基於5G+C-V2X的車聯網解決方案及驗證

作者：林曉伯馮毅等來源：郵電設計技術

摘要：

我國車聯網產業在國家政策的推動下蓬勃發展，但受部署成本、商業模式以及跨行業協同等限制，其在規模化部署、商用路徑上仍存在一定的難點。針對上述問題，結合運營商5G+MEC網路優勢，提出了透過5G網路承載車聯網的技術方案並實地部署驗證，並對5G網路能力、C-V2X網路覆蓋及在5G承載下的車聯網業務進行聯合測試，測試結果表明目前5G+C-V2X方案在效能上完全可以承載車聯網業務，並可以為車聯網規模化部署提供便利性和經濟實用性。

01 概述

智慧交通出行是我國經濟中的重要組成部分。隨著生活的發展，人們對交通出行的體驗要求越來越高，安全、便捷、高效的交通系統成為國家發展的重要目標之一。其中以網路連線、實時通訊為基礎的車路協同是智慧交通必然選擇的技術途徑[1]。

國內在“新基建”“新一代智慧交通”的大背景下，基於5G的車路協同智慧交通發展迅速。2020年2月，11部委聯合釋出《智慧汽車創新發展戰略》正式稿；2020年4月，由工業和資訊化部、公安部、國家標準化管理委員會三部門聯合印發了《國家車聯網產業標準體系建設指南(車輛智慧管理)》的通知；2021年國務院釋出《國家綜合立體交通網規劃綱要》，加強交通基礎設施統籌佈局、推動車聯網部署和應用；2021年“十四五”規劃中明確提到“積極穩妥發展工業網際網路和車聯網”。多部委多次聯合釋出相關政策法規，傳達出國家推動相關產業融合創新發展的決心，表現出各部委間合力促進車聯網發展的堅定決心[2]。

在國家政策的大力引導下，車聯網產業化發展逐步走上正軌，車聯網標準體系基本建成。通訊企業、主機廠、網際網路企業共推智慧交通產品，並已開發包括安全相關、效率相關及資訊服務相關的多種應用，產業鏈中的晶片、終端、平臺、應用等細分產業等均快速發展[3]。同時，全國各地均在開展車聯網的業務示範和應用[4]。

但是目前車聯網發展仍然面臨一些問題，首先車聯網產業跨多行業、跨多部委，產業鏈條長，決策鏈複雜[5]，因此存在產業協同難的問題。在管理上，目前車聯網建設呈點狀分佈，運營主體不統一，容易形成煙囪式建設和資訊孤島，後續難以實現跨域協同以及資料的集約化管理，也影響規模化的發展。在成本上，車聯網的路側單元（RSU）如果在市區內連續覆蓋，數量龐大，成本較高[6]。

本文針對車聯網產業中的痛點和難點問題，提出利用5G SA網路結合移動邊緣計算（MEC）承載車聯網C-V2X業務,將5G的廣覆蓋、低延時、高算力特性賦能車聯網行業，藉助5G雲網資源，使車聯網在短期內具備規模化、標準化、一體化的應用落地推廣能力，同時有效降低成本，真正形成業務的“一點複製、全國推廣”的建設模式。本文基於上述車聯網業務承載方案進行實地部署，並進行了網路效能測試、C-V2X網路覆蓋測試以及業務支撐測試，全面驗證了該方案的可行性以及可靠性，對於車聯網部署和推廣具有積極意義，並且為通訊運營商切入車聯網行業提供了經驗。

02 技術背景

2.1　LTE-V2X通訊架構

LTE-V2X是由我國主導的通訊技術，於2015年起在3GPP開始標準化工作[7]，支援PC5和Uu 2種通訊模式。網路通訊架構如圖1所示,其中，OBU與RSU之間透過PC5介面通訊，稱為V2I（Vehicle to Infrastructure）通訊；OBU之間透過PC5介面通訊，稱為V2V（Vehicle to Vehicle）通訊；OBU與LTE基站間透過Uu口通訊，稱為V2N（Vehicle to Network）通訊[8]。架構中的關鍵網元包括：

a) 路側單元（RSU）：即V2X路側終端，支援PC5和Uu 2種通訊模式，其中PC5用於廣播V2I並接收V2V訊息。同時作為其他路側裝置（例如攝像頭、雷達等）的資料閘道器，將其他路側裝置的資料透過Uu或者有線方式傳送至雲端V2X應用伺服器。

