车联网技术背景及概述

如果我们要给车联网下一个定义，那便是：借助新一代信息和通信技术，实现车内、车与车、车与路、车与人、车与服务平台的全方位网络连接，提升汽车智能化水平和自动驾驶能力，构建汽车和交通服务新业态，从而提高交通效率，改善汽车驾乘感受，为用户提供智能、舒适、安全、节能且高效的综合服务。网络连接、汽车智能化和服务新业态是车联网的三个核心。 车用无线通信技术V2X（Vehicle-to-Everything）是将车辆与一切事物相连接的新一代信息通信技术，其中V代表车辆，X代表任何与车交互信息的对象，当前X主要包含车、人、交通路侧基础设施和网络。V2X交互的信息模式包括：车与车之间V2V（Vehicle-to-Vehicle）、车与路之间V2I（Vehicle-to-Infrastructure）、车与人之间V2P（Vehicle-to-Pedestrian）、车与网络之间V2N（Vehicle-to-Network）的交互。

首先我们要清楚几个概念：V2V是指通过车载终端进行车辆间的通信；V2I是指车载设备与路侧基础设施（如红绿灯、交通摄像头、路侧单元等）进行通信；V2P是指弱势交通群体（包括行人、骑行者等）使用用户设备（如手机、笔记本电脑等）与车载设备进行通信；V2N是指车载设备通过接入网/核心网与云平台连接并进行数据交互。 除了以上概念以外，C-V2X概念最为核心。C便是指蜂窝（Cellular），它是基于3G/4G/5G等蜂窝网通信技术演进形成的车用无线通信技术，包含基于LTE网络的LTE-V2X，以及未来5G网络的NR-V2X系统，是DSRC技术的有力补充。借助已存在的LTE网络设施来实现V2V、V2I、V2P、V2N的信息交互，这项技术最吸引人的地方是它能紧跟变革，适应于更复杂的安全应用场景，满足低延迟、高可靠性和满足带宽要求。

应该说C-V2X标准也经历了一番演进。作为LTE平台向垂直行业新业务的延伸，3GPP为车辆通信的增强进行了标准研究和开发，如图1所示。当前，C-V2X的标准化分为三个阶段，如图1所示：第一阶段，支持LTE-V2X的3GPP R14版本已于2017年正式发布；第二阶段，支持LTE-V2X增强（LTE-eV2X）的3GPP R15版本于2018年6月正式完成；最后一个阶段，支持5G-V2X的3GPP R16+版本于2018年6月启动研究，将与LTE-V2X/LTE-eV2X形成互补关系。 2016年9月，电信行业与汽车行业的全球跨行业产业联盟—5G汽车通信技术联盟5GAA（5G Automotive Association）成立，5GAA发起方包括奥迪、宝马和戴姆勒以及五家电信通信公司——爱立信、华为、英特尔、诺基亚和高通。目前已经有多家机构加盟该组织，已涵盖主要车企、运营商与设备商成员超过60家公司。各公司将在车联网通信解决方案的开发、测试、销售方面展开合作，并支持标准化，加快商用化和向全球市场推广。

图1  3GPP定义C-V2X标准演进过程

C-V2X技术原理

C-V2X针对的工作场景既有蜂窝网络覆盖的场景，也支持没有蜂窝网络部署的场景，包括两种通信方式：集中式（C-V2X-Cell，也称“广域蜂窝式”）和分布式（C-V2X-Direct，也称短程直通式），提供两种通信接口，分为Uu接口（终端与蜂窝网络之间）和PC5接口（终端与终端之间）。当支持C-V2X的终端设备（如车载终端、智能手机和路侧单元等）处于蜂窝网络覆盖内时，可在蜂窝网络的控制下使用Uu接口；无论是否有网络覆盖，均可以采用PC5接口进行V2X通信。C-V2X将Uu接口和PC5接口相结合，彼此相互支撑，共同用于V2X业务传输，形成有效的冗余来保障通信可靠性。C-V2X通信网络架构，如图2所示。

图2  C-V2X通信网络架构

PC5接口定义了车辆间的直接通信方式，在3GPP R12版本上进行了多方面的增强，支持车辆间的车辆动态信息（例如位置、速度、行驶方向等）的快速交换和高效的无线资源分配机制。这种技术具有如下特点：

（1）    物理层结构增强，以便支持更高速度。为了在高频段下支持高达500公里/小时的相对移动速度，解决高多普勒频率扩展以及信道快速时变的问题，C-V2X对物理层结构进行了增强。

（2）    支持全球卫星导航定位系统GNSS同步。为保证通信性能，C-V2X的接收机和发射机需要在通信过程中保持相互同步。C-V2X可支持包括全球卫星导航系统（GNSS）、基站和车辆在内多种同步源类型，通信终端可通过网络控制或调取预配置信息等方式获得最优同步源，以尽可能实现全网同步。

（3）    可以更加高效地进行资源分配以及拥塞控制。作为C-V2X的核心关键技术，PC5接口支持调度式的资源分配方式（TM3）和终端自主式的资源分配方式（TM4）。

接下来，我们探讨一下Uu接口的关键技术。Uu接口需要基站作为控制中心，车辆与基础设施、其他车辆之间需要通过将数据在基站进行中转来实现通信，支持大带宽、大覆盖通信，满足Telematics应用需求。C-V2X在Uu空口上对以下方面进行了功能增强：

