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车联网C-V2X技术演进及产业实践

摘要:对C-V2X技术和产业发展进行了概述,分析了车联网应用发展及通信需求,介绍了NR-V2X物理层关键技术,包括直通链路物理层架构设计、资源分配、HARQ机制、同步等,并对C-V2X在中国及全球产业发展情况以及C-V2X商业部署时间表进行了展望。

1  引言

车联网应用成为当前5G应用最重要的应用场景之一,特别是面向提升道路安全、改善交通效率及面向未来自动驾驶的V2X通信技术成为5G标准竞争的核心。作为未来汽车革命的关键领域和智能交通系统的核心技术,蜂窝车联网(Cellular V2X,C-V2X)是基于蜂窝移动通信系统的V2X无线通信技术,将实现车-车、车-人、车-基础设施、车-网络等的连接,结合人工智能、视觉计算、高精度精确定位等技术,解决目前智能交通系统在汽车行驶安全、效率提升和信息服务等方面的需求,并为其向自动驾驶与无人驾驶系统的平滑演进提供可能。

2  C-V2X发展概况

大唐电信科技产业集团(简称大唐)研究团队基于4G LTE最早提出蜂窝通信与直通通信融合的LTEV概念和关键技术。在蜂窝通信基础上,引入终端直通特性,支持车-车、车-路的直接通信,适应车联网应用低时延、高可靠传输要求。
随后,大唐、华为等我国企业牵头在全球主流通信标准化组织第三代合作伙伴计划(Third Generation Partnership Project,3GPP)中积极推动LTE-V2X标准化工作,于2017年3月完成R14 LTE-V2X标准化。LTE-V2X在帧结构设计、调制编码方案、资源复用、无线资源调度与管理、同步机制等方面进行了增强。R14 LTE-V2X主要面向的是基本安全业务,且仅支持直通链路(Sidelink)广播的通信方式。
随着自动驾驶等车联网增强应用的发展,业内对车联网增强应用的场景、用例及通信需求展开讨论。R15 LTE eV2X仍基于LTE技术设计,主要在Sidelink上引入了多载波操作、高阶调制、发送分集和时延缩减等新的技术特征支持车联网增强应用。R15 LTE eV2X从数据速率和传输时延上有所提升,但基于周期性基本安全业务的广播通信方式,不能满足下一代的V2X增强应用需求。
2017年年底,3GPP完成了基于新空口(New Radio,NR)的5G标准第一个版本(R15),NR作为全新的无线传输技术,不需要考虑与LTE后向兼容问题,从而提供了更灵活的设计,能够满足更宽广的业务需求。3GPP持续推动C-V2X标准化,于2018年年中启动基于5G NR技术的R16 NR-V2X标准立项,并于2020年6 月完成技术标准研究工作。R16 NR-V2X是R14/R15 LTE-V2X的持续演进,用来支持增强的车联网应用业务,需要在Sidelink上支持更灵活的V2X业务,同时提供更可靠、时延更短以及数据速率更高的通信服务。R17 NR-V2X于2019年12月立项,计划于2022年3月完成,支持车辆间协调、省电机制等,进一步有效支持车联网增强应用。
可以看出,C-V2X从技术角度包括LTE-V2X和NR-V2X,从应用角度可以分近期和中远期两个阶段。近期应用主要支持基本安全相关的业务,辅助驾驶、提升安全、提高交通效率;中长期将结合人工智能、大数据等新技术,融合雷达、视频感知等技术,支持自动驾驶及更丰富的车联网增强应用。NR-V2X是LTE-V2X技术持续发展和演进的阶段,二者是互补关系。
从车联网产业化角度,C-V2X在我国得到系列政策的支持,产业界也积极推动产品研发、技术示范及先导应用,以C-V2X技术为核心已经形成了完整的产业生态。我国于2018年11月率先为LTE-V2X直联通信划分了5.9 GHz频段20 MHz资源,引领国际车联网频谱规划。我国产业界率先完成基于R14 LTE-V2X标准的互联互通测试,并处于国际领先地位。

