典型V2X通信技术标准化进展及对比分析研究

引言

V2X技术是实现车与车､车与人､车与路之间信息共享的无线通信应用技术。V2X的广泛应用将在提升道路安全､缓解交通拥堵､提高交通效率､降低行车能耗､减少环境污染取得显著效果。面向人､车､路协同的辅助驾驶､自动驾驶的需求，基于网联化的智能出行方案越来越受关注，V2X应用拥有极其广阔的发展前景。

目前，有两种主流V2X通信技术路线，一种是基于美国电气和电子工程师协会(Institute of Electrical and Electron-ics Engineers，IEEE)80211p协议的专用短程通信(Dedi-cated Short Range Communication，DSRC)技术，一种是基于第三代合作伙伴计划(3rdGenerationPartnershipProject，3GPP)标准的蜂窝-车联网(Cellular-Vehicle to X，C-V2X)技术。随着V2X通信技术的不断迭代与自动驾驶技术落地应用实际需求的不断增长，以哪种通信技术构建V2X体系架构､部署路侧与车载通信设备，开展车路协同与网联自动驾驶的规模化示范应用，成为业界目前最为紧迫的问题。

本文首先对DSRC与C-V2X的发展演进及其在不同国家或地区的频谱划分和标准化进展进行了分析，通过分析C-V2X的发展演进路线，对C-V2X发展未来进行了预测;然后，从通信网络协议物理层和MAC层对比分析了DSRC与LTE-V应对典型V2X应用场景方面的技术差异;最后，对目前国内外围绕DSRC与C-V2X性能对比研究开展的仿真测试与实车测试工作与结论进行了综述。

1  典型V2X通信技术标准化进展

1.1  专用短程通信协议

DSRC是基于80211p协议的提供数据快速传输的应用于车辆间的无线通信技术。早在20世纪90年代末，美､欧､日等政府基本确定了以DSRC技术为V2X的核心，并进行了协议标准制定与测试工作，并划分了各国DSRC专用频段(图1)，这为全球V2X产业应用奠定了基础。


1.1.1  WAVE车联网通信协议

2010年，IEEE在80211a协议的基础上，率先发布了车联网技术的底层协议80211p，基于IEEE80211p协议，发布了IEEE1609系列标准，定义了MAC层以上的高层通信协议栈，搭建了59GHz频谱处专用短程通信(DSRC: Dedicated Short Range Communication)/车载环境下的无线接入(WAVE: Wireless Access in the Vehicular Envi-ronment)的标准体系框架，如图2所示。WAVE具有自组织､低传输时延､高传输距离与高传输速率的特点。这些特点决定了其适用于交通环境下一定范围内传输信息的通信应用和对时延敏感的交通安全应用，被认为适用于承载交通安全应用的无线网络模式。为推进V2X技术的产业化应用，美国已有多个州或城市开展了DSRC测试，包括怀俄明州首府哥伦布､亚利桑那州的Tampa､纽约等。


1.1.2  ITS-G5车联网通信协议

欧洲车联网通信标准由欧洲电信标准协会(European communications Standards Institute，ETSI)在IEEE11p标准基础上制定，内容包括地理位置路由协议和用于支持在59GHz频段的智能交通系统物理层和MAC层标准，定义了ITS-G5协议栈框架(见图3)。目前，欧盟委员会建立合作式智能交通系统(Cooperative-Intelligent Trans-portation System，C-ITS)平台以在车联网的部署中发挥突出作用。在此影响下，欧洲各国已经在为ITS-G5技术部署道路基础设施。



1.1.3  日本DSRC通信体系

日本的DSRC体系与美国相似，20世纪90年代末，日本无线工业及商贸联合会(Association of Radio Industries and Businesses，ARIB)发布了面向交通信息和控制系统的DSRC标准。2001年发布的标准则对DSRC系统中的不同设备间的无线空中接口参数进行了定义和明确。2011年，日本即开始布设或升级路侧单元为58GHz的DSRC，2012年2月，ARIB发布的STD-T109中将7555~7645MHz频段用于道路安全应用。汽车信息与通信系统(Vehicle Information and Communication System，VICS)是日本ITS研究与应用开发的重要项目，用以实现网联交通应用，自VICS开始以来一直采用24GHz频段，直到2018年2月，日本国土交通部宣布在2022年3月底停止老旧的24GHzVICS系统，全部转移到58GHzDSRC技术的VICS系统，以实现基于V2I的智能交通业务。

