蜂窝车联网技术架构与关键技术研究.docx

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蜂窝车联网技术架构与关键技术研究

蜂窝车联网技术架构与关键技术研究

吴海、肖子玉

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京100080）

摘 要本文从车联网的定义、应用场景和两种无线通信技术的比较切入，首先介绍蜂窝车联网的技术架构和主要功能实体，其次介绍了该网络的两项关键技术，最后对关键技术的网络部署提出了建议。

关键词蜂窝车联网；MBMS；ProSe

C-V2Xtechnicalframeworkandkeytechnologyresearch

WUHai，XIAOZi-yu

（ChinaMobileGroupDesignInstituteCo.,Ltd.,Beijing100080,China）

AbstractThispaperstartsfromthedefinition,applicationscenarioandthecomparisonoftwokindsofwirelesscommunicationtechnologiesofthevehiclenetworking,firstintroducesthetechnologyarchitectureandmainfunctionalentitiesofthecellularvehiclenetworking,thenintroducestwokeytechnologiesofthenetwork,andfinallyputsforwardsomesuggestionsforthenetworkdeploymentofkeytechnologies.

KeywordsC-V2X;MBMS;ProSe

车联网技术

车联网（V2X）是指通过装载在车辆上的传感器、车载终端及电子标签提供车辆信息，采用各种通信技术实现车与车、车与人、车与路互连互通，并在信息网络平台上对信息进行提取、共享等有效利用，对车辆进行有效的管控和提供综合服务[1]。

车联网应用包括车-车（V2V）应用、车-路（V2I）应用、车-网（V2N）应用和车-人（V2P）应用。

V2V、V2P、V2N和V2I这4种类型的V2X应用可以用“合作意识”为用户提供智能服务。

如车辆、路边单元、应用服务器和行人可以收集、处理和分享当地环境信息，为用户提供合作碰撞警告或自主驾驶等智能服务。

目前，车联网无线通信技术分为IEEE802.11（DSRC专用短程通信使用的底层无线通信技术）和3GPPC-V2X（基于蜂窝网的V2X无线通信技术）两个阵营。

DSRC具有客观的先发优势，技术趋于成熟。

而LTE-V2X作为一种基于LTE演进的车联网技术，则具备后发优势。

DSRC和C-V2X的对比如表1所示。

本文将重点讨论蜂窝车联网的关键技术和部署方案。

表1DSRC与C-V2X技术对比表

对比维度

DSRC

C-V2X

成熟度

已经是标准技术，美国、欧洲等国家已提出相关标准规格

标准化过程以及相关技术的开发还未完成。

R14标准（LTE-V）预计在2017年完成。

基于5G新空口的V2X通信技术的研究，预计在2020年左右完成标准工作

芯片设计安全性

车用半导体必须要能符合较长使用周期的需求，芯片设计应支持ISO26262汽车应用环境安全标准

以LTE消费性硬件打造V2X功能的客户，恐怕会遭遇可靠性问题，手机芯片设计不能保用15年

部署

需要安装新的路侧设备，将增加导入成本与时间

采用LTE-V能够整合现有基站资源，网络覆盖广，网络运营模式清晰

关键指标

支持车速200km/h，反应时间100ms，数据传输速率平均12Mbit/s（最大27Mbit/s），传输范围1km。

根据美国交通运输部的报告，违反交通信号灯指示的时延要求是小于100ms；车辆防碰撞指示的时延要求是小于20ms

LTE-V传输带宽最高可扩展至100MHz，峰值速率上行500Mbit/s，下行1Gbit/s，时延用户面时延≤10ms，控制面时延≤50ms，支持车速500km/h，覆盖范围与LTE范围类似。

LTE-V-Direct目前还没有详细的技术指标。

5GeV2X支持速度更高，时延更低

政策影响

美国交通部推动，2019年可能强制安装

我国中长期看好LTE-V/5G在车联网V2X领域的发展潜力

V2X通信和智能交通系统

实现的挑战

汽车厂商对于标准的一致意见，数据隐私安全，跨部门实施有难度

汽车厂商对于标准的一致意见，数据隐私安全，但跨部门实施有难度

蜂窝车联网技术架构

1.1基于PC5和LTE-Uu的V2X通信架构

C-V2X根据接口的不同可分为V2X-Direct和V2X-Cellular两种通信方式。

V2X-Direct通过PC5接口，采用车联网专用频段（如5.9GHz），实现车车、车路、车人之间直接通信，时延较低，支持的移动速度较高，但需要有良好的资源配置及拥塞控制算法。

