一文读懂蜂窝车联网 C-V2X

▉ V2X 是什么

V2X，即 vehicle to everything，车联万物。

简单来说，就是赋予车辆通信能力，通过 V2V（车对车）、V2P（车对行人）、V2I（车对基础设施）、V2N（车对网络），让驾乘体验更加舒适，交通环境更加安全，使能未来的自动驾驶。

来源 : Rohde & Schwarz

相信很多开车人都有这样的体会：行驶在一条道路，连续好几个路口都遇到红灯，一路走走停停，不仅浪费时间，而且特别耗油。有时候，明明前方一辆车也没有，却还要傻等红灯变绿。你一定会想，如果交通灯也有眼睛和大脑，那该多好啊！

其实，利用 V2I（车对基础设施）、V2N（车对网络）技术，就可以掌控全局的交通流量，大幅缩减等待时间，从而实现 “绿灯畅行”。

再举一个例子，你平时在开车的时候，有没有遇到过突然窜出的行人或者电瓶车，被他们吓个半死？

这个时候，V2P（车对行人）技术就可以派上用场了。它能够在非视距情况下，捕捉周围环境的信息，让我们拥有 “上帝视角”，对潜在威胁进行提前准备。

来源 : KEYSIGHT

实际上，我们应该把 V2X 技术理解为高级驾驶辅助系统（ADAS）的一部分。V2X 和其它多种多样的传感器（如摄像头，激光雷达等）相辅相成，共同辅助完成高级别的自动驾驶。

从理论上来说，单车（例如 Google 的自动驾驶汽车）不计成本地堆砌传感器，也能完成自动驾驶。

但是，缺少了 V2X 的自动驾驶汽车，就好像是一座信息孤岛。它没办法有效地和周围车辆或者基础设施进行沟通交流，在感知和决策上存在极大的限制。

▉ 两种方案（DSRC vs C-V2X）对比

目前，国际上有两套主流的 V2X 通信技术规范，它们分别是：

DSRC（专用短距离无线通信）：基于 IEEE 802.11p，欧洲的 ITS-G5 同样是基于该物理层技术，我们在这里只讨论 DSRC 即可

C-V2X（蜂窝车联网）：基于 3GPP LTE

来源 : KEYSIGHT

DSRC 已经存在很多年了，因为存在一些先天的不足，发展过程并不顺利。相比之下，3GPP 的 C-V2X 有很多优势，所以这几年发展很快。

我们不妨从各个角度来比较一下这两种技术方案：

首先，从技术角度来看。

5GAA（5G 汽车联盟）针对 DSRC 和 C-V2X，在实验室及外场进行了试验对比。结果证实，C-V2X 在很多方面的性能，都要优于 DSRC。比如，C-V2X 支持更远的通信距离、更佳的非视距性能、更强的可靠性、更高的容量和更佳的拥塞控制等。（详细的测试报告请参考文末附件）

来源 : 5GAA 测试报告 P-190033

其次，再从成本和标准化的角度来看。

在这两方面，C-V2X 也有一些显著的优势：

C-V2X 基于蜂窝网络，与目前的 4G 和 5G 网络可以复用，网络覆盖范围广，部署成本较低。相反，基于 802.11p 的 DSRC 技术，在组网时需要新建更大量的路侧单元 RSU，部署成本很高

C-V2X 基于 3GPP 标准，全球范围内具备更佳的兼容性

C-V2X 演进路线非常清晰，且后向兼容（LTE C-V2X  NR C-V2X）

来源 : Qualcomm

最后，从政策支持的角度来看。

在这方面，C-V2X 也有后来居上之势：

美国之前一直支持 DSRC，但是最近的态度开始有所转变，偏向 C-V2X。美国联邦通信委员会 FCC 最近针对 5.9GHz 的重新分配进行了投票，结果，划了 20MHz 给 C-V2X 专用

欧洲的态度比较纠结，DSRC 和 C-V2X 两种技术都表示支持

中国拥有全球最大的 LTE 网络，综合考虑应用价值、成本、性能、专利、政策、产业成熟度等各方面因素，C-V2X 无疑是我国 V2X 技术路线的首选。频谱方面，划定了 20MHz 给 C-V2X 专用

▉ C-V2X 的 3GPP 标准化进展

C-V2X 未来能否走向成功，仅靠通信行业的支持是不够的。它还需要来自汽车行业代表的有力支持。

2016 年 9 月，5GAA 联盟成立，截至目前已有一百多名汽车和通信行业代表参与其中，共同推进全球 C-V2X 的开发部署。

针对 C-V2X，3GPP 采取了分阶段迭代的发展策略：

第一阶段，是 LTE-V2X （R14）和 LTE-eV2X （R15），主要是针对 V2X 进行安全增强

第二阶段，是 NR-V2X （R16 及其演进版本）, 聚焦自动驾驶场景

来源 : KEYSIGHT

R16 已经支持车辆编队、高级驾驶、外延传感、远程驾驶等场景。

来源 : 3GPP TS 22.186

笔者预计，与 LTE-V2X 类似，NR-V2X 也将经历至少两个版本（甚至更多）的演进和迭代。当前 3GPP 已经启动了 R17 技术标准的研究工作，初步规划了 R17 的主要增强技术，继续对现有版本进行演进。

