為了使我們的道路和高速公路有機(jī)會(huì)達(dá)成零事故的目標(biāo)，智能交通系統(tǒng)需要以最低的延遲共享交通信息。人類駕駛員與當(dāng)今現(xiàn)代化的汽車安全系統(tǒng)相搭配，已經(jīng)讓死于交通事故的人數(shù)達(dá)到歷史新低，其中 2001 年至 2017 年間，歐盟的交通事故死亡人數(shù)下降了 57.5%1。盡管因車流量較大且交通事故所引發(fā)的負(fù)面?zhèn)鞑ポ^廣，高速公路上發(fā)生的車輛事故會(huì)更容易受到關(guān)注，但實(shí)際上農(nóng)村道路和城市地區(qū)(分別為 55% 和 37%)才是事故多發(fā)地。然而，無論駕駛員的技術(shù)多優(yōu)秀，但糟糕的視野條件、復(fù)雜的交通狀況和視線盲區(qū)依然是最棘手的挑戰(zhàn)。

全球范圍內(nèi)開發(fā)和推廣了一系列合作式智能交通系統(tǒng) (C-ITS)。這些技術(shù)旨在實(shí)現(xiàn)感知的共享，讓道路使用者能夠注意到原本看不到的狀況。很明顯，這種技術(shù)需要依靠無線和移動(dòng)通信才能發(fā)揮作用。此外，該技術(shù)還需要考慮到其他道路使用者，如行人和騎車人，他們也會(huì)出現(xiàn)在道路中。更重要的是，不是所有的區(qū)域都已經(jīng)充分覆蓋有無線和移動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施，在這樣的情況下 C-ITS 用戶應(yīng)該如何相互通信？

利用現(xiàn)有的移動(dòng)通信技術(shù)提高安全性

自 2017 年以來，3GPP-LTE 第 14 版移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)中引入了一系列特性。這些特性統(tǒng)稱為蜂窩車聯(lián)網(wǎng)服務(wù) (C-V2X)，描述了如何將現(xiàn)有的 LTE 蜂窩網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于 C-ITS。技術(shù)規(guī)范組 (TSG) 所負(fù)責(zé)開展的工作將應(yīng)用分為三類：道路安全、交通效率和其他應(yīng)用。

對(duì)這些應(yīng)用類別進(jìn)行分析有助于理解 C-V2X 所需的技術(shù)要求，進(jìn)而提供支持。例如，道路安全包括前向碰撞預(yù)警或緊急車輛預(yù)警等應(yīng)用場景，需要較高的服務(wù)可用性、傳輸可靠性和低延遲性。交通效率則會(huì)促進(jìn)實(shí)現(xiàn)諸如綠燈最優(yōu)速度建議 (GLOSA) 等功能，對(duì)數(shù)據(jù)量傳輸?shù)囊筝^低。其他潛在的應(yīng)用包括自動(dòng)泊車、空閑停車位信息共享或汽車 OEM廠商為客戶提供的專有服務(wù)。此時(shí)經(jīng)過認(rèn)證的提供商就需要根據(jù)某些特性來建立應(yīng)用服務(wù)器，以處理 C-V2X 數(shù)據(jù)請(qǐng)求并做出響應(yīng)。

通過車對(duì)網(wǎng)絡(luò) (V2N) 通信方式采用現(xiàn)有的 LTE 蜂窩網(wǎng)絡(luò)與此類應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行通信具有明顯的優(yōu)勢(shì)(圖 1)。交通狀況的數(shù)據(jù)采集工作由專為該用途而設(shè)計(jì)的路側(cè)單元 (RSU) 進(jìn)行處理，也可以由車對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù) (V2I) 通過 LTE 分享數(shù)據(jù)。

然而，通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)傳遞數(shù)據(jù)而產(chǎn)生的相應(yīng)延遲會(huì)對(duì)高速移動(dòng)的道路用戶造成不便，還要充分考慮 LTE 覆蓋范圍有限或沒有覆蓋的情況，例如隧道或農(nóng)村地區(qū)。因此，對(duì)于車輛之間(車對(duì)車，V2V)和車對(duì)行人 (V2P) 使用場景下的通信，以及某些 V2I 應(yīng)用，即使在沒有蜂窩網(wǎng)絡(luò)支持的情況下也必須能夠進(jìn)行通信。此外，與道路安全有關(guān)的數(shù)據(jù)接收和傳輸還不能局限于特定的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商。C-V2X 實(shí)現(xiàn)這一要求的方式在于，允許在沒訂購移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商服務(wù)的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖 1:LTE V2X 定義了四種通信服務(wù)

