智能网联汽车通信系统设计与实现
崔 岳，黄 华，张明星（北京千方科技股份有限公司，北京 100085)
摘要：V2X是智能网联汽车通信系统的核心技术，能够实现车与车、车与人、车与基础设施、车与云的数据互联，通过信息共享从而使车辆能够做出智能决策。本文针对智能网联汽车应用场景要求分析、设计并实现了智能网联汽车的通信系统，为智能网联汽车通信技术应用提供了解决方案。
关键词：V2X；智能网联汽车；LTE-V；DSRC d o I：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2019.02.009
中图分类号：U46，TN92 文献标示码：A 文章编码：1672-7274（2019）02-0031-06
1 引言
1.1 研究背景及意义
随着全球汽车产量、保有量的不断增长，能源、环境、安全以及交通拥堵所带来的问题日益凸显[1]。在这一大背景下，通信、交通、汽车三大产业融合发展，智能化、信息化、低碳化也成为汽车行业公认的发展方向，智能网联汽车既是三大产业的融合产物，也是汽车产业自身“三化”发展的重要产品。汽车是交通的一部分，对于智能汽车与智慧交通的技术与产业的发展，美、日、欧都已先行一步，纷纷将智能网联汽车与协作式交通系统的发展提升至国家战略高度。在我国，工信部等部委也在积极行动，正在制定智能网联汽车与智慧交通的技术路线图与产业发展战略。
智能网联汽车即是指搭载了先进的车载传感器、控制器、执行器等装置，并融合现代通信与网络技术的新一代汽车，其可实现车与人、车、路、云等智能信息交换、共享，具备复杂环境感知、智能决策、协同控制等功能。V2X （ Vehicle-toeverything）通信技术是智能网联汽车中的关键通
信技术，其能够实现信息共享并且保障协同控制[2]，
自2014年起，V2X技术就成为智能交通领域研究的热点。
1.2 V2X技术研究现状
V2x主要有4个方面，分别是v2v（vehicle-tovehicle，车-车）、v2i（vehicle-to-infrastructure，车-基础设施）、V2n（vehicle-to-network，车-互联网）、V2p（vehicle-to-pedestrian，车-行人）。作者简介：崔 岳，中级工程师，主研领域为智能网联汽车、智能交通、车联网。黄 华，中级工程师，主研领域为车联网、智能网联汽车、交通信息化。张明星，主研领域为物联网、车联网、智能网联汽车、交通信息化。
V2X技术是通过车载通信设备与车、人、基础设
施、网络进行数据传输来实现，其可以收集周围的实时信息到终端，为智能网联汽车提供决策依据。
在目前的V2X领域的研究中，主要有两种技术，分别是专用短程通信技术标准（DSRC ）与基于
4G/5G蜂窝网络的LTE-V技术。
1.2.1 DSRC技术研究现状
DSRC技术的起源可追溯至20世纪90年代，它基于802.11p协议及其延伸和扩展，其应用场景可
以分为安全相关的应用场景和非安全相关的应用
场景[3]。DSRC技术能够在汽车高速移动的情况下
快速识别车辆，并且能够为车与车、车与基础设施提供数据流快速交互的功能，该技术有着传输时
延短，传输速率高的优点。DSRC技术是美国V2X通信技术研究的主要领域，美国通过Safetypilot、Mcity等项目验证了DSRC技术的有效性，并且于2016年12月颁布了V2V通信的NPRM（NOTICES of Proposed Rules Making），其为v2v通信技术的发
展给出了建议[4]。
DSRC技术也存在着缺点，由于使用的是基于CSMA/CA（CARRIER Sense Multiple Access with Collision Detection）的接入技术[5]，当在局部用户
太多的情况下，由于车辆之间的信道接入竞争，会导致系统性能急剧下降，这就会导致不可接受的传
输时延和可靠性。DSRC的商用情景应用也存在着
困难，主要原因在于道路覆盖成本高，并且在车辆离开道路后难以继续取得服务。
1.2.2 LTE-V技术研究现状