3  车联网应用发展及通信需求

3.1车联网典型安全应用及通信需求

车联网业务最初发展,通过车辆发送周期性或者根据事件触发的基本安全消息(Basic Safety Message,BSM),支持道路安全相关应用和功能,如前向碰撞预警、紧急刹车提醒、十字交叉路口预警、红绿灯提示和诱导通行等。
3GPP针对道路安全车联网的通信需求进行了研究并提出具体指标要求,如时延、可靠性、消息发送频度、数据包大小等,3GPP基于总结的通信需求,完成R14 LTE-V2X标准化工作。R14 LTE-V2X相关需求总结如表1所示。
表1  R14 LTE-V2X典型通信需求
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中国汽车工程学会应用层标准基于我国智能网联汽车和智能交通产业的现状与需求,定义了17种典型车联网应用,其中包括12种安全类业务、4类效率类业务和1类近场支付信息服务。

3.2车联网增强业务应用及通信需求

随着自动驾驶等技术快速发展,车辆编队、自动驾驶等相关车联网增强应用引发关注,车联网通信技术不断演进,业内对车联网增强应用的场景、用例及通信需求展开讨论。
3GPP业务需求工作组(Technical Specification GroupService and System Aspects,TSG-SA)针对车联网增强应用的需求进行了讨论和定义,将车联网增强应用分为车辆编队行驶、高级驾驶、传感器扩展以及远程驾驶四大类,并总结出相应的通信需求(见表 2)。
表2  车联网增强应用的通信需求
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( 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,使得编队行驶保持米级车辆间距,从而提高交通运输效率,减少风阻,降低油耗,典型应用如车辆编队行驶、编队行驶中的信息共享等。
( 2 高级驾驶:支持半/全自动驾驶,可通过邻近车辆之间共享感知数据,共享自己的驾驶意图,并进行驾驶策略的协调和同步,实现运动轨迹和操作协同,典型应用如协作冲突避免(Cooperative collision avoidance,CoCA)、 紧急驾驶轨迹对准(EmergencyTrajectory Alignment,EtrA)、协作换道等。
( 3 传感器扩展:要求交通参与者,如车-车、车-人以及车-V2X应用服务器,能够实现车载传感器或者车载动态视频信息的交互,从而扩展传感器的感知范围,以便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V2X应用服务器对远程车辆进行操控和驾驶,这类应用要求更小的时延和更可靠的通信服务。

3.3车联网增强应用特点分析

通过车联网增强应用的用例可以看出,增强应用种类更加丰富多样,信息交互要求也更加复杂严苛。相对于基本安全类业务 应用,增强应用有如下特点。
( 1 业务交互复杂,需要更复杂的传输方式:以车辆编队为例,编队的组建,车辆加入、离开等,都需要相应的交互过程。例如,在改变驾驶模式应用中,编队中的指定车辆,需要和其他最多19辆车进行通信。相比基本安全业务,仅需支持广播方式传输,增强应用需支持单播、组播和广播的多种传输模式。
( 2 业务类型丰富、业务模型多样:协作环境感知、视频信息分享等,所需发送的数据量都大幅提升。以协作式换道应用为例,业务包大小可达12000字节;在编队行驶以及部分自动驾驶和全自动驾驶中,业务包大小可达6500字节,自动驾驶中的协作环境感知业务甚至提出高达1 Gbit/s的高速率需求。同时,系统中不仅包括周期性业务,也包括非周期业务,需要考虑支持混合业务共存的影响。
( 3 低时延、高可靠要求更加严苛:增强应用面向自动驾驶等功能,涉及车辆控制与操作,对可靠性及时延有更加严苛的要求,如自动驾驶类的紧急车辆行驶轨迹对齐业务,端到端时延最低可达3 ms,同时要求可靠性高达99.999%。
随着车联网的不断发展,车联网从基本安全应用的周期性广播车辆状态进行信息共享不断扩展,到现在支持更加丰富的智能交通和智能驾驶应用;而新的车联网增强应用也对V2X通信提出更加严格的要求,包括通信速率、时延、可靠性等,从而推动NR-V2X技术和标准化的研究。
除了3GPP,其他一些标准组织、产业联盟也针对车联网增强应用进行探讨和研究。例如,5GAA针对车联网增强应用发布白皮书,其中定义了43种车联网增强应用,并针对其业务层面的需求进行了梳理。CCSA也在积极开展行业标准《C-V2X增强业务需求与应用数据交互需求》的制定工作。

