一文读懂蜂窝车联网C-V2X

时间：2020-12-08 09:06:34

关键字： AI 车联网自动驾驶

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[导读]V2X，即vehicle to everything，车联万物。简单来说，就是赋予车辆通信能力，通过V2V（车对车）、V2P（车对行人）、V2I（车对基础设施）、V2N（车对网络），让驾乘体验更加舒适，交通环境更加安全，使能未来的自动驾驶。

▉ V2X是什么

V2X，即vehicle to everything，车联万物。

简单来说，就是赋予车辆通信能力，通过V2V（车对车）、V2P（车对行人）、V2I（车对基础设施）、V2N（车对网络），让驾乘体验更加舒适，交通环境更加安全，使能未来的自动驾驶。

来源: Rohde & Schwarz

相信很多开车人都有这样的体会：行驶在一条道路，连续好几个路口都遇到红灯，一路走走停停，不仅浪费时间，而且特别耗油。有时候，明明前方一辆车也没有，却还要傻等红灯变绿。你一定会想，如果交通灯也有眼睛和大脑，那该多好啊！

其实，利用V2I（车对基础设施）、V2N（车对网络）技术，就可以掌控全局的交通流量，大幅缩减等待时间，从而实现“绿灯畅行”。

再举一个例子，你平时在开车的时候，有没有遇到过突然窜出的行人或者电瓶车，被他们吓个半死？

这个时候，V2P（车对行人）技术就可以派上用场了。它能够在非视距情况下，捕捉周围环境的信息，让我们拥有“上帝视角”，对潜在威胁进行提前准备。

来源: KEYSIGHT

实际上，我们应该把V2X技术理解为高级驾驶辅助系统（ADAS）的一部分。V2X和其它多种多样的传感器（如摄像头，激光雷达等）相辅相成，共同辅助完成高级别的自动驾驶。

从理论上来说，单车（例如Google的自动驾驶汽车）不计成本地堆砌传感器，也能完成自动驾驶。

但是，缺少了V2X的自动驾驶汽车，就好像是一座信息孤岛。它没办法有效地和周围车辆或者基础设施进行沟通交流，在感知和决策上存在极大的限制。

▉ 两种方案（DSRC vs C-V2X）对比

目前，国际上有两套主流的V2X通信技术规范，它们分别是：

DSRC（专用短距离无线通信）：基于IEEE 802.11p，欧洲的ITS-G5同样是基于该物理层技术，我们在这里只讨论DSRC即可
C-V2X（蜂窝车联网）：基于3GPP LTE

来源: KEYSIGHT

DSRC已经存在很多年了，因为存在一些先天的不足，发展过程并不顺利。相比之下，3GPP的C-V2X有很多优势，所以这几年发展很快。

我们不妨从各个角度来比较一下这两种技术方案：

首先，从技术角度来看。

5GAA（5G汽车联盟）针对DSRC和C-V2X，在实验室及外场进行了试验对比。结果证实，C-V2X在很多方面的性能，都要优于DSRC。比如，C-V2X支持更远的通信距离、更佳的非视距性能、更强的可靠性、更高的容量和更佳的拥塞控制等。（详细的测试报告请参考文末附件）

来源: 5GAA测试报告P-190033

其次，再从成本和标准化的角度来看。

在这两方面，C-V2X也有一些显著的优势：

C-V2X基于蜂窝网络，与目前的4G和5G网络可以复用，网络覆盖范围广，部署成本较低。相反，基于802.11p的DSRC技术，在组网时需要新建更大量的路侧单元RSU，部署成本很高
C-V2X基于3GPP标准，全球范围内具备更佳的兼容性
C-V2X演进路线非常清晰，且后向兼容（LTE C-V2X NR C-V2X）

来源: Qualcomm

最后，从政策支持的角度来看。

在这方面，C-V2X也有后来居上之势：

美国之前一直支持DSRC，但是最近的态度开始有所转变，偏向C-V2X。美国联邦通信委员会FCC最近针对5.9GHz的重新分配进行了投票，结果，划了20MHz给C-V2X专用
欧洲的态度比较纠结，DSRC和C-V2X两种技术都表示支持
中国拥有全球最大的LTE网络，综合考虑应用价值、成本、性能、专利、政策、产业成熟度等各方面因素，C-V2X无疑是我国V2X技术路线的首选。频谱方面，划定了20MHz给C-V2X专用

