蜂窝车联网(C-V2X)技术发展、应用及展望

  【摘 要】车联网作为产业变革创新的重要催化剂,正推动着交通管理模式、汽车产业形态、人们出行方式和能源消费结构的深刻变化。首先分析了智慧交通和智能驾驶等对车联网通信在通信速率、时延和可靠性等方面的需求与挑战,进而介绍了蜂窝车联网(cellular vehicle-to-everything,C-V2X)中LTE-V2X和NR-V2X的关键技术及其国际标准演进,并指出C-V2X在全球竞争中已形成超越态势。在此基础上,分析了应用C-V2X的车车协同和车路协同在智慧交通和智能驾驶中的应用优势。最后介绍了C-V2X在我国的示范应用情况和发展展望,指出中国发展智慧交通和智能网联汽车之路:将积极推进“5G+C-V2X”新型基础设施建设,探索基于车联网的“聪明的车、智慧的路、协同的云”发展模式,进而支撑我国达成“碳达峰”与“碳中和”战略目标。

  车联网应用从道路安全类、交通效率类、信息服务类等基本应用向智慧交通、自动驾驶等增强应用演进,具有多样化的通信性能需求。在基本应用中,道路安全类对通信性能要求最高,以高频度、低时延、高可靠为主要需求;信息服务类(如下载地图、视频)具有带宽需求,但时延要求不高。车联网增强应用需要支持车辆编队行驶、半/全自动驾驶、远程驾驶、传感器扩展等场景,因此提出了更严苛的通信需求,如极低的通信时延、极高的可靠性、更大的传输速率、更远的通信范围,以及支持更高的移动速度等。

  为了支持多样化的车联网应用,车联网通信技术面临诸多挑战。车辆的高速运动,导致车辆作为通信节点构成的网络拓扑具有高速动态性与时空复杂性、引入更大的多普勒频偏、无线传播环境复杂快时变;高密度、多点对多点的车车通信受资源碰撞、远近效应等的影响,干扰环境更加复杂。

  DSRC的IEEE 802.11p标准是在IEEE 802.11标准基础上增强设计的车联网无线X直通通信,已进行十多年的研究;但相关研究与测试表明,其在车辆密集时通信时延大、可靠性低。蜂窝移动通信(如4G LTE和5G)技术具有覆盖广、容量大、可靠性高、移动性好的优点,具有产业规模优势,能满足车联网的远程信息服务(telematics)和娱乐信息服务需求。但其针对以人为主的通信场景、技术特点、通信性能等,如点对点通信、较低通信频度、通信对象已知,仍然与车联网的多点对多点通信、通信频度高、通信对象随机突发等特点具有明显差异;由于端到端通信时延大,无法满足车车、车路间的低时延通信要求。可见,无论是单一的蜂窝通信,还是基于IEEE 802.11p的通信制式,各具优、缺点,但均无法满足车联网通信需求。

  蜂窝车联网(C-V2X)技术在此背景下应运而生。本文第一作者及其大唐团队在国内外最早提出融合蜂窝通信与直通通信的车联网技术概念,即基于LTE的车联网技术(LTE-V2X),奠定了C-V2X系统架构和技术路线X以蜂窝通信技术为基础,通过技术创新具备V2X直通通信能力,既能解决车联网应用的低时延、高可靠通信难题,又能够利用已有的移动网络部署支持信息服务类业务,并利用移动通信的产业规模经济降低成本。

  产业界、学术界针对两个标准在技术、测试、评估、应用方面开展了大量的工作。目前C-V2X相比IEEE 802.11p,在国际技术与产业竞争中已形成明显的超越态势。我国已开展了C-V2X应用需求研究、技术研究、设备研发、测试验证、产业推动、应用推广等相关工作。我国工业和信息化部(以下简称“工信部”)于2018年11月率先在全球正式发布5 905~5 925 MHz的车联网直连通信频率规划。美国近年也在加利福尼亚州圣迭戈、密西根州底特律、科罗拉多州、犹他州、旧金山、亚特兰大、匹兹堡等地开展了一系列C-V2X的测试与试点工作。2020年11月,美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission,FCC)决定取消已分配给DSRC的5.9 GHz频段的所有75 MHz带宽,将其中5 895~5 925 MHz共30 MHz带宽分配给C-V2X,表明美国政府正式放弃DSRC,转向C-V2X技术路线X)技术与标准演进

