邱佳慧 陳祎 劉琪

【摘 要】車聯(lián)網(wǎng)作為5G萬物互聯(lián)的形式之一，已成為各行業(yè)關注和研究的焦點。但目前車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈尚不成熟，這是運營商在新型產(chǎn)業(yè)中從傳統(tǒng)的通信管道提供商向新業(yè)務提供商轉(zhuǎn)型的契機。介紹了車聯(lián)網(wǎng)在國內(nèi)外的發(fā)展概況，總結(jié)了車聯(lián)網(wǎng)在3GPP標準中的關鍵技術，從業(yè)務需求和技術研究兩個方面分析了車聯(lián)網(wǎng)未來的演進方向。最后，給出了運營商在車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡架構(gòu)建設以及業(yè)務發(fā)展方向的建議，對運營商在未來車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)中的轉(zhuǎn)型具有指導意義。

【關鍵詞】車聯(lián)網(wǎng)；DSRC；車聯(lián)網(wǎng)標準化；運營商V2X演進策略

Research on V2X Standardization and Evolution Strategy

QIU Jiahui， CHEN Yi， LIU Qi

[Abstract] As one of the forms of Internet of 5G Everything， V2X has become the focus of attention and research in various industries. However， the fact that the industry chain of V2X is not mature yet is a chance for operators to change the role from the communication aisle provider to the new business provider. This paper introduced the development of V2X at home and abroad， and summarized the key technologies in 3GPP V2X standards. Additionally， the evolution of V2X was analyzed from the service requirements and the corresponding technologies， respectively. Finally， the network architecture and service development of V2X for telecommunication operators in the future were discussed， which could provide references to the transformation of operators in the future V2X industry chain.

[Key words]V2X； DSRC； V2X standardization； V2X evolution strategy

1 引言

隨著通信技術的發(fā)展，越來越多的實體被加入到通信網(wǎng)中，成為網(wǎng)絡的元素。在智能交通領域，為了提高交通效率和駕駛安全性以及提升用戶體驗，汽車、行人和交通設施都被接入到通信網(wǎng)中，享受通信技術發(fā)展帶來的紅利。以汽車行駛安全、效率提升和信息服務為主要應用場景的車聯(lián)網(wǎng)技術成為這種趨勢中的焦點。

車聯(lián)網(wǎng)是以車輛內(nèi)部網(wǎng)絡、車輛之間的V2V網(wǎng)絡以及車載終端與基站之間的網(wǎng)絡為基礎，按照規(guī)定的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)傳輸標準，在車與車、路邊設施、行人以及互聯(lián)網(wǎng)之間，通過無線通信進行數(shù)據(jù)交換的網(wǎng)絡，實現(xiàn)車輛智能控制、交通智能管理以及動態(tài)信息交互的綜合化一體網(wǎng)。車聯(lián)網(wǎng)的提出和發(fā)展，可以有效緩解或解決由于城市迅速發(fā)展以及汽車保有量快速增長而帶來的各種問題，大大提升交通網(wǎng)絡的安全水平，交通效率和環(huán)保水平，并有可能徹底改變?nèi)藗兾磥淼某鲂心Ｊ?，這是實現(xiàn)智慧城市和綠色城市的有效途徑之一。

