C-V2X的意義、關(guān)鍵技術(shù)及通信技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析

□ 文 靳欣欣

作者單位：中國(guó)信息通信研究院產(chǎn)業(yè)與規(guī)劃研究所

1.引言

車聯(lián)網(wǎng)依托信息通信技術(shù)，通過(guò)車內(nèi)、車與車、車與人、車與服務(wù)平臺(tái)的全方位連接和數(shù)據(jù)交互，提供綜合信息服務(wù)，形成汽車、電子、信息通信、道路交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)深度融合的新型產(chǎn)業(yè)生態(tài)。車路協(xié)同主要聚焦三大問(wèn)題：一是提升駕駛安全，實(shí)現(xiàn)車與車、車與人的實(shí)時(shí)信息交互，降低因人為因素或者可預(yù)測(cè)因素等發(fā)生的危險(xiǎn)，提升駕駛安全；二是加速自動(dòng)駕駛，基于車路協(xié)同，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障、自動(dòng)規(guī)劃、自動(dòng)導(dǎo)航等，在低等級(jí)人工智能下提前實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛商用，降低單車智能成本，使能自動(dòng)駕駛；三是提升交通效率，實(shí)現(xiàn)車路數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互，實(shí)現(xiàn)智能交通調(diào)度，從而減少擁堵、提升通行效率。因此V2X能夠?qū)崿F(xiàn)車輛與周圍的車、人、交通基礎(chǔ)設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)等全方位連接和通信，在提升交通效率、提高駕駛安全、降低事故發(fā)生率、節(jié)能減排等方面表現(xiàn)出突出優(yōu)勢(shì)。

從車聯(lián)網(wǎng)本身所聚焦的需求痛點(diǎn)來(lái)看，其對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的可靠性、傳輸速率等方面提出了更高要求，5G具備大帶寬、低延時(shí)、高傳輸速率、高可靠性等特點(diǎn)，因此車聯(lián)網(wǎng)是5G技術(shù)最重要的應(yīng)用領(lǐng)域。隨著R16標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)，我國(guó)已具備大力發(fā)展C-V2X技術(shù)的基礎(chǔ)條件，隨著5G推廣、技術(shù)進(jìn)一步成熟及政策催化，車聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)近兩年有望呈現(xiàn)加速發(fā)展態(tài)勢(shì)。本文就C-V2X技術(shù)出現(xiàn)的必然性、意義以及5G在其中的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了探討，并對(duì)其中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，結(jié)合車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的整體技術(shù)需求，分析了車聯(lián)網(wǎng)中通信技術(shù)的演進(jìn)趨勢(shì)。

車聯(lián)網(wǎng)依托信息通信技術(shù)，通過(guò)車內(nèi)、車與車、車與人、車與服務(wù)平臺(tái)的全方位連接和數(shù)據(jù)交互，提供綜合信息服務(wù)，形成汽車、電子、信息通信、道路交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)深度融合的新型產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

2.基于5G技術(shù)的C-V2X的優(yōu)勢(shì)和意義

2.1 中國(guó)正在進(jìn)入基于C-V2X的3級(jí)自動(dòng)駕駛階段

車聯(lián)網(wǎng)在政策、標(biāo)準(zhǔn)、頻譜、芯片等方面已基本準(zhǔn)備就緒，如圖1所示，隨著5G網(wǎng)絡(luò)來(lái)臨迎來(lái)新一輪發(fā)展機(jī)遇，商業(yè)模式逐步清晰。

根據(jù)發(fā)改委、網(wǎng)信辦、科技部、工信部等11個(gè)部、委、辦聯(lián)合發(fā)布的《智能汽車創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略》，到2025年，我國(guó)將正式向基于5G技術(shù)的全面自動(dòng)駕駛時(shí)代加速推進(jìn)，車用無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)（LTEV2X等）實(shí)現(xiàn)區(qū)域覆蓋，新一代車用無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)（5G-V2X）在部分城市、高速公路逐步開(kāi)展應(yīng)用，高精度時(shí)空基準(zhǔn)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全覆蓋。中國(guó)智能網(wǎng)聯(lián)車技術(shù)路線圖如圖2所示。

圖1 V2X相關(guān)政策、產(chǎn)品準(zhǔn)備就緒

圖2 中國(guó)智能網(wǎng)聯(lián)車技術(shù)路線圖

2.2 5G在車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用具備顯著優(yōu)勢(shì)

