林曉伯，馮 毅，邱佳慧，蔡 超，張 瀾，豐愛松，鄭 圣，金 天，夏小涵（.中國聯(lián)通智網(wǎng)創(chuàng)新中心，北京 0008；.中訊郵電咨詢設(shè)計院有限公司，北京 0008；.中質(zhì)智通檢測技術(shù)有限公司，江蘇南京 07；.中國聯(lián)通江蘇分公司，江蘇南京 0008）

1 概述

智慧交通出行是我國經(jīng)濟的重要組成部分。隨著社會的發(fā)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(tǒng)成為國家發(fā)展的重要目標之一。其中以網(wǎng)絡(luò)連接、實時通信為基礎(chǔ)的車路協(xié)同是智慧交通必然選擇的技術(shù)途徑［1］。

在“新基建”“新一代智慧交通”的大背景下，我國基于5G 的車路協(xié)同智慧交通發(fā)展迅速。2020年2月，11 部委聯(lián)合發(fā)布《智能汽車創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略》正式稿；2020 年4 月，工業(yè)和信息化部、公安部、國家標準化管理委員會三部門聯(lián)合印發(fā)了《國家車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)標準體系建設(shè)指南（車輛智能管理）》的通知；2021 年國務院發(fā)布了《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》，加強交通基礎(chǔ)設(shè)施統(tǒng)籌布局、推動車聯(lián)網(wǎng)部署和應用；2021 年“十四五”規(guī)劃中明確指出“積極穩(wěn)妥發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和車聯(lián)網(wǎng)”。多部委多次聯(lián)合發(fā)布相關(guān)政策法規(guī)，傳達出國家推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)融合創(chuàng)新發(fā)展的決心，表現(xiàn)出各部委間合力促進車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的堅定決心［2］。

在國家政策的大力引導下，車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展逐步走上正軌，車聯(lián)網(wǎng)標準體系基本建成。通信企業(yè)、主機廠、互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)共推智慧交通產(chǎn)品，并已開發(fā)了包括安全相關(guān)、效率相關(guān)及信息服務相關(guān)的多種應用，產(chǎn)業(yè)鏈中的芯片、終端、平臺、應用等細分產(chǎn)業(yè)均快速發(fā)展［3］。同時，全國各地均在開展車聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務示范和應用。

但是目前車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展仍然面臨一些問題，首先車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)跨多行業(yè)、跨多部委，產(chǎn)業(yè)鏈條長，決策鏈復雜［4］，因此存在產(chǎn)業(yè)協(xié)同難的問題。在管理上，目前車聯(lián)網(wǎng)建設(shè)呈點狀分布，運營主體不統(tǒng)一，容易形成煙囪式建設(shè)和信息孤島，后續(xù)難以實現(xiàn)跨域協(xié)同以及數(shù)據(jù)的集約化管理，影響規(guī)模化的發(fā)展。在成本上，車聯(lián)網(wǎng)的路側(cè)單元（RSU）如果在市區(qū)內(nèi)連續(xù)覆蓋，數(shù)量龐大，成本較高［5］。

本文針對車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)中的痛點和難點問題，提出利用5G SA網(wǎng)絡(luò)結(jié)合移動邊緣計算（MEC）承載車聯(lián)網(wǎng)C-V2X 業(yè)務，將5G 的廣覆蓋、低延時、高算力特性賦能車聯(lián)網(wǎng)行業(yè)，借助5G 云網(wǎng)資源，使車聯(lián)網(wǎng)在短期內(nèi)具備規(guī)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(yè)務的“一點復制、全國推廣”的建設(shè)模式。本文基于上述車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務承載方案進行實地部署和網(wǎng)絡(luò)性能測試、C-V2X 網(wǎng)絡(luò)覆蓋測試以及業(yè)務支撐測試，全面驗證了該方案的可行性以及可靠性，對于車聯(lián)網(wǎng)部署和推廣具有積極意義，并且為通信運營商切入車聯(lián)網(wǎng)行業(yè)提供了經(jīng)驗。

