葛 元，張為峰,韓延濤，李靜林

(1.中移(上海)信息通信科技有限公司，上海 200131；2.中國移動通信集團有限公司，北京 100033；3.北京郵電大學 網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國家重點實驗室，北京 100876)

0 引言

車聯(lián)網(wǎng)通過先進的無線通信和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，支持車與車(Vehicle-to-Vehicle，V2V)、車與人(Vehicle-to-People，V2P)、車與基礎(chǔ)設(shè)施(Vehicle-to-Infrastructure，V2I)和車與云端網(wǎng)絡(luò)(Vehicle-to-Network，V2N)通信，實現(xiàn)全時空交通信息的實時和動態(tài)交互，滿足車輛主動安全控制和道路協(xié)同管理要求，以達到人、車、路的有效協(xié)同。在車聯(lián)網(wǎng)的支持下，車載與路側(cè)和云端的智能能夠通過相互協(xié)同實現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合、狀態(tài)預(yù)測，滿足車輛的環(huán)境感知增強和擴展要求，實現(xiàn)安全駕駛。車載與路側(cè)和云端的智能能夠通過相互協(xié)同實現(xiàn)聯(lián)合決策和控制，避免交通過程中存在的排隊、等待和決策邏輯死鎖等問題，提高通行效率，形成安全、高效和環(huán)保的道路交通系統(tǒng)[1]。

目前車聯(lián)網(wǎng)主要基于蜂窩技術(shù)的V2X通信技術(shù)——C-V2X(Cellular based Vehicle-to-Everything)[2]實現(xiàn)。C-V2X在通信范圍、容量、車輛移動速度和抗干擾性等各方面的性能全面優(yōu)于短距無線通信技術(shù)(Dedicated Short-Range Communications，DSRC)[3]，且與4G、5G兼容，具有明確的長期演進路線。根據(jù)3GPP標準，C-V2X技術(shù)包含2種通信接口：一種是點對點直接通信接口(PC5)，支持V2V/V2I直接通信；另一種是終端和基站之間的通信接口(Uu)，支持V2N/V2P通信。

符合4G規(guī)范的C-V2X技術(shù)被稱為LTE-V2X[4]，符合5G規(guī)范的C-V2X技術(shù)被稱為NR-V2X[5]。與LTE-V2X相比，NR-V2X的PC5口使用Sidelink技術(shù)增強了點到點直接通信能力，從LTE-V2X時代的廣播體制，進一步擴展為支持單播、多播和廣播多種模式，并為多終端的協(xié)同控制提供了基礎(chǔ)。

針對當前V2X組網(wǎng)面臨的現(xiàn)實問題和不同組網(wǎng)方式存在的局限進行深入分析，基于車路協(xié)同消息流量測算和網(wǎng)絡(luò)能力需求，論證了5G獨立組網(wǎng)難以支持純Uu通信方式的車路協(xié)同系統(tǒng)應(yīng)用需求，并提出了C-V2X混合組網(wǎng)方案。

1 C-V2X通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

目前，3GPP組織規(guī)范的以4G/5G為基礎(chǔ)的C-V2X車聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1和圖2所示[6-8]。

圖1 4G/C-V2X車聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)架構(gòu)Fig.1 4G/C-V2X networking architecture for Internet of Vehicles

圖2 5G/C-V2X車聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)架構(gòu)Fig.2 5G/C-V2X networking architecture for Internet of Vehicles

該組網(wǎng)架構(gòu)作為一種理想模型，由于設(shè)備終端廠商的終端支持能力程度和設(shè)備管理開放性滯后，及產(chǎn)業(yè)界對5G性能認識的誤區(qū)，尚未全面落地。目前實際落地的C-V2X車聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)模式主要包括3種：C-V2X專網(wǎng)組網(wǎng)、C-V2X/4G/5G疊加組網(wǎng)和4G/5G獨立組網(wǎng)。

(1) C-V2X專網(wǎng)組網(wǎng)架構(gòu)

