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C-V2X技術(shù)發(fā)展、應(yīng)用及展望

2022-01-28 21:02:56·  來源：5G智聯(lián)車  
　
陳山枝：中國信息通信科技集團有限公司副總裁、專家委員會主任、教授級高級工程師，工業(yè)和信息化部通信科學(xué)技術(shù)委員會常務(wù)委員，中國電子學(xué)會會士，中國通信學(xué)會
陳山枝：中國信息通信科技集團有限公司副總裁、專家委員會主任、教授級高級工程師，工業(yè)和信息化部通信科學(xué)技術(shù)委員會常務(wù)委員，中國電子學(xué)會會士，中國通信學(xué)會會士，無線移動通信國 家重點實驗室主任、博士生導(dǎo)師，IEEE Fellow。
葛雨明：中國信息通信研究院主任工程師，C-V2X工作組組長，主要從事車聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的相關(guān)政策、產(chǎn)業(yè)、標準和前沿技術(shù)研究工作。
時巖：北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國家重點實驗室副教授，博/碩導(dǎo)。
【摘要】車聯(lián)網(wǎng)作為產(chǎn)業(yè)變革創(chuàng)新的重要催化劑，正推動著交通管理模式、汽車產(chǎn)業(yè)形態(tài)、人們出行方式和能源消費結(jié)構(gòu)的深刻變化。首先分析了智慧交通和智能駕駛等對車聯(lián)網(wǎng)通信在通信速率、時延和可靠性等方面的需求與挑戰(zhàn)，進而介紹了蜂窩車聯(lián)網(wǎng)（cellular vehicle-to-everything，C-V2X）中LTE-V2X和NR-V2X的關(guān)鍵技術(shù)及其國際標準演進，并指出C-V2X在全球競爭中已形成超越態(tài)勢。在此基礎(chǔ)上，分析了應(yīng)用C-V2X的車車協(xié)同和車路協(xié)同在智慧交通和智能駕駛中的應(yīng)用優(yōu)勢。最后介紹了C-V2X在我國的示范應(yīng)用情況和發(fā)展展望，指出中國發(fā)展智慧交通和智能網(wǎng)聯(lián)汽車之路：將積極推進“5G+C-V2X”新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，探索基于車聯(lián)網(wǎng)的“聰明的車、智慧的路、協(xié)同的云”發(fā)展模式，進而支撐我國達成“碳達峰”與“碳中和”戰(zhàn)略目標。
1、車聯(lián)網(wǎng)通信需求、挑戰(zhàn)與技術(shù)標準
車聯(lián)網(wǎng)（vehicle-to-everything，V2X）技術(shù)實現(xiàn)車輛與周邊環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)的全方位通信，包括車與車（vehicle-to-vehicle，V2V）、車與路（vehicle-to- infrastructure，V2I）、車與人（vehicle-to-pedestrian，V2P）、車與網(wǎng)絡(luò)（vehicle-to-network，V2N）等，為汽車駕駛和交通管理應(yīng)用提供環(huán)境感知、信息交互與協(xié)同控制能力。
車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用從道路安全類、交通效率類、信息服務(wù)類等基本應(yīng)用向智慧交通、自動駕駛等增強應(yīng)用演進，具有多樣化的通信性能需求。在基本應(yīng)用中，道路安全類對通信性能要求最高，以高頻度、低時延、高可靠為主要需求；信息服務(wù)類（如下載地圖、視頻）具有帶寬需求，但時延要求不高。車聯(lián)網(wǎng)增強應(yīng)用需要支持車輛編隊行駛、半/全自動駕駛、遠程駕駛、傳感器擴展等場景，因此提出了更嚴苛的通信需求，如極低的通信時延、極高的可靠性、更大的傳輸速率、更遠的通信范圍，以及支持更高的移動速度等。
為了支持多樣化的車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，車聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)面臨諸多挑戰(zhàn)。車輛的高速運動，導(dǎo)致車輛作為通信節(jié)點構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)拓撲具有高速動態(tài)性與時空復(fù)雜性、引入更大的多普勒頻偏、無線傳播環(huán)境復(fù)雜快時變；高密度、多點對多點的車車通信受資源碰撞、遠近效應(yīng)等的影響，干擾環(huán)境更加復(fù)雜。
為此，產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界開展了車聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)的研究。目前，車聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)標準主要有兩大類：DSRC（dedicated short range communication，即IEEE 802.11p）標準、蜂窩車聯(lián)網(wǎng)（cellular vehicle-to-everything，C-V2X）標準。
