘计算中的V2X应用服务一方面能够获得终端上报的高精度位置，另一方面能够获得路侧V2X应用服务上报的路测高精度认知结果，并实现路面细粒度态势融合认知[15]。据此，路侧V2X应用服务重点关注车路广播式信息的认知和播发，区域V2X应用服务能够重点关注多车单播式协同信息的控制和不同模式业务协同控制。

(2) 引入受控Sidelink资源调度并开放V2X资源调度能力

在5G网络中引入基站控制下的Sidelink资源调度，以支持多车之间使用Sidelink单播完成感知数据共享、车车协同等服务，无需占用Uu口传输资源。基站控制下的Sidelink资源调度目前主要基于解调其他终端的SCI(Sidelink Control Information)信息或者其他Sidelink测量结果(如Sidelink DMRS的L1 Sidelink RSRP测量)。这些测量值可以通过5G网络中的NWDAF(Network Data Analytics Function)功能收集[16]，并可以通过设置PCF的预定义策略实现终端在接入基站过程中获得Sidelink配置的预定义参数[17]。但是由于车辆的高速移动和路口等复杂路况下的车辆拓扑快速变化，导致网络测量结果无法准确反映车辆之间位置关系与资源映射，预定义策略也可能无法满足资源高效调度需求。因此，需基于V2X控制功能(V2XCF)将V2X资源调度能力开放，以支持引入其他维度信息对资源进行有效调度。

(3) 引入跨域V2X资源管理实现通信域与交通域联动

在区域边缘计算中引入相对独立的V2X资源管理，实现对5G核心网和路侧RSU叠加专网的V2X资源联合认知与统一调度管理[18]。V2X资源调度有赖于车辆之间的通信需求，而单纯通过V2XCF开放的网络质量测量结果并无法准确预测车辆之间的协同需求。基于高精度定位和路测共同构建的路面细粒度态势[19]，将有助于更准确地评价多车协同预期，从而能够为高效的Uu口和PC5口资源预测、资源预留、资源重选、资源抢占和资源分区等打下基础。因此，V2X资源管理可以通过综合网络测量结果和路面细粒度态势，计算并产生多车协同建议拓扑，以指导生成各个用户终端的Sidelink资源配置建议。

基于网络协调的混合组网模式能够将交通态势认知与网络态势认知结果融合，充分利用车辆间时空关系协调基站Uu口单播、RSU PC5广播、V2X PC5口广播和单播资源，通过对无线资源的主动调度，实现V2X业务能力与网络能力的适配。

5 结束语

网络协调下的混合组网能够克服4G/5G独立组网的用户数量和广播性能局限，能够解决V2X独立组网/叠加组网的资源联合调度瓶颈，实现高效的路侧交通广播及基于Sidelink的点到点单播，减少了对Uu口Uplink/Downlink资源消耗。同时，区域边缘计算呈现出的路面细粒度交通态势能够有效支持基于多车辆时空位置拓扑的资源需求预测，进而实现对无线资源的有效预留和重选，从而为车路群体协同提供了较低成本的可行实现方案。

网络协调下的混合组网有赖于终端对新型Uu口和PC5口模式的支持，及网络侧系统整合能力和开放能力，这都将导致建设运维成本的增加，在产业商业价值不足以替代成本的情况下，相关产业推进难度较大。但随着自动驾驶/高级辅助驾驶需求的增长和5G基础设施的升级，基于C-V2X的混合组网将能够逐渐落地，并有效支持车路群体智能协同服务。