網(wǎng)聯(lián)化是智能車聯(lián)網(wǎng)的必然發(fā)展，車聯(lián)網(wǎng)的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛?！霸啤堋恕笔擒嚶?lián)網(wǎng)整體系統(tǒng)架構(gòu)，如圖3所示，“管”是網(wǎng)絡(luò)層，即車聯(lián)網(wǎng)的通信技術(shù)，是車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)過(guò)程中技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的必爭(zhēng)之地。

目前國(guó)際上主流的通信技術(shù)路線有兩種：專用短程通信（dedicated short range communication，DSRC）和基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的車對(duì)外（cellular-V2X，C-V2X）通信。DSRC技術(shù)能支持V2V和V2I場(chǎng)景，最早被美國(guó)、日本等國(guó)家廣泛認(rèn)同，發(fā)展時(shí)間較長(zhǎng)，形成了完善的標(biāo)準(zhǔn)體系和產(chǎn)業(yè)布局。隨著車聯(lián)網(wǎng)進(jìn)程的不斷加深，由于缺少充裕的頻譜資源和足夠的路邊基礎(chǔ)設(shè)施，DSRC暴露出擴(kuò)展性能有限、傳輸范圍小、用戶服務(wù)質(zhì)量無(wú)法保

圖3 車聯(lián)網(wǎng)整體架構(gòu)

（1）在場(chǎng)景應(yīng)用中的網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)勢(shì)顯著。基于3GPP TS22.886文件，5G-V2X車聯(lián)網(wǎng)將支持共計(jì)4個(gè)主要領(lǐng)域（編隊(duì)駕駛、先進(jìn)行駛、遠(yuǎn)程駕駛、傳感器共享），同時(shí)細(xì)分為22個(gè)場(chǎng)景，還將為L(zhǎng)1～L5級(jí)別的自動(dòng)駕駛提供全方位信息。如圖5所示，5G-V2X在時(shí)延、傳輸率具備較為顯著的優(yōu)勢(shì)，在車聯(lián)網(wǎng)一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)景時(shí)延在5～10ms，能提供穩(wěn)定的10～100MHz帶寬，可靠性要大于99.999%。5G技術(shù)相對(duì)于DSRC，有更大的傳輸距離，最遠(yuǎn)可達(dá)1000m，是DSRC支持范圍的3倍；可支持的最高移動(dòng)速度為500km/h，遠(yuǎn)高于DSRC的200km/h；同時(shí)，與5G技術(shù)相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的突破性發(fā)展都會(huì)使得車聯(lián)網(wǎng)的高密度集群通信、高速通信以及低時(shí)延等要求得到更好的保障。證、未來(lái)技術(shù)演進(jìn)路線不明確等問(wèn)題，因此基于蜂窩移動(dòng)通信的C-V2X解決方案應(yīng)運(yùn)而生。C-V2X應(yīng)用示意如圖4所示。

5G能夠協(xié)助解決車輛感知、遠(yuǎn)程控制、協(xié)同駕駛等問(wèn)題，是實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵通信技術(shù)。

圖6 R16支持V2X基于5G技術(shù)演進(jìn)

圖7 5G-V2X技術(shù)演進(jìn)：R16支持L4，R17+支持L5

（2）基于R16的C-V2X具備面向5G的清晰演進(jìn)路徑。目前5G網(wǎng)絡(luò)已正式商用，我國(guó)進(jìn)入3級(jí)自動(dòng)駕駛，5G與LTE并存，從LTE-V2X到5G V2X的平滑演進(jìn)，即C-V2X。2018年3GPP提出的R16 C-V2X擁有向基于5G新空口的C-V2X的清晰演進(jìn)路徑，如圖6所示，不僅支持現(xiàn)有的LTE-V2X應(yīng)用，還支持未來(lái)5G V2X的全新應(yīng)用。5G能夠協(xié)助解決車輛感知、遠(yuǎn)程控制、協(xié)同駕駛等問(wèn)題，是實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵通信技術(shù)?；?G新空口的C-V2X可提供高吞吐量、寬帶載波支持、超低時(shí)延和高可靠，從而支持面向自動(dòng)駕駛的先進(jìn)用例，如傳感器分享、3D高清地圖更新等。如圖7所示。

2.3 基于5G的C-V2X應(yīng)用意義

（1）加速無(wú)人駕駛。車聯(lián)網(wǎng)能夠使道路狀況變成數(shù)字化信息輸入給決策系統(tǒng)，決策變簡(jiǎn)單，在低等級(jí)人工智能能力下實(shí)現(xiàn)高級(jí)別自動(dòng)駕駛5G技術(shù)具有的超可靠、低時(shí)延的特點(diǎn)，基于5G網(wǎng)絡(luò)的C-V2X能夠自動(dòng)跟車進(jìn)行互動(dòng)，具有交互式的感知，從而給無(wú)人駕駛中自動(dòng)超車，協(xié)作式避免碰撞，行駛中車輛編隊(duì)等場(chǎng)景給予高可靠性和低延時(shí)性的保證。

