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蜂窝车联网技术架构与关键技术研究
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;ProSe
C-V2Xtechnicalframeworkandkeytechnologyresearch
WUHai,XIAOZi-yu
(ChinaMobileGroupDesignInstituteCo.,Ltd.,Beijing100080,China)
AbstractThispaperstartsfromthedefinition,applicationscenarioandthecomparisonoftwokindsofwirelesscommunicationtechnologiesofthevehiclenetworking,firstintroducesthetechnologyarchitectureandmainfunctionalentitiesofthecellularvehiclenetworking,thenintroducestwokeytechnologiesofthenetwork,andfinallyputsforwardsomesuggestionsforthenetworkdeploymentofkeytechnologies.
KeywordsC-V2X;MBMS;ProSe
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(V2N)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IEEE802.11(DSRC专用短程通信使用的底层无线通信技术)和3GPPC-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术和部署方案。
表1DSRC与C-V2X技术对比表
对比维度
DSRC
C-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
部署
需要安装新的路侧设备,将增加导入成本与时间
采用LTE-V能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1km。
根据美国交通运输部的报告,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20ms
LTE-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≤10ms,控制面时延≤50ms,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。
5GeV2X支持速度更高,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一致意见,数据隐私安全,但跨部门实施有难度
蜂窝车联网技术架构
1.1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及拥塞控制算法。
V2X-Cellular则通过蜂窝网络Uu接口转发,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。
图1非漫游场景下基于PC5和LTE-Uu的V2X通信架构
1.2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V2XUSD,UE使用V2XUSD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3GPPTS23.401和TS23.246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。
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。
1.3V2X广播服务(MBMS)技术
3GPPTS23.468[4]定义了LTE组通信使能器(GCSEforLTE)。
GCS应用服务器(GCSAS)使用EPC系统为用户提供组通信服务(GCS)。
GCSAS使用EPS和MBMS承载业务,在GCSAS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GCSAS交换应用信令。
在下行链路方向上,GCSAS可以经EPS承载业务或经MBMS承载业务。
GCSUE使用应用信令注册GCSAS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GCSAS使用。
当GCSAS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,GCSAS可以动态地决定使用MBMS承载业务。
当使用MBMS承载业务时,GCSAS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。
GCSAS通过GCS应用信令向UE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GCSUE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GCSAS,其从MBMS广播承载接收改变为非接收,反之亦然,GCSAS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。
GCSUE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。
图2通过MB2通信的LTE-UuMBMSV2X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。
MBMSGW功能包括通过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MBMSGW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。
MBMSGW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(TemporaryMobileGroupIdentity)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。
MBMSGW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MBMSGW功能实体。
在V2X应用场景下,GCSAS可合设于V2XAS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V2XAS。
由V2XAS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V2XAS间的标准化安全接口。
1.4邻近通信服务(ProSe)技术
3GPPTS23.303[5]定义的邻近通信技术是用于UE邻近时实现直接通信的逻辑功能。
目前规范中仅定义每个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,以便使用ProSeDirectDiscovery和ProseDirectCommunication。
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ProSeDirectDiscovery,它还生成并维护ProSeDiscoveryUEID(PDUID)。
(2)直接发现名称管理功能:
用于开放的ProseDirectDiscovery,分配和处理ProSeDirectDiscovery中使用的ProSe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ProSeDirectDiscovery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PC3对UE授权和配置,存储已授权应用列表等功能。
蜂窝车联网关键技术的部署选择
1.5路侧单元(RSU)部署
RSU是V2X的重要基础设施资源,根据LTE-PC5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。
1.6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MBMS系统部署时需要考虑以下问题。
(1)部署靠近eNB的MBMSCN功能(包括BM-SC,MBMS-GW)。
(2)部署靠近eNB的MBMSCN功能用户面(采用BM-SC和MBMS-GWC/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
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MBMSCN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。
(2)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)。
(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)。
1.7V2X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)。
1.7.1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V2XAS。
V2XAS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UE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5UE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V2X服务器的通信,以减少延迟。
总结
无论是北美、欧盟以及日本这些发达国家还是我国,车联网尚处于测试推广阶段,还未实现大规模的商用。
基于蜂窝网的车联网通信在政府的大力支持下发展态势很好,LTE-V2X技术有望于2018-2019年在中国率先实现商用部署。
虽然在标准成熟度、芯片方面DSRC略优于C-V2X,但部署方式、关键指标和国家政策支持上C-V2X均优于DSRC技术。
未来5G-V2X技术将在关键场景指标方面有更显著的提升,蜂窝车联网(C-V2X)技术未来还有广阔的发展空间。
参考文献
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- 蜂窝 联网 技术 架构 关键技术 研究