▉ C-V2X的3GPP标准化进展

C-V2X未来能否走向成功，仅靠通信行业的支持是不够的。它还需要来自汽车行业代表的有力支持。

2016年9月，5GAA联盟成立，截至目前已有一百多名汽车和通信行业代表参与其中，共同推进全球C-V2X的开发部署。

针对C-V2X，3GPP采取了分阶段迭代的发展策略：

第一阶段，是LTE-V2X （R14）和LTE-eV2X （R15），主要是针对V2X进行安全增强
第二阶段，是NR-V2X （R16及其演进版本）, 聚焦自动驾驶场景

来源: KEYSIGHT

R16已经支持车辆编队、高级驾驶、外延传感、远程驾驶等场景。

来源: 3GPP TS 22.186

笔者预计，与LTE-V2X类似，NR-V2X也将经历至少两个版本（甚至更多）的演进和迭代。当前3GPP已经启动了R17技术标准的研究工作，初步规划了R17的主要增强技术，继续对现有版本进行演进。

来源: 3GPP官网

▉ C-V2X的关键技术

首先从架构的角度看。非漫游场景下，5G支持V2X的架构如下图所示：

来源: 3GPP TS 23.287

笔者认为，MEC将会是V2X很重要的一个关注点（并没有在架构图中直接画出）。

根据Intel的研究报告，2020年，一辆自动驾驶汽车每天将使用4000GB的数据。相比之下，一个互联网用户每天使用的数据大约是1.5GB。车辆和道路的数量庞大且复杂，加之传感器数量的增加，由此会带来的大数据处理和存储的难题。

MEC是解决这一难题的有效手段。借助MEC技术，很多服务可以部署到更加靠近车辆和道路等数据源的地方，节省网络资源并降低延迟。

接下来，我们从接口的角度看。

常常有人会问：“在没有网络覆盖的条件下，C-V2X如何工作？”

前面的架构图告诉我们，即使是在没有4G/5G网络覆盖的环境下，C-V2X还是可以利用PC5接口进行彼此通信的。

Uu接口 主要是用来实现时延不敏感业务，进行信息共享和提前预测。

PC5接口 主要是用来实现低时延的业务，提高非视距条件下的可靠性。

来源: Qualcomm

PC5接口进一步区分为两种工作模式：

模式3：借助基站，通过控制信令接口Uu实现V2V数据的调度和接口管理。在这种情况下，采用动态的方式进行资源的调度，车车间采用PC5接口通信。
模式4：V2V数据调度和接口的管理是基于车车间的分布算法实现。

来源: Rohde & Schwarz

再从协议栈的角度来看。

基于PC5接口的协议栈，如下所示（基于Uu接口的协议栈和传统的5G协议栈一样，这里不再赘述）：

来源: Qualcomm

3GPP定义了其中的PHY和MAC层，完全重用DSRC既有的高层协议规范（它们由SAT和IEEE制定）。这就意味着，用户从DSRC迁移到C-V2X的成本会相对较低。

最后，我们来简单了解一下最新的NR-V2X在物理层和协议层方面做了哪些提升（3GPP TR 38.885的第5、6章节有较为详细的描述。备注:协议规范中通常使用Sidelink这个词来描述PC5所承担的具体功能,简称SL），这里仅针对PC5的提升方面进行简要说明：

概念上提出了点对点播、组播的概念，之前PC5只支持广播
物理层处理方面，SL的PSSCH、PSCCH 的资源分配上更规整，便于实现（如下图所示），此外SL支持开环功率控制（OLPC）

同步方面，SL可以使用 S-PSS, S-SSS 完成同步
协议层方面，明确定义SL 通信有三种模式: RRC连接模式（RRC_CONNECTED）、空闲模式（RRC_IDLE）和未激活模式（NR情况下）（RRC_INACTIVE）。在空闲或未激活模式下UE的SL通信是通过SIB 消息里的小区配置信息来完成的。

▉ 结语

目前，全球的C-V2X试验案例正在不断增加。

围绕C-V2X的通信芯片、模组、终端、整车制造、测试验证、运营服务、高精度定位和地图服务等上下游厂商，都在积极进行布局，希望抢占市场先机。

行业普遍认为，基于C-V2X的车联网，很可能成为5G时代最先成功的垂直行业应用场景。