4  NR-V2X关键技术

基于车联网增强应用的需求,3GPP无线接入网工作组(TSG-Radio Access Network,TSG-RAN)于2018年6月启动了NR-V2X技术标准化工作,主要面向车联网增强应用,在直通链路上提供更可靠、更低时延以及更高数据速率的车联网通信服务。
根据增强应用的特点,NR-V2X在直通链路物理层除了支持广播模式外,还引入单播和多播通信模式,同时在物理信道设计、资源分配机制、直通链路混合自动重传请求机制(Hybrid Automatic Repeat Request,HARQ)等方面较R14 LTE-V2X直通链路有不同的考虑。根据3GPP针对NR-V2X研究基础,NR-V2X R16标准化尽可能复用NR Uu接口相关设计,直通链路支持工作在 ITS专用频段或者授权频段,收发仅考虑单载波机制。下面针对 NR-V2X直通链路标准设计的一些关键技术进行详细介绍。

4.1NR-V2X直通链路物理层架构设计

物理层是无线通信系统设计的关键,包括物理信道结构设计、物理信号和系统参数设计等内容。NR-V2X针对两个频段进行设计,分别为频率范围1(Frequency Range 1,FR1)7 GHz以下频段,以及FR2为24.25 GHz ~ 52.6 GHz频段,目前研究的重点是FR1。
由于NR-V2X相比原来的LTE-V2X引入较多的新功能以及新的通信模式,因此在控制信息中也需要相应引入新的信息域。此外,由于整体的控制信道与数据信道的复用方式发生了变化,并且为了适应不同的通信模式,整体的控制信道结构也发生了很大变化。NR-V2X直通链路支持以下物理信道及物理信号。
( 1 物理直通链路控制信道(Physical Sidelink Control Channel,PSCCH):用于传输直通链路控制信息(Sidelink Control Information,SCI)。
( 2 物理直通链路共享信道(Physical Sidelink Shared Channel,PSSCH):用于传输直通链路数据信息。
( 3 物理直通链路反馈信道(Physical Sidelink Feedback Channel,PSFCH):承载直通链路上接收UE向发送UE的HARQ反馈,具体形式可以是ACK(Acknowledge)/NACK(non-ACK),或者NACK-only。 
( 4 物理直通链路广播信道(Physical SidelinkBroadcast Channel,PSBCH):承载来自无线资源控制(Radio Resource Control,RRC)层的主信息块(MasterInformationBlock,MIB)-V2X。 
( 5 直通链路同步信号(Sidelink SynchronizationSignal,SLSS):包括直通链路主同步信号(SidelinkPrimary Synchronization Signal,S-PSS)、直通链路辅同步信号( Sidelink Secondary Synchronization Signal,SSSS)。 
( 6 解调参考信号(Demodulation ReferenceSignal,DMRS):包括用于PSCCH、PSSCH、PSBCH信道的解调参考信号。
( 7 信道状态信息参考信号(Channel StateInformation Reference Signal,CSI-RS)。
( 8 相位跟踪参考信号(Phase Tracking ReferenceSignal,PT-RS),仅用于FR2的频段。
NR直通链路的子载波间隔及循环前缀(CyclingPrefix,CP)重用NR Uu接口的灵活设计,FR1频段支持15 kHz、30 kHz、60 kHz的子载波间隔,FR2支持60kHz和120 kHz的子载波间隔。其中,不同频段的60kHz子载波间隔支持扩展CP,其他情况支持正常CP。考虑到降低实现复杂度,直通链路只支持CP-OFDM一种波形。
为了支持灵活的资源指示,以及获取感知信息支持资源分配机制。NR-V2X直通链路的控制信道信息SCI分两步处理,第一步的SCI(1st-stage SCI)包含可被感知的本次业务对应的时频资源信息等以及指示第二步SCI的时频资源信息,在PSCCH资源上发送;第二步SCI(2nd-stage SCI)包含识别和解码对应PSSCH的必要信息、HARQ过程信息以及CSI反馈的触发信息等,映射在PSSCH资源上,并根据PSSCH的DMRS进行处理。对于不同的通信模式只存在一种固定的1st-stage SCI,这样设计主要是为了降低控制信道盲检的复杂度,同时保持较好的可扩展性以及前向兼容性。
PSCCH的信道编码为Polar coding,调制方式为正交相移键控(Quadrature Phase-Shift Keying,QPSK)。2nd-stage SCI映射在PSSCH信道上,但其信道化的处理与PSSCH的处理是相互独立的,其信道编码为Polar coding,调制方式为QPSK。PSSCH采用低密度校验码(Low-Density Parity Check Code,LDPC)编码,调制方式支持QPSK、 正交幅度调制(16QAM, Quadrature Amplitude Modulation )、 64QAM以及256QAM。考虑到降低时延的需求及控制信道设计,NR-V2X直通链路 PSCCH和PSSCH的复用方式如图1所示。

