引言

V2X技術是實現(xiàn)車與車?車與人?車與路之間信息共享的無線通信應用技術。V2X的廣泛應用將在提升道路安全?緩解交通擁堵?提高交通效率?降低行車能耗?減少環(huán)境污染取得顯著效果。面向人?車?路協(xié)同的輔助駕駛?自動駕駛的需求，基于網(wǎng)聯(lián)化的智能出行方案越來越受關注，V2X應用擁有極其廣闊的發(fā)展前景。

目前，有兩種主流V2X通信技術路線，一種是基于美國電氣和電子工程師協(xié)會(Institute of Electrical and Electron-ics Engineers，IEEE)80211p協(xié)議的專用短程通信(Dedi-cated Short Range Communication，DSRC)技術，一種是基于第三代合作伙伴計劃(3rdGenerationPartnershipProject，3GPP)標準的蜂窩-車聯(lián)網(wǎng)(Cellular-Vehicle to X，C-V2X)技術。隨著V2X通信技術的不斷迭代與自動駕駛技術落地應用實際需求的不斷增長，以哪種通信技術構建V2X體系架構?部署路側與車載通信設備，開展車路協(xié)同與網(wǎng)聯(lián)自動駕駛的規(guī)?；痉稇?，成為業(yè)界目前最為緊迫的問題。

本文首先對DSRC與C-V2X的發(fā)展演進及其在不同國家或地區(qū)的頻譜劃分和標準化進展進行了分析，通過分析C-V2X的發(fā)展演進路線，對C-V2X發(fā)展未來進行了預測;然后，從通信網(wǎng)絡協(xié)議物理層和MAC層對比分析了DSRC與LTE-V應對典型V2X應用場景方面的技術差異;最后，對目前國內外圍繞DSRC與C-V2X性能對比研究開展的仿真測試與實車測試工作與結論進行了綜述。

1  典型V2X通信技術標準化進展

1.1  專用短程通信協(xié)議

DSRC是基于80211p協(xié)議的提供數(shù)據(jù)快速傳輸?shù)膽糜谲囕v間的無線通信技術。早在20世紀90年代末，美?歐?日等政府基本確定了以DSRC技術為V2X的核心，并進行了協(xié)議標準制定與測試工作，并劃分了各國DSRC專用頻段(圖1)，這為全球V2X產(chǎn)業(yè)應用奠定了基礎。


1.1.1  WAVE車聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議

2010年，IEEE在80211a協(xié)議的基礎上，率先發(fā)布了車聯(lián)網(wǎng)技術的底層協(xié)議80211p，基于IEEE80211p協(xié)議，發(fā)布了IEEE1609系列標準，定義了MAC層以上的高層通信協(xié)議棧，搭建了59GHz頻譜處專用短程通信(DSRC: Dedicated Short Range Communication)/車載環(huán)境下的無線接入(WAVE: Wireless Access in the Vehicular Envi-ronment)的標準體系框架，如圖2所示。WAVE具有自組織?低傳輸時延?高傳輸距離與高傳輸速率的特點。這些特點決定了其適用于交通環(huán)境下一定范圍內傳輸信息的通信應用和對時延敏感的交通安全應用，被認為適用于承載交通安全應用的無線網(wǎng)絡模式。為推進V2X技術的產(chǎn)業(yè)化應用，美國已有多個州或城市開展了DSRC測試，包括懷俄明州首府哥倫布?亞利桑那州的Tampa?紐約等。


1.1.2  ITS-G5車聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議

歐洲車聯(lián)網(wǎng)通信標準由歐洲電信標準協(xié)會(European communications Standards Institute，ETSI)在IEEE11p標準基礎上制定，內容包括地理位置路由協(xié)議和用于支持在59GHz頻段的智能交通系統(tǒng)物理層和MAC層標準，定義了ITS-G5協(xié)議棧框架(見圖3)。目前，歐盟委員會建立合作式智能交通系統(tǒng)(Cooperative-Intelligent Trans-portation System，C-ITS)平臺以在車聯(lián)網(wǎng)的部署中發(fā)揮突出作用。在此影響下，歐洲各國已經(jīng)在為ITS-G5技術部署道路基礎設施。



