5G V2X赋能车路协同系统

贲伟 王宏善 蒋飞

摘  要：车路协同是信息通信、智能汽车、交通运输和交通管理等行业深度融合的新型产业业态，处于人工智能、5G和交通三大国家战略的交汇点。5G V2X无线通信技术作为关键赋能型技术，将有助于构建“路-云-车-人-网”协同的车联网生态体系。该文首先介绍车路协同系统的定义、主要建设内容及其典型应用场景。其次以应用牵引，针对5G新空口-车用无线通信（NR-V2X）技术中的直连通信应用于自动驾驶场景的具体需求进行研究，给出不同业务场景下对通信性能和安全的需求说明。最后，针对车路协同系统低时延、高可靠和高并发的系统需求，分析5G NR V2X物理层、资源分配、拥塞控制和Qos与安全设计的相关原理。

关键词：车路协同；5G NR V2X；智能网联；直连通信；人工智能

中图分类号：TU495 文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）17-0010-06

Abstract： Vehicle-road coordination is a new type of industry with deep integration of information and communication， intelligent automobile， transportation and traffic management， which is at the intersection of artificial intelligence， 5G and transportation. As a key enabling technology， 5G V2X wireless communication technology will help to build a "road-cloud-vehicle-human-network" collaborative vehicle networking ecosystem. Firstly， this paper introduces the definition， main construction contents and typical application scenarios of vehicle-road collaborative system. Based on the application traction， this paper studies the specific requirements of the directly connected communication in the 5G new air port-vehicle wireless communication （NR-V2X） technology applied to the autopilot scenario， and gives the description of the communication performance and security requirements in different business scenarios. Finally， according to the system requirements of low delay， high reliability and high concurrency of vehicle-road collaborative system， the related principles of 5G NR V2X physical layer， resource allocation， congestion control， Qos and security design are analyzed.

Keywords： vehicle-road collaboration; 5G NR V2X; Intelligent Network connection; directly connected communication; artificial intelligence

5G时代来临，结合物联网（IoT）+人工智能（AI）的大趋势，在许多垂直行业应用领域发展迅猛，车联网（V2X）就是其中之一。根据产业研究机构预测指出，2027年全球5G车联网市场规模上预计可达129.3亿美元；2025年全球联网汽车的普及率将达到80%。车联网将协助提升车辆对环境感知能力，大幅强化行车安全，同时可以推升车辆自驾等级至Level 3与Level 4。V2X（Vehicle to Everything）作为一种车用无线通信技术，是将车辆与一切事物相连接的新一代信息通信技术，其中V代表车辆，X代表任何与车交互信息的对象，当前X主要包含车（Vehicle to Vehicle， V2V）、人（Vehicle to Pedestrian， V2P）、交通路侧基础设施（Vehicle to Infrastructure， V2I）和网络（Vehicle to Network，V2N）[1-2]。V2X将“人、车、路、云”等交通参与要素有机地联系在一起，不仅可以支撑车辆获得比单车感知更多的信息，促进自动驾驶技术创新和应用，还有利于构建一个智慧的交通体系，促进汽车和交通服务的新模式新业态发展，对提高交通效率、节省资源、减少污染、降低事故发生率和改善交通管理具有重要意义[3]。

1  车路协同简介

1.1  车路协同的基本定义

车路协同是车联网的应用方式之一，它是基于无线通信、传感探测、人工智能和边缘计算等技术，多渠道获取车辆和道路信息，通过车-车、车-路通信进行信息的交互和共享，并在全时空动态交通信息采集与融合的基础上，开展主动安全控制和道路协同管理，充分实现汽车与道路的有效协同，保证交通安全、提高通行效率，形成安全、高效、环保的道路交通系统，为辅助驾驶、自动驾驶、交通管理和公众出行等应用场景提供强大的支撑。

1.2  车路协同解决的痛点问题

车路协同技术瞄准传统交通的痛点问题，即人类驾驶员不规范的驾驶行为与不充分的道路感知信息影响行车安全、加剧交通拥堵的问题。通过车辆的感知增强和智能化建设，消除驾驶员的感知盲区，扩大感知视野，增强其驾驶决策控制的科学性和可靠性，降低人为因素对行车安全和效率的影响；通过车辆和道路的网联化建设，将车与车、车与路连接成一个有机整体，以群体智能代替个体智能，以信息双向交互代替数据单向采集，从而将驾驶员的信息来源及数量以指数级别扩展，实现充分感知前提下的准确决策和安全驾驶。