2 技術(shù)背景

2.1 LTE-V2X通信架構(gòu)

LTE-V2X 是由我國主導的通信技術(shù)，于2015 年在3GPP開始標準化工作［6］，支持PC5和Uu 2種通信模式。網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)如圖1所示，其中，OBU與RSU之間通過PC5 接口通信，稱為V2I（Vehicle to Infrastructure）通信；OBU 之間通過PC5 接口通信，稱為V2V（Vehicle to Vehicle）通信；OBU 與LTE 基站間通過Uu 口通信，稱為V2N（Vehicle to Network）通信［7］。架構(gòu)中的關(guān)鍵網(wǎng)元包括：

圖1 LTE-V2X通信架構(gòu)

a）路側(cè)單元（RSU）：即V2X 路側(cè)終端，支持PC5和Uu 2 種通信模式，其中PC5 用于廣播V2I 并接收V2V 消息。同時作為其他路側(cè)設(shè)備（例如攝像頭、雷達等）的數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，RSU 將其他路側(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)通過Uu或者有線方式發(fā)送至云端V2X應用服務器。

b）車載單元（OBU）：即V2X 車載終端，支持PC5和Uu 2 種通信模式，其中PC5 用于廣播V2V 并接收V2I消息，Uu可將車端數(shù)據(jù)發(fā)送至云端V2X服務器。

c）LTE-V 基站（LTE-V eNodeB）：支持Mode3 模式下PC5空口資源配置，Uu口用于V2N 消息的發(fā)送及接收。

d）移動邊緣計算節(jié)點（MEC）：為PC5 及Uu 提供邊緣算力，主要用于本地化時延敏感V2X業(yè)務處理。

e）V2X 應用服務器（V2X Application Server），主要用于處理應用層的消息，包括數(shù)據(jù)融合計算，輸出決策信息并播發(fā)給路側(cè)設(shè)備。

f）V2X 控制單元（V2X Control Function），主要用于業(yè)務邏輯控制單元，提供PC5口鑒權(quán)，設(shè)備運維管理等。

2.2 LTE-V2X應用類型

在LTE-V2X 車聯(lián)網(wǎng)中，應用類型主要分為安全、效率、信息服務3類［8］。目前在標準中分2個階段定義具體的車聯(lián)網(wǎng)應用場景，其中第1階段是初級階段，主要面向車聯(lián)網(wǎng)設(shè)備間的信息互通，如表1 所示。例如安全類中的緊急制動預警，該場景的通信方式為V2V，即前車在進行緊急制動的同時，聯(lián)動車內(nèi)的OBU向周圍的車輛播發(fā)其緊急制動預警消息，該消息傳播距離可以達到數(shù)百米，使得視距外的OBU 終端也能收到消息，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 可以與紅綠燈通信，從而獲取紅綠燈的狀態(tài)信息，并將該狀態(tài)信息播發(fā)給周圍的OBU 終端，如果駕駛員疏于觀察，可提醒駕駛員前方路口是禁行狀態(tài)。

表1 車聯(lián)網(wǎng)第1階段基礎(chǔ)應用場景及通信方式

隨著路邊設(shè)備類型的不斷豐富，將部署激光雷達、毫米波雷達、攝像頭等，可以實現(xiàn)更復雜的車聯(lián)網(wǎng)應用，因此標準組織基于第1階段應用場景擴展出第2階段應用場景。在第2 階段應用場景中，借助路邊的多元感知設(shè)備，可用于多車協(xié)同的交通通行場景，應用場景包括協(xié)作式變道、協(xié)作式匝道匯入、車輛編隊行駛、特殊車優(yōu)先行駛、車輛路徑引導等［9］。