1.1.3  日本DSRC通信體系

日本的DSRC體系與美國相似，20世紀90年代末，日本無線工業(yè)及商貿聯(lián)合會(Association of Radio Industries and Businesses，ARIB)發(fā)布了面向交通信息和控制系統(tǒng)的DSRC標準。2001年發(fā)布的標準則對DSRC系統(tǒng)中的不同設備間的無線空中接口參數(shù)進行了定義和明確。2011年，日本即開始布設或升級路側單元為58GHz的DSRC，2012年2月，ARIB發(fā)布的STD-T109中將7555~7645MHz頻段用于道路安全應用。汽車信息與通信系統(tǒng)(Vehicle Information and Communication System，VICS)是日本ITS研究與應用開發(fā)的重要項目，用以實現(xiàn)網(wǎng)聯(lián)交通應用，自VICS開始以來一直采用24GHz頻段，直到2018年2月，日本國土交通部宣布在2022年3月底停止老舊的24GHzVICS系統(tǒng)，全部轉移到58GHzDSRC技術的VICS系統(tǒng)，以實現(xiàn)基于V2I的智能交通業(yè)務。

1.1.4  DSRC標準化進展分析

目前，世界上多個國家或地區(qū)的政府或標準化組織圍繞IEEE80211p制定了關于所在區(qū)域內的車聯(lián)網(wǎng)通信標準體系，總結如表1所示。



DSRC作為車聯(lián)網(wǎng)起步早?發(fā)展相對成熟的通信技術，得到了眾多國家或地區(qū)及相關研究機構關注，但由于其技術特性還存在一定的局限。第一，需要進行復雜?完善的基礎設施部署;第二，缺乏長期技術演進路線。隨著4G/5G技術的迅猛發(fā)展，考慮到移動通信技術的超大覆蓋范圍和穩(wěn)定的通信質量，以及其明確的演進路線，利用蜂窩通信技術支持車聯(lián)網(wǎng)應用完成數(shù)據(jù)交互的趨勢愈發(fā)明確。因此，C-V2X技術得到了越來越多國家/地區(qū)的關注。

1.2  蜂窩車聯(lián)網(wǎng)

C-V2X是基于4G/5G等蜂窩網(wǎng)通信技術演進形成的車用無線通信技術，由3GPP進行了標準研究和開發(fā)并不斷演進完善。該項工作始于2015年，主要從業(yè)務需求?系統(tǒng)架構?空口技術和安全研究4個方面開展工作。3GPP的V2X通信標準可劃分為3個階段，如圖4所示。



其中，長期演進車聯(lián)網(wǎng)(Long Term Evolution-Vehicle to X，LTE-V)技術是基于3GPPR14版本的車聯(lián)網(wǎng)無線通信技術。LTE-eV2X是基于Rel-14LTE-V的增強版本，通過引入高階調制和載波聚合技術，以支持更高級的V2X業(yè)務，在與R14兼容的條件下，進一步提升V2X直連通信業(yè)務可靠性?時延性能。NR-V2X是3GPP在5G新空口(New Radio，NR)對C-V2X演進技術的研究制訂的，是未來實現(xiàn)自動駕駛?無人駕駛的關鍵技術。