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图1  NR-V2X PSCCH与PSSCH复用方式
NR-V2X直通链路为了提高通信可靠性,针对单播以及组播的通信模式引入HARQ反馈机制,因此新增物理层反馈信道 PSFCH。每个UE发送的PSFCH采用基于序列的反馈信道设计,在时域上占用2个连续的符号,不需要额外引入AGC符号。反馈信道承载信息的具体形式可以是ACK/NACK,或者NACKonly。PSFCH通过系统(预)配置的周期性时域资源,间隔N个时隙(N = 1、2、4)。对于PSFCH的资源映射,采用与相应的PSSCH隐式关联的做法,利用相应PSSCH子信道以及UE ID等信息,来判断PSFCH资源位置。1个时隙内信道配置示例如图2所示。

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图2  NR-V2X时隙内信道配置示例

4.2直通链路资源分配机制

4.2.1   直通链路部分带宽及资源池配置
NR-V2X直通链路与NR Uu链路类似也定义了BWP(Bandwidth Part),主要是为了便于终端射频实现。在直通链路上,收发两端使用相同的BWP,子载波间隔等系统参数在BWP配置信息中给出。从终端的角度,资源池配置、同步信号等内容基于直通链路的BWP定义。
PSCCH和PSSCH信道资源使用资源池来定义,接收和发送资源池定义在BWP内。资源池支持不连续的时域配置,时隙是资源池时域配置最小粒度,频域由连续不重叠的子信道组成,具体取值由系统配置或者预配置。从特定终端的角度,发送资源池和接收资源池是分开配置的,这样便于终端能够监测接收资源池其他终端资源的使用情况。在给定载波上,可以为1个UE配置多个资源池。资源池不用于区分传输类型,单播、组播和广播共享资源池。
4.2.2   直通链路资源分配
与R14 LTE-V2X直通链路资源分配类似,NR-V2X直通链路也定义了两种资源分配方式,协议中称为Mode 1和Mode 2。
Mode 1方式的直通链路资源使用由基站进行调度。基站调度根据终端上报直通链路业务特性触发,或者直通链路缓存状态上报(Buffer status Report,BSR)过程触发。Mode 1方式支持基站动态调度及RRC信令调度的方式。动态调度主要针对Sidelink非周期业务,使用下行控制信息(Downlink control information,DCI)指示传输块一次或者多次传输使用的资源。RRC信令调度主要针对周期业务,通过RRC信令设置直通链路相关的传输参数,包括配置索引、时间偏移、时频资源分配、周期等。
Mode 2方式是终端自主进行资源选择。基本原理与LTE-V2X Mode 4类似,终端在系统(预)配置的资源池中感知资源使用情况,根据一定的准则选取合适资源。选择后,终端在一定时间内使用这些资源发送数据或者直到触发资源重选。Mode 2采用分布式资源调度,由于没有基站进行统一调度,终端通过感知机制可获取其他用户的资源占用情况,并根据感知结果进行资源选择。相比完全随机的资源选择机制,降低了资源碰撞概率。基于感知的半持续调度机制适合周期性业务,对于非周期性业务,这种方式难以避免非周期性业务带来的资源碰撞。NR-V2X对Mode 2进行了增强设计,引入Short-term Sensing机制,在资源选定后以及空口发送前的时间段内,持续进行感知,发现资源冲突后进行资源重选以避免非周期性业务导致的碰撞,从而提高传输的可靠性。
Mode 2资源分配是标准讨论的重点议题,由于NR-V2X支持更加丰富的增强应用,其业务特点也更加复杂,NR-V2X在感知窗口设置、资源选择机制、资源预留、重传机制以及资源抢占机制等方面都进行增强设计。