DSRC的IEEE 802.11p標準是在IEEE 802.11標準基礎(chǔ)上增強設(shè)計的車聯(lián)網(wǎng)無線接入技術(shù)標準，支持V2X直通通信，已進行十多年的研究；但相關(guān)研究與測試表明，其在車輛密集時通信時延大、可靠性低。蜂窩移動通信（如4G LTE和5G）技術(shù)具有覆蓋廣、容量大、可靠性高、移動性好的優(yōu)點，具有產(chǎn)業(yè)規(guī)模優(yōu)勢，能滿足車聯(lián)網(wǎng)的遠程信息服務(wù)（telematics）和娛樂信息服務(wù)需求。但其針對以人為主的通信場景、技術(shù)特點、通信性能等，如點對點通信、較低通信頻度、通信對象已知，仍然與車聯(lián)網(wǎng)的多點對多點通信、通信頻度高、通信對象隨機突發(fā)等特點具有明顯差異；由于端到端通信時延大，無法滿足車車、車路間的低時延通信要求?？梢?，無論是單一的蜂窩通信，還是基于IEEE 802.11p的通信制式，各具優(yōu)、缺點，但均無法滿足車聯(lián)網(wǎng)通信需求。
蜂窩車聯(lián)網(wǎng)（C-V2X）技術(shù)在此背景下應(yīng)運而生。本文第一作者及其大唐團隊在國內(nèi)外最早提出融合蜂窩通信與直通通信的車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概念，即基于LTE的車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（LTE-V2X），奠定了C-V2X系統(tǒng)架構(gòu)和技術(shù)路線。C-V2X以蜂窩通信技術(shù)為基礎(chǔ)，通過技術(shù)創(chuàng)新具備V2X直通通信能力，既能解決車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的低時延、高可靠通信難題，又能夠利用已有的移動網(wǎng)絡(luò)部署支持信息服務(wù)類業(yè)務(wù)，并利用移動通信的產(chǎn)業(yè)規(guī)模經(jīng)濟降低成本。
產(chǎn)業(yè)界、學(xué)術(shù)界針對兩個標準在技術(shù)、測試、評估、應(yīng)用方面開展了大量的工作。目前C-V2X相比IEEE 802.11p，在國際技術(shù)與產(chǎn)業(yè)競爭中已形成明顯的超越態(tài)勢。我國已開展了C-V2X應(yīng)用需求研究、技術(shù)研究、設(shè)備研發(fā)、測試驗證、產(chǎn)業(yè)推動、應(yīng)用推廣等相關(guān)工作。我國工業(yè)和信息化部（以下簡稱“工信部”）于2018年11月率先在全球正式發(fā)布5 905～5 925 MHz的車聯(lián)網(wǎng)直連通信頻率規(guī)劃。美國近年也在加利福尼亞州圣迭戈、密西根州底特律、科羅拉多州、猶他州、舊金山、亞特蘭大、匹茲堡等地開展了一系列C-V2X的測試與試點工作。2020年11月，美國聯(lián)邦通信委員會（Federal Communications Commission，F(xiàn)CC）決定取消已分配給DSRC的5.9 GHz頻段的所有75 MHz帶寬，將其中5895～5925 MHz共30 MHz帶寬分配給C-V2X，表明美國政府正式放棄DSRC，轉(zhuǎn)向C-V2X技術(shù)路線。
2、蜂窩車聯(lián)網(wǎng)（C-V2X）技術(shù)與標準演進
為了支持多樣化的車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，針對上述挑戰(zhàn)，國際/國內(nèi)的標準化組織、產(chǎn)業(yè)界、學(xué)術(shù)界開展了C-V2X關(guān)鍵技術(shù)和標準研究。另外，C-V2X技術(shù)與智慧交通、智能駕駛等領(lǐng)域融合發(fā)展、協(xié)同演進，跨領(lǐng)域的C-V2X融合應(yīng)用標準也在不斷完善。
2.1 C-V2X關(guān)鍵技術(shù)
C-V2X是融合蜂窩通信與直通通信的車聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)。C-V2X提供兩種互補的通信模式：一種是直通模式，終端間通過直通鏈路（PC5接口）進行數(shù)據(jù)傳輸，不經(jīng)過基站，實現(xiàn)V2V、V2I、V2P等直通通信，支持蜂窩覆蓋內(nèi)和蜂窩覆蓋外兩種場景；另一種是蜂窩模式，沿用傳統(tǒng)蜂窩通信模式，使用終端和基站之間的Uu接口實現(xiàn)V2N通信，并可實現(xiàn)基于基站的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)V2V、V2I、V2P通信。隨著蜂窩移動通信系統(tǒng)從4G到5G的演進，C-V2X又包括LTE-V2X和NR-V2X。