以設(shè)備廠商和傳統(tǒng)智能交通企業(yè)集成為主的落地項目主要采用C-V2X專網(wǎng)組網(wǎng)架構(gòu)，通過獨立的支持C-V2X的路側(cè)單元(Road Side Unit，RSU)實現(xiàn)基于PC5的廣播通信。路側(cè)各類感知設(shè)施或交管設(shè)施，將感知數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)實時同步給路側(cè)計算單元，通過計算單元進行信息解析后轉(zhuǎn)為通用V2X消息，再通過RSU分發(fā)給目標用戶終端。同時，部署車載單元(Onboard Unit，OBU)實現(xiàn)車車、車路之間的PC5廣播通信，并最終實現(xiàn)車路協(xié)同，如圖3所示。

圖3 C-V2X專網(wǎng)組網(wǎng)架構(gòu)Fig.3 C-V2X private network architecture

目前國家已經(jīng)批復5.9 GHz中的20 MHz頻段作為該專網(wǎng)組網(wǎng)模式的專用頻段，提供交通信息服務(wù)。這一模式的優(yōu)勢在于RSU復雜度要求低，系統(tǒng)整合簡單，能夠快速形成服務(wù)。但缺點是需要在路側(cè)建設(shè)足夠多的RSU，以便實現(xiàn)服務(wù)的廣泛覆蓋，同時所有用戶必須具備支持PC5通信能力的終端。但由于終端的普及率較低和RSU的成本、質(zhì)量等問題，相關(guān)建設(shè)規(guī)模受到限制。

(2) C-V2X/4G/5G疊加組網(wǎng)架構(gòu)

由于C-V2X分配的20 MHz專用頻段遠遠不能滿足增強的車路協(xié)同服務(wù)需求，目前在車聯(lián)網(wǎng)/智能交通示范區(qū)建設(shè)過程中，亦采用C-V2X/4G/5G疊加組網(wǎng)模式，以充分利用運營商網(wǎng)絡(luò)資源。

疊加組網(wǎng)的用戶終端同時支持PC5口和Uu口，分別通過RSU接入專網(wǎng)實現(xiàn)基于PC5口的交通信息廣播服務(wù)，通過基站接入公網(wǎng)實現(xiàn)基于Uu口的車載信息服務(wù)，如圖4所示。

圖4 車路協(xié)同疊加組網(wǎng)架構(gòu)Fig.4 Superposed networking architecture for vehicle-infrastructure cooperation

疊加組網(wǎng)架構(gòu)能夠發(fā)揮RSU專網(wǎng)的優(yōu)勢，V2V/V2I消息無需經(jīng)過4G/5G基站轉(zhuǎn)發(fā)，能夠較好地滿足實時性等要求。但缺點是用戶端設(shè)備需專用芯片以同時支持Uu口和PC5口通信能力，且電信域和路側(cè)專網(wǎng)域只能在云端進行數(shù)據(jù)統(tǒng)合，互操作能力弱。

(3) 4G/5G獨立組網(wǎng)架構(gòu)

由于RSU部署和OBU滲透率問題，電信運營商和車載信息服務(wù)提供商(Telematics Service Provider，TSP)等也在嘗試直接基于4G/5G網(wǎng)絡(luò)提供車路協(xié)同服務(wù)。

4G/5G獨立組網(wǎng)主要通過Uu口實現(xiàn)對目標用戶的V2V/V2I信息交互。路測數(shù)據(jù)通過路側(cè)計算單元處理后，傳輸至平臺數(shù)據(jù)中心部署的信息分發(fā)管理平臺或應(yīng)用平臺，通過Uu口分發(fā)給目標用戶終端。這一組網(wǎng)架構(gòu)的優(yōu)點是對用戶終端類型等無特殊要求，具備4G/5G蜂窩通信網(wǎng)接入許可的傳統(tǒng)手機也可滿足，且網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)成熟、易于管理。但缺點是終端數(shù)據(jù)和路測數(shù)據(jù)需要全部傳回平臺進行處理，處理延遲較大。