1.2.1  LTE-V

LTE-V研究工作于2015年3月開始，并于2015年12月完成研究報告3GPPTR22885。支持LTE-V的3GPPRel-14版本標準于2017年正式發(fā)布，該版本實現(xiàn)基本的道路安全業(yè)務。LTE-V的標準協(xié)議架構分成物理層?數(shù)據(jù)鏈路層和應用層三部分。物理層主要負責傳輸控制與信道的激活?失效服務;數(shù)據(jù)鏈路層主要負責數(shù)據(jù)的可靠傳輸?差錯控制;應用層主要實現(xiàn)業(yè)務服務等相關任務。LTE-V包含了兩種通信接口:一種是人?車?路之間的短距離直連通信接口(PC5)，另一種是終端與基站之間的通信接口(Uu)，如圖5所示。在業(yè)務需求方面，定義了V2V?V2I?V2P以及車與網(wǎng)絡的27個用例和LTE-V支持的業(yè)務要求，并給出了7種典型場景性能要求，如表2所示。





1.2.2  LTE-eV2X

2017年3月，3GPPRAN啟動《基于Rel-14LTE-V的增強(LTE-eV2X)《的標準化工作，并于2018年6月Rel-15完成LTE-eV2X標準化工作。支持更高級的V2X業(yè)務，提升速率，PC5接口引入高階調制和載波聚合技術。增強可靠性，在PC5接口引入發(fā)送分集的多天線技術。在與R14兼容的條件下，進一步提升V2X直連通信業(yè)務可靠性?時延性能。

1.2.3  5GNR-V2X

5GNR-V2X的標準化工作于2018年6月啟動(R16+)，用于支持V2X的高級業(yè)務場景，目前5GNR-V2X標準項目在進展中，逐步收斂中。3GPP從業(yè)務傳輸角度為定義了未來更高等級的自動駕駛相應的需求———TS22886，定義了25個用例并歸納為編隊行駛?先進駕駛?傳感器擴展?遠程駕駛和基本需求等五大類場景，場景需求指標，如表3所示。

NR-V2X的設計不是取代LTE-V，而是補充LTE-V擴展支持更多用例。NR-V2X與LTE-V在業(yè)務能力上相互補充，NR-V2X用例是基于非周期性數(shù)據(jù)，并且存在通過僅向特定車輛傳輸消息，引入支持組播和單播的通信方式，支持更靈活的業(yè)務。支持對于組播和單播的混合自動重傳請求反饋的操作。支持對于單播通信的功率控制和CSI反饋技術。支持單個設備中LTE-V和NR-V2X共存方案，即設備內共存。


1.2.4  C-V2X標準化進展分析

基于LTE-V相關技術研究進展，國內外標準組織迅速開展關于LTE-V標準制定工作。在我國，中國通信標準化協(xié)會(CCSA)?中國智能交通產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(C-ITS)和中國汽車工程學會(China-SAE)等組織積極開展了LTE-V標準體系構建工作。CCSA發(fā)布«基于LTE的車聯(lián)網(wǎng)無線通信技術總體技術要求»等行業(yè)標準完成相關總體架構布局。中國汽車工程學會發(fā)布了車用通信系統(tǒng)應用層及應用數(shù)據(jù)交互標準，通過向下制定與不同通信設備對接的服務提供接口(SPI)，該標準可實現(xiàn)對包含有DRSC和3GPPLTE-V等不同通信方式和多種通信設備的兼容。

國際上，ETSI獲批的最新標準(EN)將C-V2X作為智能交通系統(tǒng)(ITS)終端的接入層技術。與此同時，通過對接入層之上的全部ETSI標準系列和規(guī)范進行更新，當前，所有ETSI標準均可支持基于C-V2X技術的接入層協(xié)議。上述標準和規(guī)范目前已形成ETSIITSRelease1規(guī)范集，奠定行業(yè)相關廠商未來開發(fā)C-V2XITS終端的基礎。此外，美國支持將C-V2X作為備選技術，認可C-V2X技術對汽車行業(yè)未來發(fā)展的重要性。