在系統(tǒng)架構(gòu)方面，為了實現(xiàn)對C-V2X蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋內(nèi)、覆蓋外通信場景的靈活支持，以及為各類車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供差異化的服務(wù)質(zhì)量（quality of service，QoS），C-V2X系統(tǒng)架構(gòu)除了引入實現(xiàn)直通通信的PC5接口外，還引入新的邏輯網(wǎng)元VAS（V2X application server）和對應(yīng)接口。并針對V2X管控和安全需求，在LTE-V2X中引入核心網(wǎng)網(wǎng)元VCF（V2X control function），在NR-V2X中對PCF（policy control function）、AMF（access and mobility management function）等實體進行了適應(yīng)性擴展。
在無線傳輸方面，幀結(jié)構(gòu)是無線通信制式的基礎(chǔ)框架。C-V2X借鑒蜂窩通信的幀結(jié)構(gòu)，并結(jié)合車聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用特點（如車輛高速運動引發(fā)的多普勒頻偏問題等）和5.9 GHz高載頻下的直通通信特性進行了改進。LTE-V2X采用導(dǎo)頻加密方法等以應(yīng)對車輛相對高速運動及車輛自組織網(wǎng)絡(luò)拓撲快速變化的挑戰(zhàn)；并在NR-V2X中支持兩列到四列的自適應(yīng)導(dǎo)頻參考信號模式，可應(yīng)用于不同行駛速度場景和不同的參數(shù)集配置。LTE-V2X支持廣播通信方式以滿足道路安全類應(yīng)用的信息廣播需求；NR-V2X還擴展支持直通鏈路的單播和多播通信方式，用于支持輔助交互的業(yè)務(wù)需求。LTE-V2X支持混合自動重傳（hybrid automatic repeat request，HARQ）的盲重傳，NR-V2X引入自適應(yīng)重傳機制，實現(xiàn)比廣播機制更高的可靠性。在調(diào)制方面，NR-V2X引入了高階調(diào)制（最高可以是256QAM）和空間復(fù)用的多天線傳輸機制（最大支持2層空間復(fù)用），以支持更高的傳輸速率。
在接入控制和資源調(diào)度方面，C-V2X支持兩種資源調(diào)度方式：基站調(diào)度方式和終端自主資源選擇方式。LTE-V2X最早提出這兩種模式，NR-V2X沿用并進行了適應(yīng)性改進。在基站調(diào)度方式（即LTE-V2X的模式3和NR-V2X的模式1）中，基站調(diào)度V2X終端在直通鏈路的傳輸資源，能夠有效避免資源沖突、解決隱藏節(jié)點問題。在終端自主資源選擇方式（即LTE-V2X的模式4和NR-V2X的模式2）中，C-V2X采用分布式資源調(diào)度機制。對于周期性特征明顯的道路安全等V2X業(yè)務(wù)，采用感知信道與半持續(xù)調(diào)度（semi-persistent scheduling，SPS）結(jié)合的資源分配機制。充分利用V2X業(yè)務(wù)的周期性特點，發(fā)送節(jié)點預(yù)約周期性的傳輸資源來承載待發(fā)送的周期性V2X業(yè)務(wù)，有助于接收節(jié)點進行資源狀態(tài)感知和沖突避免，提高了資源利用率，提升了傳輸可靠性。對于非周期性業(yè)務(wù)，采用感知與單次傳輸結(jié)合的資源分配機制，但由于無法預(yù)測和預(yù)約未來的資源占用，資源碰撞概率較大。
在同步機制方面，為了減少系統(tǒng)干擾，實現(xiàn)全網(wǎng)統(tǒng)一定時，C-V2X支持基站、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（global navigation satellite system，GNSS）、終端作為同步源的多源異構(gòu)同步機制。由基站配置同步源和同步方式，覆蓋外采用預(yù)配置方式確定同步源，以便實現(xiàn)全網(wǎng)統(tǒng)一的同步定時。
2.2 C-V2X核心技術(shù)標準演進
國際標準方面，C-V2X技術(shù)標準的演進可以分為兩個階段：LTE-V2X和NR-V2X，如圖1所示。
圖1 C-V2X標準演進
LTE-V2X由3GPP Rel-14和Rel-15技術(shù)規(guī)范定義。其中，Rel-14在蜂窩通信中引入了支持V2X短距離直通通信的PC5接口，支持面向基本道路安全業(yè)務(wù)的通信需求，主要實現(xiàn)輔助駕駛功能，已于2017年3月完成。3GPP Rel-15技術(shù)規(guī)范定義對LTE-V2X直通鏈路進行了增強，包括多載波操作、高階調(diào)制（64QAM）、發(fā)送分集和時延縮減等新技術(shù)特性，于2018年6月完成。
NR-V2X研究基于5G新空口（new radio，NR）的PC5接口和Uu接口增強，主要用于支持車輛編隊行駛、遠程駕駛、傳感器擴展等高級V2X業(yè)務(wù)需求。3GPP于2019年3月完成了Rel-16 NR-V2X的研究課題，于2020年6月完成了Rel-16 NR-V2X標準化項目。后續(xù)仍將在Rel-17研究弱勢道路參與者的應(yīng)用場景，研究直通鏈路中終端節(jié)電機制、節(jié)省功耗的資源選擇機制，并開展終端之間資源協(xié)調(diào)機制的研究以提高直通鏈路的可靠性和降低傳輸?shù)臅r延。