  为了支持多样化的车联网应用,针对上述挑战,国际/国内的标准化组织、产业界、学术界开展了C-V2X关键技术和标准研究。另外,C-V2X技术与智慧交通、智能驾驶等领域融合发展、协同演进,跨领域的C-V2X融合应用标准也在不断完善。

  C-V2X是融合蜂窝通信与直通通信的车联网通信技术。C-V2X提供两种互补的通信模式:一种是直通模式,终端间通过直通链路(PC5接口)进行数据传输,不经过基站,实现V2V、V2I、V2P等直通通信,支持蜂窝覆盖内和蜂窝覆盖外两种场景;另一种是蜂窝模式,沿用传统蜂窝通信模式,使用终端和基站之间的Uu接口实现V2N通信,并可实现基于基站的数据转发实现V2V、V2I、V2P通信。随着蜂窝移动通信系统从4G到5G的演进,C-V2X又包括LTE-V2X和NR-V2X。

  在无线传输方面,帧结构是无线通信制式的基础框架。C-V2X借鉴蜂窝通信的帧结构,并结合车联网的应用特点(如车辆高速运动引发的多普勒频偏问题等)和5.9 GHz高载频下的直通通信特性进行了改进。LTE-V2X采用导频加密方法等以应对车辆相对高速运动及车辆自组织网络拓扑快速变化的挑战;并在NR-V2X中支持两列到四列的自适应导频参考信号模式,可应用于不同行驶速度场景和不同的参数集配置。LTE-V2X支持广播通信方式以满足道路安全类应用的信息广播需求;NR-V2X还扩展支持直通链路的单播和多播通信方式,用于支持辅助交互的业务需求。LTE-V2X支持混合自动重传(hybrid automatic repeat request,HARQ)的盲重传,NR-V2X引入自适应重传机制,实现比广播机制更高的可靠性。在调制方面,NR-V2X引入了高阶调制(最高可以是256QAM)和空间复用的多天线层空间复用),以支持更高的传输速率。

  在接入控制和资源调度方面,C-V2X支持两种资源调度方式:基站调度方式和终端自主资源选择方式。LTE-V2X最早提出这两种模式,NR-V2X沿用并进行了适应性改进。在基站调度方式(即LTE-V2X的模式3和NR-V2X的模式1)中,基站调度V2X终端在直通链路的传输资源,能够有效避免资源冲突、解决隐藏节点问题。在终端自主资源选择方式(即LTE-V2X的模式4和NR-V2X的模式2)中,C-V2X采用分布式资源调度机制。对于周期性特征明显的道路安全等V2X业务,采用感知信道与半持续调度(semi-persistent scheduling,SPS)结合的资源分配机制。充分利用V2X业务的周期性特点,发送节点预约周期性的传输资源来承载待发送的周期性V2X业务,有助于接收节点进行资源状态感知和冲突避免,提高了资源利用率,提升了传输可靠性。对于非周期性业务,采用感知与单次传输结合的资源分配机制,但由于无法预测和预约未来的资源占用,资源碰撞概率较大。

  在同步机制方面,为了减少系统干扰,实现全网统一定时,C-V2X支持基站、全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)、终端作为同步源的多源异构同步机制。由基站配置同步源和同步方式,覆盖外采用预配置方式确定同步源,以便实现全网统一的同步定时。

  国际标准方面,C-V2X技术标准的演进可以分为两个阶段:LTE-V2X和NR-V2X,如图1所示。

  LTE-V2X由3GPP Rel-14和Rel-15技术规范定义。其中,Rel-14在蜂窝通信中引入了支持V2X短距离直通通信的PC5接口,支持面向基本道路安全业务的通信需求,主要实现辅助驾驶功能,已于2017年3月完成。3GPP Rel-15技术规范定义对LTE-V2X直通链路进行了增强,包括多载波操作、高阶调制(64QAM)、发送分集和时延缩减等新技术特性,于2018年6月完成。