在5G時代，5G NR無線信道的低時延、大帶寬和大連接能力能夠?qū)崿F(xiàn)車路通信優(yōu)化。核心網(wǎng)側(cè)則通過UPF直接接入基于特定區(qū)域的邊緣計算節(jié)點，平臺能力可以下放到邊緣側(cè)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑的大幅縮短，系統(tǒng)時延亦能夠滿足大部分V2X服務(wù)要求。但由于5G獨立組網(wǎng)需要將車載終端與傳統(tǒng)移動互聯(lián)網(wǎng)終端統(tǒng)一接入基站，存在資源競爭，需要考慮網(wǎng)絡(luò)資源負載情況。

2 車路協(xié)同通信流量測算

目前車路協(xié)同所需支持的服務(wù)主要包括車輛安全、地圖分發(fā)、紅綠燈信號、車速引導、異常預(yù)警、道路信息廣播和電子路牌信息等[9]，如表1所示。

表1 V2X應(yīng)用層及應(yīng)用數(shù)據(jù)交互標準(第1階段)

要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)化的V2X消息，根據(jù)消息的種類以及每一類的數(shù)據(jù)量和消息的傳輸頻次，V2X的消息傳輸總量可表示為：

V2X消息流量=∑(各類消息數(shù)據(jù)量×頻次)。

如果采用疊加組網(wǎng)方式，通過RSU PC5口進行V2X消息廣播，由于廣播模式與用戶規(guī)模關(guān)系較小，下行流量整體可控。

如果采用獨立組網(wǎng)方式，通過基站Uu口進行V2X消息播發(fā)，由于Uu口與PC5口的模式差異，廣播式消息需拆分到每一個目標用戶，以進行消息播發(fā)，則單個消息的下行流量為：

Vv2x下行=B×VMAP×2+C×VRSI×10+D×VRSI×1+

(A+E+F)×VRSM×10+G×VSPAT×2，

其參數(shù)含義如表2所示。

表2 下行消息計算公式中的參數(shù)含義

基于以上模型，選取典型路口場景，對人流和車流進行假定，計算瞬時消息流量。

結(jié)合實際環(huán)境，選取雙向8車道路口，無線覆蓋半徑200 m，在早晚交通嚴重擁堵高峰期的道路狀態(tài)如圖5所示。

圖5 交通一般擁堵場景Fig.5 General traffic congestion scenario

這種情況下，覆蓋范圍內(nèi)車輛的數(shù)量為384，范圍內(nèi)行人瞬時流量可達500人，非機動車數(shù)量為100輛。在不考慮算力需求的前提下，僅考慮技術(shù)成熟度和商業(yè)化進展情況下，分以下情況測定V2X數(shù)據(jù)流量。

(1) 試驗階段

按目前常規(guī)車路協(xié)同業(yè)務(wù)考慮，主要為測試車輛，用戶占總體車輛的1%，相關(guān)數(shù)據(jù)模型如表3所示。業(yè)務(wù)用戶僅4個測試車輛用戶，則整體數(shù)據(jù)流量：

VV2X下行=216.24 KB/s，

整個小區(qū)的流量使用為0.810 9 MB/s。

表3 試驗階段相關(guān)數(shù)據(jù)模型

(2) 初步商業(yè)化階段

如業(yè)務(wù)得到發(fā)展應(yīng)用，V2X用戶占總體車輛的比例可能快速到達10%，在其他條件不變情況下，相關(guān)數(shù)據(jù)模型如下。

業(yè)務(wù)用戶40個，整體數(shù)據(jù)流量：

單個消息VV2X下行=561.84 KB/s，

整個小區(qū)的流量使用為21.069 MB/s。

初步商用階段相關(guān)數(shù)據(jù)模型如表4所示。

表4 初步商用階段相關(guān)數(shù)據(jù)模型

(3) 初步規(guī)?；瘧?yīng)用階段

V2X業(yè)務(wù)得到普及，車輛和個人用戶普及率達到50%(根據(jù)智能網(wǎng)聯(lián)汽車發(fā)展路線圖，預(yù)計為2025年達到)，技術(shù)有所突破，相關(guān)數(shù)據(jù)模型如下。

