1、蜂窩車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)研究吳 海、肖子玉(中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司，北京100080)摘 要 本文從車聯(lián)網(wǎng)的定義、應(yīng)用場景和兩種無線通信技術(shù)的比較切入，首先介紹蜂窩車聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)和主要功能實體， 其次介紹了該網(wǎng)絡(luò)的兩項關(guān)鍵技術(shù)，最后對關(guān)鍵技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)部署提出了建議。關(guān)鍵詞 蜂窩車聯(lián)網(wǎng)； MBMS ； ProSeC-V2X technical framework and key technology researchWU Hai ， XIAO Zi-yu(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080,Chi

2、na)Abstract This paper starts from the definition, application scenario and the comparison of two kinds of wireless communication technologies of the vehicle networking, first introduces the technology architecture and main functional entities of the cellular vehicle networking, then introduces two

3、key technologies of the network, and finally puts forward some suggestions for the network deployment of key technologies.Keywords C-V2X;MBMS;ProSe1 車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)車聯(lián)網(wǎng)（V2X）是指通過裝載在車輛上的傳感器、車載終端及電子標(biāo) 簽提供車輛信息，采用各種通信技術(shù)實現(xiàn)車與車、車與人、車與路互連互 通，并在信息網(wǎng)絡(luò)平臺上對信息進(jìn)行提取、共享等有效利用，對車輛進(jìn)行 有效的管控和提供綜合服務(wù)1。車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用包括車-車（V2V）應(yīng)用、車-路（V2I）應(yīng)用、車-網(wǎng)（V

4、2N） 應(yīng)用和車-人（V2P）應(yīng)用。V2V、V2P、V2N和V2I這4種類型的V2X應(yīng) 用可以用“合作意識”為用戶提供智能服務(wù)。如車輛、路邊單元、應(yīng)用服 務(wù)器和行人可以收集、處理和分享當(dāng)?shù)丨h(huán)境信息，為用戶提供合作碰撞警 告或自主駕駛等智能服務(wù)。目前，車聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)分為IEEE 802.11 （DSRC專用短程通信使 用的底層無線通信技術(shù)）和3GPP C-V2X （基于蜂窩網(wǎng)的V2X無線通信技 術(shù)）兩個陣營。DSRC具有客觀的先發(fā)優(yōu)勢，技術(shù)趨于成熟。而 LTE-V2X 作為一種基于LTE演進(jìn)的車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，則具備后發(fā)優(yōu)勢。DSRC和C-V2X 的對比如表1所示。本文將重點討論蜂窩車聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技

5、術(shù)和部署方案。表1 DSRC與C-V2X技術(shù)對比表對比維度DSRCC- V2X成熟度已經(jīng)是標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，美國、 歐洲等國家已提出相關(guān) 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)化過程以及相關(guān)技術(shù) 的開發(fā)還未完成。R14標(biāo)準(zhǔn)（LTE-V）預(yù)計在2017年完 成。基于5G新空口的V2X 通信技術(shù)的研究，預(yù)計在 2020年左右完成標(biāo)準(zhǔn)工作芯片設(shè)計安全性車用半導(dǎo)體必須要能符 合較長使用周期的需求， 芯片設(shè)計應(yīng)支持 ISO26262汽車應(yīng)用環(huán)境 安全標(biāo)準(zhǔn)以LTE消費性硬件打造V2X 功能的客戶，恐怕會遭遇可 靠性問題，手機(jī)芯片設(shè)計不 能保用15年對比維度DSRCC- V2X部署需要安裝新的路側(cè)設(shè)備， 將增加導(dǎo)入成本與時間米用LTE-V能

6、夠整合現(xiàn)有基 站資源，網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣，網(wǎng)絡(luò) 運(yùn)營模式清晰關(guān)鍵指標(biāo)支持車速200km/h ,反應(yīng) 時間100ms數(shù)據(jù)傳輸速 率平均12Mbit/s （最大 27Mbit/s ）,傳輸范圍 1kmI根據(jù)美國交通運(yùn)輸 部的才跆，違反交通信號 燈指示的時延要求是小 于100ms車輛防碰撞指 示的時延要求是小于 20msLTE-V傳輸帶寬最高可擴(kuò)展 至100MHz峰值速率上行 500Mbit/s ,下行 1Gbit/s , 時延用戶面時延w 10ms,控 制面時延w 50m支持車速 500km/h,覆蓋范圍與 LTE 范圍類似。LTE-V-Direct 目前還沒有詳細(xì)的技術(shù)指 標(biāo)。5GeV2雙持速度更高，

