基于蜂窝网络技术的C-V2X通信解析

　　V2X这个词相信工作在汽车行业的同学们都见过，但具体什么是V2X呢？它又有什么内涵呢？它靠谱吗？它用到了什么技术呢？它有什么痛点？它有前途吗？下面我们一起来看看。

　　什么是V2X？

　　V2X是Vehicle to Everything的缩写，2用的英语谐音，而X则指代任意东西，即everything。中文翻译时，可以称为车联万物。V2X本质上是一个车辆通信系统，支持从车辆到交通系统中可能影响车辆移动的信息传输。V2X技术的主要目的是提高道路安全性和交通效率。

　　我们经常还会看到“车联网”和“车路协同”等名称，那它们就是V2X吗？准确来说，它们是V2X包含的应用场景。而业界公认的V2X四大应用场景分别是：

　　V2V （Vehicle-to-Vehicle）：车辆与车辆互联。这种场景将能够使车辆在800米以上的范围内识别其他车辆的速度、位置、方向和事件的异常情况，通过改善对障碍物和交叉路口的感知，帮助车辆避免事故等。

　　V2N （Vehicle-to-Network）：车辆与网络互联。这种场景将车辆连接到提供交通更新服务的云端网络。例如V2N系统可以利用云端信息让司机了解前方的路线情况，选择最优路径。大家熟知的OTA远程升级其实也属于V2N的场景。

　　V2I （Vehicle-to-Infrastructure）：车辆与路侧基础设施互联。这种场景下，将车辆与路侧的交通信号灯或者铁路交叉口等基础设施连接起来，可以警告道路上的状况，如道路施工或交通堵塞。

　　V2P（Vehicle-to-Pedestrian）：车辆与行人互联。这种场景下可以使车辆和行人在近距离内直接沟通，让车辆提前避让行人，应对“鬼探头”等场景。

　　

　　图2：V2X的四大应用场景

　　V2X靠谱吗？

　　V2X作为汽车发展的新鲜事物，经常会受到质疑：这玩意儿靠谱吗？先抛出我不成熟的意见：靠谱。下面从几个维度来探讨。

　　政策、行业标准和规范

　　V2X是国家规划中关于智能汽车的关键方向。V2X与信息通信、智慧交通一起在《“十四五”信息通信行业发展规划》中被重点提及，尤其是蜂窝车联万物（C-V2X）。

　　2020年2月，国家发改委和十一个部委也联合发布了《智能汽车创新发展战略》，明确表明V2X是其中关键战略。同年11月，国务院《新能源汽车产业发展规划（2021-2035）》提出了加快C-V2X标准制定和技术升级，推动汽车智能网联化。

　　在国家标准层面，工信部、交通部、国密局、网信办等组成的国家委员会则发布了多项国标、指导文件和规范等，范围覆盖了V2X系统方案、路侧建设、数据保护等方方面面。

　　而作为热门的新车评价系统，ENCAP和CNCAP也都明确规定了V2X将作为其星级评价项目，相应的功能和测试要求也接近正式发布了。

　　产业链发展和路侧基建

　　V2X的整个产业链比较长，从上游的芯片制造，一直到下游的运营服务，涉及的企业也非常多。得益于我国通信产业的先进性，V2X虽然最近才进入普通人群视野，但国内很多企业在V2X上发力很早，在很多技术领域都处于全球领先的地位。

　　例如中国信科旗下的大唐高鸿智联从2012年即开展我国核心知识产权的C-V2X（LTE-V2X和NR-V2X）技术标准研究、产品开发和市场推广工作，拥有完整的车路协同解决方案及端到端产品系列，产品涵盖基于自研芯片的系列模组、车载终端（OBU）、路侧终端（RSU）、C-V2X云控平台、CA安全认证解决方案等。

　　而当提到V2I或者车路协同时，很多人的第一反应就是这样子的基建成本太高，很难大面积铺开。但事实上，已经落地的基础设施建设，相信超出了很多人的想象。在基建面前，社会主义的优越性不言而喻。

　　工信部、公安部、交通部三部委从2015年开始，通过联合地方政府共建示范区、先导区的方式，由点到面扩大规模，持续加快V2X设施布局。据中国汽车工业信息网统计，目前国内各省市已建有智能网联示范区和先导区测试场超60个，覆盖所有一线城市及部分二线城市，涵盖城市道路、高速公路、隧道、封闭园区等多个场景。

　　例如G5021石渝高速涪丰段双向128公里道路智能化改造（桥隧比高达42%）已经完成。而著名的“1号高速”项目也已于2020年启动，将在京沪高速沿线重点点位全面覆盖C-V2X网络，对路侧设备进行智能化网联化改造，赋能沿线七省干线物流。