國內(nèi)標準方面，中國通信標準化協(xié)會（China Communications Standards Association，CCSA）圍繞互聯(lián)互通和基礎(chǔ)支撐，體系化布局并完成了C-V2X總體架構(gòu)、空中接口、網(wǎng)絡(luò)層與消息層、多接入邊緣計算、安全等相關(guān)的標準化工作。
在C-V2X融合應(yīng)用標準方面，在國家制造強國建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展專委會指導(dǎo)下，工信部、公安部、交通運輸部、國家標準化管理委員會聯(lián)合組織制定并發(fā)布《國家車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)標準體系建設(shè)指南》（以下簡稱“建設(shè)指南”）及各分冊，促進C-V2X技術(shù)標準在汽車、交通、公安等跨行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用推廣。相應(yīng)地，汽車、通信、智能運輸系統(tǒng)、道路交通管理等相關(guān)各領(lǐng)域的標準化技術(shù)委員會正在加快開展重要標準制訂工作。
3、基于C-V2X的車車協(xié)同和車路協(xié)同在智慧交通和智能駕駛的優(yōu)勢分析及應(yīng)用
C-V2X是智慧交通和智能駕駛的關(guān)鍵使能技術(shù)。目前，無論是汽車領(lǐng)域的自動駕駛分級，還是交通領(lǐng)域的道路網(wǎng)聯(lián)化、智能化，都迫切需要C-V2X為其提供基礎(chǔ)性的通信和連接支撐能力，以實現(xiàn)各個分級中所需要的信息實時共享與交互、協(xié)同感知和協(xié)同控制。例如，自動駕駛分級中，根據(jù)駕駛操作的控制主體、環(huán)境感知主體、應(yīng)用場景等，分無自動化、輔助駕駛、部分自動駕駛、有條件自動駕駛、高度自動駕駛、完全自動駕駛。在自動駕駛的逐級演進和不同的道路網(wǎng)聯(lián)化、智能化水平中，C-V2X所發(fā)揮的作用，從車車、車路、車云間的信息實時共享與交互，發(fā)展至實現(xiàn)異構(gòu)多域、多源數(shù)據(jù)的協(xié)同感知，進而實現(xiàn)網(wǎng)聯(lián)的協(xié)同智能控制。
3.1 C-V2X在智慧交通和智能駕駛中的優(yōu)勢分析
C-V2X作為智慧交通和智能駕駛的重要使能技術(shù)，與移動邊緣計算（mobile edge computing，MEC）等其他5G關(guān)鍵技術(shù)一起，與依賴車載感知與計算設(shè)備的單車智能技術(shù)相比，能夠以更低的成本為智慧交通和智能駕駛提供更廣泛、更精確的信息感知，以及更強大的網(wǎng)聯(lián)智能。
（1）更廣泛、更精確的信息感知
僅依賴單車多傳感器的感知技術(shù)，存在感知范圍受限、成本昂貴、在惡劣天氣和亮度突變等場景下感知魯棒性差、時空同步困難等缺陷。C-V2X提供低時延、高可靠的V2X通信能力保障，使得汽車可以在絕大多數(shù)條件下，有效、準確地獲取紅綠燈狀態(tài)與時長、道路標志標識、路段交通突發(fā)事件等實時信息，以及在出入隧道等極端情況下的交通實時信息，以幫助識別和警告人類駕駛員或機器控制可能忽視的其他危險。
此外，將單車感知通過C-V2X擴展為多車協(xié)作感知，即車車協(xié)同，進一步將車車協(xié)同擴展為異構(gòu)多域的車路協(xié)同感知，并結(jié)合移動邊緣計算技術(shù)實現(xiàn)更大數(shù)據(jù)量融合/處理后的、更大范圍的信息傳播，從而滿足非視距盲區(qū)感知（如十字交叉路口、出入匝道口等）、有遮擋情況下（如前方貨車、車輛編隊等）的感知需求。基于C-V2X的車車與車路協(xié)同感知和單車感知在不同應(yīng)用場景下的比較見表1。
（2）更強大的網(wǎng)聯(lián)智能
在單車智能的自動駕駛技術(shù)路線中，主要依賴車載計算設(shè)備的智能處理能力，存在算力需求隨著自動駕駛級別上升呈指數(shù)級增長、成本高昂等明顯缺陷?；贑-V2X構(gòu)建網(wǎng)聯(lián)智能，實現(xiàn)由車載計算設(shè)備、路側(cè)邊緣計算設(shè)備和中心云計算設(shè)備構(gòu)成的分級、網(wǎng)絡(luò)化智能決策與控制。其中，C-V2X提供計算任務(wù)與數(shù)據(jù)、決策結(jié)果、控制指令的低時延、高可靠傳輸能力。
在部分復(fù)雜交通規(guī)則的場景下（如交替通行），考慮到單車自動駕駛對于規(guī)則執(zhí)行通常出于保守的原則，可能會做出低于人類駕駛員效率的決策（如在車道中持續(xù)等待）。若采用網(wǎng)聯(lián)智能方案，一方面車輛可以更好地理解規(guī)則、做出更有效率的決策（如按照交替通行的原則合流）；另一方面車輛可將決策信息通知周圍車輛，更好地提醒有關(guān)車輛注意讓行，特別是應(yīng)用在高優(yōu)先路權(quán)車輛（救護、消防、公安等緊急車輛）中。
（3）系統(tǒng)邊際成本優(yōu)勢
