V2X介绍

什么是车联网

车内网络

是基于CAN、LIN、FlexRay、MOST、以太网等总线技术建立的标准化整车网络，实现车内各电器、电子单元间的状态信息和控制信号在车内网上的传输，使车辆具有状态感知、故障诊断和智能控制等功能。车载网络总线结构如下图：

车际网络

也称车载自组织网络VehicularAdhoc Networks VANET是指在交通环境中，以车辆、路侧单元以及行人为节点而构成的开放式移动自组织网络。它通过结合全球定位系统及无线通信技术，如无线局域网、蜂窝网络等，建立无线多跳连接，为处于高速移动状态的车辆提供高速率的数据接入服务，以实现V2X之间的信息交互。车载自组织网络结构如下图：

车联网包括V2V，V2I，V2P，V2N和V2X。这些字母到底是什么意思呢？其中V就代表汽车Vehicle，代表汽车自己，2就是to了，这个在英文简略词中经常用到，比如B2B/B2C等等；后面的字母就是汽车需要传递信息的对象了。

V2V

就是Vehicle to Vehicle，表示车与车之间的无线通信，这样汽车在行驶的过程中就可以和周围的汽车感知信息，提前预防风险，并通知驾驶员来做出避让措施。这项功能在现在很多家用汽车中都有应用，主要采用毫米波雷达或者摄像头来检测安全风险。

V2V的工作原理如下图：

V2I

这里的I就是Infrastructure，是指车与道路基础设施的通信，比如说路上的信号灯，摄像头等检测设备，以及车道标志等交通标志进行通信。有了这项功能，再也不用担心压线和闯红灯了，同时也可以减少视线不好的时候交通事故的概率，提高行驶的安全性。现在高德地图显示的红灯倒计时功能，也算是V2I的一种。

V2I的工作原理如下图：

V2P

这里的P就是Person，指人车之间的通信。当我们坐在车里的时候，人与车之间的通信就开始了，码表显示的速度，汽油量，以及车门报警等等，都涉及到人与车信息的交流。这种人车交流也是至关重要的，就像一个朋友所说的，上车之后，他的腿就是油门和刹车，手就是方向盘，而且时刻眼观六路，耳听八方。除了车与驾驶人之间的通信之外，还包括车与路上行人的通信，汽车如何预判行人的前进方向，而做出必要的安全措施，这个对于道路交通安全来说也是很重要的课题。

V2N

这个N就是Network了，包括车辆可以链接到数据中兴或者控制中心，通过控制中心对车辆形式进行控制。

V2X

显然，这些都还不能包含所有的车辆通信，所以就有了这个V2X，X代表Everything，车联万物的概念就出来了，即车与所有事务的通信，包括V2V，V2I，V2P和V2N等等。通过V2X的技术实现，来实现人工驾驶和自动驾驶的安全性。作为智能网联汽车中的信息交互关键技术，主要用于实现车间信息共享与协同控制的通信保障。
在未来的自动驾驶应用中，V2X通信技术是实现环境感知的重要技术之一，与传统车载激光雷达、毫米波雷达、摄像头、超声波等车载感知设备优势互补，为自动驾驶汽车提供雷达无法实现的超视距和复杂环境感知能力。

车联网标准

目前来说，V2X主要有两大通信标准——DSRC和 C-V2X。其中DSRC是基于IEEE802.11家族的802.11p为标准的短距离无线通信系统；而C-V2X则是基于蜂窝通信网络而建立的车联网系统，从早期的LTE-V2X，到现在的5G-V2X。

DSRC

DSRC，Dedicated Short-Range Communications，即专用短距离通信。
DSRC是基于美国电气电子工程师协会(IEEE)，在IEEE802.11 的Wi-Fi技术基础上改进制定的IEEE802.11p标准和IEEE1609标准的V2V和V2I通信协议，是比较成熟、高效的无线通信系统技术，其能够在车辆和周围基础设施之间实现高度安全、高速的直接通信，而不涉及任何蜂窝基础设施。它是智能交通系统的重要基础之一，目前已被欧洲、日本等国汽车制造企业采用并完善。我国在高速公不停车收费设备(ETC)也采用该项技术。
IEEE 802.11p是对IEEE 802.11标准的修正，其定义了支持智能交通系统（ITS）应用的增强。
DSRC工作在是5.9 GHz（5.85-5.925 GHz）频段，包含了7个10MHz的信道和在最底部预留一个5MHz的保护间隔，并指定了每个信道是服务信道（Service Channel ,SCH）还是控制信道（Control Channel, CCH）。
DSRC通信在5.9GHz附近的频段上，专门将车与车、车与道路基础设施有机连接，实现在数百米的范围内对高速行驶的车辆进行识别和双向通信，提供实时图像、语音和数据信息传输，保证通信链路的低时延和低干扰以及系统的可靠性。例如DSRC在有效通信距离范围内，本车辆通过DSRC以10Hz的频率，向路上其他车辆发送位置、车速、方向等信息；同时本车辆还能收到其他车辆所发出的信号，在必要时(例如马路转角有车辆驶出，或前方车辆突然紧急刹车，变换车道的情况发生)车内信号装置会以闪烁、语音提醒或座椅、方向盘振动等方式提醒驾驶员注意，采取必要安全措施，如下图? 专用短程通信(DSRC)在V2X通信的应用? 所示：