2.3 LTE-V2X與LTE技術(shù)對比

LTE-V2X 直連通信技術(shù)沿用LTE 的基礎(chǔ)思想，但是在協(xié)議棧、資源選擇和調(diào)度方式、重傳機制以及實際部署方式上均有較大差別［10］。例如LTE-V2X 與LTE 的資源調(diào)度方式不同。目前LTE-V2X 行業(yè)內(nèi)主流使用的是Mode4，即自主資源選擇模式。該模式采用的是基于感知的半持續(xù)資源選擇（Semi-Persistent Scheduling，SPS）的方式，該模式下LTE-V2X 終端不需要通過蜂窩網(wǎng)基站調(diào)度，而是自身根據(jù)接收到的信息對已占用的資源進行避讓，使用未占用的資源塊進行數(shù)據(jù)發(fā)送并預約周期性的發(fā)送資源［11］。此外LTEV2X 與LTE 的HARQ 重傳機制不同。LTE 的重傳流程是在終端接收到數(shù)據(jù)幀后，對數(shù)據(jù)幀進行FEC 校驗并反饋ACK 或NACK，發(fā)送端會根據(jù)終端的反饋進行重傳［12］。而LTE-V2X 僅支持配置最多1 次HARQ 盲重傳，即LTE-V2X 接收端不會對接收到的消息進行反饋，而LTE-V2X 發(fā)送端默認對每個數(shù)據(jù)包進行最多2次發(fā)送［13］。LTE-V2X 與LTE 的部分技術(shù)及部署差異如表2所示。

表2 LTE-V2X與LTE部分技術(shù)及部署差異

2.4 MEC在LTE-V2X中的應用

車聯(lián)網(wǎng)是移動邊緣計算（MEC）的重要應用場景。車聯(lián)網(wǎng)中包含多種業(yè)務類型，不同業(yè)務對網(wǎng)絡(luò)要求差異較大。例如，高精度地圖與娛樂類業(yè)務需要較大帶寬，而安全類業(yè)務則需要低時延網(wǎng)絡(luò)。MEC 可以靈活部署在車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的各個層級，在靠近用戶的位置部署MEC 平臺實現(xiàn)部分網(wǎng)絡(luò)服務、計算、存儲、決策能力下沉，從而滿足車聯(lián)網(wǎng)的超短時延要求并同時減輕核心網(wǎng)流量壓力［15］。

在5G SA 核心網(wǎng)架構(gòu)中，通過控制面和用戶面分離，將UPF 下沉到邊緣，實現(xiàn)在5G 核心網(wǎng)架構(gòu)中的邊緣計算，并且能夠利用切片技術(shù)實現(xiàn)不同業(yè)務的個性化服務管道，從而支撐不同的車聯(lián)網(wǎng)應用，如圖2 所示。

圖2 5G核心網(wǎng)服務化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

此外，MEC 支持多層級靈活部署，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(lián)網(wǎng)應用。中國聯(lián)通目前已經(jīng)在全國各個城市廣泛部署可用于服務車聯(lián)網(wǎng)的布局型MEC，為車聯(lián)網(wǎng)開展商業(yè)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(wǎng)智能網(wǎng)聯(lián)開放道路測試”車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案為例，介紹5G+MEC+C-V2X 的車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)部署方案，并對網(wǎng)絡(luò)部部署性能及業(yè)務演示性能進行了測試驗證。

3 車聯(lián)網(wǎng)5G+MEC承載方案

3.1 車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)承載部署

該網(wǎng)絡(luò)方案跨兩地部署，其中5G核心網(wǎng)部署于南京，而5G 基站和承載V2X 業(yè)務的MEC 位于常州，核心網(wǎng)和基站通過IP 承載網(wǎng)連接，如圖3 所示。在該架構(gòu)下，控制信令和用戶數(shù)據(jù)分離，業(yè)務數(shù)據(jù)通過UPF 分流至本地的V2X 應用服務器，從而保證低時延，且業(yè)務流量不經(jīng)過核心網(wǎng)，減輕了核心網(wǎng)業(yè)務處理壓力。

圖3 5G SA+MEC網(wǎng)絡(luò)部署架構(gòu)

在測試場側(cè)，共部署8 個5G 基站及15 個RSU 設(shè)備，RSU 北向通過5G 訪問V2X 應用邊緣服務器，南向通過以太網(wǎng)連接其他路側(cè)設(shè)備。其中RSU 實際部署點位如圖4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本次6個關(guān)鍵場景，其中RSU3、5、7、9、12、14 配合完成場景演示，其余RSU 均提供云端信息下發(fā)和基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)下發(fā)的功能。