單車智能的車用零部件研發(fā)成本隨汽車安全完整性等級（automotive safety integration level，ASIL）指數(shù)增長。目前高度自動化的自動駕駛測試車主要由高精度毫米波/激光雷達、視頻傳感、高精度定位系統(tǒng)、車載計算平臺、通信及計算芯片和車機本身構(gòu)成，制造、維護、測試等成本很高，存在單車智能的傳感器數(shù)量多、精度要求高、計算復(fù)雜且算力要求高等問題。若路側(cè)具備智能感知能力，通過車車及車路協(xié)同的網(wǎng)聯(lián)智能，降低對單車智能的能力要求。在此背景下，路側(cè)感知和V2X屬于共用基礎(chǔ)設(shè)施，單一路口和關(guān)鍵路段的路側(cè)設(shè)備可以同時服務(wù)數(shù)十到上百輛車，存在明顯成本分攤效應(yīng)，綜合有利于降低單車智能化成本。隨著路側(cè)單元（roadside unit，RSU）和路側(cè)感知設(shè)備、MEC設(shè)備的規(guī)?；采w建設(shè)，安裝C-V2X功能的汽車達到一定的滲透率，系統(tǒng)的邊際成本將快速下降，經(jīng)濟與社會效益顯著。
3.2 基于C-V2X的車路協(xié)同在智慧交通和智能駕駛的應(yīng)用
值得注意的是，C-V2X技術(shù)的應(yīng)用，必將經(jīng)歷不同的發(fā)展階段，從重點提升道路安全和交通效率逐步向自動駕駛應(yīng)用演進。
（1）智能輔助駕駛提升道路安全和交通效率是當前車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用發(fā)展重點
從提升道路安全的角度，在有人駕駛下，C-V2X實現(xiàn)車輛與車輛或者路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施之間實時通信，實現(xiàn)超視距、低時延、高可靠的道路安全相關(guān)信息感知，從而實現(xiàn)十字交叉路口碰撞預(yù)警、緊急剎車預(yù)警等車輛行駛安全應(yīng)用。以十字交叉路口為例，美國、加拿大等國的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，高達近50%的交通事故發(fā)生在交叉路口或與路口相關(guān)，是道路安全中極具挑戰(zhàn)性的場景。在十字交叉路口碰撞預(yù)警應(yīng)用中，車輛廣播基本安全消息，攜帶自身身份、定位、運行狀態(tài)、軌跡等信息，交叉路口其他方向來車通過接收信息進行行駛決策。再如，山區(qū)高速公路彎道較多，特別是在上、下匝道區(qū)域，由于道路線型、山體遮擋的影響，車輛無法及時獲取前方道路信息，一旦有停車、行人、遺撒等異常情況發(fā)生，容易發(fā)生交通事故。路側(cè)感知設(shè)備可以對彎道區(qū)域的交通參與者和路面情況進行探測與分析，并將異常情況通過RSU進行廣播，對車輛進行盲區(qū)感知補充，有利于車輛駕駛者進行路徑規(guī)劃、避免交通事故。
從提升交通效率的角度，基于C-V2X通信，經(jīng)過聯(lián)網(wǎng)化改造的交通信號燈或電子標志標識等基礎(chǔ)設(shè)施可將交通管理與指示信息通過RSU告知車輛，實現(xiàn)誘導(dǎo)通行、車速引導(dǎo)等出行效率提升應(yīng)用。以誘導(dǎo)通行為例，交通燈信號機可通過RSU將燈色狀態(tài)與配時等信息實時傳遞給周圍的行駛車輛，為車輛駕駛決策是否通過路口以及對應(yīng)的通行速度提供相應(yīng)依據(jù)，并且可以在一定程度上避免闖紅燈事故的發(fā)生。另外，車輛可以與交通基礎(chǔ)設(shè)施互動，交通信號燈動態(tài)支持高優(yōu)先路權(quán)車輛（救護、消防、公安等緊急車輛及滿載的公交車輛等）的優(yōu)先通行。
（2）支持分階段演進的自動駕駛是車聯(lián)網(wǎng)中長期目標
自動駕駛發(fā)展需要智能化與網(wǎng)聯(lián)化協(xié)同發(fā)展，單獨使用單車智能難以支撐自動駕駛，特別是應(yīng)對極端情況（corner case）和成本難題?；贑-V2X提供的通信和連接能力實現(xiàn)網(wǎng)聯(lián)化，并協(xié)同單車的智能控制管理，支撐自動駕駛中所需要的信息實時共享與交互、協(xié)同感知和協(xié)同控制。前述用于輔助駕駛階段的車車和車路協(xié)同基本功能在自動駕駛中仍然是必要的。對于自動駕駛階段，基于C-V2X的車車和車路協(xié)同可產(chǎn)生的直接影響包括且不限于以下情景。
自動駕駛的應(yīng)用場景將由限定區(qū)域的復(fù)雜路口和復(fù)雜路段擴展至全路段、全部路口，支持協(xié)同感知、協(xié)同決策與控制，保障行駛安全、提高交通效率。如有研究表明，如果所有車輛都使用防撞傳感器以及車車（V2V）通信技術(shù)，則高速公路的有效通行能力將提高273%。
極端危險情況下的遠程遙控駕駛：借助于通信和遠程監(jiān)控，通過獲取車輛的行駛狀態(tài)和周邊交通環(huán)境信息，實時發(fā)送指令控制遠在幾十甚至幾百千米之外的車輛，完成啟動、加/減速、轉(zhuǎn)向等真實駕駛操作，避免極端事故發(fā)生，以及實現(xiàn)自動駕駛發(fā)生事故發(fā)生后的遠程接管和處理。
緊急車輛避讓：通過V2V通信，對于識別到的救護、消防、公安等緊急車輛（高優(yōu)先路權(quán)車輛）實現(xiàn)緊急避讓，雖然通過單車智能也可以做到，但是有若干缺陷，首先，只能是相鄰車輛；其次，無法保證識別的準確率，識別算法的優(yōu)劣不同，可能導(dǎo)致識別速度緩慢，消息失去時效性。V2V通信收發(fā)的消息本身包含車輛身份信息，可以對車輛的身份進行識別，實現(xiàn)具有優(yōu)先級管理的應(yīng)用服務(wù)，甚至可以實時讓出一個緊急車道。