2 車聯(lián)網(wǎng)國內(nèi)外發(fā)展概述

車聯(lián)網(wǎng)最早被提出和發(fā)展的是DSRC（Dedicated Short Range Communications，專用短程通信）技術，該技術已在美國、歐洲、日本等國家進行了廣泛應用。1999年，美國FCC（Federal Communications Commission，聯(lián)邦通信委員會）在5.9 GHz區(qū)域為V2X留出75 MHz的帶寬（5 850 MHz—5 925 MHz），用于實現(xiàn)車輛在高速狀態(tài)下的短程通訊，以保障公共交通安全。2016年9月1日，美國交通部在三個地點啟動了連接車輛試點部署項目的設計、建造和測試，包括懷俄明州、紐約市和坦帕[1]。另外，美國交通部于2016年提出了一項提議，該提議要求未來生產(chǎn)的所有輕型汽車以及卡車配備V2V通信設備（DSRC技術）。歐洲在車聯(lián)網(wǎng)技術上同時考慮ETSI-ITS-G5（基于IEEE 802.11p/DSRC）和蜂窩V2X（4G和5G），稱為C-ITS（Cooperative Intelligent Transport System）。歐洲政府也將5.9 GHz的頻譜（5 855 MHz—5 925 MHz）分配給C-ITS，目前已經(jīng)開展過許多大型項目的實施與部署。例如，COOPERS[2]、CVIS[3]以及NordicWay Project[4]。日本的VICS（Vehicle Information and Communication System，道路交通信息通訊系統(tǒng)）于1996年開始提供車聯(lián)網(wǎng)信息服務，2003年便已基本覆蓋全日本。但DSRC技術也存在明顯不足，例如覆蓋距離短、接入沖突以及數(shù)據(jù)包路由復雜等。隨著LTE技術的普及，另一種車聯(lián)網(wǎng)標準應運而生，該標準克服了DSRC技術的不足，在蜂窩網(wǎng)技術的基礎上加以改進，實現(xiàn)了車車、車路、車人之間的直接或間接通信。中國的車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展起步較晚，并以LTE-V2X為主要技術手段，不管從國家政策方面，還是市場需求方面，中國車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展都具有強大的驅(qū)動力。國內(nèi)的車聯(lián)網(wǎng)試驗主要基于LTE-V2X技術。2015年工信部發(fā)布國內(nèi)首個“智能網(wǎng)聯(lián)汽車試點示范區(qū)”項目，在上海安亭鎮(zhèn)建設了國內(nèi)首個智能網(wǎng)聯(lián)汽車研發(fā)和試驗基地。隨后工業(yè)和信息化部又先后在杭州、北京、重慶、長春等地建立車聯(lián)網(wǎng)實驗基地，基于LTE-V2X和5G技術，支撐開展智能駕駛、智慧交通的相關示范應用。

3 V2X關鍵技術

2015年2月，3GPP SA1小組開啟了關于LTE-V2X業(yè)務需求的研究，3GPP對LTE-V2X的標準化工作正式啟動[5]。此后，3GPP分別在SA2、SA3以及RAN各小組立項開展LTE-V2X標準化研究，并于2017年3月完成V2X第一階段標準的制定。

按業(yè)務模式，LTE-V2X可以分為以下四類[6]，如圖1所示，包括：

（1）V2V（Vehicle-to-Vehicle）通信。例如防碰撞預警，擁塞控制等車輛安全效率類應用，此類應用不受網(wǎng)絡覆蓋的限制，可實現(xiàn)隨時隨地通信。

（2）V2P（Vehicle-to-Pedestrian）通信。例如行人防碰撞預警等行人安全類應用。

（3）V2I（Vehicle-to-Infrastructure）通信。例如道路安全預警、排隊預警等安全效率類應用，主要涉及車與路邊基礎設施的通信。

（4）V2N（Vehicle-to-Network）通信。例如路況信息播報、路線規(guī)劃、地圖下載等信息類應用。

根據(jù)接口的不同，LTE-V2X可分為LTE-V2X-Direct和LTE-V2X-Cellular兩種通信方式[7]。V2X-Direct通過Pc5接口，采用車聯(lián)網(wǎng)專用頻段（如5.9 GHz），實現(xiàn)車車、車路、車人之間直接通信，適用于無線蜂窩網(wǎng)絡覆蓋有限的場景，時延較低，支持的移動速度較高，但需要有良好的資源配置及擁塞控制算法。V2X-Cellular則通過蜂窩網(wǎng)絡Uu接口轉(zhuǎn)發(fā)，采用蜂窩網(wǎng)頻段（如1.8 GHz），使得V2X通信范圍更廣且更穩(wěn)定。具體的Pc5口和Uu口對比如表1所示。

總體來看，LTE-V2X是在D2D標準的基礎上進行的增強和演進，包含的技術演進總結(jié)如下：

（1）V2X控制單元。在核心網(wǎng)增加邏輯單元V2X Control Function，該邏輯功能用于實現(xiàn)LTE-V2X業(yè)務，提供相關參數(shù)及授權等。

（2）接口設計。LTE-V2X-Cellular（Uu接口）和LTE-V2X-Direct（Pc5接口）。

（3）物理信道設計。與D2D相比，車聯(lián)網(wǎng)需要支持更高的移動速度（500 km/h），并且LTE-V2X可能占用較高的頻段（5.9 GHz）。為了降低高頻段以及高速移動帶來的頻偏影響，考慮在每一子幀內(nèi)增加參考信號密度，導頻序列從2列增加為4列。每一子幀的最后一個符號空缺作為收發(fā)的調(diào)整間隔，支持normal CP（Cyclic Prefix），不支持extended CP。

（4）新的控制信道和數(shù)據(jù)信道分配方式。為降低時延，控制信息和數(shù)據(jù)信息在同一子幀內(nèi)，頻域分布上相鄰或不相鄰，其中控制信道占用兩個PRB（Physical Resource Block）。