  NR-V2X研究基于5G新空口(new radio,NR)的PC5接口和Uu接口增强,主要用于支持车辆编队行驶、远程驾驶、传感器扩展等高级V2X业务需求。3GPP于2019年3月完成了Rel-16 NR-V2X的研究课题,于2020年6月完成了Rel-16 NR-V2X标准化项目。后续仍将在Rel-17研究弱势道路参与者的应用场景,研究直通链路中终端节电机制、节省功耗的资源选择机制,并开展终端之间资源协调机制的研究以提高直通链路的可靠性和降低传输的时延。

  在C-V2X融合应用标准方面,在国家制造强国建设领导小组车联网产业发展专委会指导下,工信部、公安部、交通运输部、国家标准化管理委员会联合组织制定并发布《国家车联网产业标准体系建设指南》(以下简称“建设指南”)及各分册,促进C-V2X技术标准在汽车、交通、公安等跨行业领域的应用推广。相应地,汽车、通信、智能运输系统、道路交通管理等相关各领域的标准化技术委员会正在加快开展重要标准制订工作。

  C-V2X是智慧交通和智能驾驶的关键使能技术。目前,无论是汽车领域的自动驾驶分级,还是交通领域的道路网联化、智能化,都迫切需要C-V2X为其提供基础性的通信和连接支撑能力,以实现各个分级中所需要的信息实时共享与交互、协同感知和协同控制。例如,自动驾驶分级中,根据驾驶操作的控制主体、环境感知主体、应用场景等,分无自动化、辅助驾驶、部分自动驾驶、有条件自动驾驶、高度自动驾驶、完全自动驾驶。在自动驾驶的逐级演进和不同的道路网联化、智能化水平中,C-V2X所发挥的作用,从车车、车路、车云间的信息实时共享与交互,发展至实现异构多域、多源数据的协同感知,进而实现网联的协同智能控制。

  C-V2X作为智慧交通和智能驾驶的重要使能技术,与移动边缘计算(mobile edge computing,MEC)等其他5G关键技术一起,与依赖车载感知与计算设备的单车智能技术相比,能够以更低的成本为智慧交通和智能驾驶提供更广泛、更精确的信息感知,以及更强大的网联智能。

  仅依赖单车多传感器的感知技术,存在感知范围受限、成本昂贵、在恶劣天气和亮度突变等场景下感知鲁棒性差、时空同步困难等缺陷。C-V2X提供低时延、高可靠的V2X通信能力保障,使得汽车可以在绝大多数条件下,有效、准确地获取红绿灯状态与时长、道路标志标识、路段交通突发事件等实时信息,以及在出入隧道等极端情况下的交通实时信息,以帮助识别和警告人类驾驶员或机器控制可能忽视的其他危险。

  此外,将单车感知通过C-V2X扩展为多车协作感知,即车车协同,进一步将车车协同扩展为异构多域的车路协同感知,并结合移动边缘计算技术实现更大数据量融合/处理后的、更大范围的信息传播,从而满足非视距盲区感知(如十字交叉路口、出入匝道口等)、有遮挡情况下(如前方货车、车辆编队等)的感知需求。基于C-V2X的车车与车路协同感知和单车感知在不同应用场景下的比较见表1。

  在单车智能的自动驾驶技术路线中,主要依赖车载计算设备的智能处理能力,存在算力需求随着自动驾驶级别上升呈指数级增长、成本高昂等明显缺陷。基于C-V2X构建网联智能,实现由车载计算设备、路侧边缘计算设备和中心云计算设备构成的分级、网络化智能决策与控制。其中,C-V2X提供计算任务与数据、决策结果、控制指令的低时延、高可靠传输能力。

  在部分复杂交通规则的场景下(如交替通行),考虑到单车自动驾驶对于规则执行通常出于保守的原则,可能会做出低于人类驾驶员效率的决策(如在车道中持续等待)。若采用网联智能方案,一方面车辆可以更好地理解规则、做出更有效率的决策(如按照交替通行的原则合流);另一方面车辆可将决策信息通知周围车辆,更好地提醒有关车辆注意让行,特别是应用在高优先路权车辆(救护、消防、公安等紧急车辆)中。