7、時延更低政策影響美國交通部推動，2019年可能強(qiáng)制安裝我國中長期看好 LTE-V/5G在車聯(lián)網(wǎng)V2X領(lǐng)域的發(fā)展?jié)?力V2X通信和智能交 通系統(tǒng) 實現(xiàn)的挑戰(zhàn)汽車廠商對于標(biāo)準(zhǔn)的一 致意見，數(shù)據(jù)隱私安全， 跨部門實施有難度汽車廠商對于標(biāo)準(zhǔn)的T 意見，數(shù)據(jù)隱私安全，但跨部門實施有難度2蜂窩車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)2.1 基于PC5和LTE-Uu的V2X通信架構(gòu)C-V2X根據(jù)接口的不同可分為 V2X-Direct和V2X-Cellular兩種通信方式。V2X-Direct通過PC5接口，采用車聯(lián)網(wǎng)專用頻段（如 5.9GHz）,實現(xiàn) 車車、車路、車人之間直接通信，時延較低，支持的移動速度較高，但需要有良好的資源配置

8、及擁塞控制算法。V2X-Cellular則通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)Uu接轉(zhuǎn)發(fā)，采用蜂窩網(wǎng)頻段（如 1.8GHz）,下行采用廣播方式。C-V2X通信的兩種通信模式是互為獨立和補(bǔ)充的。圖1給出了非漫游場景下基于 PC5和LTE-Uu的V2X通信架構(gòu)V2XApplicationServerV1V1圖1非漫游場景下基于PC5和LTE-Uu的V2X通信架構(gòu)2.2 主要網(wǎng)元功能(1) V2X控制功能：每個支持 V2X業(yè)務(wù)的PLMN里只有一個V2X控制 功能邏輯實體，負(fù)責(zé)向UE提供V2X通信必需的參數(shù)。該參數(shù)允許 UE在 指定的PLMN/不在服務(wù)區(qū)使用 V2X業(yè)務(wù)。從V2X應(yīng)用服務(wù)器獲得 V2X USD,UE使用V2X

9、 USD接收基于MBMS的V2X業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。通過查找DNS 可以找到歸屬PLMN中V2X控制功能。(2) V2X應(yīng)用服務(wù)器：通過單播方式從 UE接收上行鏈路數(shù)據(jù)。使用單 播或MBMS方式向目標(biāo)區(qū)域中的UE發(fā)送下行數(shù)據(jù)。（3） 移動性管理實體：除了 3GPP TS 23.401 和 TS 23.246 中定義的移動性管理功能外，在V2X 場景下， MME 需獲取與 V2X 相關(guān)的簽約信息。給E-UTRAN 提供 V2X 業(yè)務(wù)相關(guān)的 UE 授權(quán)狀態(tài)標(biāo)識。（4） 用戶終端（UE ） ： UE 和 V2X 控制功能之間傳送V2X 控制信息，采用PC5或LTE-Uu方式V2X通信，配置V2X通信的參數(shù)。3

10、 蜂窩車聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)C-V2X 的兩種通信模式 V2X-Cellular 和 V2X-Direct ，分別需要兩種關(guān)鍵技術(shù)支持，即廣播服務(wù)（MBMS）技術(shù)和鄰近通信服務(wù)（ProSe）技術(shù)。 以下將針對兩種技術(shù)分別進(jìn)行闡述。3.1 V2X 廣播服務(wù)（ MBMS ）技術(shù)3GPP TS 23.4684定義了 LTE 組通信使能器（GCSE for LTE）。GCS 應(yīng) 用服務(wù)器（GCS AS）使用EPC系統(tǒng)為用戶提供組通信服務(wù)（GCS）。GCS AS 使用EPS和MBMS承載業(yè)務(wù)，在GCS AS和UE之間傳送應(yīng)用信令和數(shù)據(jù)。 在上行方向，UE使用EPS承載業(yè)務(wù)與GCS AS交換應(yīng)用信令。在下行鏈路