（5）同步增強。在網(wǎng)絡覆蓋內(nèi)，由基站配置基站同步和GNSS（Global Navigation Satellite System）同步的優(yōu)先級，在無覆蓋場景下優(yōu)先配置GNSS為同步源。

（6）資源分配增強。資源分配支持基站配置模式（Mode 3）和自主選擇模式（Mode 4）。Mode 3是一種基站向用戶分配資源的通信方式，用戶在通信前首先向基站發(fā)送資源使用請求，基站根據(jù)用戶位置以及資源利用情況分配資源給用戶。而Mode 4是一種用戶終端自由選擇資源的方式，基于地理位置選擇相應的資源池，每一個資源池里配置一個區(qū)域ID。

（7）支持SPS（Semi-Persistent Scheduling）傳輸。為了滿足多種業(yè)務需求，支持8種SPS配置，增加UE輔助的SPS配置，增加20 ms和50 ms的傳輸周期，支持更低時延需求。

（8）擁塞控制。Pc5模式下，定義CBR（Channel Busy Ratio）和CR（Channel occupancy Ratio）。當UE檢測CBR超出某一門限，將采用eNB輔助或者UE自主調(diào)整發(fā)送參數(shù)的方式（例如最大發(fā)送功率、重傳次數(shù)、調(diào)制編碼方式等），降低信道利用率從而降低資源選擇沖突。

（9）增加新的QCI保證V2X的QoS。其中QCI 3和QCI 79用于單播V2X信息，QCI 75只用于MBMS承載發(fā)送V2X信息。

（10）P-UE資源選擇。為節(jié)省電量，P-UE終端采用部分感應或者隨機選擇的方式進行資源選擇。

（11）新實體。增加路側(cè)單元RSU，支持UE型或者基站型。

（12）本地化MBMS。將MBMS整體或者用戶面下沉到基站側(cè)，支持更低的時延。

（13）與DSRC共存性研究?？紤]到歐美車聯(lián)網(wǎng)同時采用DSRC技術。

4 V2X演進方向

4.1 業(yè)務及需求指標

目前3GPP已經(jīng)發(fā)布了對LTE-V2X以及5G-V2X定義的27種（3GPP TR 22.885[6]）和25種（3GPP TR 22.886[8]）應用場景。其中TR 22.885定義的27種應用場景主要實現(xiàn)輔助駕駛功能，包括主動安全（例如碰撞預警、緊急剎車等）、交通效率（例如車速引導）、信息服務等方面。而TR 22.886主要實現(xiàn)自動駕駛功能，包括高級駕駛、車輛編隊行駛、離線駕駛、擴展傳感器傳輸?shù)取ｋS著業(yè)務場景的演進（由輔助駕駛向自動駕駛演進），其需求指標也更加苛刻。圖2對比了LTE-V2X與5G-V2X所支持的業(yè)務場景下的參數(shù)指標典型值。由圖2可知，5G-V2X所支持的時延更低而可靠性更高，且對其他參數(shù)指標（例如移動速度、通信范圍、數(shù)據(jù)速率等）的要求也更加嚴格。

4.2 技術演進

在RAN 75#會議上，通過了V2X演進的三個階段，如圖3所示：

圖3 V2X演進示意圖

（1）第一階段：3GPP Rel-14于2016年9月完成LTE-V2V標準的制定，且于2017年3月完成LTE-V2X標準的制定，主要支持TR 22.885中的業(yè)務場景。

（2）第二階段：目前3GPP已經(jīng)開展第二階段的工作。2017年3月3GPP在R15的標準立項中通過RP-170798[9]啟動了第二階段LTE-V2X技術增強研究，計劃于2018年6月完成。R15的LTE-eV2X在與R14 LTE-V2X保持兼容性的前提下，進一步提升V2X的時延、速率以及可靠性等性能，以進一步滿足更高級的V2X業(yè)務需求。其相關技術主要針對Pc5的增強，采用與Rel-14相同資源池設計理念和相同的資源分配格式，因此可以與Rel-14 V2X用戶共存且不產(chǎn)生資源碰撞干擾影響。第二階段中的增強技術主要包括載波聚合、高階調(diào)制、發(fā)送分集、低時延研究和資源池共享等。

