基于直连通信与移动网络协作的车联网信息服务技术

李俨，封翔

（1.高通无线通信技术（中国）有限公司，北京 100013；2.是徳科技（中国）有限公司，北京 100102）

0 引言

自2014 年基于蜂窝通信技术的车联网的概念提出以来，中国一直在全球范围内领跑C-V2X（蜂窝车联网）的技术研发、标准制定、技术试验和产业推进。特别是2018 年10 月，工业和信息化部发布了《车联网（智能网联汽车）直连通信使用5905—5925MHz 频段管理规定（暂行）》[1]，在全球范围内率先为C-V2X 分配了专用频率，极大地调动了交通行业和汽车产业在C-V2X 技术上的投入，加速了C-V2X 的商用部署。2020 年12 月，红旗E-HS9成为全球首款支持C-V2X 的量产车型[2]，在多个C-V2X通信场景下实现了辅助预警。迄今为止，已有10 余家品牌车厂推出了装载C-V2X 功能的量产车型。2019 年起，众多城市开始部署基于C-V2X 的路侧设备（RSU,Road Side Unit），目前国内建设的智能网联测试区、示范区、先导区已经超过50 个，累计有3 500 多公里的智能化道路实现了升级，部署了4 000 多台的路侧通信单元[3,12]。根据中国智能网联汽车创新联盟给出的时间表，在2022年之后C-V2X 将进入发展期。根据《C-V2X 产业化路径和时间表研究白皮书》，2025 年国内C-V2X 车载终端的前装渗透率将达到50%；路侧设施规划至2025 年实现在典型城市和高速公路覆盖范围的扩大[4]。

C-V2X分为直连通信（PC5）和网络通信（Uu）两种模式。汽车主机厂商希望使用直连通信模式提供基础安全类应用来提升道路交通安全和通行效率[5]，而移动网络运营商和一些城市交通管理部门则希望通过网络通信模式让车联网应用得到快速普及。自2017 年起两种模式在中国都得到了应用和发展，直连通信模式由于无需移动网络的参与，汽车厂商和道路建设和运营者完全可控，故而得到了快速的部署和发展；而网络通信模式逐渐展现出的一些弊端，制约了主机厂商在量产车型上部署网络通信模式的车联网应用。

1 直连通信与网络通信是车联网的两种模式

车联网通常指的是C-V2X，即蜂窝车联网。C-V2X是目前唯一一项遵循全球3GPP 标准的V2X 技术，早在2016 年9 月，3GPP 就已经制定了C-V2X 的先期版本，不过其重点只是车与车（V2V）的通信。直到2017 年6月，3GPP 在R14 完成了C-V2X 标准化规范，涉及车与车（V2V）、车与人（V2P）、车与基础设施（V2I）、车与网络（V2N）的通信[15-17]。

蜂窝网络通信模式下的车车通信如图1 所示。车辆将自己的速度位置和行驶状态通过Uu 接口上报给网络，网络将所接收到的车辆的信息汇总之后再通过Uu 接口发给目标车辆，进而通过V2I2V 的方式实现车和车之间的通信。通过网络的辅助，目标车辆可以获取周边道路参与者的详细信息。网络还可以整合道路设施的信息，比如路口信号灯的相位信息和配时信息，并通过Uu 接口一并发给目标车辆。Uu 模式由于需要网络侧的中转，所以车到车的时延相对较高，不适宜做碰撞预警等安全类应用，但Uu 模式可以依赖4G 和5G 网络的大容量和高带宽，传送比如道路地图等较大数据量的信息。同时Uu 模式不受距离的限制，因此可以向目标车辆发送诸如“2 公里外有交通事故”一类的信息，帮助车辆提早进行路线规划。

图1 蜂窝网络通信模式

直连通信模式如图2 所示，所有车辆、道路基础设施和其他道路参与者都在一个公共频段上将各自的位置、速度、方向、行驶意图或者交通信号等信息广播出来，通过接收周围PC5 设备发送的信息，车辆可以获取周边道路参与者的空间信息和行驶状态以及道路设施的信息，进而对可能发现的道路危险进行判断，并提醒驾驶者及时采取措施以避免事故的发生。由于不需要经过蜂窝网络中转，直连通信能够让车辆更快感知周边环境并做出响应，有助于驾驶安全，因此得到众多汽车厂商的认可，并基于PC5 模式开发基础安全类的应用[13,18-20]。现在世界上绝大多数国家都计划在5.9 GHz 频段上部署车联网直连通信[14]。我国规定车载单元（OBU,On Board Unit）和路侧设备（RSU,Road Side Unit）共同使用5 905—5 925 MHz 频段上的20 MHz 带宽进行直连通信[1]。