11、方向上，GCS AS可以經(jīng)EPS承載業(yè)務(wù)或經(jīng) MBMS承載業(yè)務(wù)。GCS UE使 用應(yīng)用信令注冊GCS AS提供的業(yè)務(wù)，可以參與一個或多個 GCS組。當(dāng)使用 MBMS 承載服務(wù)時， 其廣播服務(wù)區(qū)域可以被預(yù)先配置為由 GCS AS使用。當(dāng)GCS AS確定用于GCS組的UE的數(shù)量在一個區(qū)域內(nèi)（例如在 一個小區(qū)或一個小區(qū)集合內(nèi)）中足夠大時， GCS AS 可以動態(tài)地決定使用 MBMS 承載業(yè)務(wù)。當(dāng)使用MBMS承載業(yè)務(wù)時，GCS AS可以通過單個MBMS廣播承載傳送來自不同 GCS 組的數(shù)據(jù)。通過MBMS 承載傳送的應(yīng)用信令和數(shù)據(jù)對BM-SC和MBMS承載業(yè)務(wù)是透明的。GCS AS通過GCS應(yīng)用信令向U

12、E提 供UE需要通過MBMS承載業(yè)務(wù)接收應(yīng)用數(shù)據(jù)的所有配置信息，并適當(dāng)?shù)?處理該數(shù)據(jù)。當(dāng)GCS UE在其MBMS廣播承載可用的區(qū)域之間移動時， UE通過應(yīng) 用信令通知GCS AS,其從MBMS廣播承載接收改變?yōu)榉墙邮眨粗嗳唬?GCS AS激活或去激活適當(dāng)?shù)南滦袘?yīng)用信令和經(jīng)由 UE個體EPS承載的數(shù)據(jù) 傳輸。為了實現(xiàn)業(yè)務(wù)連續(xù)性，UE可以通過EPS承載和MBMS業(yè)務(wù)來并行 地臨時接收相同的GCS應(yīng)用信令和數(shù)據(jù)。GCS UE應(yīng)用丟棄任何接收到的 應(yīng)用信令或數(shù)據(jù)重復(fù)。LTE多播應(yīng)用于V2X時，如圖2所示。圖2是基于LTE-Uu的V2XMBMS的參考架構(gòu)。V2X應(yīng)用服務(wù)器通過BM-SC管理MBMS服

13、務(wù)相關(guān)信 息，該架構(gòu)支持內(nèi)容提供商和 BM-SC之間的安全框架。V1圖2通過 MB2通信的LTE-Uu MBMS V2X 參考架構(gòu)BM-SC提供MBMS用戶業(yè)務(wù)配置和傳送功能。它可以用作內(nèi)容提供商 MBMS傳輸?shù)娜肟邳c，用于在 PLMN內(nèi)授權(quán)和發(fā)起MBMS承載服務(wù)，并 且可以用于調(diào)度和傳送 MBMS的服務(wù)。BM-SC由會員功能、會話傳輸功能、 代理和運(yùn)輸功能、服務(wù)公告功能、安全功能、用于廣播模式的E-UTRAN中的MBMS的內(nèi)容同步等。除此之外，在 V2X場景下，BM-SC還支持從V2X 應(yīng)用服務(wù)器接收 L.MBMS 信息和發(fā)送L.MBMS 信息給 MBMS-GW 。MBMS GW 功能包括通

14、過 SGi-mb （用戶平面）和 SGmb （控制平面）參考點為使用 MBMS 承載的實體提供接口；將MBMS 用戶面數(shù)據(jù)的 IP 多播通過 M1 參考點分發(fā)到 E-UTRAN 。 在 E-UTRAN 接入的情況下， eNodeB應(yīng)該使用MBMS GW分配的一個IP多播地址（IPv4或IPv6）加入到IP多播分發(fā)中以接收 MBMS 數(shù)據(jù)。 MBMS GW 分配的 IP 多播 地址、 多播 源（ SSM） IP 地址和 C-TEID 一起通過 MME 提供給eNodeB。 MBMS 承載業(yè)務(wù)分配的 C-TEID 基于由 TMGI （Temporary Mobile Group Identity

15、）和流標(biāo)識符唯一標(biāo)識 （僅廣播模式） ， 可以在具有相同服務(wù)區(qū)域和相同 QoS 的另一個有效 MBMS 承載業(yè)務(wù)中重用。在V2X 的應(yīng)用場景下， MBMS-GW 還支持如果可以從BM-SC 接收到 MBMS 信息，則跳過IP 多播 的分配過程。MBMS GW 可以獨立設(shè)置或與BM-SC 或 SGW/PGW 合設(shè)， PLMN 中可以設(shè)置一個或多個MBMS GW 功能實體。在V2X應(yīng)用場景下，GCS AS可合設(shè)于V2X AS中。MB2接口用于V2XAS 和 BM-SC 之間進(jìn)行 MBMS 承載的管理交互。 BM-SC 通過 MB2 參考點通知應(yīng)用服務(wù)器MBMS 承載狀態(tài)的變化； V2X 應(yīng)用服務(wù)器