業(yè)務(wù)用戶442個，則整體數(shù)據(jù)流量：

單個消息VV2X下行=2 587.68 KB/s，

整個小區(qū)的流量使用為1 116.95 MB/s。

由于從廣播到點到點單播需要消息復制拆分，會存在消息冗余，造成下行流量因用戶規(guī)模影響出現(xiàn)較大變化。

初步規(guī)?；瘧?yīng)用階段相關(guān)數(shù)據(jù)模型如表5所示。

表5 初步規(guī)?；瘧?yīng)用階段相關(guān)數(shù)據(jù)模型

3 4G/5G基站承載能力測算

由于V2X通信需求為實時的ms級通信，所以V2X消息終端始終處于激活RRC狀態(tài)，對于4G/5G網(wǎng)絡(luò)主要影響有2個層面，分別是小區(qū)激活通信通道的占用和小區(qū)PDSCH資源的占用。

根據(jù)常規(guī)公開數(shù)據(jù)，4G的小區(qū)激活RRC連接用戶數(shù)約400個，常規(guī)配置下無線流量峰值速率為150 Mb/s，即18.75 MB/s?？紤]4G/5G網(wǎng)絡(luò)目前主要仍用于個人用戶通信保障，分配給V2X的資源占比一般不會超過20%。故對于V2X用戶僅能提供80個激活RRC連接用戶數(shù)，無線峰值流量為18.75 MB/s，僅能支持試驗狀態(tài)下的車路協(xié)同系統(tǒng)使用。

5G的小區(qū)激活RRC連接用戶數(shù)約3 000個，常規(guī)配置的峰值流量達到1.5 Gb/s，即192 MB/s，僅能支持初步商業(yè)化程度的車路協(xié)同系統(tǒng)使用。

由此可見，雖然5G獨立組網(wǎng)能夠支持商業(yè)化起步階段的車路協(xié)同系統(tǒng)應(yīng)用，但也難以承載車路協(xié)同系統(tǒng)初具規(guī)模時的通信需求。其核心原因是：

(1) V2X消息為實時性要求高的業(yè)務(wù)類型，要求高等級SLA進行通信資源保障，具有遠超手機或其他物聯(lián)網(wǎng)終端用戶的高優(yōu)先級資源搶占，基站難以平衡車聯(lián)網(wǎng)需求和移動互聯(lián)網(wǎng)需求；

(2) 第1階段需支持的V2X消息在內(nèi)容上主要為預(yù)警、通知類信息，基于用戶規(guī)模大量重復播發(fā)，用戶量越大，資源消耗越大。而傳統(tǒng)移動通信網(wǎng)絡(luò)MBMS廣播體制并非為這種高頻信息類廣播設(shè)計，難以滿足需求；

(3) 使用Uu口進行點到點通信的定向播發(fā)，適合精細化單車控制，將高頻度廣播類消息轉(zhuǎn)化為點到點消息，必然會帶來大量計算和帶寬資源冗余消耗，該計算量會由消息數(shù)量與用戶規(guī)模乘積規(guī)模增長，造成數(shù)據(jù)交互延時和成本高企。

因此，目前在實踐中，主要采用支持C-V2X標準的疊加網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建模式，解決4G/5G網(wǎng)絡(luò)下Uu口能力無法滿足即時、冗余的廣播業(yè)務(wù)需求的問題。

4 支持網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)的混合組網(wǎng)模式

隨著自動駕駛和智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展，新型的感知數(shù)據(jù)共享、協(xié)作式控制等車車、車路協(xié)同類服務(wù)已經(jīng)出現(xiàn)，這些服務(wù)具有兩方面特征：一是資源需求大，如感知數(shù)據(jù)共享，其可能包括全路面范圍內(nèi)所有目標對象(300～500個)的歷史軌跡點和預(yù)測軌跡點，平均報文大小可能超過10 Kb/s；二是目的性強，如車輛引導、駕駛決策等，需要有選擇性地與特定位置和時機的參與方進行通信[10]。