編隊行駛：區(qū)別于協(xié)同式自適應(yīng)巡航控制（cooperative adaptive cruise control，CACC），利用C-V2X通信的低時延、高可靠通信能力，編隊車輛通過直通通信實現(xiàn)實時交互。編隊成員車輛可以在最短時間內(nèi)接收到頭車/前車的駕駛策略與駕駛狀態(tài)信息，進行同步加速、剎車等操作，從而保持預(yù)期的編隊構(gòu)型和編隊的穩(wěn)定性，可減少編隊中成員車輛的空氣阻力，有效降低車輛燃油消耗。
“智能路口”-“城市大腦”：借助于V2X通信、多級計算平臺，可以實現(xiàn)自動駕駛車輛在交叉路口的優(yōu)化控制，包含路口車車碰撞預(yù)警、人車碰撞預(yù)警、紅綠燈信息獲取、車速引導(dǎo)及綠波通行等路口優(yōu)化應(yīng)用，有效提升交通效率，進一步降低交通擁堵，提升市民的幸福感。
可以預(yù)期，C-V2X在自動駕駛中的應(yīng)用將經(jīng)歷兩個發(fā)展階段：封閉區(qū)域或指定道路的中低速無人駕駛、全場景全天候開放道路的無人駕駛。
封閉區(qū)域（港口、機場、礦區(qū)、工業(yè)園區(qū)、廠區(qū)等）和指定道路中低速無人駕駛需要LTE-V2X PC5接口和5G蜂窩（Uu）的支持，并與區(qū)域部署的MEC相結(jié)合。目前產(chǎn)業(yè)界已開展一系列商用實踐，如神華寶日希勒露天煤礦的網(wǎng)聯(lián)自動駕駛礦卡、蘇州相城區(qū)高鐵新城的自動駕駛清掃車、天津港的自動駕駛港口集卡、上汽通用五菱工廠的自動駕駛工廠物流等。另外，深圳在“獨立立法權(quán)”的支持下，即將允許無人環(huán)衛(wèi)車規(guī)?；\營；還有指定道路的高級別自動駕駛，如百度在長沙和北京亦莊等開展的Robotaxi，目前車上配有安全員。
全場景全天候開放道路的無人駕駛需要NR-V2X PC5接口和5G蜂窩（Uu）支持，與廣泛部署的MEC融合提供開放道路的廣域協(xié)同決策和控制能力，是長遠目標，需要政策法規(guī)的完善和長期的測試過程。
目前，單車智能化的成本較高。通過網(wǎng)聯(lián)智能化的推進，可以有效降低單車智能成本。此外，隨著越來越多的智能網(wǎng)聯(lián)汽車、智能化道路基礎(chǔ)設(shè)施間實現(xiàn)互聯(lián)，將衍生出更多的應(yīng)用服務(wù)類應(yīng)用，例如實時的交通誘導(dǎo)、實時的道路事故/工程提醒、實時的路段天氣播報（如高速公路團霧等）、出行即服務(wù)（mobility as a service，MaaS）等，有助于推行商業(yè)模式創(chuàng)新和可持續(xù)的行業(yè)生態(tài)體系，以及通過車聯(lián)網(wǎng)支撐汽車行業(yè)和交通行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，提供低碳汽車產(chǎn)品及降低交通事故和提升交通效率等應(yīng)用，從而支撐我國“碳達峰”與“碳中和”戰(zhàn)略目標的有效達成。
4、我國基于C-V2X的車路云協(xié)同發(fā)展模式和展望
我國政府長期堅持智能化與網(wǎng)聯(lián)化協(xié)同發(fā)展路徑，充分發(fā)揮我國信息通信產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，帶動汽車、交通傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，推進智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，并促進形成新的產(chǎn)業(yè)集聚，已積極影響到國際社會的技術(shù)路徑選擇。
4.1 部委協(xié)同，明確車聯(lián)網(wǎng)與車路協(xié)同發(fā)展路徑
我國已將車聯(lián)網(wǎng)提升到國家戰(zhàn)略高度，國務(wù)院及相關(guān)部委對車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)升級和業(yè)務(wù)創(chuàng)新進行了頂層設(shè)計、戰(zhàn)略布局和發(fā)展規(guī)劃，并形成系統(tǒng)的組織保障和工作體系，中國與車聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的重要政策見表2。
進入2021年以來，我國在車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)頂層規(guī)劃、部際協(xié)調(diào)以及跨行業(yè)試點示范方面取得良好進展。2021年3月11日，十三屆全國人大四次會議表決通過了關(guān)于國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要的決議。規(guī)劃中明確指出，要統(tǒng)籌推進傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施和新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，積極穩(wěn)妥發(fā)展車聯(lián)網(wǎng)。