車聯(lián)網(wǎng)V2X通信技術及應用介紹
車聯(lián)網(wǎng)體系
車聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)在交通這個特殊行業(yè)的典型應用。在車聯(lián)網(wǎng)體系參考模型中主要包括三層：數(shù)據(jù)感知層、網(wǎng)絡傳輸層和應用層。
1．數(shù)據(jù)感知層
數(shù)據(jù)感知層承擔車輛與道路交通信息的全面感知和采集，是車聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)末梢，通過傳感器、RFID（射頻）、車輛定位等技術，實時感知車況及控制系統(tǒng)、道路環(huán)境、車輛當前位置、周圍車輛等信息，實現(xiàn)對車輛自身屬性以及車輛外在環(huán)境，如道路、人、車等靜、動態(tài)屬性的提取，為車聯(lián)網(wǎng)全面、原始的終端信息服務。數(shù)據(jù)感知層的數(shù)據(jù)來源包括多個部分，一是車輛自身的感知，例如速度、加速度、位置、橫擺角加速度等，主要通過車內(nèi)總線、GPS和其他感知設備來實現(xiàn)；二是對周圍車輛行駛狀態(tài)的感知，比如周圍車輛的位置、方位、速度、航向角，這就需要車間通信，以及道路環(huán)境的感知，比如交通信號狀態(tài)、道路擁堵狀態(tài)、車道駕駛方向、這就需要車路通信，每輛車和路邊設施單元需要把自己感知到的信息分發(fā)出去；三是通過后臺或第三方應用交互來獲取更多的數(shù)據(jù)，比如天氣數(shù)據(jù)等。
2．網(wǎng)絡傳輸層
為了車與車、車與路、車與人、車與云（車與后臺中心）之間實現(xiàn)信息共享，這就需要考慮通信協(xié)議的制定。網(wǎng)絡層通過制定滿足業(yè)務傳輸需求的能夠適應通信環(huán)境特征的網(wǎng)絡架構和協(xié)議模型，在一種網(wǎng)絡環(huán)境下整合不同實體所感知到的數(shù)據(jù)，通過向應用層屏蔽通信網(wǎng)絡類型，為應用程序提供透明的信息傳輸服務。通過云計算、虛擬化等技術的綜合應用，充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡資源，為上層應用提供強大的通信支撐和信息支撐服務。
3．應用層
車聯(lián)網(wǎng)的各項應用必須在現(xiàn)有網(wǎng)絡體系和協(xié)議基礎上，兼容未來可能的網(wǎng)絡拓展功能。應用需求是推動車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的原動力，車聯(lián)網(wǎng)在實現(xiàn)智能交通管理、車輛安全控制、交通事件預警等功能的同時，還應為車聯(lián)網(wǎng)用戶提供車輛信息查詢、信息訂閱、事件告知等各類服務功能。同時可以運用云計算平臺，面向政府管理部門、整車廠商和信息服務運營企業(yè)以及個人用戶在內(nèi)的不同類型用戶，提供汽車綜合服務與管理功能，共享汽車與道路交通數(shù)據(jù)，從而支持新型的服務形態(tài)和商業(yè)運營模式。
由于不同的業(yè)務需求和傳輸環(huán)境，整個車聯(lián)網(wǎng)采用不同的通信技術，一個實體往往具有多模式的接入能力，比如車載單元，既有Wi-Fi、DSRC（專用短程通信）、3G/4G蜂窩通信接入，還有衛(wèi)星通信，如圖4所示。
具體到實體之間，如路側單元和后臺中心采用光纖通信子系統(tǒng)，行人、車輛與中心之間采用蜂窩接入子系統(tǒng)。由于交通安全需要及其嚴苛的通信時延和傳輸可靠性，因此需要車與車、車與路之間的實時通信，且不與其他的通信系統(tǒng)相互干擾，就必須制定專門用于車輛環(huán)境的通信標準以及開發(fā)相應的通信技術。而現(xiàn)在常常所說的車聯(lián)網(wǎng)（V2X）就是針對車車／車路通信這種俠義的車聯(lián)網(wǎng)技術而言。
三、車聯(lián)網(wǎng)的組成
根據(jù)車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新聯(lián)盟的定義，車聯(lián)網(wǎng)是以車內(nèi)網(wǎng)、車際網(wǎng)和車云網(wǎng)組成，進行無線電通信和信息交互的大系統(tǒng)網(wǎng)絡。如圖5所示，通過三網(wǎng)融合，實現(xiàn)V2X之間通信的無縫連接，提高通信效率，減少通信盲區(qū)。
1．車內(nèi)網(wǎng)絡
車內(nèi)網(wǎng)絡是基于CAN、LIN、FIexRay、MOST、以太網(wǎng)等總線技術建立的標準化整車網(wǎng)絡，實現(xiàn)車內(nèi)各電器、電子單元間的狀態(tài)信息和控制信號在車內(nèi)網(wǎng)上的傳輸，使車輛具有狀態(tài)感知、故障診斷和智能控制等功能。如圖6所示車載網(wǎng)絡以高速以太網(wǎng)作為骨干，將動力總成、底盤控制、車身控制、娛樂、ADAS（先進駕駛輔助系統(tǒng)）共5個核心域連接在一起，各個域控制器在實現(xiàn)專用的控制功能的同時，還提供強大的網(wǎng)關功能。圖7所示奔馳222型號轎車網(wǎng)絡總線拓撲圖。
2．車際網(wǎng)絡