4.3SidelinkHARQ反馈机制

针对V2X广播通信模式,3GPP R16之前版本V2X协议只有广播模式,仅支持盲重传的方式。而在NR-V2X的研究中,为了支持更高级的V2X业务,一方面需要更加灵活的通信模式,包括广播、组播和单播;另一方面需要进一步提升可靠性,直通链路引入了针对组播和单播的HARQ反馈机制。
4.3.1   直通链路HARQ传输指示方法
直通链路支持两种重传方式,即盲重传和基于HARQ反馈的自适应重传。盲重传方式,终端根据自己的业务需求或者配置,预先确定重传的次数和重传的资源,应用于广播、单播和组播模式;自适应重传方式,根据ACK/NACK反馈的信息确定是否需要进行数据的重传,应用于单播和组播模式。当资源池中配置了PSFCH资源的情况下,这两种重传方式都可以传输,在SCI中显式指示是否采用基于HARQ反馈的传输。
4.3.2   直通链路HARQ反馈模式
针对单播模式的HARQ反馈,与NR Uu口的设计保持一致,采用HARQ ACK/NACK的方式进行反馈。优点在于能够判断终端是否处于非连续发射模式(Discontinuous Transmission,DTX)状态,提高HARQ传输的可靠性。
组播模式根据类型的不同,HARQ反馈内容有所差异。根据3GPP业务应用工作组的研究,将直通链路的组播通信分为两类:无连接的组播,类似于广播的通信方式,是一种基于距离的动态建组的组播,需要明确指示当前业务的通信距离,如Groupstart,或者驾驶策略协调等用例;面向连接的组播,有明确的组ID信息以及组内成员的信息,如编队行驶中的车辆。
针对无连接的组播,采用基于HARQ NACK的反馈方式,所有接收UE共享相同的PSFCH资源。在这种方式下,所有接收UE共享相同的PSFCH资源,如果任何一个UE未能正确接收PSSCH,则在共享的PSFCH资源上发送HARQ NACK信息,这种方式适用于没有明确的建组过程,无法确切知道组内用户数的场景,具体参见图3。

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图3  直通链路组播HARQ反馈Option 1
针对面向连接的组播,当采用基于HARQ ACK/NACK的反馈方式,每个接收UE都有自己独立的PSFCH资源,每个接收UE根据自己是否正确接收PSSCH,从而在对应的PSFCH资源上发送HARQ ACK/NACK信息,具体参见图4。这种方式的优点是和单播情况一样,可以区分DTX状态,从而潜在地提高HARQ传输的增益。但由于每个终端需要独立的PSFCH资源,主要适用于组内用户较少的场景。
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图4  直通链路组播HARQ反馈Option 2
接收终端使用PSFCH信道承载1bit的HARQ反馈信息给发送终端。针对资源调度Mode 1,发送终端通过上行信道将其收到的与特定资源调度相关的直通链路HARQ状态报告基站,辅助基站进行直通链路资源调度。