（2）優(yōu)化交通管理。5G網(wǎng)絡(luò)的高傳輸速率可以實(shí)時(shí)報(bào)告道路交通路況，實(shí)現(xiàn)路段上的收費(fèi)站、監(jiān)控設(shè)備、電子公告欄等系統(tǒng)的智能運(yùn)作。實(shí)時(shí)收集車輛、路況和天氣等信息，在車輛間進(jìn)行信息交互，智能選擇最優(yōu)路段進(jìn)行行駛，使車輛做出正確、迅速的反應(yīng)，大大減少交通擁堵情況的發(fā)生。

（3）豐富車載系統(tǒng)。車載系統(tǒng)是車聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要節(jié)點(diǎn)，是用戶獲取信息并實(shí)現(xiàn)交互的一種方式。在5G網(wǎng)絡(luò)的支持下，用戶可以在車上享受更多的車載終端服務(wù)，而開(kāi)發(fā)商也能根據(jù)用戶需求開(kāi)發(fā)更多的應(yīng)用，豐富車上生活。5G的高帶寬、低時(shí)延可以滿足車內(nèi)乘客對(duì)AR/VR、游戲、電影、移動(dòng)辦公等車載信息娛樂(lè)的需求，還能提供高精度地圖，使車載導(dǎo)航的精確度得到極大地提高。

（4）助力應(yīng)急救援。車上安裝操作系統(tǒng)和定位系統(tǒng)，如果遇到緊急突發(fā)的事件，可以及時(shí)通過(guò)車聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行消息互傳。應(yīng)用5G技術(shù)與云終端將消息發(fā)送到救援中心，救援中心可以迅速根據(jù)消息進(jìn)行定位，分析周邊路況，及時(shí)通知附近的車輛避免進(jìn)入事故區(qū)，同時(shí)傳遞相關(guān)信息給

基于5G的C-V2X應(yīng)用意義

（1）加速無(wú)人駕駛

（2）優(yōu)化交通管理

（3）豐富車載系統(tǒng)

（4）助力應(yīng)急救援

（5）保障通信穩(wěn)定救援人員，使救援更加精準(zhǔn)、快速，大大減少事故造成的損失。

（5）保障通信穩(wěn)定。如果因地震、洪澇、臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害被破壞，目前的通信基礎(chǔ)設(shè)施無(wú)法為車載單元提供通信服務(wù)。但5G車載單元可以在基礎(chǔ)設(shè)施遭到破壞的情況下，通過(guò)單跳或多跳的D2D（設(shè)備到設(shè)備通信）方式與其他5G車載單元實(shí)現(xiàn)通訊，也可以作為通信中繼，與附近的5G車載終端交互信息。從而給行駛在路上的駕駛?cè)撕统丝突蛘郎?zhǔn)備駕乘車輛離開(kāi)的人們傳遞信息，提高人們安全撤離的可能性，大大降低自然災(zāi)害造成的損失。

3.C-V2X關(guān)鍵技術(shù)

3.1 接入層Uu接口和PC5接口關(guān)鍵技術(shù)

C-V2 X有V2 X-Di re c t 和V2 XCelluar兩種通信方式。V2X-Direct通過(guò)PC5接口（直連通信接口）實(shí)現(xiàn)，采用車聯(lián)網(wǎng)專用頻段，具有低時(shí)延、高可靠、短距離的特點(diǎn)，用于V2V、V2I、V2P等短距離交互場(chǎng)景。V2X-Celluar通過(guò)Uu接口（蜂窩通信接口）實(shí)現(xiàn)，采用蜂窩網(wǎng)頻段，相對(duì)來(lái)說(shuō)具有大帶寬、長(zhǎng)距離等特點(diǎn)，用于大數(shù)據(jù)量、長(zhǎng)距離傳輸、時(shí)延不敏感的應(yīng)用場(chǎng)景。