  单车智能的车用零部件研发成本随汽车安全完整性等级(automotive safety integration level,ASIL)指数增长。目前高度自动化的自动驾驶测试车主要由高精度毫米波/激光雷达、视频传感、高精度定位系统、车载计算平台、通信及计算芯片和车机本身构成,制造、维护、测试等成本很高,存在单车智能的传感器数量多、精度要求高、计算复杂且算力要求高等问题。若路侧具备智能感知能力,通过车车及车路协同的网联智能,降低对单车智能的能力要求。在此背景下,路侧感知和V2X属于共用基础设施,单一路口和关键路段的路侧设备可以同时服务数十到上百辆车,存在明显成本分摊效应,综合有利于降低单车智能化成本。随着路侧单元(roadside unit,RSU)和路侧感知设备、MEC设备的规模化覆盖建设,安装C-V2X功能的汽车达到一定的渗透率,系统的边际成本将快速下降,经济与社会效益显著。

  值得注意的是,C-V2X技术的应用,必将经历不同的发展阶段,从重点提升道路安全和交通效率逐步向自动驾驶应用演进。

  从提升道路安全的角度,在有人驾驶下,C-V2X实现车辆与车辆或者路侧基础设施之间实时通信,实现超视距、低时延、高可靠的道路安全相关信息感知,从而实现十字交叉路口碰撞预警、紧急刹车预警等车辆行驶安全应用。以十字交叉路口为例,美国、加拿大等国的统计数据表明,高达近50%的交通事故发生在交叉路口或与路口相关,是道路安全中极具挑战性的场景。在十字交叉路口碰撞预警应用中,车辆广播基本安全消息,携带自身身份、定位、运行状态、轨迹等信息,交叉路口其他方向来车通过接收信息进行行驶决策。再如,山区高速公路弯道较多,特别是在上、下匝道区域,由于道路线型、山体遮挡的影响,车辆无法及时获取前方道路信息,一旦有停车、行人、遗撒等异常情况发生,容易发生交通事故。路侧感知设备可以对弯道区域的交通参与者和路面情况进行探测与分析,并将异常情况通过RSU进行广播,对车辆进行盲区感知补充,有利于车辆驾驶者进行路径规划、避免交通事故。

  从提升交通效率的角度,基于C-V2X通信,经过联网化改造的交通信号灯或电子标志标识等基础设施可将交通管理与指示信息通过RSU告知车辆,实现诱导通行、车速引导等出行效率提升应用。以诱导通行为例,交通灯信号机可通过RSU将灯色状态与配时等信息实时传递给周围的行驶车辆,为车辆驾驶决策是否通过路口以及对应的通行速度提供相应依据,并且可以在一定程度上避免闯红灯事故的发生。另外,车辆可以与交通基础设施互动,交通信号灯动态支持高优先路权车辆(救护、消防、公安等紧急车辆及满载的公交车辆等)的优先通行。

  自动驾驶发展需要智能化与网联化协同发展,单独使用单车智能难以支撑自动驾驶,特别是应对极端情况(corner case)和成本难题。基于C-V2X提供的通信和连接能力实现网联化,并协同单车的智能控制管理,支撑自动驾驶中所需要的信息实时共享与交互、协同感知和协同控制。前述用于辅助驾驶阶段的车车和车路协同基本功能在自动驾驶中仍然是必要的。对于自动驾驶阶段,基于C-V2X的车车和车路协同可产生的直接影响包括且不限于以下情景。

  紧急车辆避让:通过V2V通信,对于识别到的救护、消防、公安等紧急车辆(高优先路权车辆)实现紧急避让,虽然通过单车智能也可以做到,但是有若干缺陷,首先,只能是相邻车辆;其次,无法保证识别的准确率,识别算法的优劣不同,可能导致识别速度缓慢,消息失去时效性。V2V通信收发的消息本身包含车辆身份信息,可以对车辆的身份进行识别,实现具有优先级管理的应用服务,甚至可以实时让出一个紧急车道。