DSRC系统结构主要由三部分组成，如图 ?专用短程通信(DSRC)系统结构组成 ?所示：

分别是车载单元(on Board unit，OBU)、路侧单元(road-side unit，RSU)、专用通信链路。OBU安装在车辆上的嵌入式车载通信单元内，它通过专用的通信链路依照通信协议的规定与RSU进行信息交互。RSU是安装在指定地点(如车道旁边、车道上方等)固定的通信设备，与不同OBU进行实时高效的通信，并通过有线光纤的方式接入移动互联网设备，与云端智能交通(ITS)平台进行数据交互。

专用通信链路是OBU和RSU保持信息交互的通道，它由两部分组成：下行链路和上行链路。RSU到OBU的通信应用为下行链路，主要实现RSU向OBU写入信息的功能。

上行链路是从OBU到RSU的通信，主要实现RSU读取OBU的信息，完成车辆状态的自主识别功能。因此在DSRC的架构中需要部署大量的RSU才能较好地满足业务需要，建设投资较大。

C-V2X

DSRC这种短距无线通信具有低延时，高速率的通信，并且无需连入蜂窝网络，但是这种基于Wi-Fi技术的DSRC性能存在局限性——Wi-Fi难以支持高速移动场景，移动速度一旦提高，DSRC信号就开始骤降、可靠性差、时延抖动较大，所以很长一段时间DSRC的性能不稳定，一直处于测试阶段。因此呢，又发展出了C-V2X，C就是 Cellular 的首字母，C-V2X也就是基于蜂窝通信的车联网。
C-V2X通信是基于3G/4G/5G等蜂窝网通信技术演进形成的车用无线通信技术，包含基于4G网络的LTE-V2X系统以及未来5G资源的5G-V2X系统，借助已存在的LTE网络设施来实现V2V、V2I、V2P、V2N的信息交互，适应于更复杂的安全应用场景，满足低时延高可靠性和带宽要求。
①LTE-V2X技术
LTE—V (Long Term Evolution—Vehicle，长期演进，V2X)是我国具有自主知识产权的V2X技术，是基于TD．LTE(Time Division—Long Term Evolution，分时长期演进)的ITS(Intelligent Transport System，智能交通系统)系统解决方案，属于LTE后续演进生态系统的重要应用分支。
②LTE-V2X协议架构与组成
LTE-V2X标准协议架构由三部分组成，包括物理层、数据链路层、应用层。物理层是LTE-V2X系统的底层协议，主要提供帧传输控制服务和信道的激活、失效服务，定时收发及同步功能。
数据链路层负责信息的可靠传输，提供差错和流量控制，对上层提供无差错的链路链接。应用层基于数据链路层提供的服务，实现通信初始化和释放程序、广播服务、远程应用等相关操作。
LTE-V2X系统设备组成包含了UE(User Equipment，用户终端)、RSU(Road Side Uni，路侧单元)、和基站三部分，具体组成如图 ?LTE—V2X通信系统的组成 ?所示：