1.1.4  DSRC标准化进展分析

目前，世界上多个国家或地区的政府或标准化组织围绕IEEE80211p制定了关于所在区域内的车联网通信标准体系，总结如表1所示。



DSRC作为车联网起步早､发展相对成熟的通信技术，得到了众多国家或地区及相关研究机构关注，但由于其技术特性还存在一定的局限。第一，需要进行复杂､完善的基础设施部署;第二，缺乏长期技术演进路线。随着4G/5G技术的迅猛发展，考虑到移动通信技术的超大覆盖范围和稳定的通信质量，以及其明确的演进路线，利用蜂窝通信技术支持车联网应用完成数据交互的趋势愈发明确。因此，C-V2X技术得到了越来越多国家/地区的关注。

1.2  蜂窝车联网

C-V2X是基于4G/5G等蜂窝网通信技术演进形成的车用无线通信技术，由3GPP进行了标准研究和开发并不断演进完善。该项工作始于2015年，主要从业务需求､系统架构､空口技术和安全研究4个方面开展工作。3GPP的V2X通信标准可划分为3个阶段，如图4所示。



其中，长期演进车联网(Long Term Evolution-Vehicle to X，LTE-V)技术是基于3GPPR14版本的车联网无线通信技术。LTE-eV2X是基于Rel-14LTE-V的增强版本，通过引入高阶调制和载波聚合技术，以支持更高级的V2X业务，在与R14兼容的条件下，进一步提升V2X直连通信业务可靠性､时延性能。NR-V2X是3GPP在5G新空口(New Radio，NR)对C-V2X演进技术的研究制订的，是未来实现自动驾驶､无人驾驶的关键技术。

1.2.1  LTE-V

LTE-V研究工作于2015年3月开始，并于2015年12月完成研究报告3GPPTR22885。支持LTE-V的3GPPRel-14版本标准于2017年正式发布，该版本实现基本的道路安全业务。LTE-V的标准协议架构分成物理层､数据链路层和应用层三部分。物理层主要负责传输控制与信道的激活､失效服务;数据链路层主要负责数据的可靠传输､差错控制;应用层主要实现业务服务等相关任务。LTE-V包含了两种通信接口:一种是人､车､路之间的短距离直连通信接口(PC5)，另一种是终端与基站之间的通信接口(Uu)，如图5所示。在业务需求方面，定义了V2V､V2I､V2P以及车与网络的27个用例和LTE-V支持的业务要求，并给出了7种典型场景性能要求，如表2所示。





1.2.2  LTE-eV2X

2017年3月，3GPPRAN启动《基于Rel-14LTE-V的增强(LTE-eV2X)《的标准化工作，并于2018年6月Rel-15完成LTE-eV2X标准化工作。支持更高级的V2X业务，提升速率，PC5接口引入高阶调制和载波聚合技术。增强可靠性，在PC5接口引入发送分集的多天线技术。在与R14兼容的条件下，进一步提升V2X直连通信业务可靠性､时延性能。

1.2.3  5GNR-V2X

5GNR-V2X的标准化工作于2018年6月启动(R16+)，用于支持V2X的高级业务场景，目前5GNR-V2X标准项目在进展中，逐步收敛中。3GPP从业务传输角度为定义了未来更高等级的自动驾驶相应的需求———TS22886，定义了25个用例并归纳为编队行驶､先进驾驶､传感器扩展､远程驾驶和基本需求等五大类场景，场景需求指标，如表3所示。

NR-V2X的设计不是取代LTE-V，而是补充LTE-V扩展支持更多用例。NR-V2X与LTE-V在业务能力上相互补充，NR-V2X用例是基于非周期性数据，并且存在通过仅向特定车辆传输消息，引入支持组播和单播的通信方式，支持更灵活的业务。支持对于组播和单播的混合自动重传请求反馈的操作。支持对于单播通信的功率控制和CSI反馈技术。支持单个设备中LTE-V和NR-V2X共存方案，即设备内共存。