（1）PC5接口關(guān)鍵技術(shù)：C-V2X在PC5接口的機(jī)制設(shè)計(jì)用于滿足不同終端設(shè)備的短距離信息交互，為滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)V2X信息交互的技術(shù)要求，C-V2X對(duì)物理層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了加強(qiáng)；為保證通信性能，C-V2X支持全球衛(wèi)星系統(tǒng)導(dǎo)航同步；為了進(jìn)行更高效的資源分配，PC5接口支持調(diào)度式的資源分配方式(Mode-3)和終端自主式的資源分配方式(Mode-4)。其中Mode-3需要通過(guò)基站，采用動(dòng)態(tài)的方式進(jìn)行資源調(diào)度，而Mode-4則不需要通過(guò)基站，通過(guò)終端間的分布式算法來(lái)實(shí)現(xiàn)資源分配。

（2）Uu接口關(guān)鍵技術(shù)：Uu接口需要通過(guò)基站和核心網(wǎng)進(jìn)行中轉(zhuǎn)，隨著中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)的增加，覆蓋范圍增加的同時(shí)傳輸時(shí)延也增加了，這有可能導(dǎo)致傳輸時(shí)延不滿足C-V2X業(yè)務(wù)的要求[6-7]。針對(duì)這一問(wèn)題，可在增強(qiáng)上下行傳輸?shù)耐瑫r(shí)，采用多接入邊緣計(jì)算技術(shù)(MEC)，將數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理環(huán)節(jié)從云端管理平臺(tái)轉(zhuǎn)移到路側(cè)單元(RSU)中完成，來(lái)實(shí)現(xiàn)低時(shí)延和高可靠性的應(yīng)用場(chǎng)景。

3.2 C-V2X信息安全風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)

V2X信息安全面臨假冒終端風(fēng)險(xiǎn)、信息篡改風(fēng)險(xiǎn)和隱私泄露風(fēng)險(xiǎn)，有授權(quán)認(rèn)證、鑒權(quán)保護(hù)、標(biāo)識(shí)保護(hù)、標(biāo)識(shí)匿名化等需求，因此目前業(yè)內(nèi)共識(shí)采用基于非對(duì)稱加密體制PKI(Public Key Infrastructure)安全機(jī)制[8-10]。整個(gè)安全加密環(huán)節(jié)涉及制造工廠、注冊(cè)機(jī)構(gòu)、授權(quán)機(jī)構(gòu)、服務(wù)商、路側(cè)設(shè)備以及車載設(shè)備。其中制造工廠負(fù)責(zé)車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的生產(chǎn)，注冊(cè)機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)車載設(shè)備和路側(cè)設(shè)備的認(rèn)證，授權(quán)機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)車載設(shè)備和路側(cè)設(shè)備的授權(quán)，只有經(jīng)過(guò)認(rèn)證和授權(quán)的設(shè)備才能在系統(tǒng)中使用和收發(fā)授權(quán)許可信息。如圖8所示。

圖8 V2X信息安全架構(gòu)示意圖

（1）信息篡改風(fēng)險(xiǎn)：對(duì)發(fā)送信息通過(guò)HASH算法生成信息的摘要，用發(fā)送方私鑰對(duì)摘要加密，形成數(shù)字簽名，接收方使用發(fā)送方公鑰對(duì)數(shù)字簽名進(jìn)行解密，得到信息的摘要，同時(shí)接收方再對(duì)信息本身使用HASH算法，將得到的摘要與解密得到的摘要進(jìn)行對(duì)比，如果兩者一致，說(shuō)明發(fā)送信息是完整的且沒(méi)有被篡改過(guò)。

（2）假冒終端風(fēng)險(xiǎn)：引入CA認(rèn)證機(jī)制，發(fā)送方公鑰發(fā)送到CA，CA用私鑰對(duì)發(fā)送方的公鑰和一些相關(guān)信息加密，生成數(shù)字證書(shū)，信息在發(fā)送時(shí)，除了要攜帶數(shù)字簽名和數(shù)字證書(shū)，接收方使用CA公鑰對(duì)數(shù)字證書(shū)解密得到發(fā)送方公鑰，就能證明數(shù)字簽名是否屬于發(fā)送方。接下來(lái)，使用發(fā)送方公鑰對(duì)數(shù)字簽名進(jìn)行解密，得到信息的摘要，同時(shí)接收方再對(duì)信息本身使用HASH算法，將得到的摘要與解密得到的摘要進(jìn)行對(duì)比，如果兩者一致，說(shuō)明發(fā)送信息是完整的且沒(méi)有被篡改過(guò)。如圖9所示。