（1）    上下行传输增强。上行传输支持基于业务特性的多路半静态调度，在保证业务传输高可靠性需求的前提下可大幅缩减上行调度时延。下行传输针对V2X业务的局部通信特性，支持小范围广播，支持低延时的单小区点到多点传输（SC-PTM）和多播/组播单频网络（MBSFN）。

（2）    多接入边缘计算研究。针对具备超低时延超高可靠性传输需求的车联网业务（如自动驾驶、实时高清地图下载等），C-V2X可以采用多接入边缘计算（MEC）技术。 接下来我们看一下LTE-V2X通信频段。3GPP TR 36.785定义了LTE-V2X的通信频段PC5接口协议，主要采用E-UTRA 47专用载波频段，信道带宽有10MHz和20MHz两种情况。如表1。

表1  通信频段PC5接口协议

3GPP RAN#73会议上，列举了以下两种用于V2V通信的传输模式。

（1）    传输模式TM3借助基站eNB，通过控制信令接口Uu实现V2V数据的调度和接口管理。在这种情况下，采用动态的方式进行资源的调度，车车间采用PC5接口通信。利用全球导航卫星系统（GNSS）进行时间同步。

（2）    传输模式TM4。V2V数据调度和接口的管理是基于车车间的分布算法实现。利用全球导航卫星系统进行时间同步。

车联网C-V2X测试解决方案

由于C-V2X标准中，C-V2X-Cell蜂窝移动通信在其中扮演非常重要的作用，主要体现在传统车联网Telematics的应用上。因此，C-V2X的测试方案主要从两个方面展开：一是传统车联网Telematics的测试，即C-V2X-Cell蜂窝通信的测试解决方案；另一个领域是目前规范探讨较成熟的C-V2V-Direct的测试解决方案。

（1）    C-V2X-Cell测试方案 针对研发测试，罗德与施瓦茨公司提供高端的信号源和频谱仪方案，用于验证蜂窝通信模块的性能测试，包括发射机测试和接收机测试，其中，SMW200A用于接收机测试，FSW用于发射机测试，针对蜂窝通信模块的GNSS测试，可以使用SMBV100A或者SMW200A测试，如图3所示。

图3 基于Uu接口的C-V2X-Cell设备研发测试方案

根据3GPP规范需求，本方案可完成基于C-V2X-Cell模式的通信设备的测试项目如表2所示。

表2  基于C-V2X-Cell的通信设备的测试项目表

针对产品线测试，罗德与施瓦茨公司的CMW平台可以一键完成发射机和接收机的测试，同时，在信令模式下，不需要控制芯片，只需要和产品保持信令连接即可完成测试，如图4所示。

图4  基于Uu接口的C-V2X-Cell设备产线测试方案

CMW500一键完成2G/3G/4G/C-V2X-Cell通信的发射机和接收机测试，结果如图5所示。

图5  C-V2X-Cell信令模式下的连接和一键测试功能

（2）    C-V2X-Direct测试方案 首先我们关注C-V2X-Direct TM4 Side Link测试解决方案的问题。3GPP标准Realease14中已经为C-V2X定义了两种通信接口PC5和Uu，其中，TM4中覆盖范围外的应用，需要使用GNSS卫星进行同步。罗德与施瓦茨公司提供的CMW500结合SMBV100A即可完成C-V2X-Direct TM4 Side Link的测试。方案如图6所示。

图6  C-V2X-Direct TM4 Side Link通信测试方案

罗德与施瓦茨公司提供的C-V2X TM4 Side Link测试方案，可以非常方便地同时完成数据发射、数据接收及数据性能测试，具体测试内容如表3所示。

表3  C-V2X-Direct TM4 SideLink数据发射测试

接下来我们关注一下C-V2X-Direct PC5接口射频一致性测试解决方案。根据3GPP R14中对PC5接口的性能需求，目前可以使用CMW KM570完成PC5接口的物理层测试。其测试方案如图7所示。

图7  C-V2X-Direct TM4 PC5接口射频一致性测试方案

罗德与施瓦茨公司的CMW平台可以一键完成发射机和接收机的测试，同时，在非信令模式下，通过CMW-KM570选件，一次完成C-V2X-Direct TM4 PC5接口的射频一致性测试，通过多端口综测仪CMW100完成的PC5接口射频测试结果，如图8所示。

 图8  C-V2X-Direct TM4 PC5接口射频一致性测试结果显示

小结

车联网是目前汽车电子的主流方向，涉及众多的通信方式，本文主要从车联网的驱动力、车联网概念开始，探讨了车联网的关键技术，同时也介绍了罗德与施瓦茨公司关于车联网C-V2X技术的测试解决方案，包括了用于研发的测试方案，产线的经济型方案，以及一致性认证的全套方案。 罗德与施瓦茨公司基于CMW-KU514的C-V2X测试方案，是目前市场上唯一能够独立测试C-V2X-Direct TM4 Side Link数据性能方案，包括数据发射测试、数据接收测试和衰落场景下数据性能测试，为V2V和V2I在没有网络覆盖情况下进行安全通信提供了有力保障。另外，罗德与施瓦茨公司也提供基于CMW-KM570的C-V2X射频一致性测试方案，在满足3GPP规范需求的情况下，也为C-V2X通信设备性能提供了可靠性保障。同时，罗德与施瓦茨公司的C-V2X测试平台还能同时测试DSRC/IEEE 802.11p专用短程车联网方案。