V2X-Cellular则通过蜂窝网络Uu接口转发，采用蜂窝网频段（如1.8GHz），下行采用广播方式。

C-V2X通信的两种通信模式是互为独立和补充的。

图1给出了非漫游场景下基于PC5和LTE-Uu的V2X通信架构。

图1非漫游场景下基于PC5和LTE-Uu的V2X通信架构

1.2主要网元功能

（1）V2X控制功能：

每个支持V2X业务的PLMN里只有一个V2X控制功能逻辑实体，负责向UE提供V2X通信必需的参数。

该参数允许UE在指定的PLMN/不在服务区使用V2X业务。

从V2X应用服务器获得V2XUSD，UE使用V2XUSD接收基于MBMS的V2X业务数据。

通过查找DNS可以找到归属PLMN中V2X控制功能。

（2）V2X应用服务器：

通过单播方式从UE接收上行链路数据。

使用单播或MBMS方式向目标区域中的UE发送下行数据。

（3）移动性管理实体：

除了3GPPTS23.401和TS23.246中定义的移动性管理功能外，在V2X场景下，MME需获取与V2X相关的签约信息。

给E-UTRAN提供V2X业务相关的UE授权状态标识。

（4）用户终端（UE）：

UE和V2X控制功能之间传送V2X控制信息，采用PC5或LTE-Uu方式V2X通信，配置V2X通信的参数。

蜂窝车联网关键技术

C-V2X的两种通信模式V2X-Cellular和V2X-Direct，分别需要两种关键技术支持，即广播服务（MBMS）技术和邻近通信服务（ProSe）技术。

以下将针对两种技术分别进行阐述。

1.3V2X广播服务（MBMS）技术

3GPPTS23.468[4]定义了LTE组通信使能器（GCSEforLTE）。

GCS应用服务器（GCSAS）使用EPC系统为用户提供组通信服务（GCS）。

GCSAS使用EPS和MBMS承载业务，在GCSAS和UE之间传送应用信令和数据。

在上行方向，UE使用EPS承载业务与GCSAS交换应用信令。

在下行链路方向上，GCSAS可以经EPS承载业务或经MBMS承载业务。

GCSUE使用应用信令注册GCSAS提供的业务，可以参与一个或多个GCS组。

当使用MBMS承载服务时，其广播服务区域可以被预先配置为由GCSAS使用。

当GCSAS确定用于GCS组的UE的数量在一个区域内（例如在一个小区或一个小区集合内）中足够大时，GCSAS可以动态地决定使用MBMS承载业务。

当使用MBMS承载业务时，GCSAS可以通过单个MBMS广播承载传送来自不同GCS组的数据。

通过MBMS承载传送的应用信令和数据对BM-SC和MBMS承载业务是透明的。

GCSAS通过GCS应用信令向UE提供UE需要通过MBMS承载业务接收应用数据的所有配置信息，并适当地处理该数据。

当GCSUE在其MBMS广播承载可用的区域之间移动时，UE通过应用信令通知GCSAS，其从MBMS广播承载接收改变为非接收，反之亦然，GCSAS激活或去激活适当的下行应用信令和经由UE个体EPS承载的数据传输。

为了实现业务连续性，UE可以通过EPS承载和MBMS业务来并行地临时接收相同的GCS应用信令和数据。

GCSUE应用丢弃任何接收到的应用信令或数据重复。

LTE多播应用于V2X时，如图2所示。

图2是基于LTE-Uu的V2XMBMS的参考架构。

V2X应用服务器通过BM-SC管理MBMS服务相关信息，该架构支持内容提供商和BM-SC之间的安全框架。

图2通过MB2通信的LTE-UuMBMSV2X参考架构

BM-SC提供MBMS用户业务配置和传送功能。

它可以用作内容提供商MBMS传输的入口点，用于在PLMN内授权和发起MBMS承载服务，并且可以用于调度和传送MBMS的服务。

BM-SC由会员功能、会话传输功能、代理和运输功能、服务公告功能、安全功能、用于广播模式的E-UTRAN中的MBMS的内容同步等。

除此之外，在V2X场景下，BM-SC还支持从V2X应用服务器接收L.MBMS信息和发送L.MBMS信息给MBMS-GW。

MBMSGW功能包括通过SGi-mb（用户平面）和SGmb（控制平面）参考点为使用MBMS承载的实体提供接口；将MBMS用户面数据的IP多播通过M1参考点分发到E-UTRAN。