2  DSRC與LTE-V協(xié)議對比分析

受車輛高速移動的多普勒頻移影響，車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡拓撲結構變化快?通信鏈路易發(fā)生中斷，并且面對復雜的交通環(huán)境，保證車車通信距離以及提高資源利用率，是實現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務，保證駕駛安全和提高行車效率的必要前提，本節(jié)將從物理層/MAC層，對比分析DSRC與LTE-V實現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務挑戰(zhàn)的技術手段。

2.1  高速行車適用性分析

移動中的汽車在傳輸信號時會發(fā)生多普勒頻移，且DSRC與LTE-V工作在59GHz的高頻段，多普勒頻移導致的頻率誤差更大。因此，高速行車適用性是實現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)應用的重要前提。

基于IEEE80211p的DSRC采用正交頻分復用(Or-thogonal Frequency Division Multiple，OFDM)技術實現(xiàn)載波調制，是80211a標準的擴展，其物理層規(guī)定的數(shù)據(jù)包幀結構，物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(Physical Protocol Data Unit，PP-DU)如圖6所示。與80211a相比，為了適應高速移動的交通環(huán)境，80211p將帶寬減少為10MHz，其傳輸速率?子載波間隔等參數(shù)均為80211a的一半;將保護間隔長度設置為80211a的兩倍，使得80211p可以容忍更大的時延擴展，以滿足室外高速移動的車輛環(huán)境;80211p訓練序列長度擴展為80211a的兩倍，訓練序列長度的提升，有利于接收機的定時同步?載波頻偏估計以及信道估計，對接收端無失真地還原出原始信號發(fā)揮重要作用。此外，由于子載波間隔減少，80211p對頻偏更為敏感，為此添加4個導頻子載波用于接收機進行頻率偏差校正。

由于OFDM存在較高的峰值平均功率比(PAPR)，易使信號發(fā)生畸變，使疊加信號的頻譜發(fā)生變化，從而導致各個信道信號之間的正交性遭到破壞，產(chǎn)生相互干擾，使系統(tǒng)性能惡化。LTE-V采用SC-FDMA，使得PAPR影響更小，在相同功放情況下可有更大的發(fā)射功率。LTE-V幀結構如圖7所示，1個子幀中包括4列解調參考信號(Demodulation Reference Signal，DMRS)，能夠有效處理典型高速場景高頻段的信道檢測?估計與補償。信道編碼采用Turbo碼方式，由兩個并行子編碼器和1個內交織器組成，編碼結合卷積碼和隨機交織器，實現(xiàn)隨機編碼思想，通過交織器實現(xiàn)短碼構造長碼，并采用軟輸出迭代譯碼逼近最大似然譯碼。



2.2  遠距離通信適應性分析

V2X的重要應用之一在于輔助駕駛員提前感知潛在危險存在，從而避免或減輕事故造成的傷害。因此實現(xiàn)遠距離通信能力是部分業(yè)務的基本條件。

DSRC采用提高發(fā)射功率來提高信噪比，降低誤碼率。發(fā)射功率最大可提高到33dBm的調節(jié)極限。然而，這種解決方案需要昂貴的射頻元件(大功率放大器)射頻集成電路，只在有限的試驗中可行，而在批量生產(chǎn)中不可行。

LTE-V采用頻分雙工，允許在信道的不同頻帶傳輸不同的內容，使得LTE-V可以提高其功率譜密度，從而提升信噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR)環(huán)境下的的解碼能力。此外，LTE-V采用的turbo碼編碼，與使用卷積碼的DSRC相比，在相同的調制方案和編碼速率下，LTE-V更易解碼低SINR信息，使得在相同可靠性下傳輸距離更遠。

2.3  信道訪問機制

實際的V2X業(yè)務通過用戶間相互發(fā)送周期性的數(shù)據(jù)包實現(xiàn)，比如，基本安全消息(Basic Safety Message，BSM)，由于一條道路上會有多個用戶，每個用戶以有規(guī)律的間隔發(fā)送消息。因此，需要建立合適的信道訪問機制解決潛在的沖突問題，以保證及時的安全預警觸發(fā)。

