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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,China）Ab
2、stract 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 key t
3、echnologies 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（V2N）应用和车-
4、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术和部署方案。表1 DSRC与C-V2
5、X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V2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100m
6、s，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
7、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
8、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 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)
9、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 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 2
10、3.4684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
11、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
12、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V2X MBMS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-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
13、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
14、过MME提供给eNodeB。MBMS承载业务分配的C-TEID基于由TMGI（Temporary Mobile Group Identity）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V2X AS和BM-SC之间进行MBMS承载的管理交互。BM-
15、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 TS23.3035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
16、置功能（DPF）：用于为UE提供必要的参数，以便使用ProSe Direct Discovery和Prose Direct Communication。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