b) 車載單元（OBU)：即V2X車載終端，支援PC5和Uu 2種通訊模式，其中PC5用於廣播V2V並接收V2I訊息，Uu可將車端資料傳送至雲端V2X伺服器。

c) LTE-V基站（LTE-V eNodeB）：支援mode3模式下PC5空口資源配置，Uu口用於V2N訊息的傳送及接收。

d) 移動邊緣計算節點（MEC）：為PC5及Uu提供邊緣算力，主要用於本地化時延敏感V2X業務處理。

e) V2X應用伺服器（V2X Application Server），主要用於處理應用層的訊息,包括資料融合計算，輸出決策資訊並播發給路側裝置。

f) V2X控制單元（V2X Control Function），主要用於業務邏輯控制單元，提供PC5口鑑權，裝置運維管理等。

圖1 LTE-V2X通訊架構

2.2　LTE-V2X應用型別

在LTE-V2X車聯網中，應用型別主要分為安全、效率、資訊服務3類[9]。目前在標準中分2個階段定義具體的車聯網應用場景，其中第1階段是初級階段，主要面向車聯網裝置間的資訊互通，如表 1所示。例如安全類中的緊急制動預警，該場景的通訊方式為V2V，即前車在進行緊急制動的同時，聯動車內的OBU向周圍的車輛播發其緊急制動預警訊息，該訊息傳播距離可以達到數百米，使得視距外的OBU終端也能收到訊息，從而提醒遠端車駕駛員注意實時路況。再如，闖紅燈預警應用場景中，RSU可以與紅綠燈通訊，從而獲取紅綠燈的狀態資訊，並將該狀態資訊播發給周圍的OBU終端，如果駕駛員疏於觀察，可提醒駕駛員前方路口是禁行狀態。

表 1 車聯網一階段基礎應用場景

及通訊方式

隨著路邊裝置型別的不斷豐富，將部署鐳射雷達、毫米波雷達、攝像頭等，可以實現更復雜的車聯網應用，因此標準組織基於一階段應用場景擴展出二階段應用場景。在二階段應用場景中，藉助路邊的多元感知裝置，面向多車協同的交通通行場景，應用場景包括協作式變道、協作式匝道匯入、車輛編隊行駛、特殊車優先行駛、車輛路徑引導等[10]。

2.3　LTE-V2X與LTE技術對比

LTE-V2X直連通訊技術沿用LTE的基礎思想，但是在協議棧、資源選擇和排程方式、重傳機制以及實際部署方式上均有較大差別[11]。例如LTE-V2X與LTE的資源排程方式不同。LTE-V2X目前行業內主流使用的是mode 4，即自主資源選擇模式。該模式採用的是基於感知的半持續資源選擇（Semi-Persistent Scheduling, SPS）的方式，該模式下LTE-V2X終端不需要透過蜂窩網基站排程，而是自身根據接收到的資訊對已佔用的資源進行避讓，使用未佔用的資源塊進行資料傳送並預約週期性的傳送資源[12]。此外LTE-V2X與LTE的HARQ重傳機制不同。LTE的重傳流程是在終端接收到資料幀後，對資料幀進行FEC校驗並反饋ACK或NACK，傳送端會根據終端的反饋進行重傳[13]。而LTE-V2X僅支援配置最多1次HARQ盲重傳，即LTE-V2X接收端不會對接收到的訊息進行反饋，而LTE-V2X傳送端預設對每個資料包進行最多2次傳送[14]。LTE-V2X與LTE的部分技術及部署差異如表 2所示。

表 2 LTE-V2X與LTE部分技術

及部署差異

2.4　MEC在LTE-V2X中的應用

車聯網是移動邊緣計算（MEC）的重要應用場景。車聯網中包含多種業務型別，不同業務對網路要求差異較大。例如，高精度地圖與娛樂類業務需要較大頻寬，而安全類業務則需要低時延網路。MEC可以靈活部署在車聯網架構的各個層級，在靠近使用者的位置部署MEC平臺實現部分網路服務、計算、儲存、決策能力下沉，從而滿足車聯網的超短時延要求並同時減輕核心網流量壓力[16]。

在5G SA核心網架構中，透過控制面和使用者面分離，將UPF下沉到邊緣，實現在5G核心網架構中的邊緣計算，並且能夠利用切片技術實現不同業務的個性化服務管道，從而支撐不同的車聯網應用，如圖 3所示。

圖 2 5G核心網服務化網路架構

此外，MEC支援多層級靈活部署，下至每一個路口，上至覆蓋一個城市的大型MEC，均可以靈活部署車聯網應用。中國聯通目前已經在全國各個城市廣泛部署可用於服務車聯網的佈局型MEC，為車聯網開展商業化快速部署提供高效算力。