這類新型服務(wù)給傳統(tǒng)C-V2X組網(wǎng)模式帶來2個問題：

(1) 支持用戶數(shù)量瓶頸問題：LTE-V目前所支持的PC5直通接口廣播類服務(wù)主要基于Mode 4方式，通過車輛間的分布式算法進行流量調(diào)度和干擾管理。即便使用5G NR-V2X，并將PC5接口帶寬擴展為40 MHz，5G PC5接口模式2(依靠終端自身進行分布式資源選擇)可以承載的用戶數(shù)也將遠少于300個[11-13]，不足以支持規(guī)?；瘧?yīng)用。更大的報文長度或?qū)Ⅻc到點消息轉(zhuǎn)換為廣播消息都將進一步惡化承載用戶數(shù)量。

(2) 復雜場景資源調(diào)度問題：雖然基站和網(wǎng)絡(luò)能夠探測網(wǎng)絡(luò)資源狀態(tài)并利用NR-V2X模式1或高級別的資源調(diào)度方式解決無線資源有效利用問題，但單獨部署的RSU難以與運營商基站共享無線資源探測結(jié)果，無法實現(xiàn)協(xié)同調(diào)度。同時由于車輛的高速移動，車輛間的拓撲復雜時變，不管是基站還是RSU，僅僅依靠無線資源探測都無法準確預(yù)測車輛之間的位置關(guān)系變化所引起的潛在資源沖突。

這些問題都限制了大規(guī)模車路群體智能協(xié)同過程中的資源分配準確性和效率。針對以上問題，需考慮構(gòu)建新型混合組網(wǎng)模式。該模式一方面利用獨立部署的RSU實現(xiàn)路面標牌、事件和狀態(tài)的I2V廣播，從而簡化交通廣播類服務(wù)實現(xiàn)。另一方面，利用網(wǎng)絡(luò)控制下的Sidelink實現(xiàn)車車之間PC5口的單播或廣播，降低Uu口對移動互聯(lián)網(wǎng)的資源搶占，提高所能支持的網(wǎng)絡(luò)容量。同時將V2X應(yīng)用功能分層，通過構(gòu)建RSU網(wǎng)絡(luò)與基站網(wǎng)絡(luò)共享的區(qū)域邊緣計算，解決RSU/基站聯(lián)合無線資源占用態(tài)勢認知和RSU/基站/D2D混合業(yè)務(wù)提供問題。

支持網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)的混合組網(wǎng)模式如圖6所示。

圖6 支持網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)的混合組網(wǎng)模式Fig.6 Hybrid networking mode supporting network coordination

支持網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)的混合組網(wǎng)模式在以下幾方面引入變革：

(1) V2X應(yīng)用服務(wù)能力下沉與能力開放

將云端的V2X應(yīng)用服務(wù)能力分解和下沉到邊緣計算，同時將V2X應(yīng)用服務(wù)能力劃分為路側(cè)協(xié)同認知服務(wù)和區(qū)域協(xié)同決策服務(wù)，分別部署在路側(cè)邊緣計算和區(qū)域邊緣計算，實現(xiàn)V2X應(yīng)用服務(wù)能力的分級管理[14]。區(qū)域邊緣計算中的V2X應(yīng)用服務(wù)一方面能夠獲得終端上報的高精度位置，另一方面能夠獲得路側(cè)V2X應(yīng)用服務(wù)上報的路測高精度認知結(jié)果，并實現(xiàn)路面細粒度態(tài)勢融合認知[15]。據(jù)此，路側(cè)V2X應(yīng)用服務(wù)重點關(guān)注車路廣播式信息的認知和播發(fā)，區(qū)域V2X應(yīng)用服務(wù)能夠重點關(guān)注多車單播式協(xié)同信息的控制和不同模式業(yè)務(wù)協(xié)同控制。