圖9 PKI工作體系示意圖

（3）隱私泄露風(fēng)險(xiǎn)：安全基礎(chǔ)設(shè)施是V2X通信安全的重要組成部分，它的部署模式與車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)及其管理模式密切相關(guān)，分為集中式和分布式兩種。為了實(shí)現(xiàn)車輛信息安全并保護(hù)用戶隱私，采用由注冊(cè)CA、V2V假名CA、V2I授權(quán)CA和證書(shū)撤銷CA等構(gòu)成的PKI體系，其中注冊(cè)CA僅存在于集中式部署模式中。無(wú)論是集中式部署模式還是分布式部署模式，都包括V2X假名CA。假名CA負(fù)責(zé)向車載終端頒發(fā)假名證書(shū)，為保護(hù)用戶隱私，假名CA使用密碼技術(shù)對(duì)車載終端的身份信息進(jìn)行加密。為避免泄露車輛行駛路徑，假名CA向車載終端頒發(fā)多個(gè)假名證書(shū)，車載終端依據(jù)假名證書(shū)使用策略，定期更換用于消息簽名的證書(shū)，以解決隱私泄露風(fēng)險(xiǎn)。

4.通信技術(shù)將向5G與其它技術(shù)協(xié)同方向演進(jìn)

V2X若要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛、道路安全等，必須將大帶寬、低延時(shí)、高速率通信網(wǎng)絡(luò)作為保障，同時(shí)5G技術(shù)將與AI、定位技術(shù)等協(xié)同發(fā)展，相互促進(jìn)，共同推進(jìn)車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)升級(jí)、應(yīng)用升級(jí)。

（1）單車智能缺陷顯著，5G可加速無(wú)人駕駛演進(jìn)速度。特斯拉車禍?zhǔn)鹿时┞读水?dāng)前人工智能和傳感器的缺陷。當(dāng)前單車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)感知依賴各類傳感器，有自己無(wú)法克服的缺陷，一是信息孤島，無(wú)法與其它車、終端等交互；二是成本高，激光雷達(dá)為代表的傳感器方案占單車成本的30%以上；三是遇到惡劣天氣，探測(cè)距離縮減，安全隱患大。

（2）更高級(jí)的自動(dòng)駕駛需新一代信息技術(shù)協(xié)同AI算法共同演進(jìn)。人工智能算法升級(jí)必須依賴于大規(guī)模數(shù)據(jù)訓(xùn)練，海量訓(xùn)練也是自動(dòng)駕駛邁向L4/L5的關(guān)鍵，一輛自動(dòng)駕駛汽車每天約產(chǎn)生4TB數(shù)據(jù)，需上傳到云端進(jìn)行處理，需大帶寬網(wǎng)絡(luò)支持。

（3）自動(dòng)駕駛場(chǎng)景應(yīng)用需低延時(shí)高可靠網(wǎng)絡(luò)作為保障。3GPP SA1 (TS22.186)定義的自動(dòng)駕駛需求，車輛編隊(duì)、遠(yuǎn)程駕駛等場(chǎng)景，需要低延時(shí)、高可靠的網(wǎng)絡(luò)作為保障。如圖10所示。

用例 E2E時(shí)延（ms） 可靠性 速率（Mbit／s）車輛編隊(duì) 10-25 99.99% 65擴(kuò)展服務(wù)器 3-100 99.999% 53先進(jìn)駕駛 3-100 99.999% 1000遠(yuǎn)程駕駛 5 99.999% UL：25 DL：1

圖10 3GPP SA1 (TS22.186)定義的自動(dòng)駕駛需求

（4）高精度定位對(duì)不同場(chǎng)景下的通信技術(shù)提出融合應(yīng)用要求。RTK無(wú)法滿足所有場(chǎng)景，需引入結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋，結(jié)合LTE、GNSS等技術(shù)滿足不同場(chǎng)景下的車聯(lián)網(wǎng)通信需求。如圖11所示。

圖11 高精度定位技術(shù)需求示意圖

（5）邊緣計(jì)算也是C-V2X通信技術(shù)發(fā)展的重要方向。車聯(lián)網(wǎng)具有多終端接入、大數(shù)據(jù)傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，接入及數(shù)據(jù)傳輸、處理、存儲(chǔ)需求，極大增加了網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬提出了更高的需求，以及上文所述Uu接口需要通過(guò)基站和核心網(wǎng)進(jìn)行中轉(zhuǎn)，著中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)的增加，覆蓋范圍增加的同時(shí)傳輸時(shí)延也增加了，這有可能導(dǎo)致傳輸時(shí)延不滿足C-V2X業(yè)務(wù)的要求。因此基于邊緣計(jì)算，為C-V2X提供高可靠、低延時(shí)的通信也是車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要方向?！?/p>