UE包含了车载设备、个人用户便携设备等。RSU处于基站和UE之间，承担着V2I的数据通信任务。基站是承担了LTE-V2X系统的无线接入控制功能的设备，主要完成无线接入功能，包括管理空中接口、用户资源分配、接入控制、移动性控制等无线资源管理功能。GPS信号则通过卫星地面站与基站进行通信。
③LTE-V2X主要技术指标分析
V2X技术影响用户体验的主要系统指标有延时时间、可靠性、数据速率、通信覆盖范围移动性、用户密度、安全性等。其相关指标有安全类时延≤20ms，非安全类时延≤100ms，峰值速率上行500Mbps、下行1Gbps，支持车速280km/h，在后续演进5G版本中提升至500km/h，可靠性几乎为100%，覆盖范围与LTE范围相当。
④LTE-V2X通信方式
LTE-V2X系统的通信方式采用了“广域集中式蜂窝通信”(LTE-V-Cell蜂窝)和“短程分布式直通通信”(LTE-VDirect直通)两种技术方案。分别对应LTE-Uu(UTRAN-UE，接入网-用户终端)和PC5(ProSeDirectCommunication，ProSe直接通信)接口。
广域集中式蜂窝通信(Uu接口)技术是基于现有蜂窝技术的扩展，主要承载传统的车联网远程业务，满足终端与V2X应用服务器间大数据量传输要求，如图 基于Uu接口的V2V和V2I通信?所示：

短程分布式直通通信(PC5接口)技术引入LTED2D(Device-to-Device，端-端)，绕过RSU进行V2V、V2I直接通信，主要承载了车辆主动安全业务，如图 基于PC5接口的终端直通的V2V通信 所示：

因此LTE-V-Direct具有低时延、通信容量大和无需网络设备(基站或路边设施)即可工作的优点。上述通信方式的多样性，不仅减少了网络节点，降低了系统的复杂程度，而且还提高了系统通信的低时延性和高可靠性，也降低了网络部署和维护成本。

C-V2X与DSRC的比较

DSRC（dedicated short range communication)标准由IEEE（美国电气电子工程师学会）基于WIFI制定，标准化流程开始于2004年。通过OBU与RSU提供车间与车路间信息的双向传输，RSU再透过光纤或行动网络将交通信息传送至后端智能运输系统平台（ITS）。
DSRC系统包含：
车载单元（On Board Unit，OBU）
路侧单元（Road Site Unit，RSU）

C-V2X（cellular vehicle to everything):基于蜂窝移动通信系统的技术，分为LTE-V2X和5G NR-V2X。
OBU
RSU
UU接口：OBU/RSU与基站之间的接口，实现与移动网络通信
PC5接口：C-V2X的底层直连蜂窝通信协议

作为车联网的V2X无线通信技术，虽然DSRC(IEEE802.11p)有先发优势，但是C-V2X以蜂窝技术作为基础，通过增强的接入层，应对当前和未来智能交通系统的应用。尤其C-V2X的多种通信模式，可以利用现有的蜂窝网络基础设施提供大容量的数据传输和低时延的广域通信，这样就为交通道路安全借助强大的云端处理能力和边缘计算的保驾护航途径。例如C-V2X在性能改进上的体现，通过仿真比较了汽车分别采用LTE-V2X和DSRC时的最大容许刹车反应距离/时间(即汽车感知到前方危险后司机拥有的反应距离/时间)。如图所示结果显示，相比于DSRC，LTE-V2X技术能够让司机在更远距离的位置感知危险并开始刹车，也就是司机拥有更长的刹车反应时间。

如??C-V2X和DSRC(IEEE802.11p)传输距离比较? 所示：

例子是汽车以140km/h速度行驶的时候，采用LTE-V2X的汽车比采用DSRC技术的汽车拥有额外的5.9s(9.2s～3.3s)来决定是否刹车。
此外，C-V2X的直接通信技术在ITS频谱(5.9GHz)下操作，以确保直接安全通信的匿名性和蜂网络覆盖区域外的直通需求。从产业化进程而言，C-V2X正在逐步缩小与DSRC(IEEE802.11p)之间的差距。尤其在网络建设和维护方面，尽管DSRC可利用现有的Wi-Fi基础进行产业布局，由于Wi-Fi接入点未达到蜂窝网络的广覆盖和高业务质量，不仅DSRC的新建路侧单元需要大量投资进行部署，而且DSRCV2X通信安全相关设备、安全机制维护需要新投入资金。而C-V2X可以利用现有LTE商用网络中的基站等安全设备进行升级扩展，支持安全证书的更新以及路侧单元的日常维护。
另外，目前国内在DSRC系列技术和产业方面缺乏核心知识产权和产业基础。而基于我国自主研发的4GTD-LTE移动通信技术标准，C-V2X技术拥有核心自主知识产权，可以打破国外产业在V2X通信技术垄断，减少在知识产权方面的限制。整个C-V2X预期发展的关键时间节点如图 ?LTE—V2X发展预期 所示：