　　已经落地的终端消费者功能

　　和身边朋友交流发现，很多人以为V2X还是Demo阶段。殊不知，V2X已经飞入寻常百姓家，已经在一些可售车型上配备了相关的消费者功能。

　　奔驰Car-To-X系统于2013年问世，主要作用是通过奔驰自己的云服务将路上所有搭载了该系统的车型连接起来，当这个网络中的某一辆或者某一些奔驰车遇到交通事故时，Car-To-X系统就会将这个事件反馈给云端然后迅速下发给其他奔驰车主，系统还会绕开事故发生地，推送更顺畅的路线地图给这些车主。而去年升级后的Car-To-X系统还增加了道路坑洼预警功能，这套系统根据经过坑洼烂路时车辆避震阈值记录到此类事件并激活Car-To-X通信服务，该信息与位置数据将会一起通过手机网络实时发送到奔驰云端。附近的奔驰车主就会收到该通知，并在导航地图上用图标显示该时间，如果驾驶者没有留意地图的提示，在行进到该坑洼路段前10秒时，车辆还会发出声音警告。

　　另一德系豪强奥迪在中国市场的A7L和A6L上也搭载了配备5G通讯模块的V2X功能：危险信息提示（LHI）和危险信息警告（LHW）。系统通过车载传感器来监测危险状况，如低能见度、事故、湿滑道路、故障车辆、前车紧急制动及紧急车辆等。传感器可通过V2N（车云互联）和V2V（车车直连）进行实时网联和相关车辆间的预警通讯。根据数据分析情况在人机交互界面以及虚拟座舱屏幕上会弹出提示信息，提醒驾驶者注意道路情况，以提前采取措施。

　　个人体会

　　V2X是5G和人工智能落地的契合点，随着路侧建设和技术发展，其技术优势会越来越明显。而它目前最为诟病的点无外乎是基础建设成本高。但是成本在技术进步、数量暴增、经济发展和政策导向等多方面共同作用下，往往也会以超出人们想象的速度下降。想想10年前，激光雷达还是昂贵得不敢想象能前装量产的奢侈品。而到了这一两年，单车安装多个激光雷达的量产新车已经如雨后春笋般涌现。

　　我从事智能驾驶的这些年，经历了行业不同阶段的发展。数年前，正是ACC和LKA等L2 ADAS功能落地的爆发期。最近则是结合高精地图和定位，加上单车传感器升级的城市领航等功能的爆发期。待这波浪潮过后，很大机会是V2X接过大旗，进一步推动智能驾驶的风起云涌。

　　V2X的关键通信技术

　　车联万物中的“联”字很关键，而通信技术是V2X中最为关键的技术之一。

　　关于V2X的通信技术，曾经有过两大技术路线之争，分别是美国主导的DSRC（Dedicated Short Range Communications，专用短程通信）和中国主导的C-V2X（Cellular-V2X，基于蜂窝网络的V2X）两种技术路线。前者类似WiFi技术，后者类似手机通信技术。

　　两大路线之争基本已分胜负。美国在2020年11月将原来分配给DSRC通信的频段5.9GHZ完全取消，分别划分给WIFI和C-V2X。这一事件也常被认为是标志着美国放弃DSRC路线。因此本文重点聊聊C-V2X。

　　与其他通信问题一样，V2X面临着通信距离、时延、容量、可靠性等众多问题。要同时解决所有这些问题，难度很大，但是可以基于V2X的典型应用场景分类做出合理的取舍。C-V2X基于这个思路也细分为两种通信接口方案：

　　Uu接口

　　用于终端和基站之间的通信接口，使用LTE将信息从V2X服务器广播到车辆和其他地方进行网络通信（V2N）。车辆可以通过单播向服务器发送消息。其特点：

　　-长距离和更大范围的广域网络可靠通信

　　-充分利用现有的LTE网络

　　-更能容忍延迟的用例，如V2N态势感知

　　

　　图5：Uu通信接口模型

　　PC5接口

　　用于终端和终端之间的通信接口，可以在车辆之间进行直接通信（V2V），也可以用于车辆和附近的路端终端设备之间直接通信（V2I）。在LTE直接设备对设备（D2D）设计的基础上，加强了对高速度/高多普勒、高密度、时间同步和低延迟的设计。其特点：

　　-近端直接通信（100多米）

　　-在蜂窝网络覆盖范围内和覆盖范围外均可运行

　　-对延迟敏感的用例，如V2V安全

　　

　　图6：PC5通信接口模型

　　下图是C-V2X的架构示意图，Uu接口和PC5接口相互补充辅助冗余。例如分别以120km/h对向行驶的两辆汽车之间可以通过PC5高速直连，避免碰撞。汽车等红灯时，也可以与信号灯通过PC5直接连接，提前知道该路口红绿灯剩余秒数。而红绿灯则可以通过Uu接口与基站通信，将数据传回云端，云端通过分析区域内交通数据后动态优化红绿灯的切换时长规则。