3GPP-LTE 第 14 版采用 PC5 接口處理直連 V2V、V2I 和 V2P 通信。此類場景無需任何移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的支持，在蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)外均可正常運(yùn)行：

C-V2X 場景的同步處理

在有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的情況下，當(dāng)配備了 C-V2X 的車輛通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信時(shí)，就能夠?qū)r(shí)鐘與LTE基站 (eNB) 進(jìn)行同步(圖 2)。這一功能對(duì)于最大程度降低時(shí)分多址 (TDMA) 和頻分多址 (FDMA) 系統(tǒng)中的碼間干擾 (ISI) 至關(guān)重要。如果無法接入 eNB，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍外的通信就需要另一種同步機(jī)制。

在這種情況下，該標(biāo)準(zhǔn)按優(yōu)先順序提供了多種同步源。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) (GNSS) 就是其中的一種同步源，可通過車輛內(nèi)部系統(tǒng)直接使用，也可通過 V2V 或 V2I 連接到本身使用 GNSS 進(jìn)行同步的車輛或 RSU 上而間接使用。間接同步還可通過與本身連接到 eNB 的 C-V2X 設(shè)備進(jìn)行連接而實(shí)現(xiàn)。如果仍無法實(shí)現(xiàn)，車輛還可以相互進(jìn)行簡單同步。

圖 2:在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍外的場景中，如果要進(jìn)行時(shí)鐘同步，就需要 C-V2X 節(jié)點(diǎn)使用其他同步源，例如通過 eNB 間接同步(圖中上方)、通過 GNSS(圖中左下角)或通過其他 C-V2X 道路用戶進(jìn)行簡單同步(圖中右下角)。

PC5 的通信協(xié)議和信道

為了保持 PC5 通信，定義了兩個(gè)協(xié)議棧。與用戶面相關(guān)的協(xié)議棧為 V2X 應(yīng)用交換用戶數(shù)據(jù)提供了一種可行的方法，而控制面則提供了傳輸控制數(shù)據(jù)所需的通信服務(wù)(圖 3)。

物理層 (PHY) 利用 10MHz 或 20MHz 帶寬，通過無線頻段 47 中的 5.9GHz 頻率資源傳輸數(shù)據(jù)。世界各地的監(jiān)管機(jī)構(gòu)已陸續(xù)將 C-ITS 通信列入許可豁免的行列。在中國，只有 C-V2X 技術(shù)獲得許可，而歐洲則保持技術(shù)中立。美國已經(jīng)向 FCC 提交了一份請(qǐng)求，申請(qǐng)?jiān)试S C-V2X 通過專用短程通信 (DSRC) 在當(dāng)前使用的頻譜中運(yùn)行應(yīng)用。

媒體接入控制 (MAC) 層負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)包的調(diào)度和資源的選擇。該層中的分組過濾確保了只有用于該特定 V2X 設(shè)備的協(xié)議數(shù)據(jù)單元可以傳遞到更高層。該層還采用了混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求 (HARQ) 協(xié)議。

無線鏈路控制 (RLC) 層負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)單元的按順序傳送及其分割和重組。最后，分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議 (PDCP) 子層負(fù)責(zé)將 3GPP 無線接入?yún)f(xié)議層與 C-ITS 應(yīng)用相關(guān)的協(xié)議層進(jìn)行分離。從LTE第 14 版開始，對(duì)非 IP 數(shù)據(jù)的支持是支撐 C-ITS 應(yīng)用的必要前提。

控制面中還有一個(gè)額外的無線資源控制 (RRC) 子層，負(fù)責(zé)處理廣播通信服務(wù)。這些服務(wù)用于管理通信、配置協(xié)議服務(wù)和適配無線參數(shù)。

通過一種名為區(qū)域的概念，車輛的經(jīng)緯度信息就可用于確保接收到的無線電信號(hào)保持在可接受的范圍內(nèi)。這一機(jī)制限制了飽和的可能性(稱為遠(yuǎn)近效應(yīng))，并將信噪比 (SINR) 提高到足以解碼無線信號(hào)的程度。