(2) 引入受控Sidelink資源調(diào)度并開放V2X資源調(diào)度能力

在5G網(wǎng)絡(luò)中引入基站控制下的Sidelink資源調(diào)度，以支持多車之間使用Sidelink單播完成感知數(shù)據(jù)共享、車車協(xié)同等服務(wù)，無需占用Uu口傳輸資源。基站控制下的Sidelink資源調(diào)度目前主要基于解調(diào)其他終端的SCI(Sidelink Control Information)信息或者其他Sidelink測量結(jié)果(如Sidelink DMRS的L1 Sidelink RSRP測量)。這些測量值可以通過5G網(wǎng)絡(luò)中的NWDAF(Network Data Analytics Function)功能收集[16]，并可以通過設(shè)置PCF的預(yù)定義策略實現(xiàn)終端在接入基站過程中獲得Sidelink配置的預(yù)定義參數(shù)[17]。但是由于車輛的高速移動和路口等復雜路況下的車輛拓撲快速變化，導致網(wǎng)絡(luò)測量結(jié)果無法準確反映車輛之間位置關(guān)系與資源映射，預(yù)定義策略也可能無法滿足資源高效調(diào)度需求。因此，需基于V2X控制功能(V2XCF)將V2X資源調(diào)度能力開放，以支持引入其他維度信息對資源進行有效調(diào)度。

(3) 引入跨域V2X資源管理實現(xiàn)通信域與交通域聯(lián)動

在區(qū)域邊緣計算中引入相對獨立的V2X資源管理，實現(xiàn)對5G核心網(wǎng)和路側(cè)RSU疊加專網(wǎng)的V2X資源聯(lián)合認知與統(tǒng)一調(diào)度管理[18]。V2X資源調(diào)度有賴于車輛之間的通信需求，而單純通過V2XCF開放的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量測量結(jié)果并無法準確預(yù)測車輛之間的協(xié)同需求。基于高精度定位和路測共同構(gòu)建的路面細粒度態(tài)勢[19]，將有助于更準確地評價多車協(xié)同預(yù)期，從而能夠為高效的Uu口和PC5口資源預(yù)測、資源預(yù)留、資源重選、資源搶占和資源分區(qū)等打下基礎(chǔ)。因此，V2X資源管理可以通過綜合網(wǎng)絡(luò)測量結(jié)果和路面細粒度態(tài)勢，計算并產(chǎn)生多車協(xié)同建議拓撲，以指導生成各個用戶終端的Sidelink資源配置建議。

基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)的混合組網(wǎng)模式能夠?qū)⒔煌☉B(tài)勢認知與網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢認知結(jié)果融合，充分利用車輛間時空關(guān)系協(xié)調(diào)基站Uu口單播、RSU PC5廣播、V2X PC5口廣播和單播資源，通過對無線資源的主動調(diào)度，實現(xiàn)V2X業(yè)務(wù)能力與網(wǎng)絡(luò)能力的適配。

5 結(jié)束語

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)下的混合組網(wǎng)能夠克服4G/5G獨立組網(wǎng)的用戶數(shù)量和廣播性能局限，能夠解決V2X獨立組網(wǎng)/疊加組網(wǎng)的資源聯(lián)合調(diào)度瓶頸，實現(xiàn)高效的路側(cè)交通廣播及基于Sidelink的點到點單播，減少了對Uu口Uplink/Downlink資源消耗。同時，區(qū)域邊緣計算呈現(xiàn)出的路面細粒度交通態(tài)勢能夠有效支持基于多車輛時空位置拓撲的資源需求預(yù)測，進而實現(xiàn)對無線資源的有效預(yù)留和重選，從而為車路群體協(xié)同提供了較低成本的可行實現(xiàn)方案。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)下的混合組網(wǎng)有賴于終端對新型Uu口和PC5口模式的支持，及網(wǎng)絡(luò)側(cè)系統(tǒng)整合能力和開放能力，這都將導致建設(shè)運維成本的增加，在產(chǎn)業(yè)商業(yè)價值不足以替代成本的情況下，相關(guān)產(chǎn)業(yè)推進難度較大。但隨著自動駕駛/高級輔助駕駛需求的增長和5G基礎(chǔ)設(shè)施的升級，基于C-V2X的混合組網(wǎng)將能夠逐漸落地，并有效支持車路群體智能協(xié)同服務(wù)。