LTE-V（LONG Term Evolution-vehicle）是基于4G LTE系统在汽车通信领域的一种演进技术，该技术作为一种基于TD-LTE技术的车际解决方案。目前LTE-V主要有两种工作模式，分别是LTEV-DIRECT和LTE-V-CELL[6]。LTE-V-DIRECT模式采取
车际直接通信，能够满足高可靠性、低时延、车辆
高速运动等车际通信的要求；LTE-V-CELL模式是
以蜂窝网络基站作为信息交换中心的集中式工作模式，通过基站来进行控制协调，这种模式可以满足高可靠性和连续性等通信需求。在实际的应用场
景中，Lte-v-direct技术实现车际通信交流，在车辆避碰的领域中卓有成效，LTE-V-CELL技术可以实
现数据的高速、连续传输。
LTE-V有着支持车速高、数据传输速率高、时延低且传输范围广的优点，而且LTE-V相相对于DSRC技术部署成本更低，并且LTE-V目前可共用4G网络的基站，在未来可以平滑过渡至5G[7]。
2 智能网联汽车通信系统设计
2.1 基于DSRC的车联网通信系统设计
为了满足车路协同系统对低延迟、高可靠通信
网络的需求，设计通信协议框架如图1所示，其中，物理层/MAC层选择802.11P协议，组网技术选择Ad-hoc方式，传输层选择基于non-ip的传输层协
议，由此构成的车路通信系统可以有效地降低通信延迟，保障高速移动、网络拓扑结构频繁变化的车
辆网络质量，为V2X系统提供可靠、稳定、高效的通信服务。在实现V2X通信协议设计后，进行相关协议的嵌入式开发，完成车载单元OBU、路侧单元
RSU等硬件终端设备及其性能测试验证系统的设
计开发。
2.2 基于4G/5G的LTE-V车联网通信系统
目前的无线通信系统，已经可以支持大部分的交通效率和其他商业类应用。作为车联网中的重要场景，自动驾驶特别涉及到驾乘者的生命安全和车辆安全等问题，因此对于无线通信系统提出了更高的性能需求。要满足这些性能需求，需要对现有通信系统进行改进和优化，主要需要解决如下关键问题：
（1）低时延高可靠问题。在车联网中，不同类
型的应用对时延的需求不同。车辆碰撞的风险越高，对时延的要求越苛刻。大多数安全系统的性能依赖于人和设备的反应时间，如果消息到达后人和设备来不及反应，主动安全的性能将无法保障。安全系统对于反应时间有严格要求，一般为毫秒级别。自动驾驶则更进一步，要求系统在不依赖于人
的操控下，车辆本身可以正常行驶并避免碰撞，因此在自动驾驶的碰撞避免类应用中，车辆之间和车辆与基础设施之间的消息分发也必须满足低延时特性
（2 ）高移动性。在车联网场景中，要求支持
高速行驶的场景，相对车速可能达到300km/h。同时，由于可能采用5~6GHZ频段支持车载业务，因此要求系统支持更大的多普勒频率。为了满足高移动性的要求，可以考虑重新设计导频分配、接收机处理等方案，以减轻多普勒频移对系统接收性能的影响。
（3）高传输速率、高容量。车联网车-云协同概念中的“超视距感知”和“移动云计算”能力，要求随
着车辆的移动，可以实时下载高精度3D地图，车辆根据规划路线和实时地图不断修正自身的轨迹。同时，在自动驾驶中，可能会要求以视频的形式使得驾驶者可以实时感知周围不断变化的场景（车辆、人、路面情况等），这些需求对于系统传输速率提出了更高的要求。部署的网络应该具有足够好的覆盖和实时带宽。
在交通事故或交通拥堵情况下，可能会出现大量车载终端同时并发消息传输，造成“消息风暴”，导致无线通信性能严重退化。因此要求系统具有非常高的容量。
可以考虑通过Massive MIMO提升系统传输速率和容量。同时，在高负载情况下，应考虑灵活有效的过载控制机制，以保证系统的稳健性。
（4 ）灵活的网络架构。随着昼夜、特殊时段车辆密度的变化，车联网系统的总通信带宽、所需的空口资源、系统处理容量会随之不断变化，为达到节省资源、节能减排的目的，车联网系统需要支持空口、硬件资源的弹性调配。
同时，车联网通信系统可能基于5G的蜂窝系统频段，或者使用新的专用频段，需要网络架构可以支持多频段的配置和使用。
另外，目前已有的DSRC、WI-FI、3G/4G蜂窝网络都可以支持部分车联网应用。在LTE-V车联网系统中，也需要考虑如何与已有的各种网络进行协作，共同支持自动驾驶的各类业务。