（3）第三階段：V2X的第三階段即5G-V2X，用于支持eV2X的所有業(yè)務場景。5G-V2X與LTE-V2X在業(yè)務能力上體現(xiàn)差異化，在5G NR支持更先進業(yè)務能力的同時，也結(jié)合LTE能力，考慮對LTE-V2X進行增強。目前3GPP立項仿真方法研究的study item（RP-170837[10]），該立項根據(jù)TR22.886制定的需求完成38.913和38.802中仿真方法的制定，包括仿真場景、性能指標和業(yè)務模型。其中包括6 GHz以上sidelink的信道模型研究。針對第三階段的work item將在Rel-16中開展。

5 運營商對車聯(lián)網(wǎng)演進策略分析

雖然車聯(lián)網(wǎng)市場潛力巨大，但運營商傳統(tǒng)業(yè)務優(yōu)勢在車聯(lián)網(wǎng)市場中并不明顯。據(jù)統(tǒng)計，在全球車聯(lián)網(wǎng)的收入組成中，通信收入僅占10%，而服務業(yè)務占比為60%。另外，車聯(lián)網(wǎng)運營正面臨著顛覆性的變革，車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務開始由Telematics向輔助駕駛遷移，車聯(lián)網(wǎng)可能會引入專業(yè)化運營模式，新進入者使目前的市場競爭更加激烈。因此，車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)格局處于變革期，運營商在提供通信管道的同時，需要探索新的營收增長點。

為滿足車聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務需求，運營商在未來車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡將采用“終端—網(wǎng)絡—平臺—應用”的統(tǒng)一架構(gòu)，打造“多模通信+車車協(xié)同+車云同步”的云網(wǎng)協(xié)同一體化網(wǎng)絡，如圖4所示。

5.1 立體化通信網(wǎng)絡

運營商需要從橫向和縱向兩個維度打造立體化網(wǎng)絡架構(gòu)，實現(xiàn)多模接入、車車直通、支持多種低時延高可靠業(yè)務的車聯(lián)網(wǎng)通信。橫向?qū)崿F(xiàn)3G/4G/5G網(wǎng)絡共存，依據(jù)不同的業(yè)務需求（例如Telematics業(yè)務、V2X業(yè)務）選用不同的網(wǎng)絡及技術，實現(xiàn)多模通信?？v向?qū)崿F(xiàn)車車之間無縫聯(lián)通，在有網(wǎng)絡覆蓋的情況下，可通過基站實現(xiàn)車車通信，而在無網(wǎng)絡覆蓋的情況下，可通過V2V實現(xiàn)車車之間直接通信。通過網(wǎng)絡實現(xiàn)路邊設施信息回傳與管理，實現(xiàn)RSU（Road Side Unit）的快速、靈活、低成本部署，實現(xiàn)數(shù)據(jù)與業(yè)務分流，降低網(wǎng)絡時延，避免資源沖突，完成數(shù)據(jù)與業(yè)務的回傳。作為運營商，為了增強基于基站通信的低時延高可靠業(yè)務，加強對車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的掌控，考慮沿公路部署光纖傳輸管道，根據(jù)用戶的業(yè)務需求在網(wǎng)絡不同位置引入邊緣云計算，實現(xiàn)用戶面的業(yè)務下沉，降低網(wǎng)絡傳輸時延。

5.2 云網(wǎng)協(xié)同平臺

打造車聯(lián)網(wǎng)協(xié)同云平臺，實現(xiàn)互聯(lián)互通。在功能上，一方面車聯(lián)網(wǎng)云平臺具有網(wǎng)絡管理能力，實現(xiàn)業(yè)務管理和連接管理，滿足車車協(xié)同和車云協(xié)同；另一方面其具有網(wǎng)絡開放能力，開放垂直行業(yè)應用以及第三方應用接入，提供大數(shù)據(jù)收集及分析能力，拓展新的業(yè)務渠道。統(tǒng)一的云平臺是未來車聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，需具備以下特性（如圖5所示）：云平臺作為連接網(wǎng)絡與應用服務的橋梁，首先應支持共性平臺建設，具有一定的通用性、靈活性、安全性、開發(fā)性以及穩(wěn)定性；其次需要保證各類用戶的體驗，具有網(wǎng)絡開放的能力，實現(xiàn)網(wǎng)絡間的互聯(lián)互通，支持泛在接入，通過模塊化實現(xiàn)云平臺的靈活性，保證用戶永遠在線，并對客戶做出實時響應；最后，要實現(xiàn)多場景支撐功能，例如，主動安全、路徑規(guī)劃、共享數(shù)據(jù)以及協(xié)同感知等。