1.3  车路协同的建设内容

车路协同建设的基本内容，可以概括为打造“聪明的车”+“智慧的路”+“协同的网”+“智能的云”。首先通过对车辆进行智能化网联化改造，使其具备丰富的感知能力、高效的通信能力和智能的处理能力，通过在路侧建立多样化的感知、通信、定位、地图和计算设施设备，使路侧的信息以自动化的方式实时地参与到车的驾驶行为中，从而改变以往车与路之间“盈盈一水间，脉脉不得语”的尴尬现状。为此，还需要借助无所不在的无线通信网络，包括采用4G/5G Uu和LTE-V2X、NR-V2X直连通信等方式，促成车与路间的直接“对话”，打通车与路之间的信息鸿沟，实现车辆信息的主动交互、道路基础设施信息的及时广播与更新等。而要对车、路、网所包含的大量设施、设备、系统进行高效、安全、可靠的管理，又需要建设一个功能全面、性能强大的云控平台，将车路协同各个要素进行周密细致的组织、管理与运用，从而最大限度发挥其功用和价值。此外，车路协同系统的信息安全和隐私保护等问题也正在日渐引起重视，作为云控平台不可或缺的一部分，在项目建设中起着关键的保障作用。

1.4  车路协同的典型场景

业界对于车路协同的典型场景进行了大量的探讨和实践，国内比较权威的场景定义主要包括T/CSAE 53—2017《合作式智能运输系统车用通信系统应用层及应用层数据交互标准》定义的17个应用场景和T/CSAE 157—2020《合作式智能运输系统车用通信系统应用层及应用层数据交互标准（第二阶段）》所定义的12个应用场景，共计29个，例如红绿灯信息服务、交叉路口防碰撞、道路危险状况提示、拥堵提醒、协作式优先车辆通行等，涵盖行车安全、交通效率、交通服务和自动驾驶等方方面面[4]。

1.5  5G赋能车路协同系统建设

在车路协同中，“聪明的车”依托于单车智能和自动驾驶的不断演进，而路的智慧则主要来自路侧数据驱动的智能，这些数据的来源依托于数字化全息道路的建设。没有对路侧设施设备从物理域向数字域的数字孪生映射，“智慧的路”就无从谈起。因此，车路协同的关键抓手就是大规模开展全息道路建设，包括全息路口和全息路段，其中图1所示的全息路口更是建设的重中之重。全息路口以“更深度的感知——看的全”“端云一体化计算——算得快”“5G+直连通信——会说话”“与交管设备系统联动——能指挥”为主要特征，是各类先导区建设项目、城市智能网联道路建设项目所必备的建设内容，也是关乎车路协同技术路线成败的关键抓手。

2  车路协同业务与通信需求

C-V2X车联网分为近期（LTE-V2X）和中远期（NR-V2X）2个阶段，如图2所示。从应用角度讲，LTE-V2X的设计目标主要是支持辅助驾驶，提升道路安全及提高效率和舒适性；NR-V2X通过将通信技术与人工智能、大数据等新技术结合，可以更好地支持自动驾驶及其他新功能。从技术发展上讲，基于5G新空口（5G NR）的NR-V2X是LTE-V2X持续发展的演进阶段，两者是补充关系，而不是替代关系。

C-V2X最初从2015年才开始在Release 14加入V2X标准研究，2017年3月完成Release 14 V2X Phase 1（LTE V2X）标准，2018年6月完成Release 15 V2X Phase 2，亦称为LTE-based enhanced V2X（eV2X），到2020年7月完成Release 16 V2X Phase 3，亦称为NR-V2X，分3阶段完成标准化的工作。5G NR-V2X 技术可以进一步实现和增强多维度自动化，例如感知、规划、定位、意图共享（ADAS）和传感器信息共享等。5G NR-V2X PC5 有不同的通信模式，包括广播模式和组播模式。组播通信模式用于支持群组内的特定互动消息，通常有较高可靠性要求，如群组协商、群组决策、反馈消息等。5G NR-V2X将与LTE-V2X 共存，并针对不同的用例。LTE-V2X 将提供基础安全服务，而5G NR-V2X 将用于支撑自动驾驶等高级汽车应用。