4.4直通链路同步机制

直通链路有4种基本的同步源,全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)、基站、发送同步信号SLSS的终端以及终端内部时钟。通常认为,GNSS和基站的同步源具有最高同步级别,系统内根据终端是否直接从GNSS或者基站获取同步形成一个同步优先级的层级关系。当终端无法找到上述优先级的同步源时,采用内部的时钟,其优先级与Level 7相同。具体优先级别顺序如下。
( 1 Level 1:系统(预)配置GNSS或者eNB/gNB。
( 2 Level 2:与Level 1直接同步的参考终端。
( 3 Level 3:与Level 2直接同步的参考终端,即与Level 1间接同步。
( 4 Level 4:系统(预)配置中没有指明的同步源,GNSS或者eNB/gNB。
( 5 Level 5:与Level 4直接同步的参考终端。
( 6 Level 6:与Level 5直接同步的参考终端,即与Level 4间接同步。
( 7 Level 7:其他参考终端。
直通链路同步信号与PSBCH位于同一个时隙组成一个S-SSB,NR-V2X中S-PSS使用M-序列,S-SSS使用Gold序列。S-PSS位于时隙的第二、三符号;SSSS位于第四、五符号。主、辅同步信号占用127个子载波,前后两个符号都是相同的。PSBCH 承载MIBV2X,其周期是160 ms。
NR-V2X同步优先级通过一个参数对{SL-SSID,In-Coverage}指示,其中S-SSID共有672个ID,通过SPSS/S-SSS携带,In-Coverage标识通过PSBCH携带。3GPP协议中针对同步优先级与参数对{SL-SSID,InCoverage}的映射关系进行了详细设计。接收方可以根据解析得到的参数对{SL-SSID,In-Coverage},判断出该参考同步源的优先级别从而得知同步质量。

4.5LTE-V2X和NR-V2X设备内共存

NR-V2X作为LTE-V2X技术的演进版本,其设计需要考虑后向兼容。LTE-V2X支持基本安全业务,作为C-V2X的先导技术已经开始产业化部署。NR-V2X面向增强型车联网应用,后续设备走向实际应用,需要与已经部署的LTE-V2X设备技术互联互通,因此需要设备内同时支持LTE-V2X和NR-V2X直通链路。
LTE-V2X和NR-V2X直通链路设备内共存与工作频段有密切的关系。如果两种直通链路部署在频域间隔足够远的两个载波上(如不同的频段),每个直通链路有各自的射频链路,可以各自独立工作,互相不受影响。当两种直通链路部署在频域间隔比较近的两个载波上(如相同的频段),这种情况下二者共享同一套射频链路,由于下述限制因素,需要慎重考虑共存解决方案。
( 1 ) 半双工限制:当用户正在一个直通链路的载波上发送时,不能同时在另一个直通链路的载波上进行接收。
( 2 最大发送功率受限:当用户同时在两个直通链路进行发送时,由于共享相同的功率放大器,每个直通链路都不能以最大发送功率进行发送,从而影响直通链路的覆盖范围以及传输的可靠性。
这种情况下,为了消除半双工的约束和最大发送功率受限的影响,LTE-V2X和NR-V2X直通链路采用时分复用方式进行共存,具体有两种方式。
( 1 LTE-V2X和NR-V2X直通链路半静态时分复用(长期时分复用):LTE-V2X和NR-V2X直通链路配置时域上互不重叠的资源池。这种方式优点是实现简单,且两种直通链路之间不需要信息的交换和协调,然而无法根据不同的业务特点充分利用资源。
( 2 LTE-V2X和NR-V2X直通链路动态时分复用(短期时分复用):当两个直通链路发送/发送或者发送/接收同时发生时,如果可以提前获知两个直通链路传输的业务的优先级,则丢弃低优先级的直通链路的传输,这种方式要求两种直通链路之间能够进行信息的交互。当两个直通链路接收/接收同时发生时,通常用户可以同时接收同一频带内的两个直通链路,如果用户不支持同时接收两个直通链路,则取决于实现,标准中没有明确的规定。
综上所述,NR-V2X R16版本支持基于5GNR的直通链路物理信道和信号设计;支持广播、组播和单播的通信模式,支持对于组播和单播的HARQ反馈的操作;支持Mode 1和Mode 2资源分配机制;支持增强的同步机制;支持LTE-V2X和NR-V2X设备内共存等机制,导致了NR-V2X标准设计的复杂性。由于篇幅所限,这里仅对物理层相关的一些关键技术进行介绍。