  编队行驶:区别于协同式自适应巡航控制(cooperative adaptive cruise control,CACC),利用C-V2X通信的低时延、高可靠通信能力,编队车辆通过直通通信实现实时交互。编队成员车辆可以在最短时间内接收到头车/前车的驾驶策略与驾驶状态信息,进行同步加速、刹车等操作,从而保持预期的编队构型和编队的稳定性,可减少编队中成员车辆的空气阻力,有效降低车辆燃油消耗。

  封闭区域(港口、机场、矿区、工业园区、厂区等)和指定道路中低速无人驾驶需要LTE-V2X PC5接口和5G蜂窝(Uu)的支持,并与区域部署的MEC相结合。目前产业界已开展一系列商用实践,如神华宝日希勒露天煤矿的网联自动驾驶矿卡、苏州相城区高铁新城的自动驾驶清扫车、天津港的自动驾驶港口集卡、上汽通用五菱工厂的自动驾驶工厂物流等。另外,深圳在“独立立法权”的支持下,即将允许无人环卫车规模化运营;还有指定道路的高级别自动驾驶,如百度在长沙和北京亦庄等开展的Robotaxi,目前车上配有安全员。

  目前,单车智能化的成本较高。通过网联智能化的推进,可以有效降低单车智能成本。此外,随着越来越多的智能网联汽车、智能化道路基础设施间实现互联,将衍生出更多的应用服务类应用,例如实时的交通诱导、实时的道路事故/工程提醒、实时的路段天气播报(如高速公路团雾等)、出行即服务(mobility as a service,MaaS)等,有助于推行商业模式创新和可持续的行业生态体系,以及通过车联网支撑汽车行业和交通行业的转型升级,提供低碳汽车产品及降低交通事故和提升交通效率等应用,从而支撑我国“碳达峰”与“碳中和”战略目标的有效达成。

  我国政府长期坚持智能化与网联化协同发展路径,充分发挥我国信息通信产业优势,带动汽车、交通传统产业转型升级,推进智能网联汽车产业发展,并促进形成新的产业集聚,已积极影响到国际社会的技术路径选择。

  我国已将车联网提升到国家战略高度,国务院及相关部委对车联网产业升级和业务创新进行了顶层设计、战略布局和发展规划,并形成系统的组织保障和工作体系,中国与车联网相关的重要政策见表2。

  进入2021年以来,我国在车联网产业顶层规划、部际协调以及跨行业试点示范方面取得良好进展。2021年3月11日,十三届全国人大四次会议表决通过了关于国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要的决议。规划中明确指出,要统筹推进传统基础设施和新型基础设施建设,积极稳妥发展车联网。2021年4月,国家制造强国建设领导小组车联网产业发展专委会第四次全体会议在京召开,强调要加快车联网部署应用。2021年9月8日,工信部启动了车联网身份认证和安全信任试点项目,包括新能源和智能网联汽车车联网身份认证、安全信任体系建设等61个试点项目,有逾300家单位参与到试点项目建设中,涵盖了汽车、通信、密码、互联网等跨领域企业以及地方车联网建设运营主体等。2021年11月,工信部发布了《“十四五”信息通信行业发展规划》,在规划中有24处提到车联网,并明确推动C-V2X与5G网络、智慧交通、智慧城市等统筹建设,加快在主要城市道路的规模化部署,探索在部分高速公路路段试点应用;协同汽车、交通等行业,加速车联网终端用户渗透。

  IMT-2020(5G)推进组C-V2X工作组等行业组织,近几年持续组织C-V2X互联互通应用实践活动,加快验证中国C-V2X全协议栈标准的有效性,促进C-V2X产业各环节协同研发和测试,为推动国内C-V2X大规模应用部署和产业生态体系构建奠定基础。2018年起连续举办的“三跨”“四跨”等C-V2X互联互通应用实践活动见表3。