圖4 RSU部署位置及車聯(lián)網(wǎng)應用觸發(fā)位置

應用序號與具體應用的對應關(guān)系如表3所示。

表3 應用序號與具體應用對應關(guān)系

該網(wǎng)絡(luò)方案包含5G 承載網(wǎng)絡(luò)部署、LTE-V2X 覆蓋網(wǎng)絡(luò)部署及業(yè)務應用部署的端到端C-V2X 車聯(lián)網(wǎng)整體實驗環(huán)境，模擬未來實際商用環(huán)境，測試結(jié)果具有應用實踐價值。該網(wǎng)絡(luò)方案相比于4G 承載方式更具優(yōu)勢，4G 采用傳統(tǒng)集中式部署的云控中心，業(yè)務部署位置距離用戶較遠，無法對時延、帶寬、可靠性等提供保障，此外在可擴展性及經(jīng)濟性方面也無法適應業(yè)務規(guī)?；茝V的需求。

3.2 路側(cè)設(shè)備部署

在路側(cè)設(shè)備部署過程中，抱桿上一般會同時部署多個設(shè)備，包括RSU、攝像頭、毫米波雷達、激光雷達等［16］。在實際部署中，上述設(shè)備均直接與抱桿箱中的交換機連接，如圖5所示，并進行設(shè)備物理接口的地址配置，使其組成本地局域網(wǎng)絡(luò)。而RSU 作為其他設(shè)備的網(wǎng)關(guān)設(shè)備，南向收集同一抱桿上的其他設(shè)備的數(shù)據(jù)，北向通過5G訪問MEC服務器。

圖5 設(shè)備實際部署方式

4 測試驗證

4.1 網(wǎng)絡(luò)能力測試

網(wǎng)絡(luò)測試主要是測試5G∕V2X 雙模RSU 與邊緣云服務器之間的通信時延，采用ping 測試方式。實測結(jié)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設(shè)備至邊緣云服務器之間通信時延

車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務對于時延敏感度較高，根據(jù)3GPP TR 22.885定義的車聯(lián)網(wǎng)應用場景，在輔助駕駛類業(yè)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）、信息服務等，對于時延的要求均在20～100 ms，因此5G+MEC的承載網(wǎng)絡(luò)目前可以滿足車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務對時延的要求。

4.2 LTE-V2X覆蓋測試

車聯(lián)網(wǎng)通信場景較多，包括高速、城區(qū)、隧道、高架橋、環(huán)島、停車場等，不同場景由于遮擋、RSU 部署位置等環(huán)境因素導致通信性能差異較大。RSU 在實際部署后，應進行實地測試，從而驗證車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的有效覆蓋范圍，將其作為工程驗收的標準和依據(jù)。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，能夠為以后類似場景的RSU 設(shè)備大規(guī)模部署提供工程經(jīng)驗。

本次測試場路測結(jié)果如圖6 所示，大部分區(qū)域都有LTE-V2X 信號覆蓋，RSRP 值主要集中在-120～-105 dBm。個別地區(qū)由于環(huán)境遮擋、RSU 部署位置等因素導致出現(xiàn)覆蓋盲區(qū)。而部分地區(qū)雖然相對距離較遠，但是由于傳播條件較好，信號強度較高。

圖6 測試場整體LTE-V2X網(wǎng)絡(luò)RSRP熱力圖

由于該測試場整體環(huán)境開闊，可以作為典型的高速車聯(lián)網(wǎng)通信場景，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于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

該路段周圍無建筑物，環(huán)境開闊，符合高速場景的測試條件。RSU部署在道路龍門架上

測試使用的測試設(shè)備是支持直連通信的終端設(shè)備，并支持輸出一系列網(wǎng)絡(luò)指標如RSRP、RSSI、SNR及收包率。被測RSU 部署高度約10 m，發(fā)送功率為23 dBm，天線增益為6 dBi。配置被測RSU 發(fā)送V2X消息，每個包大小約為150 B，包與包之間的發(fā)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 發(fā)送5 000 個數(shù)據(jù)包，并通過測試設(shè)備統(tǒng)計收包率，測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 高速直道帶打點測試結(jié)果