在E-UTRAN接入的情况下，eNodeB应该使用MBMSGW分配的一个IP多播地址（IPv4或IPv6）加入到IP多播分发中以接收MBMS数据。

MBMSGW分配的IP多播地址、多播源（SSM）IP地址和C-TEID一起通过MME提供给eNodeB。

MBMS承载业务分配的C-TEID基于由TMGI（TemporaryMobileGroupIdentity）和流标识符唯一标识（仅广播模式），可以在具有相同服务区域和相同QoS的另一个有效MBMS承载业务中重用。

在V2X的应用场景下，MBMS-GW还支持如果可以从BM-SC接收到MBMS信息，则跳过IP多播的分配过程。

MBMSGW可以独立设置或与BM-SC或SGW/PGW合设，PLMN中可以设置一个或多个MBMSGW功能实体。

在V2X应用场景下，GCSAS可合设于V2XAS中。

MB2接口用于V2XAS和BM-SC之间进行MBMS承载的管理交互。

BM-SC通过MB2参考点通知应用服务器MBMS承载状态的变化；V2X应用服务器通过MB2接口申请、激活、去激活、修改MBMS承载。

在一个PLMN内，一个MBMS会话仅由一个BM-SC提供给一个V2XAS。

由V2XAS通过MBMS承载传送的数据对于BM-SC是透明的。

MB2接口是运营商和第三方V2XAS间的标准化安全接口。

1.4邻近通信服务（ProSe）技术

3GPPTS23.303[5]定义的邻近通信技术是用于UE邻近时实现直接通信的逻辑功能。

目前规范中仅定义每个PLMN中只有一个逻辑ProSe功能支持邻近通信。

ProSe功能由根据ProSe功能执行不同角色的3个主要子功能组成。

（1）直接配置功能（DPF）：

用于为UE提供必要的参数，以便使用ProSeDirectDiscovery和ProseDirectCommunication。

它用于向UE提供允许UE在该特定PLMN中使用ProSe的特定参数的PLMN。

对于用于公共安全的直接通信DPF还用于在UE不被E-UTRAN服务时为UE提供所需的参数。

对于受限的ProSeDirectDiscovery，它还生成并维护ProSeDiscoveryUEID（PDUID）。

（2）直接发现名称管理功能：

用于开放的ProseDirectDiscovery，分配和处理ProSeDirectDiscovery中使用的ProSe应用ID和ProSe应用代码的映射。

它使用存储在HSS中的ProSe相关用户数据来进行每个发现请求的授权。

它还向UE提供必要的安全手段，以便保护通过空中传输的发现消息。

在受限的ProSeDirectDiscovery中，它还通过PC2参考点与应用程序服务器进行交互，以便发现请求的授权。

（3）EPC级别ProSe发现功能：

具有存储ProSe相关用户数据，为EPC级别ProSe发现和EPC辅助WLAN直接发现，通过PC3对UE授权和配置，存储已授权应用列表等功能。

蜂窝车联网关键技术的部署选择

1.5路侧单元（RSU）部署

RSU是V2X的重要基础设施资源，根据LTE-PC5和LTE-Uu两种通信方式，RSU部署可以分为以下两种。

（1）RSU通过PC5接口接收V2X消息时，RSU被部署为UE和V2X应用的逻辑组合，称为UE型RSU。

（2）RSU通过LTE-Uu接口接收V2X消息，RSU将包括eNB、并内置L-GW（本地部署的具备S/P-GW功能）和V2X应用服务器，称为eNB型RSU。

1.6本地广播服务系统部署

在MBMS系统中，BM-SC，MBMS-GW和MME均位于核心网中。

在V2X应用场景下，当计算端到端时延时，BM-SC和eNB之间的时延是不可忽略的，特别是当使用MBMS来传送V2X系统中的下行V2X消息时。

为了最小化时延，在MBMS系统部署时需要考虑以下问题。

（1）部署靠近eNB的MBMSCN功能（包括BM-SC，MBMS-GW）。

（2）部署靠近eNB的MBMSCN功能用户面（采用BM-SC和MBMS-GWC/U分离架构）。

以上两个选项在部署时如图3和图4所示。

图3本地化MBMS系统部署方案示意图

图4本地化C/U分离架构MBMS系统部署方案示意图

C/U分离的MBMSCN功能，其用户平面应实现以下功能。

（1）通过MB2-U从V2X应用服务器接收用户数据。

（2）将MBMS用户平面数据的IP多播分发到E-UTRAN（M1参考点）。

（3）数据同步（对于传统MBMS机制中的BM-SC）。

（4）专用的MBMS编解码或前向纠错方案（可选）。

（5）MBMS数据加密（可选）。

1.7V2X通信中PC5和LTE-Uu混合部署

面对V2X的应用场景，PC5直接通信方式和LTE-Uu的广播通信方式对于车辆安全驾驶和智能交通系统都是至关重要的。

在实际应用中应以混合方式使用V2X通信的两种操作模式（即PC5和超过LTE-Uu）。

1.7.1场景1

基于PC5的V2X通信与MBMS接收。

在该场景中，UE始终通过PC5直接发送V2X消息进行通信。

同时UE通过PC5和MBMS共同接收V2X消息。

基站设施作为UE时（如RSU），通过PC5接收V2X消息，通过LTE-Uu的PDN连接或其它类型的连接，通过V1接口（应用层接口）将应用层处理的V2X消息转发到V2XAS。