图2 直连通信模式

中国汽车工程学会于2017 年9 月发布了CSAE-53《合作式智能运输系统 车用通信系统 应用层及应用数据交互标准(第一阶段)》[6]，详细定义了17 种车联网应用，其中16 项是基于PC5 的V2V 和V2I 应用。现在国内部署的车辆和路侧设备都是参照CSAE-53 的2020 年修订版或者其等同标准YD/T 3709-2020[7]。

2 区域性服务制约网络通信模式的应用

网络通信模式由于网络中转时延较高而不适合于承载基础安全类的应用，但是可以用于对实时性要求不高的I2V 应用，比如道路危险状况提示、限速预警、闯红灯预警、绿波车速引导、车内标牌和前方拥堵提醒等。网络通信模式不需要额外部署路边基础设施和支持PC5的OBU，因此可以得到快速推广。

身为其中的“先头兵”，无锡早在2018 年便开始正式启动无锡车联网（C-V2X）城市级示范应用项目（一期）和国家智能交通综合测试基地建设；2019 年，无锡获工信部支持建设全国首个国家级车联网先导区；2021 年，无锡又成为国家智慧城市基础设施建设与智能网联汽车协同发展首批试点城市（以下简称“双智试点”）。据了解，无锡现已完成450 平方公里、856 个点段智能化改造，部署路侧通信单元、毫米波雷达、边缘计算设备等智能路网设施达1 200 余套。目前，无锡298 个路口均已实现在百度地图上信号灯在线导航，将向支持Uu 模式的车型提供信号灯倒计时、行人预警等道路信息服务[7,9]。

网络通信模式的车联网应用需要车辆连接到网络服务器上获取整合后的道路和交通信息。由于信息安全问题及信息的时延问题，现在不存在全国性的交通信息服务器获取入口，各地管理机构独自维护各自的本地信息，彼此之间没有共享。由于云端服务器入口在各地都不相同，汽车厂商在设计车联网应用时，很难准确获取和维护各地的信息服务器地址并将服务器地址及时更新到车辆中，故而制约了网络模式的应用的推广。

尽管大部分汽车厂商在设计车联网应用的时候会首先考虑直连通信，在一些已经能够将信号灯信息联网但尚未完成利用PC5 对路口信号机智能化改造的城市和路口，车辆仍然希望利用网络模式获取路口的信号灯相位信息和配时信息进而实现I2V 应用，但前提是必须要让车辆提前获取信息服务器的地址。为此设计了直连通信与网络通信融合的双模协作模式。

3 直连通信与网络通信融合的双模协作模式

既然使用网络通信模式获取信息服务的难点是如何获取当地的信息服务器入口地址，那么可以利用直连模式区域化广播的优势，在当地城市的主要入口和流量大的地区，利用RSU 广播当地信息服务器的入口地址。因为PC5 功能在车辆行驶时是一直开启的，所以当车辆进入PC5 RSU 的覆盖范围时，车辆即会自动获得本地业务指示、业务的服务器URL 以及业务的位置信息推送。车辆获取到PC5 RSU广播的信息后，可将信息临时存储起来，当车辆行驶到业务区域后或有相关业务需求时，可使用Uu 接口访问本地服务器，获取本地车联网信息服务。图3 是直连通信与网络通信融合的双模协作模式的工作示意图。

图3 直连通信与网络通信融合的双模协作模式

4 直连通信与网络通信融合的双模协作模式下的典型应用

当车辆具备通过PC5 接口获取当地信息服务器入口的能力之后，可以利用RSU 广播其它消息来支持更加丰富的融合类应用。下面介绍一些直连通信与网络通信融合的双模协作模式下的典型应用[10]。

4.1 信号灯信息获取

在现有的单独使用PC5 或Uu 的方案中，信号灯信息可用PC5 或Uu 方式之一获取。在采用融合方案后，车辆可以结合两种获取方式，即在PC5 覆盖范围内，优先使用PC5 方式获取信号灯信息，同时PC5 RSU 推送本地Uu 方式信息服务器的云端接入地址，车端OBU 收到后，将Uu 的接入方式储存起来。当车辆驶离PC5 覆盖区域后，车辆使用储存的Uu 接入方式持续获取信号灯信息，实现信号灯信息的全域可用。

4.2 地图下载

地图信息（包括与地图相关的动态信息，如交通参与者、交通拥堵状况等）一般储存在本地服务器中，具有区域属性。地图下载应用通过在PC5 消息中广播地图服务器的入口信息，辅助车辆在需要时能够通过Uu 方式连接本地服务器下载本地地图。

