蜂窝车联网技术架构与关键技术研究

1、蜂窝车联网技术架构与关键技术研究吴 海、肖子玉(中国移动通信集团设计院有限公司，北京100080)摘 要 本文从车联网的定义、应用场景和两种无线通信技术的比较切入，首先介绍蜂窝车联网的技术架构和主要功能实体， 其次介绍了该网络的两项关键技术，最后对关键技术的网络部署提出了建议。关键词 蜂窝车联网； 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 车联网技术车联网（V2X）是指通过装载在车辆上的传感器、车载终端及电子标 签提供车辆信息，采用各种通信技术实现车与车、车与人、车与路互连互 通，并在信息网络平台上对信息进行提取、共享等有效利用，对车辆进行 有效的管控和提供综合服务1。车联网应用包括车-车（V2V）应用、车-路（V2I）应用、车-网（V

4、2N） 应用和车-人（V2P）应用。V2V、V2P、V2N和V2I这4种类型的V2X应 用可以用“合作意识”为用户提供智能服务。如车辆、路边单元、应用服 务器和行人可以收集、处理和分享当地环境信息，为用户提供合作碰撞警 告或自主驾驶等智能服务。目前，车联网无线通信技术分为IEEE 802.11 （DSRC专用短程通信使 用的底层无线通信技术）和3GPP C-V2X （基于蜂窝网的V2X无线通信技 术）两个阵营。DSRC具有客观的先发优势，技术趋于成熟。而 LTE-V2X 作为一种基于LTE演进的车联网技术，则具备后发优势。DSRC和C-V2X 的对比如表1所示。本文将重点讨论蜂窝车联网的关键技

5、术和部署方案。表1 DSRC与C-V2X技术对比表对比维度DSRCC- V2X成熟度已经是标准技术，美国、 欧洲等国家已提出相关 标准规格标准化过程以及相关技术 的开发还未完成。R14标准（LTE-V）预计在2017年完 成。基于5G新空口的V2X 通信技术的研究，预计在 2020年左右完成标准工作芯片设计安全性车用半导体必须要能符 合较长使用周期的需求， 芯片设计应支持 ISO26262汽车应用环境 安全标准以LTE消费性硬件打造V2X 功能的客户，恐怕会遭遇可 靠性问题，手机芯片设计不 能保用15年对比维度DSRCC- V2X部署需要安装新的路侧设备， 将增加导入成本与时间米用LTE-V能

6、够整合现有基 站资源，网络覆盖广，网络 运营模式清晰关键指标支持车速200km/h ,反应 时间100ms数据传输速 率平均12Mbit/s （最大 27Mbit/s ）,传输范围 1kmI根据美国交通运输 部的才跆，违反交通信号 灯指示的时延要求是小 于100ms车辆防碰撞指 示的时延要求是小于 20msLTE-V传输带宽最高可扩展 至100MHz峰值速率上行 500Mbit/s ,下行 1Gbit/s , 时延用户面时延w 10ms,控 制面时延w 50m支持车速 500km/h,覆盖范围与 LTE 范围类似。LTE-V-Direct 目前还没有详细的技术指 标。5GeV2双持速度更高，

7、时延更低政策影响美国交通部推动，2019年可能强制安装我国中长期看好 LTE-V/5G在车联网V2X领域的发展潜 力V2X通信和智能交 通系统 实现的挑战汽车厂商对于标准的一 致意见，数据隐私安全， 跨部门实施有难度汽车厂商对于标准的T 意见，数据隐私安全，但跨部门实施有难度2蜂窝车联网技术架构2.1 基于PC5和LTE-Uu的V2X通信架构C-V2X根据接口的不同可分为 V2X-Direct和V2X-Cellular两种通信方式。V2X-Direct通过PC5接口，采用车联网专用频段（如 5.9GHz）,实现 车车、车路、车人之间直接通信，时延较低，支持的移动速度较高，但需要有良好的资源配置