DSRC采用載波監(jiān)聽多路訪問/沖突避免(Carrier Sens-ing Multiple Access/Collision Avoidance，CSMA/CA)，這是一個成熟的?經(jīng)過充分測試和研究的多址方案，一個設備會在開始新的傳輸之前檢查無線信道是否為忙碌狀態(tài)，如果是，則開始一個隨機計數(shù)器，每當信道空閑時，計數(shù)減1，當計數(shù)為0時，該設備開始傳輸。

LTE-V采用感知(sensing)+預約的半持續(xù)調度(semi-persistent scheduling，SPS)，如圖8所示，終端在1000ms的感知窗口內進行感知，當需要進行數(shù)據(jù)業(yè)務發(fā)送時進行資源選擇。標記所有可用資源，[n+T1，n+T2]，在資源選擇窗內所有時頻資源上進行接收的信號強度指示(Recived Signal Strength Indicator，RSSI)測量，選擇功率最低的20%資源。一旦選擇了一個資源，終端必須在重新選擇到另一個資源之前隨機使用所選資源。該策略充分利用V2X消息的周期性特點，接收節(jié)點進行資源狀態(tài)感知和沖突避免，提高資源利用率，提升傳輸可靠性。


3  DSRC與LTE-V測試研究現(xiàn)狀

目前，DSRC與LTE-V的測試評價方法，主要包括建模仿真與實車測試。其中，多數(shù)工作集中在仿真測試中。文獻通過建立高速場景得出LTE-V在通信距離方面較DSRC有明顯優(yōu)勢;雖然仿真測試較為方便，可節(jié)約大量人力?物力，但是仿真測試得到的結果不能充分反映交通系統(tǒng)的實際情況。因此，部分人員開展了實車測試工作，如文獻進行了LTE-V和DSRC的對比實車測試，并提出了一種借助路側單元輔助提升車車通信的方法。文獻搭建了4種測試場景，以數(shù)據(jù)包投遞率和時延作為評價指標，分析了距離和速度對二者通信性能的影響。

由此可見，目前V2X通信技術的測試評價工作以仿真測試為主，實車測試工作較少。雖然仿真測試可以節(jié)約大量人力?物力，但仿真測試結果不能充分反映交通系統(tǒng)的實際情況。此外，現(xiàn)有的實車測試工作僅在部分場景下或限制性道路范圍內進行測試，難以全面反映復雜交通環(huán)境中遇到的各種特殊問題。因此，積極建設智能網(wǎng)聯(lián)汽車測試示范區(qū)?進行大規(guī)模的區(qū)域性?城市級實車測試驗證，是實現(xiàn)智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化的必要前提。

4  結論

V2X的廣泛應用必將會改變人們傳統(tǒng)駕駛習慣和出行模式。本文介紹了典型V2X無線通信技術，并從技術層面對DSRC與LTE-V進行對比分析。借助3GPP制定的技術路線圖，可以預見隨著5G商用的鋪開，C-V2X產(chǎn)業(yè)發(fā)展將進入新的快車道。NR-V2X與LTE-V是相互補充，以支持更為全面的V2X業(yè)務。2020年是LTE-V開始實際應用的元年，2021—2025年，將實現(xiàn)LTE-V技術全面應用，隨著LTE-V的全面發(fā)展，必將加快NR-V2X的發(fā)展，NR-V2X與LTE-V設備內共存機制是可以預見的。此外，國內外眾多研究者開展了DSRC與LTE-V的對比測試，以說明二者的差異性及優(yōu)缺點。V2X的問題成為兩種技術路線的選擇問題，似乎形成了技術競賽，而忽視了V2X提升駕駛安全的本質目的?，F(xiàn)已證實C-V2X與DSRC混合組網(wǎng)是可行的，混合組網(wǎng)將會是業(yè)界一種重要的解決思路。