5  C-V2X产业实践

车联网具有广泛的应用前景及重要的社会意义,相关技术也得到产业界的积极关注。在LTE-V2X标准研制过程中,产业界就积极推动相应的产品研发、技术验证和示范。

5.1我国C-V2X产业发展

随着LTE-V2X标准的完成,众多厂商加入到产业链中,以LTE-V2X车联网技术为核心已经形成了完整的产业生态。车联网产业链从狭义上来说,主要包括通信芯片、通信模组、终端与设备、整车制造、测试认证以及运营服务等环节。
从2017年起,大唐、华为、高通等企业先后推出支持直通链路通信的LTE-V2X芯片/模组,为产业快速发展奠定基础。随着LTE-V2X标准成熟,大唐、华为、高通、罗德与施瓦茨等通信设备/仪表制造商开展了多次车联网LTE-V2X通信设备、芯片组、测试仪表之间的互联互通测试。车联网通信设备各层全协议栈互联互通测试的成功实现,标志着LTE-V2X技术标准和解决方案基本成熟,为LTE-V2X产业部署做好了准备。
车联网涉及到汽车、交通等多个行业领域,为促进LTE-V2X 产业落地,2017年5月IMT-2020(5G)推进组成立C-V2X工作组,进行C-V2X技术产业与应用推广。C-V2X工作组目前成为汇聚国内外整车厂商、信息通信服务企业、交通企业相关企业的跨界平台,承担组织LTE-V2X技术测试验证工作,积极部署推进技术研究、测试验证和应用推广等工作。2018年11月,全国汽车标准化技术委员会、全国智能运输系统标准化技术委员会、全国通信标准化技术委员会以及全国道路交通管理标准化技术委员会共同签署了加强汽车、智能交通、通信及交通管理C-V2X标准合作的框架协议,推进C-V2X 标准制定和产业落地。汽车、交通等行业也成立了相关产业联盟,如中国汽车工程学会智能网联汽车产业创新联盟、车载信息服务联盟、中国智能交通产业联盟(C-ITS)等。C-V2X工作组与这些联盟密切合作,协同解决产业化过程中的关键问题。
多厂商设备间互联互通及不同整车制造商的车载设备和路侧基础设施的协议互相兼容是车联网业务应用部署的关键。为了进一步验证在外场实际道路环境下多家通信设备、多家整车企业车联网应用情况,IMT-2020(5G)推进组C-V2X工作组与中国智能网联汽车创新联盟在2018年、2019年分别组织了“三跨”和“四跨” 两次大型车联网互联互通测试活动。2018年,“三跨”实现了世界首例跨通信模组、跨终端、跨整车的互联互通,在外场实际道路环境进行了车速引导、车辆变道/盲区提醒、紧急制动预警、前向碰撞预警、紧急特殊车辆预警、交叉路口碰撞预警和道路湿滑提醒等展示;2019年,“四跨”重点增加了通信安全演示场景。由大 唐和国汽智联搭建的证书验证平台(Certificate Authority,CA)为车载通信终端(On board Unit,OBU)和路侧终端(Road Side Unit,RSU)提供通信证书,实现车-车、车-路直连安全通信,通过搭建的V2X安全攻击场景和东软集团提供的安全验证工具,综合演示C-V2X安全防护机制和效果。
通过“ 三跨”和“ 四跨”活动,充分展示了我国LTE-V2X产业走在世界前列的实力,也表明我国具备了实现LTE-V2X相关技术商业化的基础。

