為了使我們的道路和高速公路有機會達成零事故的目標，智能交通系統(tǒng)需要以最低的延遲共享交通信息。人類駕駛員與當今現代化的汽車安全系統(tǒng)相搭配，已經讓死于交通事故的人數達到歷史新低，其中 2001 年至 2017 年間，歐盟的交通事故死亡人數下降了 57.5%1。盡管因車流量較大且交通事故所引發(fā)的負面?zhèn)鞑ポ^廣，高速公路上發(fā)生的車輛事故會更容易受到關注，但實際上農村道路和城市地區(qū)(分別為 55% 和 37%)才是事故多發(fā)地。然而，無論駕駛員的技術多優(yōu)秀，但糟糕的視野條件、復雜的交通狀況和視線盲區(qū)依然是最棘手的挑戰(zhàn)。

全球范圍內開發(fā)和推廣了一系列合作式智能交通系統(tǒng) (C-ITS)。這些技術旨在實現感知的共享，讓道路使用者能夠注意到原本看不到的狀況。很明顯，這種技術需要依靠無線和移動通信才能發(fā)揮作用。此外，該技術還需要考慮到其他道路使用者，如行人和騎車人，他們也會出現在道路中。更重要的是，不是所有的區(qū)域都已經充分覆蓋有無線和移動基礎設施，在這樣的情況下 C-ITS 用戶應該如何相互通信？

利用現有的移動通信技術提高安全性

自 2017 年以來，3GPP-LTE 第 14 版移動通信標準中引入了一系列特性。這些特性統(tǒng)稱為蜂窩車聯(lián)網服務 (C-V2X)，描述了如何將現有的 LTE 蜂窩網絡應用于 C-ITS。技術規(guī)范組 (TSG) 所負責開展的工作將應用分為三類：道路安全、交通效率和其他應用。

對這些應用類別進行分析有助于理解 C-V2X 所需的技術要求，進而提供支持。例如，道路安全包括前向碰撞預警或緊急車輛預警等應用場景，需要較高的服務可用性、傳輸可靠性和低延遲性。交通效率則會促進實現諸如綠燈最優(yōu)速度建議 (GLOSA) 等功能，對數據量傳輸的要求較低。其他潛在的應用包括自動泊車、空閑停車位信息共享或汽車 OEM廠商為客戶提供的專有服務。此時經過認證的提供商就需要根據某些特性來建立應用服務器，以處理 C-V2X 數據請求并做出響應。

通過車對網絡 (V2N) 通信方式采用現有的 LTE 蜂窩網絡與此類應用服務器進行通信具有明顯的優(yōu)勢(圖 1)。交通狀況的數據采集工作由專為該用途而設計的路側單元 (RSU) 進行處理，也可以由車對基礎設施服務 (V2I) 通過 LTE 分享數據。

然而，通過蜂窩網絡傳遞數據而產生的相應延遲會對高速移動的道路用戶造成不便，還要充分考慮 LTE 覆蓋范圍有限或沒有覆蓋的情況，例如隧道或農村地區(qū)。因此，對于車輛之間(車對車，V2V)和車對行人 (V2P) 使用場景下的通信，以及某些 V2I 應用，即使在沒有蜂窩網絡支持的情況下也必須能夠進行通信。此外，與道路安全有關的數據接收和傳輸還不能局限于特定的移動網絡運營商。C-V2X 實現這一要求的方式在于，允許在沒訂購移動網絡運營商服務的情況下進行數據傳輸。

圖 1:LTE V2X 定義了四種通信服務

3GPP-LTE 第 14 版采用 PC5 接口處理直連 V2V、V2I 和 V2P 通信。此類場景無需任何移動網絡基礎設施的支持，在蜂窩網絡覆蓋范圍內外均可正常運行：

C-V2X 場景的同步處理

在有網絡覆蓋的情況下，當配備了 C-V2X 的車輛通過蜂窩網絡進行通信時，就能夠將時鐘與LTE基站 (eNB) 進行同步(圖 2)。這一功能對于最大程度降低時分多址 (TDMA) 和頻分多址 (FDMA) 系統(tǒng)中的碼間干擾 (ISI) 至關重要。如果無法接入 eNB，網絡覆蓋范圍外的通信就需要另一種同步機制。

在這種情況下，該標準按優(yōu)先順序提供了多種同步源。全球導航衛(wèi)星系統(tǒng) (GNSS) 就是其中的一種同步源，可通過車輛內部系統(tǒng)直接使用，也可通過 V2V 或 V2I 連接到本身使用 GNSS 進行同步的車輛或 RSU 上而間接使用。間接同步還可通過與本身連接到 eNB 的 C-V2X 設備進行連接而實現。如果仍無法實現，車輛還可以相互進行簡單同步。

圖 2:在網絡覆蓋范圍外的場景中，如果要進行時鐘同步，就需要 C-V2X 節(jié)點使用其他同步源，例如通過 eNB 間接同步(圖中上方)、通過 GNSS(圖中左下角)或通過其他 C-V2X 道路用戶進行簡單同步(圖中右下角)。

PC5 的通信協(xié)議和信道

為了保持 PC5 通信，定義了兩個協(xié)議棧。與用戶面相關的協(xié)議棧為 V2X 應用交換用戶數據提供了一種可行的方法，而控制面則提供了傳輸控制數據所需的通信服務(圖 3)。