1.2.4  C-V2X标准化进展分析

基于LTE-V相关技术研究进展，国内外标准组织迅速开展关于LTE-V标准制定工作。在我国，中国通信标准化协会(CCSA)､中国智能交通产业联盟(C-ITS)和中国汽车工程学会(China-SAE)等组织积极开展了LTE-V标准体系构建工作。CCSA发布«基于LTE的车联网无线通信技术总体技术要求»等行业标准完成相关总体架构布局。中国汽车工程学会发布了车用通信系统应用层及应用数据交互标准，通过向下制定与不同通信设备对接的服务提供接口(SPI)，该标准可实现对包含有DRSC和3GPPLTE-V等不同通信方式和多种通信设备的兼容。

国际上，ETSI获批的最新标准(EN)将C-V2X作为智能交通系统(ITS)终端的接入层技术。与此同时，通过对接入层之上的全部ETSI标准系列和规范进行更新，当前，所有ETSI标准均可支持基于C-V2X技术的接入层协议。上述标准和规范目前已形成ETSIITSRelease1规范集，奠定行业相关厂商未来开发C-V2XITS终端的基础。此外，美国支持将C-V2X作为备选技术，认可C-V2X技术对汽车行业未来发展的重要性。

2  DSRC与LTE-V协议对比分析

受车辆高速移动的多普勒频移影响，车联网网络拓扑结构变化快､通信链路易发生中断，并且面对复杂的交通环境，保证车车通信距离以及提高资源利用率，是实现车联网业务，保证驾驶安全和提高行车效率的必要前提，本节将从物理层/MAC层，对比分析DSRC与LTE-V实现车联网业务挑战的技术手段。

2.1  高速行车适用性分析

移动中的汽车在传输信号时会发生多普勒频移，且DSRC与LTE-V工作在59GHz的高频段，多普勒频移导致的频率误差更大。因此，高速行车适用性是实现车联网应用的重要前提。

基于IEEE80211p的DSRC采用正交频分复用(Or-thogonal Frequency Division Multiple，OFDM)技术实现载波调制，是80211a标准的扩展，其物理层规定的数据包帧结构，物理层协议数据单元(Physical Protocol Data Unit，PP-DU)如图6所示。与80211a相比，为了适应高速移动的交通环境，80211p将带宽减少为10MHz，其传输速率､子载波间隔等参数均为80211a的一半;将保护间隔长度设置为80211a的两倍，使得80211p可以容忍更大的时延扩展，以满足室外高速移动的车辆环境;80211p训练序列长度扩展为80211a的两倍，训练序列长度的提升，有利于接收机的定时同步､载波频偏估计以及信道估计，对接收端无失真地还原出原始信号发挥重要作用。此外，由于子载波间隔减少，80211p对频偏更为敏感，为此添加4个导频子载波用于接收机进行频率偏差校正。

由于OFDM存在较高的峰值平均功率比(PAPR)，易使信号发生畸变，使叠加信号的频谱发生变化，从而导致各个信道信号之间的正交性遭到破坏，产生相互干扰，使系统性能恶化。LTE-V采用SC-FDMA，使得PAPR影响更小，在相同功放情况下可有更大的发射功率。LTE-V帧结构如图7所示，1个子帧中包括4列解调参考信号(Demodulation Reference Signal，DMRS)，能够有效处理典型高速场景高频段的信道检测､估计与补偿。信道编码采用Turbo码方式，由两个并行子编码器和1个内交织器组成，编码结合卷积码和随机交织器，实现随机编码思想，通过交织器实现短码构造长码，并采用软输出迭代译码逼近最大似然译码。



2.2  远距离通信适应性分析

V2X的重要应用之一在于辅助驾驶员提前感知潜在危险存在，从而避免或减轻事故造成的伤害。因此实现远距离通信能力是部分业务的基本条件。

DSRC采用提高发射功率来提高信噪比，降低误码率。发射功率最大可提高到33dBm的调节极限。然而，这种解决方案需要昂贵的射频元件(大功率放大器)射频集成电路，只在有限的试验中可行，而在批量生产中不可行。