8、及拥塞控制算法。V2X-Cellular则通过蜂窝网络Uu接转发，采用蜂窝网频段（如 1.8GHz）,下行采用广播方式。C-V2X通信的两种通信模式是互为独立和补充的。图1给出了非漫游场景下基于 PC5和LTE-Uu的V2X通信架构V2XApplicationServerV1V1图1非漫游场景下基于PC5和LTE-Uu的V2X通信架构2.2 主要网元功能(1) V2X控制功能：每个支持 V2X业务的PLMN里只有一个V2X控制 功能逻辑实体，负责向UE提供V2X通信必需的参数。该参数允许 UE在 指定的PLMN/不在服务区使用 V2X业务。从V2X应用服务器获得 V2X USD,UE使用V2X

9、 USD接收基于MBMS的V2X业务数据。通过查找DNS 可以找到归属PLMN中V2X控制功能。(2) V2X应用服务器：通过单播方式从 UE接收上行链路数据。使用单 播或MBMS方式向目标区域中的UE发送下行数据。（3） 移动性管理实体：除了 3GPP TS 23.401 和 TS 23.246 中定义的移动性管理功能外，在V2X 场景下， MME 需获取与 V2X 相关的签约信息。给E-UTRAN 提供 V2X 业务相关的 UE 授权状态标识。（4） 用户终端（UE ） ： UE 和 V2X 控制功能之间传送V2X 控制信息，采用PC5或LTE-Uu方式V2X通信，配置V2X通信的参数。3

10、 蜂窝车联网关键技术C-V2X 的两种通信模式 V2X-Cellular 和 V2X-Direct ，分别需要两种关键技术支持，即广播服务（MBMS）技术和邻近通信服务（ProSe）技术。 以下将针对两种技术分别进行阐述。3.1 V2X 广播服务（ MBMS ）技术3GPP TS 23.4684定义了 LTE 组通信使能器（GCSE for LTE）。GCS 应 用服务器（GCS AS）使用EPC系统为用户提供组通信服务（GCS）。GCS AS 使用EPS和MBMS承载业务，在GCS AS和UE之间传送应用信令和数据。 在上行方向，UE使用EPS承载业务与GCS AS交换应用信令。在下行链路

11、方向上，GCS AS可以经EPS承载业务或经 MBMS承载业务。GCS UE使 用应用信令注册GCS AS提供的业务，可以参与一个或多个 GCS组。当使用 MBMS 承载服务时， 其广播服务区域可以被预先配置为由 GCS AS使用。当GCS AS确定用于GCS组的UE的数量在一个区域内（例如在 一个小区或一个小区集合内）中足够大时， GCS AS 可以动态地决定使用 MBMS 承载业务。当使用MBMS承载业务时，GCS AS可以通过单个MBMS广播承载传送来自不同 GCS 组的数据。通过MBMS 承载传送的应用信令和数据对BM-SC和MBMS承载业务是透明的。GCS AS通过GCS应用信令向U

12、E提 供UE需要通过MBMS承载业务接收应用数据的所有配置信息，并适当地 处理该数据。当GCS UE在其MBMS广播承载可用的区域之间移动时， UE通过应 用信令通知GCS AS,其从MBMS广播承载接收改变为非接收，反之亦然， GCS AS激活或去激活适当的下行应用信令和经由 UE个体EPS承载的数据 传输。为了实现业务连续性，UE可以通过EPS承载和MBMS业务来并行 地临时接收相同的GCS应用信令和数据。GCS UE应用丢弃任何接收到的 应用信令或数据重复。LTE多播应用于V2X时，如图2所示。图2是基于LTE-Uu的V2XMBMS的参考架构。V2X应用服务器通过BM-SC管理MBMS服

13、务相关信 息，该架构支持内容提供商和 BM-SC之间的安全框架。V1图2通过 MB2通信的LTE-Uu MBMS V2X 参考架构BM-SC提供MBMS用户业务配置和传送功能。它可以用作内容提供商 MBMS传输的入口点，用于在 PLMN内授权和发起MBMS承载服务，并 且可以用于调度和传送 MBMS的服务。BM-SC由会员功能、会话传输功能、 代理和运输功能、服务公告功能、安全功能、用于广播模式的E-UTRAN中的MBMS的内容同步等。除此之外，在 V2X场景下，BM-SC还支持从V2X 应用服务器接收 L.MBMS 信息和发送L.MBMS 信息给 MBMS-GW 。MBMS GW 功能包括通