来源 : 3GPP 官网

▉ C-V2X 的关键技术

首先从架构的角度看。非漫游场景下，5G 支持 V2X 的架构如下图所示：

来源 : 3GPP TS 23.287

笔者认为，MEC 将会是 V2X 很重要的一个关注点（并没有在架构图中直接画出）。

根据 Intel 的研究报告，2020 年，一辆自动驾驶汽车每天将使用 4000GB 的数据。相比之下，一个互联网用户每天使用的数据大约是 1.5GB。车辆和道路的数量庞大且复杂，加之传感器数量的增加，由此会带来的大数据处理和存储的难题。

MEC 是解决这一难题的有效手段。借助 MEC 技术，很多服务可以部署到更加靠近车辆和道路等数据源的地方，节省网络资源并降低延迟。

接下来，我们从接口的角度看。

常常有人会问：“在没有网络覆盖的条件下，C-V2X 如何工作？”

前面的架构图告诉我们，即使是在没有 4G/5G 网络覆盖的环境下，C-V2X 还是可以利用 PC5 接口进行彼此通信的。

Uu 接口主要是用来实现时延不敏感业务，进行信息共享和提前预测。

PC5 接口主要是用来实现低时延的业务，提高非视距条件下的可靠性。

来源 : Qualcomm

PC5 接口进一步区分为两种工作模式：

模式 3：借助基站，通过控制信令接口 Uu 实现 V2V 数据的调度和接口管理。在这种情况下，采用动态的方式进行资源的调度，车车间采用 PC5 接口通信。

模式 4：V2V 数据调度和接口的管理是基于车车间的分布算法实现。

来源 : Rohde & Schwarz

再从协议栈的角度来看。

基于 PC5 接口的协议栈，如下所示（基于 Uu 接口的协议栈和传统的 5G 协议栈一样，这里不再赘述）：

来源 : Qualcomm

3GPP 定义了其中的 PHY 和 MAC 层，完全重用 DSRC 既有的高层协议规范（它们由 SAT 和 IEEE 制定）。这就意味着，用户从 DSRC 迁移到 C-V2X 的成本会相对较低。

最后，我们来简单了解一下最新的 NR-V2X 在物理层和协议层方面做了哪些提升（3GPP TR 38.885 的第 5、6 章节有较为详细的描述。备注 : 协议规范中通常使用 Sidelink 这个词来描述 PC5 所承担的具体功能 , 简称 SL），这里仅针对 PC5 的提升方面进行简要说明：

概念上提出了点对点播、组播的概念，之前 PC5 只支持广播

物理层处理方面，SL 的 PSSCH、PSCCH 的资源分配上更规整，便于实现（如下图所示），此外 SL 支持开环功率控制（OLPC）

同步方面，SL 可以使用 S-PSS, S-SSS 完成同步

协议层方面，明确定义 SL 通信有三种模式 : RRC 连接模式（RRC_CONNECTED）、空闲模式（RRC_IDLE）和未激活模式（NR 情况下）（RRC_INACTIVE）。在空闲或未激活模式下 UE 的 SL 通信是通过 SIB 消息里的小区配置信息来完成的。

▉ 结语

目前，全球的 C-V2X 试验案例正在不断增加。

围绕 C-V2X 的通信芯片、模组、终端、整车制造、测试验证、运营服务、高精度定位和地图服务等上下游厂商，都在积极进行布局，希望抢占市场先机。

行业普遍认为，基于 C-V2X 的车联网，很可能成为 5G 时代最先成功的垂直行业应用场景。

来源 : IMT-2020 推进组 C-V2X 白皮书

在我们国家，政府层面非常鼓励包括 C-V2X 在内的车联网技术的发展。工信部、发改委、交通部、公安部、科技部等部委及地方政府，都针对性给出了一些明确的政策支持。

据不完全统计，目前全国已经拥有超过 30 个测试示范区，其中包括上海、北京 - 河北、重庆、无锡（先导区）、杭州 - 桐乡、浙江、武汉、长春、广州、长沙、西安、成都、泰兴、襄阳等 16 个国家级示范区。

这些示范区涵盖了无人驾驶和 V2X 测试场景建设、LTE-V2X/5G 车联网应用、智慧交通技术应用等功能，提供了涉及安全、效率、信息服务、新能源汽车应用以及通信能力等的测试内容。

虽然车联网技术正在飞速发展，我们也仍需意识到，车联网最终目标的实现（包括自动驾驶的落地），是一个漫长的过程。除了技术和资金之外，还涉及到法律和伦理的问题。更重要的是，它是否能获得最终用户的信任和认可，被用户接受。

行业曾经指出，自动驾驶将分为若干个过程，逐步实现：

第一个阶段：辅助驾驶安全和提高交通效率第二个阶段：在封闭园区的（商用车）的自动驾驶第三个阶段：在开放道路的（乘用车）的自动驾驶

来源 : 5GAA 白皮书

总而言之，路漫漫其修远兮，C-V2X 将上下而求索。