16、通過MB2 接口申請、激活、去激活、修改MBMS 承載。在一個PLMN 內(nèi)，一個 MBMS會話僅由一個BM-SC 提供給一個V2X AS 。 由 V2X AS 通過 MBMS 承載傳送的數(shù)據(jù)對于 BM-SC 是透明的。 MB2 接口是運(yùn)營商和第三方 V2X AS 間的標(biāo)準(zhǔn)化安全接口。3.2 鄰近通信服務(wù)（ProSe）技術(shù)3GPP TS23.3035t義的鄰近通彳t技術(shù)是用于 UE鄰近時實現(xiàn)直接通信PLMN 中只有一個邏輯ProSe 功能支持鄰近通信。ProSe功能由根據(jù)ProSe功能執(zhí)行不同角色的3個主要子功能組成。(1) 直接配置功能 ( DPF) ： 用于為 UE 提供必要的參數(shù)， 以便使

17、用 ProSe Direct Discovery 和 Prose Direct Communicationo 它用于向 UE 提供允許 UE 在該特定 PLMN 中使用ProSe 的特定參數(shù)的PLMN 。對于用于公共安全的直接通信 DPF 還用于在 UE 不被 E-UTRAN 服務(wù)時為 UE 提供所需的參數(shù)。對于受限的 ProSe Direct Discovery， 它還生成并維護(hù)ProSe Discovery UE ID(PDUID)。(2)直接發(fā)現(xiàn)名稱管理功能：用于開放的 Prose Direct Discovery,分配和 處理ProSe Direct Discovery中使用的ProS

18、e應(yīng)用ID和ProSe應(yīng)用代碼的映 射。它使用存儲在HSS中的ProSe相關(guān)用戶數(shù)據(jù)來進(jìn)行每個發(fā)現(xiàn)請求的授 權(quán)。它還向 UE 提供必要的安全手段，以便保護(hù)通過空中傳輸?shù)陌l(fā)現(xiàn)消息。在受限的ProSe Direct Discovery中，它還通過PC2參考點與應(yīng)用程序服務(wù) 器進(jìn)行交互，以便發(fā)現(xiàn)請求的授權(quán)。(3)EPC級別ProSe發(fā)現(xiàn)功能：具有存儲ProSe相關(guān)用戶數(shù)據(jù)，為EPC 級別ProSe發(fā)現(xiàn)和EPC輔助WLAN直接發(fā)現(xiàn)，通過PC3Xt UE授權(quán)和配置， 存儲已授權(quán)應(yīng)用列表等功能。4 蜂窩車聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的部署選擇4.1 路側(cè)單元(RSU )部署RSU是V2X的重要基礎(chǔ)設(shè)施資源，根據(jù)LTE-P

19、C5和LTE-Uu兩種通信 方式， RSU 部署可以分為以下兩種。(1)RSU通過PC5接口接收V2X消息時，RSU被部署為UE和V2X應(yīng)用的邏輯組合，稱為UE型RSU。(2)RSU通過LTE-Uu接口接收 V2X消息，RSU將包括eNB、并內(nèi)置 L-GW (本地部署的具備S/P-GW功能)和V2X應(yīng)用服務(wù)器，稱為eNB型 RSU。4.2 本地廣播服務(wù)系統(tǒng)部署在MBMS系統(tǒng)中，BM-SC, MBMS-GW 和MME均位于核心網(wǎng)中。在 V2X應(yīng)用場景下，當(dāng)計算端到端時延時，BM-SC和eNB之間的時延是不可 忽略的，特別是當(dāng)使用 MBMS來傳送V2X系統(tǒng)中的下行V2X消息時。為 了最小化時延，在

20、MBMS系統(tǒng)部署時需要考慮以下問題。(1)部署靠近 eNB 的 MBMS CN 功能(包括 BM-SC, MBMS-GW )。(2)部署靠近eNB的MBMS CN功能用戶面(采用BM-SC和MBMS-GW C/U分離架構(gòu))。以上兩個選項在部署時如圖3和圖4所示圖3本地化MBMS系統(tǒng)部署方案示意圖M3S11S5SGi圖4本地化C/U分離架構(gòu)MBMS系統(tǒng)部署方案示意圖C/U分離的MBMS CN功能，其用戶平面應(yīng)實現(xiàn)以下功能。（1）通過MB2-U從V2X應(yīng)用服務(wù)器接收用戶數(shù)據(jù)。將MBMS用戶平面數(shù)據(jù)的IP多播分發(fā)到E-UTRAN （M1參考點）。（3）數(shù)據(jù)同步（對于傳統(tǒng) MBMS機(jī)制中的BM-SC）