　　

　　图7：C-V2X架构图

　　C-V2X是基于蜂窝网络技术的，随着蜂窝网络本身的发展，例如4G到5G网络的发展，C-V2X技术也在不断进化。C-V2X中的LTE-V2X就是基于4G，而基于5G网络的5G NR C-V2X也逐渐商业化落地铺开。

　　5G NR C-V2X有以下特点：

　　具备基于OFDM的可拓展空中接口，可高效应对多样化的频谱、部署和服务

　　具有基于时隙的灵活框架，支持超可靠和低时延通信，前向兼容未来通信技术

　　运用先进的信道编码，高效实现大数据块传输和千兆级吞吐量

　　支持更多天线数量，实现更高的数据传输率和网络覆盖范

　　支持宽带载波，提高通信速率和系统容量

　　与LTE-V2X类似，同样覆盖终端之间直接通信和终端与基站间通信

　　终端设备向下兼容LTE-V2X

　　5G商用已有数年，基于5G的NR C-V2X技术相信能够赋能自动驾驶等更多的汽车功能，并结合蜂窝网络技术持续突破发展。

　　V2X通信安全技术

　　与通信技术共生的是通信安全技术。幸运的是，移动通讯已经发展多年，其移动通信安全技术也可以给V2X借鉴。信息安全是个系统工程，诸如IDS、IPsec、TLS等技术都可以应用于V2X。而关于数据传输的信息安全，目前主流的V2X方案采用PKI非对称加密体制。

　　非对称加密机制已经相当成熟，简单来说就是在这机制下密钥都是一对一对地生成的。一对密钥包含一把公钥和一把私钥，两者之间有内在的数学关系，实现了公钥加密的信息只能用对应的私钥来解密，而私钥加密的信息只能用对应公钥来解密。而“公”是公开给大家所见的，“私”指只有自己知道。有了密钥，就可以采用诸如TLS和HTTPs等方式实现安全传输了。

　　基于PKI非对称加密体制，车端和路端设备的私钥可以在生产设备时预置到控制器中的安全硬件中，而公钥则可以通过相应管理系统来公开。

　　那么在这个机制下，谁来生成这些成对的密钥，谁又能保证这把声称是当前路口交通灯的公钥是真的？这个问题是不是有点似曾相识？这不就是怎么证明我是我妈的女儿吗？与现实生活类似，PKI机制下需要一个有公信力（和有资质）的机构来负责生成密钥和管理身份证书等安全数据。这个机构就是CA，全称Certificate Authority，证书颁发机构。在我国，由政府来担任根CA这个角色。基于根CA可以衍生下层的从属CA，来管理不同层面的密钥信息和数字证书。从属CA可以对接各个汽车制造商自己的云端和安全机构，又或者对接负责管理路侧单元的有关部门。

　　

　　图8：V2X的PKI示意图

　　CA作为公信力的象征，当然少不了相关的资质审查和规定。而车载单元和路侧单元在运行加解密算法时也需要特定的硬件设计支持，以保证在相应硬件加速器的加持下，数据吞吐量和解析速率能够得到保障。

　　V2X的挑战和发力方向

　　V2X作为一项先进技术，优点鲜明，但要让其大规模量产铺开，还是面临不少挑战。

　　路侧建设

　　路侧建设的速度目前明显落后于车端开发的速度。而且路侧建设一般由地方政府负责，而不是中央统一。这为V2X系统对不同地区的兼容性提出了更高要求。

　　工程技术

　　V2X相关的许多技术仍然有很大的研发空间。例如早高峰与深夜路上的车辆密度相差很大，更优化的网络拥塞控制机制和组网方式可以更高效地满足V2X功能的同时降低成本。又例如V2X带来的网联数据脱敏和匿名化等需求也对软件算法和硬件加速设计提出了新挑战。

　　商业模型

　　一项功能要大规模铺开，不能不谈到钱。V2X怎么收费怎么赚钱仍然有很多商业想象空间，例如终端消费者是不是可以像手机话费充值一样购买服务？地方政府又能不能像高速收费一样收取路侧建设成本？申请数字证书的时候要不要向CA交钱？ 标准化建设

　　V2X相关的标准和规范已经发布了很多，但仍然不够。不少关键规定和标准仍在草拟阶段。V2X产业链长，利益相关方众多，也为制定统一标准带来了难度。

　　当然，挑战约等于机遇。这些难题和痛点也为我们指明了发力方向。那么看到这里的同学，你觉得V2X能大规模商用落地吗？你是否愿意加入到V2X的建设队伍中？

　　编辑：黄飞