4.3 区域性信息服务

区域性信息仅在本地特定范围内有效，内容包括加油站、旅游景点、本地交通事件、临时交通管制信息等本地特有的区域性交通及服务信息，可由PC5 RSU 广播此类本地服务的服务器的入口信息，使车辆可获得区域相关的服务。

4.4 数据业务引导

餐饮、商场、互联网等增值业务提供商通过PC5 RSU广播其商业推广信息（如促销活动、优惠券等），类似于播发广告，播发的内容也同时包含其业务的获取方式，如活动介绍、所在位置区域、接入的URL 等。车辆接收到此类消息后，可先将此类信息储存起来，当行驶至服务可达的区域后，可向车主进行提示，并可依据之前储存的信息访问本地服务器，进行消费活动。通过PC5 RSU 的数据业务引导服务，增加了增值业务提供商的业务流量入口。

4.5 路况环境感知

路况环境感知（扩增传感）是当车辆行驶在道路上时，能够通过V2X 获取周围碰撞预警/ 相关应用业务的移动特征信息（比如车辆位置、速度、加速度、方向，或其它智能装置的移动特征等）或是与通行相关的路段信息（比如路面状态、路口有无信号灯、紧急施工、突发事故、拥塞情况等）并显示给用户。当车辆使用PC5 与邻近车辆进行车车直连时，无需借由RSU 通讯；当车辆间无法建立PC5 直连通讯时，可由RSU 协助；进一步当车辆无PC5 时，可由Uu 获取应用业务，实现路况环境感知。

该应用扩展了车辆对邻近路况/ 前方路况信息的感知范围，可应用于车辆碰撞预警与控制、行驶路线规划等目的，提高行车安全可靠性与通行效率，图4 为路况环境感知场景示意图。

图4 路况环境感知场景示意图

4.6 无线连接发现

无线连接发现指的是车辆通过PC5 RSU 广播信息获取本地附近（商场、停车场或服务区等）可以提供特定服务的无线连接网络信息（连接方式、覆盖范围和服务列表等）。车辆获取到无线连接发现信息后，根据需要获取的服务类型，在有效的服务区域内连接到相应的无线设备（基站、WLAN、蓝牙、ZigBee、UWB 和RFID 等），进而可以获取由本地网络提供的服务，如室内定位、进出场路径引导和空闲车位信息等。该应用使得网联车辆可以自动地连接到第三方提供的本地服务的无线网络中，并获取相应的服务，使RSU 运营者可以获取服务收益分成。

5 标准化与实施

为充分发挥各地交通信息平台的作用，尤其是让支持网联功能的汽车在尚未完成路口PC5 信息化改造的地区也能够及时获取信号灯相位和配时等交通信息，高通无线通信技术（中国）有限公司和北京星云互联科技有限公司于2021 年9 月在TIAA（中关村车载信息服务产业应用联盟）发起立项，制定TIAA 团体标准《基于直连通信与移动蜂窝双模协作的车联网信息服务技术要求》。众多TIAA 成员单位尤其是诸多汽车厂商也参与了该标准的制定，并于2022 年9 月通过评审。该标准提出了基于直连通信与移动蜂窝双模协作的车联网信息服务总体架构，规定了其典型应用及流程、PC5 应用层消息定义、RAM消息（Roadside Advertisement Message，路侧通知消息）发送要求。该标准的发布，将推动直连通信与移动蜂窝双模协作的车联网信息服务功能的开发、验证及应用。

高通公司于2019 年2 月发布了骁龙汽车4G/5G 平台[11]，现在这两个平台正被全球汽车厂广泛用于量产车型中。这两个平台均支持C-V2X PC5 接口和4G/5G Uu 接口，汽车厂商和供应商可以在该平台上开发符合TIAA 团体标准的PC5 和Uu 融合解决方案，并提供更加丰富的车联网应用。

6 结束语

直连通信与网络通信是车联网的两种模式。C-V2X直连通信正在被众多汽车厂商装载到量产车型中，支持基础安全类应用。网络通信模式由于区域性服务的特点，限制了其在量产车型中的应用。PC5 与Uu 融合解决方案首次将两种车联网通信形式相结合，有效地利用了两种技术的优势，解决了PC5 覆盖范围有限，而Uu 服务无法获取本地接入方式的问题。

现TIAA 已经完成了直连通信与网络通信融合相关标准的开发，正待发布。相信TIAA 团体标准《基于直连通信与移动蜂窝双模协作的车联网信息服务技术要求》的发布将为C-V2X 带来更广阔的发展前景，会有更多基于融合协同方案的应用被开发出来，并应用于量产车型中，为驾乘人员提供更大的便利和安全保障。