基于LTE的车联网既需要满足超高带宽，超高速度移动以及互联网业务发展的需要，又需要面对层出不穷、变化多样的物联网应用需求。车联网中多样化的应用场景和业务需求对网络架构设计提出很高的的设计要求。
图2为支持车联网应用的网络架构。其中OBU为车载单元，RSU为路边单元。OBU之间的通信为V2V通信；OBU与RSU、OBU与E-UTRAN间的通信为V2I通信。
以下分核心网和接入网两部分进行方案的说明。2.2.1 核心网
为满足车联网的需求，网络需要具备如下横向分层、纵向分域的架构，网络横向包括虚拟资源、虚拟组件、运营管理三个层，纵向包括业务网络域和管理编排域。通讯网络核心网架构如图3所示。
虚拟组件层完成网络连接和移动性管理等功能，类似于传统的网元功能。虚拟组件层实现的基础不再是专用的硬件设备，而是基于网络功能虚拟化（NFV）技术的软硬件解耦后的虚拟资源层。虚拟资源层为虚拟组件提供物理计算/存储/交换资源等基础设施，可分布于多个地理分散的数据中心。
运营管理层完成网络的运营，包括用户/业务签约、计费管理，网络策略的调整，网络能力的开放等。
网络纵向包括业务域和管理编排域。业务域可以是一套公用的网络组件层，也可以是实现不同业务的专用网络切片，如车联网业务网络。管理编排域MANO，负责对整个业务域组件的管理和编排，
包括虚拟组件的分配和调度，性能的检测和弹性伸缩等。
车联网虚拟组件层支持M-MIMO、D2D、多站
点协同等创新的无线技术，以实现车联网需求。可考虑在以下方向进行设计和优化：
（1）NFV/MANO。基于业务场景需求对所需
的网络功能进行灵活的剪裁和组网，对网络资源进行动态分配和调整，并可隔离不同业务场景所需的网络资源，满足未来应用场景下第三方对网络的需求，极大提高用户体验. ；网络自动编排包括网元功能的按需编排，以及业务的按需路由。采用MANO技术，通过网络功能、业务功能的按需创建，实现网络的自动编排（network/service orchestrator）。
（2）控制与转发组件分离。车联网的虚拟组
件实现控制与转发分离后，控制面组件负责车联网终端的鉴权、授权，高速移动和连接管理，转发面组件负责报文的快速转发。两者可以分开部署，如控制面可以相对集中，覆盖大范围地理区域，支持终端高速移动；转发面可以和内容分发网络（CDN）服务器一起分布式下沉，靠近实现快速分
流，以解决高带宽，大吞吐量的传输代价和网络时延问题。
（3）授权及验证机制。支持V2V车辆的授权及认证机制。基于V2V使用设备（UE）的订阅信息，研究NAS层及AS层的鉴权控制机制；支持跨运营商，跨Plmn的vehicle之间的授权，认证，以支持不同Vehicle之间的v2x通信。
2.2.2 接入网
（1）考虑引入RSU （ Road Side Unit）以实
现V2I通信。研究UE作为RSU以及ENB （Evolved Node B）作为RSU对网络架构的影响。如图4和5所示，当UE充当RSU时尽可能复用现有3GPP系统D2D通信的设计，并对其进行时延，可靠性以及高
速移动的优化。
考虑现有网元Prose Function的改进，实现V2V Function，用于支持基于d2d的功能，以支持基于PC5接口的V2V业务。研究RSU的具体实现方式对物理层设计的影响，包括Ue形态rsu，small CELL形态RSU及ENB形态RSU。
（2）引入MEC （mobile edge computer）网元。该技术类似于LIPA，可以实现低时延的ENB转发。MEC网元相当于与下沉的核心网。简单地说，
引入MEC，可以支持低时延的网络转发，用于实现RAN全会立项SID中，所要求的基于通用用户接口（UU）接口的V2V业务。
（3）RSU识别及选择机制。如果V2V UE监听到多个RSU，则需要设计RSU选择及重选机制，使
得V2V UE可以接入到最合适的RSU。