V2XAS处理的V2X消息可以根据需要通过MBMS系统分发给UE。

这种方式的优势是UE可以从邻近的其他UE直接接收V2V消息。

此外，在这种操作模式中，移动网络可以提供来自更广阔范围的信息，并且满足对现场感知情景的软安全性的需要，还能够实现更先进的辅助驾驶应用。

这种组合的信息源在高密度场景下特别有用，因为UE可能无法可靠地通过PC5直接从远端UE接收到所有V2X消息。

4.3.2场景2

无需部署MBMS服务，同时基于LTE-Uu和基于PC5进行V2X通信。

在该场景下，UE经由PC5与包括UE型RSU在内的其他UE进行通信，用于V2X消息的发送和接收。

UE型的RSU可以通过LTE-Uu与移动网络中的V2X应用服务器进行通信，并按需用于管理超出直接PC5通信范围的V2X消息的通信。

此场景下通过使用基于PC5和LTE-Uu的V2X通信的混合通信方式，不需要在下行链路上部署MBMS广播服务。

图5UE型RSU通过LTE-Uu和PC5方式进行V2X通信场景示意图

图5中，作为UE的RSU为车辆交通基础设施提供足够的覆盖。

UE和UE型RSU被配置通过PC5进行V2X通信，UE型RSU可以与V2X应用服务器进行通信。

UE型RSU通过PC5从其他UE接收V2X消息，部署在RSU的V2X应用决定是否需要通过LTE-Uu连接将消息路由到V2X应用服务器，例如当目标区域大于PC5上的V2X通信范围时。

V2X应用服务器确定目标区域和需要分发V2X消息的区域的大小。

V2X应用服务器可以与其它V2X应用服务器进行协调和通信，以确定目标区域的目标区域和V2X消息的分发。

V2X应用服务器将下行链路的V2X消息通过LTE-Uu发送到目标分配区域中的RSU。

RSU通过PC5使用V2X通信广播接收到的V2X消息。

该区域内的UE通过PC5接收RSU广播的V2X消息。

以这种方式，UE，例如车辆UE只需要通过PC5在V2V/V2P服务的操作模式下运行。

只有实现为RSU的UE才能通过PC5和LTE-Uu同时进行V2X通信的混合模式。

基于PC5和基于LTE-Uu的V2X通信的这种组合在用户可能不能够经由PC5直接从远端UE接收V2X消息的用例中也是有用的。

此外，UE类型的RSU可以使用SIPTO连接进行与本地V2X服务器的通信，以减少延迟。

总结

无论是北美、欧盟以及日本这些发达国家还是我国，车联网尚处于测试推广阶段，还未实现大规模的商用。

基于蜂窝网的车联网通信在政府的大力支持下发展态势很好，LTE-V2X技术有望于2018-2019年在中国率先实现商用部署。

虽然在标准成熟度、芯片方面DSRC略优于C-V2X，但部署方式、关键指标和国家政策支持上C-V2X均优于DSRC技术。

未来5G-V2X技术将在关键场景指标方面有更显著的提升，蜂窝车联网（C-V2X）技术未来还有广阔的发展空间。

参考文献

[1]TC5-WG3-2017-005基于公众LTE网络的车联网无线通信系统总体技术要求（征求意见稿）

[2]3GPPTS23.401V15.1.0（2017-09）:

GeneralPacketRadioService（GPRS）enhancementsforEvolvedUniversalTerrestrialRadioAccessNetwork（E-UTRAN）access（Release15）

[3]3GPPTS23.246V7.2.0（2007-03）:

MultimediaBroadcast/MulticastService（MBMS）;Architectureandfunctionaldescription（Release7）

[4]3GPPTS23.468V14.0.0（2017-03）:

GroupCommunicationSystemEnablersforLTE（GCSE_LTE）;Stage2（Release14）

[5]3GPPTS23.303V15.0.0（2017-06）:

Proximity-basedservices（ProSe）;Stage2（Release15）