5.3 業(yè)務綜合化和多樣化

基于技術的發(fā)展以及設備服務能力的升級與改造，運營商要實現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的綜合化和多樣化，主要分三個階段：第一階段以已有的Telematics業(yè)務為主，主要依靠現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)3G/4G，實現(xiàn)定位導航、車載娛樂、遠程管理等低速率數(shù)據(jù)服務；第二階段以實現(xiàn)輔助駕駛功能為主，依靠LTE-V2X技術支撐，包括安全預警、交通管理等對時延及可靠性要求較高的中高速數(shù)據(jù)服務；第三階段以實現(xiàn)自動駕駛、萬物互聯(lián)為目標，主要依靠5G技術，在該階段，對時延及可靠性的要求進一步提高，同時需要大帶寬以傳輸高速數(shù)據(jù)，實現(xiàn)包括自動駕駛、編隊行駛、高清視頻傳輸?shù)葮I(yè)務。另外，在提供多種V2X業(yè)務的同時，針對海量數(shù)據(jù)，融合通信網(wǎng)絡大數(shù)據(jù)、個人用戶大數(shù)據(jù)以及智能汽車和智能交通數(shù)據(jù)，提供大數(shù)據(jù)分析及推廣服務，打造基于互聯(lián)網(wǎng)和汽車的大數(shù)據(jù)生態(tài)圈，如圖6所示。

5.4 運營商的產(chǎn)業(yè)角色

在車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈中，服務用戶的不僅是車廠和4S店，還包括互聯(lián)網(wǎng)應用提供商、軟硬件提供商、汽車遠程服務提供商以及電信運營商，如圖7所示。其中直接服務于用戶的有4S店、汽車后裝設備提供商以及電信運營商，其他行業(yè)則是間接服務于用戶。產(chǎn)業(yè)鏈呈現(xiàn)出各行業(yè)交錯模式，資金的流動也呈現(xiàn)多向化、快速化的特點。

對電信運營商而言，車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)格局處于變革期，運營商的角色也在發(fā)生變化。傳統(tǒng)運營商在車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)中主要負責提供通信管道、維護網(wǎng)絡穩(wěn)定與安全，以流量運營為主要營收點。隨著車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)格局的變化，運營商也在探索新的服務角色，開始向掌控車聯(lián)網(wǎng)平臺，開展車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務運營轉(zhuǎn)型，創(chuàng)造新的營收機會。目前的轉(zhuǎn)型探索主要有以下三種方式：

（1）搭建專有車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務運營平臺。例如：NTT DoCoMo與中國移動合作，基于GSMA標準化方案，推動由不同開發(fā)商聯(lián)合開發(fā)eSIM平臺；DT依托成熟的車聯(lián)網(wǎng)云平臺技術，提供豐富的車載信息服務。

（2）基于網(wǎng)絡經(jīng)驗為汽車廠商提供車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡解決方案。例如：Verizon利用4G網(wǎng)絡和云計算平臺，向汽車廠商等提供全套網(wǎng)絡連接解決方案。

（3）基于流量優(yōu)勢進行車聯(lián)網(wǎng)相關的軟硬件捆綁銷售。例如：AT&T;重點定位車聯(lián)網(wǎng)下行流量經(jīng)營及車聯(lián)網(wǎng)軟硬件銷售。

6 結(jié)束語

5G發(fā)展目標是實現(xiàn)網(wǎng)絡連續(xù)廣域覆蓋、熱點高容量、低功耗大連接和低延遲高可靠性。與此同時，AR/VR、物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、智慧醫(yī)療、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等各種新興產(chǎn)業(yè)接踵而至，并逐漸改變?nèi)藗兊纳盍晳T和方式。“萬物互聯(lián)”是5G的重要特征，車聯(lián)網(wǎng)作為其中的典型應用，受到廣泛的關注，遇到了前所未有的發(fā)展機遇和挑戰(zhàn)。

車聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展為運營商帶來新的商業(yè)契機和價值體系。一方面，運營商作為傳統(tǒng)的通信管道提供商，需要通過網(wǎng)絡演進及升級以支持低時延、高可靠性的業(yè)務；另一方面，運營商也正在積極探索在新形成的產(chǎn)業(yè)鏈中的角色轉(zhuǎn)變，即從非透明的管道服務向透明的內(nèi)容服務的轉(zhuǎn)變。因此，運營商在關注車聯(lián)網(wǎng)通信技術的同時，將持續(xù)發(fā)力平臺建設和網(wǎng)絡能力開放，開展垂直行業(yè)業(yè)務制定及第三方應用，嘗試開辟新業(yè)務，開拓更多的盈利渠道，實現(xiàn)利潤的持續(xù)增長。

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