5.2全球C-V2X产业发展

以欧美主流车企、全球主流电信运营商及通信芯片厂商发起,于2016年9成立的5G汽车联盟(5G Automotive Association,5GAA),致力于推动C-V2X技术在全球的产业化落地(现阶段为LTE-V2X),该联盟成员覆盖全球主要车企、电信运营商、芯片供应商、汽车电子企业、电信设备商及信息服务企业等,我国主要的通信设备制造商(华为、大唐、中兴)及电信运营商(中国移动)也是其成员,目前成员已达130余家。通过5GAA成员的通力合作,使能不同系统间互操作的功能和测试验证,可提高驾驶的安全性,支持增强的V2X应用,最终实现自动驾驶。
随着C-V2X技术的不断发展,国外C-V2X相关的技术测试与示范也逐渐发展起来,系列活动充分展示了C-V2X产业不断走向成熟。例如,高通和福特在美国进行的C-V2X基准性能测试,在 拉斯维加斯CES2019展会期间,奥迪、高通、福特等联合展示了C-V2X交叉路口应用。在C-V2X快速发展的形势下,5GAA在2019年组织了两次C-V2X相关的互操作(IoT,Interoperability)测试,即多厂商互联互通测试。分别是2019年4月在德国举办的1st 5GAA CV2XIOT测试及2019年12月在西班牙与ETSI联合举办的1st ETSI C-V2X Plugtest。

6  结束语

中国及国际上C-V2X相关测试、示范工作稳步推进,产业界基于车联网商业模式和部署也依托示范工作开始积极探索。LTE-V2X已形成多厂商蓬勃发展的产业链,具备规模化应用的条件。业界普遍认为2020年起,LTE-V2X将启动商业应用[27]。
从技术标准角度,LTE-V2X演进版本NR-V2X即将完成标准化。考虑技术在逐步发展,根据产业发展和网络建设部署的规律,可以预见LTE-V2X与后续NR-V2X将会长期共存,两者发展大体时间判断如图5所示。LTE-V2X作为C-V2X的第一阶段,其规模部署是整个C-V2X产业成功的关键。

车联网C-V2X技术演进及产业实践

图5  LTE-V2X与后续NR-V2X的发展
2018年,我国明确为LTE-V2X直接通信分配了5.9 GHz频段20 MH频谱,使得我国成为全球第一个基于蜂窝车联网技术规划专用频段的国家。近期,更是出台了系列政策推动LTE-V2X产业发展。2020年2月,国家发展和改革委员会、工业和信息化部等11家部委联合发布《智能汽车创新发展战略》,明确LTE-V2X建设目标,“到2025年,车用无线通信网络(LTE-V2X等)实现区域覆盖,新一代车用无线通信网络(5G-V2X)在部分城市、高速公路逐步开展应用”。2020年3月,工业和信息化部发布“关于推动 5G加快发展的通知”,促进“5G+车联网”协同发展,专门提到“推动将车联网纳入国家新型信息基础设施建设工程,促进LTE-V2X规模部署”。
结合我国5G商用步伐加速的大背景,LTE-V2X作为5G的先导应用,将迎来规模部署发展的重大机遇。整体来看,我国车联网示范区建设如火如荼,早在2016年,即有各类车联网示范区开始建设,并保持了快速的增长。截止到2019年年底,由工业和信息化部支持推动的国家级智能网联(车联网)测试示范区已达到10 个,工业和信息化部与交通运输部联合授牌3个智能网联汽车自动驾驶封闭场地测试基地(泰兴、襄阳、上海临港),另外还有多个城市级及企业级测试示范点。为了进一步推动车联网应用探索,2019年5月,工业和信息化部复函江苏省工业和信息化厅,支持创建江苏(无锡)车联网先导区。目前,已有多个示范区在积极申请升级为先导区,预计2020年先导区数目会进一步扩大,也将进一步促进C-V2X产业发展。
C-V2X作为车联网主流国际标准,不仅在中国得到快速发展,在5GAA等产业联盟的推动下,也逐步得到欧洲和美国的认可。最具代表性的事件是2019年12月,美国FCC表示将5.905 GHz ~ 5. 925 GHz用于C-V2X车联网技术,成为继中国之后第二个正式将此频段用于车联网C-V2X技术的国家。在中、美两国基本统一的框架下,5.9 GHz频段用于蜂窝车联网技术受到越来越多国家的关注,必然成为未来全球发展趋势。频谱的一致性也必将促进产业规模经济,从而推动C-V2X全球车联网产业链的发展和成熟。
 
 
原文来源:信息通信技术与政策

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