物理層 (PHY) 利用 10MHz 或 20MHz 帶寬，通過無線頻段 47 中的 5.9GHz 頻率資源傳輸數據。世界各地的監(jiān)管機構已陸續(xù)將 C-ITS 通信列入許可豁免的行列。在中國，只有 C-V2X 技術獲得許可，而歐洲則保持技術中立。美國已經向 FCC 提交了一份請求，申請允許 C-V2X 通過專用短程通信 (DSRC) 在當前使用的頻譜中運行應用。

媒體接入控制 (MAC) 層負責處理數據包的調度和資源的選擇。該層中的分組過濾確保了只有用于該特定 V2X 設備的協(xié)議數據單元可以傳遞到更高層。該層還采用了混合自動重傳請求 (HARQ) 協(xié)議。

無線鏈路控制 (RLC) 層負責處理數據單元的按順序傳送及其分割和重組。最后，分組數據匯聚協(xié)議 (PDCP) 子層負責將 3GPP 無線接入協(xié)議層與 C-ITS 應用相關的協(xié)議層進行分離。從LTE第 14 版開始，對非 IP 數據的支持是支撐 C-ITS 應用的必要前提。

控制面中還有一個額外的無線資源控制 (RRC) 子層，負責處理廣播通信服務。這些服務用于管理通信、配置協(xié)議服務和適配無線參數。

通過一種名為區(qū)域的概念，車輛的經緯度信息就可用于確保接收到的無線電信號保持在可接受的范圍內。這一機制限制了飽和的可能性(稱為遠近效應)，并將信噪比 (SINR) 提高到足以解碼無線信號的程度。

圖 3:用戶面(圖中上方)和控制面(圖中下方)中的協(xié)議棧

MAC 子層為 RLC 子層提供了兩個邏輯通信信道，可用于 C-V2X 通信。其一是直通鏈路廣播控制信道 (SBCCH)，負責處理控制面的消息，其二是直通鏈路業(yè)務信道 (STCH)，負責處理用戶面的消息。這兩個信道會映射到兩個傳輸信道。直通鏈路廣播信道 (SL-BCH) 承載了更高層級的控制數據，并映射到 SBCCH。用戶數據會由直通鏈路共享信道 (SL-SCH) 映射到 STCH。

如果附近有其他 C-V2X 設備以自動資源選擇模式(又稱為傳輸模式 4，即 TM4)運行，就可能導致設備受到干擾。為了解決這一問題，SL-SCH 利用 HARQ 將每一條重新傳輸的用戶數據的作用發(fā)揮到最大。但此功能不會提供給承載 SL-BCH 的控制數據。

在 PHY，上述傳輸層會進一步映射到物理信道，其中 SL-SCH 映射到物理直通鏈路共享信道 (PSSCH)，SL-BCH 映射到物理直通鏈路廣播信道 (PSBCH)。與控制面處理時間和頻率資源分配相關的控制信息通過物理直通鏈路控制信道 (PSCCH) 傳輸。此類控制信息采用了強大的正交相移鍵控 (QPSK) 進行傳輸。相較之下，PSSCH 上的用戶數據則采用 QPSK 和 16 進制正交振幅調制 (16QAM)。

PC5 通信采用的也是 LTE 的通用 1 ms 子幀結構。每個子幀中有 14 個單載波頻分多址 (SC-FDMA) 符號，其中四個子幀用于傳輸解調參考符號 (DMRS)傳輸(圖4)。這些碼元降低了 C-V2X 通信中可能存在的多普勒頻移所帶來的挑戰(zhàn)。

圖 4:1 ms PC5 子幀采用四個時隙作為解調參考碼元，提高了對多普勒頻移的穩(wěn)定性。

V2X 測試的前瞻性處理

由于 C-V2X 和 C-ITS 通信協(xié)議和道路安全相關應用的復雜性，加之移V2X 節(jié)點的移動性所面臨的環(huán)境因素，在各種條件下進行縝密測試是確保解決方案兼容性、互動性的必要前提?，F有的 LTE 技術測試和測量解決方案，如 R&S？CMW500，非常適合于 C-V2X 測試(圖 5)。這款寬帶無線通信測試儀支持從靜態(tài)條件下的協(xié)議一致性到動態(tài)條件下的衰落測試的所有測試場景。該產品還支持從 3GPP LTE-V2X 接入層協(xié)議測試到中國、歐洲和美國的 C-ITS 應用層的全協(xié)議棧測試。這也是全球首個通過GCF認證的 C-V2X 測試解決方案。GNSS 則可以使用 R&S？SMBV100B 信號發(fā)生器進行模擬。該產品提供的軟件 API 允許自主開發(fā)和第三方自動化工具集成，可用于測試序列長期自動化測試。

圖 5:CMW500 和 SMBV100B 都是 V2X 應用的理想測試平臺

未來，用于基本安全應用的直連 C-V2X PC5通信(又稱為 I 階段)還將依賴于 LTE 第 14 版通信標準，尤其是網絡覆蓋范圍外的場景。-C-V2X發(fā)展的第II階段將包含在LTE版本15增強型V2X(eV2X)之中。該版本計劃于 2019 年發(fā)布，將增加對協(xié)作式感知等 C-ITS 應用的支持。對 5G 新空口 (NR) 概念的支持有望在 III 階段作為 3GPP 第 16 版的一部分進行標準化。這意味著對于開發(fā)應用的汽車工程師而言，他們現有的測試和測量投入將在未來若干年中繼續(xù)支持他們的測試需求。