LTE-V采用频分双工，允许在信道的不同频带传输不同的内容，使得LTE-V可以提高其功率谱密度，从而提升信噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR)环境下的的解码能力。此外，LTE-V采用的turbo码编码，与使用卷积码的DSRC相比，在相同的调制方案和编码速率下，LTE-V更易解码低SINR信息，使得在相同可靠性下传输距离更远。

2.3  信道访问机制

实际的V2X业务通过用户间相互发送周期性的数据包实现，比如，基本安全消息(Basic Safety Message，BSM)，由于一条道路上会有多个用户，每个用户以有规律的间隔发送消息。因此，需要建立合适的信道访问机制解决潜在的冲突问题，以保证及时的安全预警触发。

DSRC采用载波监听多路访问/冲突避免(Carrier Sens-ing Multiple Access/Collision Avoidance，CSMA/CA)，这是一个成熟的､经过充分测试和研究的多址方案，一个设备会在开始新的传输之前检查无线信道是否为忙碌状态，如果是，则开始一个随机计数器，每当信道空闲时，计数减1，当计数为0时，该设备开始传输。

LTE-V采用感知(sensing)+预约的半持续调度(semi-persistent scheduling，SPS)，如图8所示，终端在1000ms的感知窗口内进行感知，当需要进行数据业务发送时进行资源选择。标记所有可用资源，[n+T1，n+T2]，在资源选择窗内所有时频资源上进行接收的信号强度指示(Recived Signal Strength Indicator，RSSI)测量，选择功率最低的20%资源。一旦选择了一个资源，终端必须在重新选择到另一个资源之前随机使用所选资源。该策略充分利用V2X消息的周期性特点，接收节点进行资源状态感知和冲突避免，提高资源利用率，提升传输可靠性。


3  DSRC与LTE-V测试研究现状

目前，DSRC与LTE-V的测试评价方法，主要包括建模仿真与实车测试。其中，多数工作集中在仿真测试中。文献通过建立高速场景得出LTE-V在通信距离方面较DSRC有明显优势;虽然仿真测试较为方便，可节约大量人力､物力，但是仿真测试得到的结果不能充分反映交通系统的实际情况。因此，部分人员开展了实车测试工作，如文献进行了LTE-V和DSRC的对比实车测试，并提出了一种借助路侧单元辅助提升车车通信的方法。文献搭建了4种测试场景，以数据包投递率和时延作为评价指标，分析了距离和速度对二者通信性能的影响。

由此可见，目前V2X通信技术的测试评价工作以仿真测试为主，实车测试工作较少。虽然仿真测试可以节约大量人力､物力，但仿真测试结果不能充分反映交通系统的实际情况。此外，现有的实车测试工作仅在部分场景下或限制性道路范围内进行测试，难以全面反映复杂交通环境中遇到的各种特殊问题。因此，积极建设智能网联汽车测试示范区､进行大规模的区域性､城市级实车测试验证，是实现智能网联汽车产业化和商业化的必要前提。

4  结论

V2X的广泛应用必将会改变人们传统驾驶习惯和出行模式。本文介绍了典型V2X无线通信技术，并从技术层面对DSRC与LTE-V进行对比分析。借助3GPP制定的技术路线图，可以预见随着5G商用的铺开，C-V2X产业发展将进入新的快车道。NR-V2X与LTE-V是相互补充，以支持更为全面的V2X业务。2020年是LTE-V开始实际应用的元年，2021—2025年，将实现LTE-V技术全面应用，随着LTE-V的全面发展，必将加快NR-V2X的发展，NR-V2X与LTE-V设备内共存机制是可以预见的。此外，国内外众多研究者开展了DSRC与LTE-V的对比测试，以说明二者的差异性及优缺点。V2X的问题成为两种技术路线的选择问题，似乎形成了技术竞赛，而忽视了V2X提升驾驶安全的本质目的。现已证实C-V2X与DSRC混合组网是可行的，混合组网将会是业界一种重要的解决思路。