車際網(wǎng)絡（也稱車載自組織網(wǎng)絡Vehicular Ad hoc Networks VANET）是指在交通環(huán)境中，以車輛、路側單元以及行人為節(jié)點而構成的開放式移動自組織網(wǎng)絡。它通過結合全球定位系統(tǒng)及無線通信技術，如無線局域網(wǎng)、蜂窩網(wǎng)絡等，建立無線多跳連接，為處于高速移動狀態(tài)的車輛提供高速率的數(shù)據(jù)接入服務，以實現(xiàn)V2X之間的信息交互，如圖8所示。車載自組織網(wǎng)絡是智能交通系統(tǒng)未來發(fā)展的通信基礎，也是智能網(wǎng)聯(lián)汽車安全行駛的保障。
四、通信的應用
（1）專用短程通信（DSRC）
DSRC是基于美國電氣電子工程師協(xié)會（IEEE），在IEEE802.11的Wi-Fi技術基礎上改進制定的｝EEE802.11 p標準和IEEE1609標準的V2V和V2I通信協(xié)議，是比較成熟、高效的無線通信系統(tǒng)技術，它是智能交通系統(tǒng)的重要基礎之一，目前已被歐洲、日本等國汽車制造企業(yè)采用并完善。我國在高速公不停車收費設備（ETC）也采用該項技術。
DSRC通信在5.9GHz附近的頻段上，專門將車與車、車與道路基礎設施有機連接，實現(xiàn)在數(shù)百米的范圍內(nèi)對高速行駛的車輛進行識別和雙向通信，提供實時圖像、語音和數(shù)據(jù)信息傳輸，保證通信鏈路的低時延和低干擾以及系統(tǒng)的可靠性。
例如DSRC在有效通信距離范圍內(nèi)，本車輛通過DSRC以10Hz的頻率，向路上其他車輛發(fā)送位置、車速、方向等信息；同時本車輛還能收到其他車輛所發(fā)出的信號，在必要時（例如馬路轉角有車輛駛出，或前方車輛突然緊急剎車，變換車道的情況發(fā)生）車內(nèi)信號裝置會以閃爍、語音提醒或座椅、方向盤振動等方式提醒駕駛員注意，采取必要安全措施，如圖9所示。
DSRC系統(tǒng)結構主要由三部分組成，如圖10所示。分別是車載單元（on Board unit，OBU）、路側單元（road-side unit，RSU）、專用通信鏈路。OBU安裝在車輛上的嵌入式車載通信單元內(nèi)，它通過專用的通信鏈路依照通信協(xié)議的規(guī)定與RSU進行信息交互。RSU是安裝在指定地點（如車道旁邊、車道上方等）固定的通信設備，與不同OBU進行實時高效的通信，并通過有線光纖的方式接入移動互聯(lián)網(wǎng)設備，與云端智能交通（ITS）平臺進行數(shù)據(jù)交互。專用通信鏈路是OBU和RSU保持信息交互的通道，它由兩部分組成：下行鏈路和上行鏈路。RSU到OBU的通信應用為下行鏈路，主要實現(xiàn)RSU向OBU寫入信息的功能。上行鏈路是從OBU到RSU的通信，主要實現(xiàn)RSU讀取OBU的信息，完成車輛狀態(tài)的自主識別功能。因此在DSRC的架構中需要部署大量的RSU才能較好地滿足業(yè)務需要，建設投資較大。
（2）C-v2x通信
C-V2X通信是基于3G/4G/5G等蜂窩網(wǎng)通信技術演進形成的車用無線通信技術，包含基于4G網(wǎng)絡的LTE-V2X系統(tǒng)以及未來5G資源的5G -V2X系統(tǒng)，借助已存在的LTE網(wǎng)絡設施來實現(xiàn)V2V、V21、V2P、V2N的信息交互，適應于更復雜的安全應用場景，滿足低時延高可靠性和帶寬要求。
10LTE-V2X技術
LTE-V （Long Term Evolution-Vehicle，長期演進，V2X）是我國具有自主知識產(chǎn)權的V2X技術，是基于TD.LTE（Time Division-Long Term Evolution，分時長期演進）的ITS（Intelligent Transport System，智能交通系統(tǒng)）系統(tǒng)解決方案，屬于LTE后續(xù)演進生態(tài)系統(tǒng)的重要應用分支。
OZLTE-V2X協(xié)議架構與組成
LTE-V2X標準協(xié)議架構由三部分組成，包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應用層。物理層是LTE-V2X系統(tǒng)的底層協(xié)議，主要提供幀傳輸控制服務和信道的激活、失效服務，定時收發(fā)及同步功能。數(shù)據(jù)鏈路層負責信息的可靠傳輸，提供差錯和流量控制，對上層提供無差錯的鏈路鏈接。應用層基于數(shù)據(jù)鏈路層提供的服務，實現(xiàn)通信初始化和釋放程序、廣播服務、遠程應用等相關操作。LTE-V2X系統(tǒng)設備組成包含了UE（User Equipment，用戶終端）、RSU（Road Side Uni，路側單元）、和基站三部分，具體組成如圖11所示。
UE包含了車載設備、個人用戶便攜設備等。RSU處于基站和UE之間，承擔著V21的數(shù)據(jù)通信任務?；臼浅袚薒TE-V2X系統(tǒng)的無線接入控制功能的設備，主要完成無線接入功能，包括管理空中接口、用戶資源分配、接入控制、移動性控制等無線資源管理功能。GpS信號則通過衛(wèi)星地面站與基站進行通信。
03LTE-V2X主要技術指標分析
V2X技術影響用戶體驗的主要系統(tǒng)指標有延時時間、可靠性、數(shù)據(jù)速率、通信覆蓋范圍移動性、用戶密度、安全性等。其相關指標有安全類時延≤20ms，非安全類時延≤100ms，峰值速率上行500Mbps、下行1 Gbps，支持車速280km/h，在后續(xù)演進5G版本中提升至500km/h，可靠性幾乎為100%5覆蓋范圍與LTE范圍相當。
來源：軟件賦能汽車
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