圖 3:用戶面(圖中上方)和控制面(圖中下方)中的協(xié)議棧

MAC 子層為 RLC 子層提供了兩個(gè)邏輯通信信道，可用于 C-V2X 通信。其一是直通鏈路廣播控制信道 (SBCCH)，負(fù)責(zé)處理控制面的消息，其二是直通鏈路業(yè)務(wù)信道 (STCH)，負(fù)責(zé)處理用戶面的消息。這兩個(gè)信道會(huì)映射到兩個(gè)傳輸信道。直通鏈路廣播信道 (SL-BCH) 承載了更高層級(jí)的控制數(shù)據(jù)，并映射到 SBCCH。用戶數(shù)據(jù)會(huì)由直通鏈路共享信道 (SL-SCH) 映射到 STCH。

如果附近有其他 C-V2X 設(shè)備以自動(dòng)資源選擇模式(又稱為傳輸模式 4，即 TM4)運(yùn)行，就可能導(dǎo)致設(shè)備受到干擾。為了解決這一問題，SL-SCH 利用 HARQ 將每一條重新傳輸?shù)挠脩魯?shù)據(jù)的作用發(fā)揮到最大。但此功能不會(huì)提供給承載 SL-BCH 的控制數(shù)據(jù)。

在 PHY，上述傳輸層會(huì)進(jìn)一步映射到物理信道，其中 SL-SCH 映射到物理直通鏈路共享信道 (PSSCH)，SL-BCH 映射到物理直通鏈路廣播信道 (PSBCH)。與控制面處理時(shí)間和頻率資源分配相關(guān)的控制信息通過物理直通鏈路控制信道 (PSCCH) 傳輸。此類控制信息采用了強(qiáng)大的正交相移鍵控 (QPSK) 進(jìn)行傳輸。相較之下，PSSCH 上的用戶數(shù)據(jù)則采用 QPSK 和 16 進(jìn)制正交振幅調(diào)制 (16QAM)。

PC5 通信采用的也是 LTE 的通用 1 ms 子幀結(jié)構(gòu)。每個(gè)子幀中有 14 個(gè)單載波頻分多址 (SC-FDMA) 符號(hào)，其中四個(gè)子幀用于傳輸解調(diào)參考符號(hào) (DMRS)傳輸(圖4)。這些碼元降低了 C-V2X 通信中可能存在的多普勒頻移所帶來的挑戰(zhàn)。

圖 4:1 ms PC5 子幀采用四個(gè)時(shí)隙作為解調(diào)參考碼元，提高了對(duì)多普勒頻移的穩(wěn)定性。

V2X 測試的前瞻性處理

由于 C-V2X 和 C-ITS 通信協(xié)議和道路安全相關(guān)應(yīng)用的復(fù)雜性，加之移V2X 節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性所面臨的環(huán)境因素，在各種條件下進(jìn)行縝密測試是確保解決方案兼容性、互動(dòng)性的必要前提。現(xiàn)有的 LTE 技術(shù)測試和測量解決方案，如 R&S？CMW500，非常適合于 C-V2X 測試(圖 5)。這款寬帶無線通信測試儀支持從靜態(tài)條件下的協(xié)議一致性到動(dòng)態(tài)條件下的衰落測試的所有測試場景。該產(chǎn)品還支持從 3GPP LTE-V2X 接入層協(xié)議測試到中國、歐洲和美國的 C-ITS 應(yīng)用層的全協(xié)議棧測試。這也是全球首個(gè)通過GCF認(rèn)證的 C-V2X 測試解決方案。GNSS 則可以使用 R&S？SMBV100B 信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行模擬。該產(chǎn)品提供的軟件 API 允許自主開發(fā)和第三方自動(dòng)化工具集成，可用于測試序列長期自動(dòng)化測試。

圖 5:CMW500 和 SMBV100B 都是 V2X 應(yīng)用的理想測試平臺(tái)

未來，用于基本安全應(yīng)用的直連 C-V2X PC5通信(又稱為 I 階段)還將依賴于 LTE 第 14 版通信標(biāo)準(zhǔn)，尤其是網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍外的場景。-C-V2X發(fā)展的第II階段將包含在LTE版本15增強(qiáng)型V2X(eV2X)之中。該版本計(jì)劃于 2019 年發(fā)布，將增加對(duì)協(xié)作式感知等 C-ITS 應(yīng)用的支持。對(duì) 5G 新空口 (NR) 概念的支持有望在 III 階段作為 3GPP 第 16 版的一部分進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。這意味著對(duì)于開發(fā)應(yīng)用的汽車工程師而言，他們現(xiàn)有的測試和測量投入將在未來若干年中繼續(xù)支持他們的測試需求。