（4）考虑节电机制，设计绿色环保的RSU以及vehicle。如只有当vehicle UE发现周围有RSU UE的存在，且该Rsu支持vehicle UE感兴趣的APP type，则vehicle UE开始监听RSU发送数据的D2D通信资源池，否则vehicle UE不需要发送V2I消息。此外还可以根据附近是否有Vehicle UE的检测判断何时开启以及关闭RSU功能，以及基于地理位置信息开启vehicle UE的V2I消息发送以及监听功能。
根据项目研发的需要，支持V2V/V2I通信的车联网设备组网技术还需进行仿真验证，包括宏微小
区模型仿真、分布式无线通信模型仿真、室内环境密集组网无线信道模型仿真及室内MIMO信道传播特性仿真等，需要完成计算机分布式仿真集群实验系统的搭建，如图6所示：
3 V2X车载终端与路侧终端设备研制
3.1 设备硬件设计
车载终端与路侧终端设备采用成熟的工业级硬件架构，选择基于精简指令集RICS的ARM微处理器的平台架构，集成CAN总线接口，接入GPS/北斗定位、DSRC与LTE-V通信模块、TCP/IP模块等。硬件架构图如图7所示：
具体的功能模块包括如下几个部分： （1） CAN总线数据采集模块。采用OBD接口
与车辆内部CAN网络进行连接。此模块可以周期
或事件性的获取车辆的总线数据，并且传递给主处理模块进行解析处理和分析出有效信息，包括车辆的状态或者故障信息等。这些数据会作为主动安全预警应用中本车数据的一部分信息来源。
（2）GNSS定位模块。包括普通导航级定位模
块和高精度定位模块，其中高精度定位模块支持
D-GPS技术，可以将车辆的定位精度精确到1M以内，实现车道级的定位。此模块定位的结果数据包括但不限于经度、经度精度、纬度、纬度精度、海拔、海拔精度、航向、航向精度等，这部分的信息会作为主动安全预警应用中本车数据的另外一部分信息来源。
（3）短程通信模块。支持通信标准的射频收
发芯片和基带处理芯片，辅以相应的外围电路。本车可以从空中接口中接收报文，该报文中携带周围的车辆的位置信息、速度信息、加速度信息、车辆故障状态等，或者携带路侧设备信息的红绿灯状态和剩余时间信息、限速标志、限高标志等，这些信息经过协议栈的解析和处理，在主动安全预警算法中作为周围环境信息的主要来源。
（4）主处理模块。采用ARM的微处理器芯片，
具有信息的处理、危险情况的判断、预警等级的决
策等功能。此模块综合考虑本车CAN数据、本车
GNSS数据、DSRC获取来的周围车辆信息以及路
侧设备信息，判断现在车辆是否具有驾驶的危险，然后根据危险的严重程度，通过预警模块进行声音和图像预警等。
（5）预警模块。包括声音和图像预警两部分。
包括移动预警模块和产品内嵌预警模块两种。其中
移动预警模块包括手机、Pad等设备搭载的app程
序，通过Wi-fi与主处理模块进行通信，用于接收
从主处理模块发送来的预警信息，并经过解析，最
终以合理的HMI进行图像预警和声音提醒。
（6）人机交互。在软硬件基础架构的平台上完
成已经实现的各种应用程序和统一的人机交互界面设计。
（7 ）远程通信模块。采用4G模块作为和云端
服务器的通信接口，可以满足云端和车辆的远程通信功能。
3.2 嵌入式软件设计
嵌入式操作系统采用Linux + Android的技术路线，内核驱动采用C/汇编实现，底层协议栈和应用层软件，用Linux C++实现，人机交互界面采用Android实现。用c++编写底层软件，可以保证系统的运行效率，用Android开发上层软件，可以利用丰富的外设驱动库与GUI开发库，便捷人机交互界面
的实现，增加产品的表现力。嵌入式软件的技术架
构图8所示：
针对系统内核的驱动需要用C++/汇编语言编写，通讯协议栈和网络应用层用C++语言编写，应用软件采用Android实现。
4 结束语
智能网联汽车是智能交通系统的关键环节，其通信系统是实现车与X（车、人、路、云）
智能信息交换的关键。本文根据智能网联汽车通信的应用需求，设计并实现了
基于V2X的智能网联汽车通信系统，本系统将DSRC和LTE-V技术相结合，在
V2X技术的应用上更进一步，加快了智
慧交通关键技术与产品的产业化。■
参考文献
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