14、过 SGi-mb （用户平面）和 SGmb （控制平面）参考点为使用 MBMS 承载的实体提供接口；将MBMS 用户面数据的 IP 多播通过 M1 参考点分发到 E-UTRAN 。 在 E-UTRAN 接入的情况下， eNodeB应该使用MBMS GW分配的一个IP多播地址（IPv4或IPv6）加入到IP多播分发中以接收 MBMS 数据。 MBMS GW 分配的 IP 多播 地址、 多播 源（ SSM） IP 地址和 C-TEID 一起通过 MME 提供给eNodeB。 MBMS 承载业务分配的 C-TEID 基于由 TMGI （Temporary Mobile Group Identity

15、）和流标识符唯一标识 （仅广播模式） ， 可以在具有相同服务区域和相同 QoS 的另一个有效 MBMS 承载业务中重用。在V2X 的应用场景下， MBMS-GW 还支持如果可以从BM-SC 接收到 MBMS 信息，则跳过IP 多播 的分配过程。MBMS GW 可以独立设置或与BM-SC 或 SGW/PGW 合设， PLMN 中可以设置一个或多个MBMS GW 功能实体。在V2X应用场景下，GCS AS可合设于V2X AS中。MB2接口用于V2XAS 和 BM-SC 之间进行 MBMS 承载的管理交互。 BM-SC 通过 MB2 参考点通知应用服务器MBMS 承载状态的变化； V2X 应用服务器

16、通过MB2 接口申请、激活、去激活、修改MBMS 承载。在一个PLMN 内，一个 MBMS会话仅由一个BM-SC 提供给一个V2X AS 。 由 V2X AS 通过 MBMS 承载传送的数据对于 BM-SC 是透明的。 MB2 接口是运营商和第三方 V2X AS 间的标准化安全接口。3.2 邻近通信服务（ProSe）技术3GPP TS23.3035t义的邻近通彳t技术是用于 UE邻近时实现直接通信PLMN 中只有一个逻辑ProSe 功能支持邻近通信。ProSe功能由根据ProSe功能执行不同角色的3个主要子功能组成。(1) 直接配置功能 ( DPF) ： 用于为 UE 提供必要的参数， 以便使

17、用 ProSe Direct Discovery 和 Prose Direct Communicationo 它用于向 UE 提供允许 UE 在该特定 PLMN 中使用ProSe 的特定参数的PLMN 。对于用于公共安全的直接通信 DPF 还用于在 UE 不被 E-UTRAN 服务时为 UE 提供所需的参数。对于受限的 ProSe Direct Discovery， 它还生成并维护ProSe Discovery UE ID(PDUID)。(2)直接发现名称管理功能：用于开放的 Prose Direct Discovery,分配和 处理ProSe Direct Discovery中使用的ProS

18、e应用ID和ProSe应用代码的映 射。它使用存储在HSS中的ProSe相关用户数据来进行每个发现请求的授 权。它还向 UE 提供必要的安全手段，以便保护通过空中传输的发现消息。在受限的ProSe Direct Discovery中，它还通过PC2参考点与应用程序服务 器进行交互，以便发现请求的授权。(3)EPC级别ProSe发现功能：具有存储ProSe相关用户数据，为EPC 级别ProSe发现和EPC辅助WLAN直接发现，通过PC3Xt UE授权和配置， 存储已授权应用列表等功能。4 蜂窝车联网关键技术的部署选择4.1 路侧单元(RSU )部署RSU是V2X的重要基础设施资源，根据LTE-P

19、C5和LTE-Uu两种通信 方式， RSU 部署可以分为以下两种。(1)RSU通过PC5接口接收V2X消息时，RSU被部署为UE和V2X应用的逻辑组合，称为UE型RSU。(2)RSU通过LTE-Uu接口接收 V2X消息，RSU将包括eNB、并内置 L-GW (本地部署的具备S/P-GW功能)和V2X应用服务器，称为eNB型 RSU。4.2 本地广播服务系统部署在MBMS系统中，BM-SC, MBMS-GW 和MME均位于核心网中。在 V2X应用场景下，当计算端到端时延时，BM-SC和eNB之间的时延是不可 忽略的，特别是当使用 MBMS来传送V2X系统中的下行V2X消息时。为 了最小化时延，在