2.1  V2X业务需求分析

基于5G NR的车联网系统，根据应用场景不同，主要可分为车辆编队行驶、高级驾驶、传感器扩展和远程驾驶几大类[4]，如图3所示。

1）车辆编队行驶能够支持车辆动态组成车队进行行驶，所有编队行驶的车辆能够从头车获取信息，使得编队行驶的车辆之间间距更小，从而提高交通的效率，并且降低油耗。

2）高级驾驶包括半自动驾驶和全自动驾驶，可以通过邻近车辆之间共享感知数据，并进行驾驶策略的协调和同步，要求每个车辆给临近的车辆共享自己的驾驶意图。

3）传感器扩展要求车辆之间、车辆与路侧单元（RSU）之间、车辆与行人、以及车辆与V2X应用服务器之间能够实现车载传感器或者车载动态视频信息的交互，从而获得更全面的当前道路的环境信息，这类应用一般要求的数据传输速率比较高。

4）远程驾驶要求通过远程的驾驶员或者V2X应用服务器对远程车辆进行操控和驾驶，这种应用要求更小的时延和更可靠的通信服务。

2.2  V2X通信性能需求分析

V2X在5G的应用情境中属于超高可靠度与低延迟（Ultra-Reliable Low Latency Communication， URLLC），在延迟性需求上，列队行驶要求延迟性介于10～25 ms。先进驾驶及感测器辅助的延迟性要求为3～100 ms，远程驾驶的延迟性需求为5～20 ms。V2N的延迟可能有几秒，V2I因为路侧单元固定，仅车辆移动。因此，反应时间为毫秒（ms）等级，V2V因为有相对速度，例如2台车分别以100 km/h朝对方方向行驶，相对速度就高达200 km/h，因此延迟要求也最高，甚至高达微秒（μm）等级[5]。

可靠性方面，V2X最大可靠度需求为80%～95%，Release 14 V2X的设计主要是透过多次重传来确保可靠度，5G NR-V2X的可靠性将99.999%的目标迈进。

在传输速率上，列队行驶需求为12 kbps～65 Mbps，先进驾驶为65 kbps～50 Mbps，延伸感测为25～1 000 Mbps，远程驾驶由于需要车子周围和车内的影像资料，故对于上行的传输速度要求为25 Mbps。

V2X通信传输距离一般为0～1 000 m，但在列队行驶和先进驾驶情境下，将以5～10 s乘上相对速度，感测器辅助驾驶的通信传输距离将向km级发展。

2.3  智能网联安全需求分析

以市区行车为例，如图4所示，在时速40 km时，遇到紧急事件，反应时间剩下2.9～3.3 s，导入V2X技术，可以将感测距离延伸到450 m以上，反应时间则有充裕的9 s，平均可降低82%的事故率，从道路安全着手，希望能进一步改善自驾安全。ADAS与V2X的结合可以克服坏天气、交通号志辨识、视线外通信、网路存取、中长距离的沟通，将安全防护提升到96%。

3  NR-V2X关键技术与实现原理

从Release 14到Release 16，V2X通过技术演进实现了应用场景的扩展，从最初的信息服务阶段到辅助驾驶应用再到面向自动驾驶的高级应用。Release 14 LTE V2X主要以基本安全类应用为主，Release 16 NR V2X则可支撑面向自动驾驶的高级应用，典型应用场景包括意图共享、感知共享、车辆编队、协同驾驶和远程驾驶等。NR V2X通过增强的技术特性满足上述高级应用在复杂环境中对可靠性、数据率、延时等关键指标的要求。

3.1  通信模式

NR V2X支持基于PC5接口的终端直通的通信方式和基于Uu接口的网络通信模式2种主要工作模式[6]，如图5所示。

3.2  NRV2X传输模式

基于NR的V2X通信可支持广播、组播和单播3种传输模式，如图6所示。广播是V2X中最基本的通信模式。组播通信用于支持特定群组内的信息交互，协助完成群组内终端的协商与决策等。V2X单播通信则基于新定义的PC5-RRC信令实现终端到终端的可靠通信[6]。

3.3  NR V2X物理层时隙结构

如图7所示，NR V2X时隙结构包括带反馈和不带反馈2种。对于不带反馈的时隙，单个时隙包含14个OFDM符号，第一个符号用于AGC，PSSCH之后是 GAP符号。对于带反馈的时隙，PSSCH和PSFCH之后都需预留GAP符号，PSFCH资源预配置周期取值范围为{1，2，4}个时隙[6-7]。