2021年4月，國家制造強國建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展專委會第四次全體會議在京召開，強調(diào)要加快車聯(lián)網(wǎng)部署應(yīng)用。2021年9月8日，工信部啟動了車聯(lián)網(wǎng)身份認證和安全信任試點項目，包括新能源和智能網(wǎng)聯(lián)汽車車聯(lián)網(wǎng)身份認證、安全信任體系建設(shè)等61個試點項目，有逾300家單位參與到試點項目建設(shè)中，涵蓋了汽車、通信、密碼、互聯(lián)網(wǎng)等跨領(lǐng)域企業(yè)以及地方車聯(lián)網(wǎng)建設(shè)運營主體等。2021年11月，工信部發(fā)布了《“十四五”信息通信行業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，在規(guī)劃中有24處提到車聯(lián)網(wǎng)，并明確推動C-V2X與5G網(wǎng)絡(luò)、智慧交通、智慧城市等統(tǒng)籌建設(shè)，加快在主要城市道路的規(guī)?；渴?，探索在部分高速公路路段試點應(yīng)用；協(xié)同汽車、交通等行業(yè)，加速車聯(lián)網(wǎng)終端用戶滲透。
4.2 行業(yè)組織積極推進車聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)互通測試及產(chǎn)業(yè)成熟
IMT-2020（5G）推進組C-V2X工作組等行業(yè)組織，近幾年持續(xù)組織C-V2X互聯(lián)互通應(yīng)用實踐活動，加快驗證中國C-V2X全協(xié)議棧標準的有效性，促進C-V2X產(chǎn)業(yè)各環(huán)節(jié)協(xié)同研發(fā)和測試，為推動國內(nèi)C-V2X大規(guī)模應(yīng)用部署和產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。2018年起連續(xù)舉辦的“三跨”“四跨”等C-V2X互聯(lián)互通應(yīng)用實踐活動見表3。
4.3 先導(dǎo)性應(yīng)用助力探索技術(shù)成熟和模式創(chuàng)新
工信部、公安部、交通運輸部等協(xié)同推動跨部門合作與部省合作，支持車聯(lián)網(wǎng)示范區(qū)、先導(dǎo)區(qū)建設(shè)，在城市、高速等不同場景規(guī)?；渴疖嚶?lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，推廣車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用落地。目前工信部已批復(fù)支持江蘇（無錫）、天津（西青）、湖南（長沙）、重慶（兩江新區(qū)）創(chuàng)建國家級車聯(lián)網(wǎng)先導(dǎo)區(qū)，結(jié)合創(chuàng)建城市自身的特點，將在高速公路、城市道路等不同道路環(huán)境規(guī)模部署C-V2X網(wǎng)絡(luò)，并結(jié)合5G和智慧城市建設(shè)，完成重點區(qū)域交通設(shè)施車聯(lián)網(wǎng)功能改造和核心系統(tǒng)能力提升，豐富車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景，帶動全路網(wǎng)規(guī)模部署，建立健康可持續(xù)的建設(shè)和運營模式，構(gòu)建開放融合、創(chuàng)新發(fā)展的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。國內(nèi)其他城市，如廣東廣州、廣西柳州、四川成都、安徽合肥、浙江德清等地，也在積極地籌備建設(shè)過程當中。截至2021年7月，全國共開放3500多千米測試道路，道路測試總里程超過700萬千米。
國內(nèi)的企業(yè)也積極探索C-V2X的技術(shù)落地與模式創(chuàng)新，開展了一系列商用實踐活動。從出行服務(wù)到貨物運輸、干線物流、無人配送、礦山重載等，應(yīng)用規(guī)模逐漸擴大。例如，中國信息通信科技集團有限公司的大唐高鴻公司與中國交通建設(shè)股份有限公司聯(lián)合在G5021石渝高速進行了全路網(wǎng)的車路協(xié)同示范改造，成為全球首條已建成并實際運營的C-V2X復(fù)雜高速公路?；贑-V2X的車路協(xié)同實現(xiàn)了多維的交通運行數(shù)字感知應(yīng)用、行車主動安全應(yīng)用、路運一體化協(xié)同應(yīng)用、車路協(xié)同高精度定位應(yīng)用和應(yīng)急指揮調(diào)度應(yīng)用，為提升道路行車安全、通行效率提供了有力支撐。再如，中國信息通信科技集團有限公司的大唐移動和廈門市交通運輸局、廈門市公交公司聯(lián)合建設(shè)了廈門快速公交系統(tǒng)（bus rapid transit，BRT）智能網(wǎng)聯(lián)車路協(xié)同系統(tǒng)。廈門BRT是國內(nèi)第一條面向商用的車路協(xié)同智慧公交，利用C-V2X與5G技術(shù)，提供了超視距防碰撞、精準停靠、最優(yōu)車速行駛、路口盲區(qū)檢測等多項特色應(yīng)用，能夠有效降低油耗15%左右，提高車輛行駛安全及交通效率。