20、MBMS系统部署时需要考虑以下问题。(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功能用户面(采用BM-SC和MBMS-GW C/U分离架构)。以上两个选项在部署时如图3和图4所示图3本地化MBMS系统部署方案示意图M3S11S5SGi图4本地化C/U分离架构MBMS系统部署方案示意图C/U分离的MBMS CN功能，其用户平面应实现以下功能。（1）通过MB2-U从V2X应用服务器接收用户数据。将MBMS用户平面数据的IP多播分发到E-UTRAN （M1参考点）。（3）数据同步（对于传统 MBMS机制中的BM-SC）

21、。（4）专用的MBMS编解码或前向纠错方案（可选）。（5） MBMS数据加密（可选）。4.3 V2X通信中PC5和LTE-Uu混合部署面对V2X的应用场景，PC5直接通信方式和LTE-Uu的广播通信方式 对于车辆安全驾驶和智能交通系统都是至关重要的。在实际应用中应以混 合方式使用V2X通信的两种操作模式（即 PC5和超过LTE-Uu）。4.3.1 场景1基于PC5的V2X通信与MBMS接收。在该场景中，UE始终通过PC5直接发送V2X消息进行通信。同时UE 通过PC5和MBMS共同接收V2X消息。基站设施作为UE时（如RSU）,通过PC5接收V2X消息，通过LTE-Uu 的PDN连接或其它类型

22、的连接，通过 V1接口（应用层接口）将应用层处理的V2X消息转发到V2X AS。V2X AS处理的V2X消息可以根据需要通 过MBMS系统分发给UE。这种方式的优势是UE可以从邻近的其他UE直接接收V2V消息。此 外，在这种操作模式中，移动网络可以提供来自更广阔范围的信息，并且 满足对现场感知情景的软安全性的需要，还能够实现更先进的辅助驾驶应 用。这种组合的信息源在高密度场景下特别有用，因为UE可能无法可靠地通过PC5直接从远端UE接收到所有V2X消息。4.3.2场景2无需部署MBMS服务，同时基于LTE-Uu和基于PC5进行V2X通信。在该场景下，UE经由PC5与包括UE型RSU在内的其他U

23、E进行通 信，用于V2X消息的发送和接收。UE型的RSU可以通过LTE-Uu与移动 网络中的V2X应用服务器进行通信，并按需用于管理超出直接PC5通信范 围的V2X消息的通信。此场景下通过使用基于 PC5和LTE-Uu的V2X通 信的混合通信方式，不需要在下行链路上部署 MBMS广播服务。图5 UE型RSU通过LTE-Uu和PC5方式进行V2X通信场景示意图图5中，作为UE的RSU为车辆交通基础设施提供足够的覆盖。UE和UE型RSU被配置通过PC5进行V2X通信，UE型RSU可以与V2X应 用服务器进行通信。UE型RSU通过PC5从其他UE接收V2X消息，部署 在 RSU 的 V2X 应用决定

24、是否需要通过LTE-Uu 连接将消息路由到 V2X 应用服务器，例如当目标区域大于PC5上的V2X通信范围时。V2X应用服务 器确定目标区域和需要分发 V2X 消息的区域的大小。 V2X 应用服务器可以 与其它 V2X 应用服务器进行协调和通信，以确定目标区域的目标区域和V2X 消息的分发。 V2X 应用服务器将下行链路的 V2X 消息通过 LTE-Uu 发 送到目标分配区域中的RSU。 RSU 通过 PC5 使用 V2X 通信广播接收到的V2X消息。该区域内的UE通过PC5接收RSU广播的V2X消息。以这种方式，UE,例如车辆UE只需要通过PC5在V2V/V2P服务的操作模式下运行。只有实现为 RSU的UE才能通过PC5和LTE-Uu同时进行 V2X通信的混合模式。基于PC5和基于LTE-Uu的V2X通信的这种组合在 用户可能不能够经由PC5直接从远端UE接收V2X消息的用例中也是有用 的。此外，UE类型的RSU可以使用SIPTO连接进行与本地