本文以江蘇常州“新一代國家交通控制網智慧網聯開放道路測試”車聯網網路建設方案為例，介紹了5G+MEC+C-V2X的車聯網網路部署方案，並對網路部部署效能及業務演示效能進行了測試驗證。

03 車聯網5G+MEC承載方案

3.1　車聯網網路承載部署

該網路方案跨兩地部署，其中5G核心網部署於南京，而5G基站和承載V2X業務的MEC位於常州，核心網和基站透過IP承載網連線，如圖 3 所示。在該架構下，控制信令和使用者資料分離，業務資料透過UPF分流至本地的V2X應用伺服器，從而保證低時延。並且業務流量不經過核心網減輕核心網業務處理壓力。

圖 3 5G SA+MEC網路部署架構

在測試場側，共部署8個5G基站及15個RSU裝置，RSU北向透過5G訪問V2X應用邊緣伺服器，南向透過乙太網連線其他路側裝置。其中RSU實際部署點位如圖所示，1-15代表本次部署的15個RSU的部署位置。其中應用序號①②③④⑤⑥代表本次6個關鍵場景，其中RSU3、5、7、9、12、14配合完成場景演示，其餘RSU均提供雲端資訊下發和基礎地圖資料下發的功能。

圖 4 RSU部署位置及車聯網應用

觸發位置

應用序號與具體應用的對應關係如表 3所示。

表 3 應用序號與具體應用對應關係

該網路方案是包含5G承載網路部署、LTE-V2X覆蓋網路部署及業務應用部署的端到端C-V2X車聯網整體實驗環境，模擬未來實際商用環境，測試結果具有應用實踐價值。該網路方案相比於4G承載方式更具優勢，4G採用傳統集中式部署的雲控中心，業務部署位置距離使用者較遠，無法對時延、頻寬、可靠性等提供保障，此外在可擴充套件性及經濟性方面也無法適應業務規模化推廣的需求。

3.2　路側裝置部署

在路側裝置部署過程中，抱杆上一般會同時部署多個裝置，包括RSU、攝像頭、毫米波雷達、鐳射雷達等[17]。在實際部署中，上述裝置均直接與抱杆箱中的交換機連線，如圖 5所示，並進行裝置物理介面的地址配置，使其組成本地區域網絡。而RSU作為其他裝置的閘道器裝置，南向收集同一抱杆上的其他裝置的資料，北向透過5G訪問MEC伺服器。

圖 5 裝置實際部署方式

04 測試驗證

4.1　網路能力測試

網路測試主要是測試5G/V2X雙模RSU與邊緣雲伺服器之間的通訊時延，採用ping測試方式。實測結果如表 4所示，最大往返時延14.8 ms，最小往返時延11.2 ms，平均往返時延11.78 ms；最大單向時延7.4 ms，最小單向時延5.6 ms，平均單向時延5.89 ms。

表 4 RSU裝置至邊緣雲伺服器

之間通訊時延

車聯網業務對於時延敏感度較高，根據3GPP TR 22.885定義的車聯網應用場景，在輔助駕駛類業務中，如主動安全（例如碰撞預警、緊急剎車等）、交通效率（例如車速引導）、資訊服務等，上述業務對於時延的要求均在20~100 ms，因此5G+MEC的承載網路目前可以滿足車聯網業務對時延的要求。

4.2　LTE-V2X覆蓋測試

車聯網通訊場景較多，包括高速、城區、隧道、高架橋、環島、停車場等，不同場景由於遮擋、RSU部署位置等環境因素導致通訊效能差異較大。RSU在實際部署後，應進行實地測試，從而驗證車聯網網路的有效覆蓋範圍，將作為工程驗收的標準和依據。本文以路測的形式，對整個測試場覆蓋進行測試，此外針對某一特定RSU，驗證其在高速場景下的覆蓋能力，能夠為以後類似場景的RSU裝置大規模部署提供工程經驗。

本次測試場路測結果如圖 6所示，大部分割槽域都有LTE-V2X訊號覆蓋，RSRP值主要集中在-105~-120 dBm。個別地區由於環境遮擋、RSU部署位置等因素導致出現覆蓋盲區。而部分地區雖然相對距離較遠，但是由於傳播條件較好，訊號強度較高。

圖 6 測試場整體LTE-V2X網路RSRP

熱力圖

由於該測試場整體環境開闊，可以作為典型的高速車聯網通訊場景，因此本文在測試中針對高速場景進行了打點測試。圖 7中標識了測試場中用於高速直道打點測試的RSU以及相應的路段，其中紅色箭頭指示的是車輛前進方向。