在前0～800 m 的過程中，平均收包率為95.65%，且比較穩(wěn)定，可以視為良好覆蓋路段。通過路口以后，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 后，收包率就降為0。后半段收包率的折線圖如圖9所示。

圖9 高速直道后半段打點測試結(jié)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(jīng)過導致傳播環(huán)境發(fā)生劇烈變化有關(guān)。圖9中紅色虛線展示的是丟包率與距離的變化趨勢。

根據(jù)高速場景的測試結(jié)果，主要結(jié)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(xiàn)抖動，可能與周圍環(huán)境變化有關(guān)。

c）在覆蓋極限區(qū)域會出現(xiàn)明顯的丟包拐點，即丟包率與距離的變化并不是線性的。

根據(jù)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(zhì)量及經(jīng)濟實用性，兩RSU 之間距離應在1.5 km左右。

b）RSU的部署高度應在10 m以上，從而減少大車對于RSU信號的遮擋。

4.3 V2X應用測試

本文驗證了承載于5G 網(wǎng)絡(luò)的LTE-V2X 應用運行情況。基于現(xiàn)場5G 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、MEC 應用部署以及車聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備，在常州測試場落地并驗證了包括車速建議、闖紅燈預警、后方快速車輛預警、超速提醒、十字路口碰撞預警、緊急車輛提醒、彎道提醒、路面濕滑預警、道路施工預警等車聯(lián)網(wǎng)應用。

以車速建議為例，在設(shè)備部署上，將信號燈或信號燈的相位機與RSU 相連，使得RSU 獲得信號燈的相位信息。相位信息即包含當前信號燈狀態(tài)及所剩的時間。RSU 將信號燈相位信息轉(zhuǎn)換成SPAT（Signal Phase Timing Message）消息播發(fā)給周圍的車輛OBU 終端。車輛終端會根據(jù)自身行駛方向、行駛速度以及紅綠燈相位信息計算出可通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，在設(shè)備部署上，攝像頭與RSU 相連，并將視頻信息實時發(fā)送給RSU，如圖10中①所示。RSU 通過Uu口將視頻信息實時經(jīng)由5G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至V2X應用服務器，如圖10中②所示。V2X應用服務器實時對監(jiān)控視頻進行圖像分析，如果發(fā)現(xiàn)道路上出現(xiàn)類似施工特征，如三角錐、施工警示牌等，將告知RSU，如圖10中③所示。RSU通過組織BSM消息將施工情況播發(fā)到周圍車輛，如圖10 中④所示，消息覆蓋范圍可以達到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消息，從而避免事故發(fā)生。

上述案例是LTE-V2X、5G、MEC 共同協(xié)同的結(jié)果，在5G+MEC 網(wǎng)絡(luò)的支撐下，上述案例均能夠正常實現(xiàn)相應功能，在時效性上與固定網(wǎng)絡(luò)無明顯感知差異。隨著5G網(wǎng)絡(luò)向R16演進，uRLLC超低時延將可以更貼近于車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務需求，為車聯(lián)網(wǎng)提供多元化、定制化的網(wǎng)絡(luò)管道。

5 總結(jié)及建議

車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)正在蓬勃發(fā)展，政府、企業(yè)、院校都積極參與到我國車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展浪潮當中。中國聯(lián)通較早開始進行車聯(lián)網(wǎng)相關(guān)研究及產(chǎn)品化工作，并持續(xù)關(guān)注車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)，從產(chǎn)品、規(guī)劃、建設(shè)、優(yōu)化等方面切入車聯(lián)網(wǎng)行業(yè)。本文提出了5G+MEC 承載車聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)方案并實地部署，進行了網(wǎng)絡(luò)測試、LTE-V2X 覆蓋測試以及應用測試，測試結(jié)果符合預期，是運營商在車聯(lián)網(wǎng)行業(yè)一次全面的探索與實踐，為日后規(guī)劃部署提供了寶貴經(jīng)驗。