  工信部、公安部、交通运输部等协同推动跨部门合作与部省合作,支持车联网示范区、先导区建设,在城市、高速等不同场景规模化部署车联网基础设施,推广车联网应用落地。目前工信部已批复支持江苏(无锡)、天津(西青)、湖南(长沙)、重庆(两江新区)创建国家级车联网先导区,结合创建城市自身的特点,将在高速公路、城市道路等不同道路环境规模部署C-V2X网络,并结合5G和智慧城市建设,完成重点区域交通设施车联网功能改造和核心系统能力提升,丰富车联网应用场景,带动全路网规模部署,建立健康可持续的建设和运营模式,构建开放融合、创新发展的产业生态。国内其他城市,如广东广州、广西柳州、四川成都、安徽合肥、浙江德清等地,也在积极地筹备建设过程当中。截至2021年7月,全国共开放3 500多千米测试道路,道路测试总里程超过700万千米。

  国内的企业也积极探索C-V2X的技术落地与模式创新,开展了一系列商用实践活动。从出行服务到货物运输、干线物流、无人配送、矿山重载等,应用规模逐渐扩大。例如,中国信息通信科技集团有限公司的大唐高鸿公司与中国交通建设股份有限公司联合在G5021石渝高速进行了全路网的车路协同示范改造,成为全球首条已建成并实际运营的C-V2X复杂高速公路。基于C-V2X的车路协同实现了多维的交通运行数字感知应用、行车主动安全应用、路运一体化协同应用、车路协同高精度定位应用和应急指挥调度应用,为提升道路行车安全、通行效率提供了有力支撑。再如,中国信息通信科技集团有限公司的大唐移动和厦门市交通运输局、厦门市公交公司联合建设了厦门快速公交系统(bus rapid transit,BRT)智能网联车路协同系统。厦门BRT是国内第一条面向商用的车路协同智慧公交,利用C-V2X与5G技术,提供了超视距防碰撞、精准停靠、最优车速行驶、路口盲区检测等多项特色应用,能够有效降低油耗15%左右,提高车辆行驶安全及交通效率。

  在国家政策指导下,各地结合自身发展需求和产业条件出台了积极推进车联网发展的政策。例如,江苏省编制形成江苏省车联网产业发展重点任务分解表(2020—2021年),明确了推动车联网产业发展的行动指南;天津市发布车联网(智能网联汽车)产业发展行动计划,提出加快LTE网络升级改造和5G规模化部署,提升LTE-V2X网络覆盖水平,建设基于LTE-V2X无线通信关键技术的车联网服务平台。北京市发布《北京市智能网联汽车创新发展行动方案(2019年—2022年)》,提出部署智能路网试点改造工程,规划建设卫星地面增强站、LTE-V2X、NR-V2X路侧单元。另外,长沙市发布智能汽车产业“火炬计划”和“头羊计划”、广州市发布广州市加快推进数字新基建发展三年行动计划、四川省发布《关于推进智能网联汽车产业发展的通知》,河北、上海、湖北武汉、浙江德清、广东深圳等其他省市地区也发布了与车联网相关的推进政策。

  在路侧,截至2021年10月底,江苏(无锡)、天津(西青)、湖南(长沙)、重庆(两江新区)4个车联网国家级先导区在700余千米的高速和城市道路上,再加上其他城市,共计部署了4 000余台RSU,在全国其他城市也有不同程度的部署。同时,中国信息通信研究院正在积极建设车联网基础设施状态统计平台,汇聚国内各车联网示范区、先导区及高速公路沿线中已经建设运营的车联网C-V2X基础设施的统计数据,周期性汇总形成报表,支撑国家级车联网先导区创建相关工作的开展。

  本文以分析车联网的通信需求与挑战为基础,介绍了C-V2X系统架构与核心关键技术,以及国际、国内技术标准演进。针对基于C-V2X的车车协同和车路协同在智慧交通和智能驾驶领域的应用,分析其在信息感知、网联智能和成本方面的优势,以及从重点提升道路安全和交通效率逐步向自动驾驶应用演进的发展趋势。最后,介绍了国家及地方政策、先导应用与示范验证,并展望中国发展智慧交通和智能驾驶之路:将积极推进“5G+车联网”新型基础设施建设,探索基于车联网的“聪明的车”“智慧的路”“协同的云”的车路云协同发展模式。