圖 7 高速場景地圖視角

該路段周圍無建築物，環境開闊，符合高速場景的測試條件。RSU部署在道路龍門架上。

測試使用的測試裝置是支援直連通訊的終端裝置，並支援輸出一系列網路指標如RSRP、RSSI、SNR及收包率。被測RSU部署高度約10 m，傳送功率為23 dBm，天線增益為6 dBi。配置被測RSU傳送V2X訊息，每個包大小約為150 B，包與包之間的傳送頻率約為100 ms。測試方法為打點測試，沿高速道路向北逐漸拉遠，在每個測試點配置被測RSU傳送5 000個數據包，並透過測試裝置統計收包率，測試結果如圖 8所示。

圖 8 高速直道帶打點測試結果

在前0~800 m的過程中，平均收包率為95.65%，且比較穩定，可以視為良好覆蓋路段。透過路口以後，收包率波動較大，在1 200 m位置，仍能夠達到最高92.95%的收包率。而到達1 300 m後，收包率就降為0。後半段收包率的折線圖如圖 9所示。

圖 9 高速直道後半段打點測試結果

從圖9可以看出整體波動比較大，可能與周圍大型車輛經過導致傳播環境發生劇烈變化所致。圖9中紅色虛線展示的是丟包率與距離的變化趨勢。

根據高速場景的測試結果，主要結論有以下3點。

a) RSU在高速路段覆蓋距離可以達到1 km。

b) 在覆蓋極限距離附近會出現抖動，可能與周圍環境變化有關。

c) 在覆蓋極限區域會出現明顯的丟包拐點，即丟包率與距離的變化並不是線性的。

根據以上實測情況，給出高速場景RSU的部署建議如下。

a) 考慮覆蓋質量及經濟實用性，兩RSU之間距離應在1.5 km左右。

b) RSU的部署位置應在10 m以上，從而減少大車對於RSU訊號的遮擋。

4.3　V2X應用測試

本文驗證了承載於5G網路的LTE-V2X應用執行情況。基於現場5G網路環境、MEC應用部署以及車聯網終端裝置，在常州測試場落地並驗證了包括車速建議、闖紅燈預警、後方快速車輛預警、超速提醒、十字路口碰撞預警、緊急車輛提醒、彎道提醒、路面溼滑預警、道路施工預警等車聯網應用。

以車速建議為例，在裝置部署上，將訊號燈或訊號燈的相位機與RSU相連，使得RSU獲得訊號燈的相位資訊。相位資訊即包含當前訊號燈狀態及所剩的時間。RSU將訊號燈相位資訊轉換成SPAT（Signal Phase Timing Message）訊息播發給周圍的車輛OBU終端。車輛終端會判斷自身行駛方向、行駛速度以及紅綠燈相位資訊計算出可透過綠燈的最低速度或者應立即制動從而在紅燈前停住車輛。

另以道路施工預警為例，在裝置部署上，攝像頭與RSU相連，並將影片資訊實時傳送給RSU，如圖 10中①所示。RSU透過Uu口將影片資訊實時經由5G網路傳送至V2X應用伺服器，如圖 10中②所示。V2X應用伺服器實時對監控影片進行影象分析，如果發現道路上出現類似施工特徵，如三角錐、施工警示牌等，將告知RSU，如圖 10中③所示。RSU透過組織BSM訊息將施工情況播發到周圍車輛，如圖 10中④所示，訊息覆蓋範圍可以達到500-1 000 m。因此在該場景下，視距外的車輛可以提前收到前方施工訊息，從而避免事故發生。

圖 10 道路施工預警提醒應用場景

上述案例是LTE-V2X、5G、MEC共同協同的結果，在5G+MEC網路的支撐下，上述案例均能夠正常實現相應功能，在時效性上與固定網路無明顯感知差異。隨著5G網路向R16演進，uRLLC超低時延將可以更貼近於車聯網業務需求，為車聯網提供多元化、訂製化的網路管道。

05 總結及建議

車聯網產業正在蓬勃發展，從國家政府、企業、院校都積極參與到我國車聯網發展浪潮當中。中國聯通較早開始進行車聯網相關研究及產品化工作，並持續關注車聯網產業，從產品、規劃、建設、最佳化等方面切入車聯網行業。本文提出了5G+MEC承載車聯網的網路方案並實地部署，並進行了網路測試、LTE-V2X覆蓋測試以及應用測試，測試結果符合預期，是運營商在車聯網行業一次全面的探索與實踐，為日後規劃部署提供了寶貴經驗。

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