4.4 地方政府積極出臺車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展利好政策
在國家政策指導(dǎo)下，各地結(jié)合自身發(fā)展需求和產(chǎn)業(yè)條件出臺了積極推進車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的政策。例如，江蘇省編制形成江蘇省車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展重點任務(wù)分解表（2020—2021年），明確了推動車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的行動指南；天津市發(fā)布車聯(lián)網(wǎng)（智能網(wǎng)聯(lián)汽車）產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃，提出加快LTE網(wǎng)絡(luò)升級改造和5G規(guī)?；渴穑嵘齃TE-V2X網(wǎng)絡(luò)覆蓋水平，建設(shè)基于LTE-V2X無線通信關(guān)鍵技術(shù)的車聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺。北京市發(fā)布《北京市智能網(wǎng)聯(lián)汽車創(chuàng)新發(fā)展行動方案（2019年—2022年）》，提出部署智能路網(wǎng)試點改造工程，規(guī)劃建設(shè)衛(wèi)星地面增強站、LTE-V2X、NR-V2X路側(cè)單元。另外，長沙市發(fā)布智能汽車產(chǎn)業(yè)“火炬計劃”和“頭羊計劃”、廣州市發(fā)布廣州市加快推進數(shù)字新基建發(fā)展三年行動計劃、四川省發(fā)布《關(guān)于推進智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的通知》，河北、上海、湖北武漢、浙江德清、廣東深圳等其他省市地區(qū)也發(fā)布了與車聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的推進政策。
4.5 “5G+車聯(lián)網(wǎng)”的新基建，探索“聰明的車”“智慧的路”“協(xié)同的云”發(fā)展模式
在路側(cè)，截至2021年10月底，江蘇（無錫）、天津（西青）、湖南（長沙）、重慶（兩江新區(qū)）4個車聯(lián)網(wǎng)國家級先導(dǎo)區(qū)在700余千米的高速和城市道路上，再加上其他城市，共計部署了4 000余臺RSU，在全國其他城市也有不同程度的部署。同時，中國信息通信研究院正在積極建設(shè)車聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)統(tǒng)計平臺，匯聚國內(nèi)各車聯(lián)網(wǎng)示范區(qū)、先導(dǎo)區(qū)及高速公路沿線中已經(jīng)建設(shè)運營的車聯(lián)網(wǎng)C-V2X基礎(chǔ)設(shè)施的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，周期性匯總形成報表，支撐國家級車聯(lián)網(wǎng)先導(dǎo)區(qū)創(chuàng)建相關(guān)工作的開展。
在車端，新車前裝C-V2X在2020年開始提速。到2021年上半年，已有十多家車企宣布C-V2X量產(chǎn)車型計劃，包括一汽紅旗、上汽通用、上汽奧迪、福特汽車、長城汽車、廣汽、北汽、吉利、蔚來等。業(yè)界預(yù)測，2025年，C-V2X的新車搭載率將達到50%。
建設(shè)“5G+C-V2X”新型基礎(chǔ)設(shè)施，將助力解決車聯(lián)網(wǎng)車載終端滲透率低、路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和運營模式不清晰等一系列問題，為中國發(fā)展智能駕駛和智慧交通，探索出一條具有中國特色的“聰明的車”“智慧的路”“協(xié)同的云”的發(fā)展模式。
5 結(jié)束語
本文以分析車聯(lián)網(wǎng)的通信需求與挑戰(zhàn)為基礎(chǔ)，介紹了C-V2X系統(tǒng)架構(gòu)與核心關(guān)鍵技術(shù)，以及國際、國內(nèi)技術(shù)標準演進。針對基于C-V2X的車車協(xié)同和車路協(xié)同在智慧交通和智能駕駛領(lǐng)域的應(yīng)用，分析其在信息感知、網(wǎng)聯(lián)智能和成本方面的優(yōu)勢，以及從重點提升道路安全和交通效率逐步向自動駕駛應(yīng)用演進的發(fā)展趨勢。最后，介紹了國家及地方政策、先導(dǎo)應(yīng)用與示范驗證，并展望中國發(fā)展智慧交通和智能駕駛之路：將積極推進“5G+車聯(lián)網(wǎng)”新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，探索基于車聯(lián)網(wǎng)的“聰明的車”“智慧的路”“協(xié)同的云”的車路云協(xié)同發(fā)展模式。
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