3.4  NR V2X拥塞控制

对于接入层，NR V2X的策略与LTE V2X类似，可通过高层信令对物理层参数进行限制从而实现拥塞控制，具体参数包括调制编码方式、重传次数、每次传输的子信道个数，以及发送功率等[6]。主要区别在于高层下发给物理层的每个包都携带一个单独的优先级取值Priority，其对应于LTE V2X中的PPPP，该优先级参数Priority在SCI-1中传输。另外，NR中为了适应非周期业务的拥塞处理，在 CR、CRB等参数的测量上有更高的时间要求，NR中为1 ms或2 ms，LTE中是4 ms。

3.5  NR V2X QoS设计

NR V2X的QoS设计如图8所示：针对每种通信模式（广播、组播和单播），UE维护PC5流ID（PFI）与PC5 QoS规则及PC5 QoS上下文的映射关系。PC5 QoS上下文包括PC5 QoS参数（如 PQI及 Range），以及V2X业务类型（如PSID或ITS-AID）。PC5 QoS规则包括PFI及其关联的PC5 QoS流，优先级及包过滤器。V2X层下发给接入层的配置包括PFIs及其对应的QoS参数、传输模式（单播、组播或广播）、无线频率和发送配置等。每个无线承载对应一个QoS等级。每个数据包下发给接入层时，只需要携带PFI和传输模式[8]。

3.6  NR V2X安全性

对于广播和组播，接入层未定义专门的安全性维护机制。对于V2X单播， 其安全性保护措施包括：①基于消息的隐私保护，单播连接的双方L2-ID的同时更新机制；②复用Release 12/13中基于ProSe的安全性保护机制；③PDCP层进行完整性和可靠性保护；④由高层提供的安全密钥；⑤UE安全性策略配置，定义某个应用是否需要安全性保护。

3.7  小结

在NR-V2X系统中，为了实现低延时和高可靠的通行，主要采取了以下几点优化机制：如在直通链路上，引入了高阶调制（最高可达256 QAM）以及空间复用的多天线传输机制，可以支持更高的传输速率（可达1 Gbps）；在直通链路上，对多播和单播模式引入了更加灵活的时隙结构以及HARQ反馈机制来提高传输可靠性；采用分布式资源分配机制，降低资源冲突，更加适用于增强业务中非周期业务需求；无连接的“即时组网”方式和基于距离的设计，进一步降低时延；可分级的OFDM空中接口，多种可选子载波间隔，更大的传输带宽（最大100 MHz）；采用了高性能的LDPC极化码提升编码性能等。

4  结束语

我国政府层面非常鼓励包括C-V2X在内的车联网技术的发展。工信部、发改委、交通部、公安部和科技部等部委及地方政府，都针对性给出了一些明确的政策支持。目前，全国已经拥有超过30个测试示范区，其中包括上海、北京-河北、重庆、无锡（先导区）、杭州-桐乡、浙江、武汉、长春、广州、长沙、西安、成都、泰兴和襄阳等16个国家级/省级示范区。这些示范区涵盖了无人驾驶和V2X测试场景建设、LTE-V2X/5G车联网应用、智慧交通技术应用等功能，提供了涉及安全、效率、信息服务、新能源汽车应用，以及通信能力等的测试内容。虽然车联网技术正在飞速发展，我们也仍需意识到，车联网最终目标的实现（包括自动驾驶的落地），是一个漫长的过程。除了技术和资金，还涉及法律和伦理的问题。总而言之，路漫漫其修远兮，“V2X”将上下而求索。

参考文献：

[1] 陈山枝，胡金玲，时岩，等.LTE-V2X车联网技术、标准与应用[J].电信科学，2018，34（4）：1-11.

[2] 3GPPTS 22 186（V15.3.0）. Enhancement of 3GPP support for V2X scenarios[S].2018.

[3] 华为3GPP LTE-V2X标准进展及技术介绍材料[Z].

[4] C-V2X产业化路径和时间表研究白皮书[Z].

[5] 苏昭阳，刘留，樊圆圆，等.C-V2X信道特性与建模方法研究[J].移动通信，2021，45（6）：20-26.

[6] NR V2X关键技术白皮书[Z].

[7] 3GPP NR Sidelink Transmissions Toward 5GV2X（物理层结构、资源分配机制等）-202002[Z].

[8] R1-1907720. Summary of in-device coexistence aspects in NR-V2X（AI7.2.4.4）[R].Qualcomm Incorporated，2019.