21、。（4）專用的MBMS編解碼或前向糾錯方案（可選）。（5） MBMS數(shù)據(jù)加密（可選）。4.3 V2X通信中PC5和LTE-Uu混合部署面對V2X的應(yīng)用場景，PC5直接通信方式和LTE-Uu的廣播通信方式 對于車輛安全駕駛和智能交通系統(tǒng)都是至關(guān)重要的。在實際應(yīng)用中應(yīng)以混 合方式使用V2X通信的兩種操作模式（即 PC5和超過LTE-Uu）。4.3.1 場景1基于PC5的V2X通信與MBMS接收。在該場景中，UE始終通過PC5直接發(fā)送V2X消息進(jìn)行通信。同時UE 通過PC5和MBMS共同接收V2X消息?；驹O(shè)施作為UE時（如RSU）,通過PC5接收V2X消息，通過LTE-Uu 的PDN連接或其它類型

22、的連接，通過 V1接口（應(yīng)用層接口）將應(yīng)用層處理的V2X消息轉(zhuǎn)發(fā)到V2X AS。V2X AS處理的V2X消息可以根據(jù)需要通 過MBMS系統(tǒng)分發(fā)給UE。這種方式的優(yōu)勢是UE可以從鄰近的其他UE直接接收V2V消息。此 外，在這種操作模式中，移動網(wǎng)絡(luò)可以提供來自更廣闊范圍的信息，并且 滿足對現(xiàn)場感知情景的軟安全性的需要，還能夠?qū)崿F(xiàn)更先進(jìn)的輔助駕駛應(yīng) 用。這種組合的信息源在高密度場景下特別有用，因為UE可能無法可靠地通過PC5直接從遠(yuǎn)端UE接收到所有V2X消息。4.3.2場景2無需部署MBMS服務(wù)，同時基于LTE-Uu和基于PC5進(jìn)行V2X通信。在該場景下，UE經(jīng)由PC5與包括UE型RSU在內(nèi)的其他U

23、E進(jìn)行通 信，用于V2X消息的發(fā)送和接收。UE型的RSU可以通過LTE-Uu與移動 網(wǎng)絡(luò)中的V2X應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行通信，并按需用于管理超出直接PC5通信范 圍的V2X消息的通信。此場景下通過使用基于 PC5和LTE-Uu的V2X通 信的混合通信方式，不需要在下行鏈路上部署 MBMS廣播服務(wù)。圖5 UE型RSU通過LTE-Uu和PC5方式進(jìn)行V2X通信場景示意圖圖5中，作為UE的RSU為車輛交通基礎(chǔ)設(shè)施提供足夠的覆蓋。UE和UE型RSU被配置通過PC5進(jìn)行V2X通信，UE型RSU可以與V2X應(yīng) 用服務(wù)器進(jìn)行通信。UE型RSU通過PC5從其他UE接收V2X消息，部署 在 RSU 的 V2X 應(yīng)用決定

24、是否需要通過LTE-Uu 連接將消息路由到 V2X 應(yīng)用服務(wù)器，例如當(dāng)目標(biāo)區(qū)域大于PC5上的V2X通信范圍時。V2X應(yīng)用服務(wù) 器確定目標(biāo)區(qū)域和需要分發(fā) V2X 消息的區(qū)域的大小。 V2X 應(yīng)用服務(wù)器可以 與其它 V2X 應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行協(xié)調(diào)和通信，以確定目標(biāo)區(qū)域的目標(biāo)區(qū)域和V2X 消息的分發(fā)。 V2X 應(yīng)用服務(wù)器將下行鏈路的 V2X 消息通過 LTE-Uu 發(fā) 送到目標(biāo)分配區(qū)域中的RSU。 RSU 通過 PC5 使用 V2X 通信廣播接收到的V2X消息。該區(qū)域內(nèi)的UE通過PC5接收RSU廣播的V2X消息。以這種方式，UE,例如車輛UE只需要通過PC5在V2V/V2P服務(wù)的操作模式下運(yùn)行。只有實現(xiàn)為 RSU的UE才能通過PC5和LTE-Uu同時進(jìn)行 V2X通信的混合模式?；赑C5和基于LTE-Uu的V2X通信的這種組合在 用戶可能不能夠經(jīng)由PC5直接從遠(yuǎn)端UE接收V2X消息的用例中也是有用 的。此外，UE類型的RSU可以使用SIPTO連接進(jìn)行與本地