1.3 车联网体系架构与通信标准

1.3.1 车联网体系架构

1. 云管端架构

“云-管-端”是未来信息服务的新架构，如图1-4所示，它展示其面向未来自动驾驶的端到端综合解决方案。简单来说，“云”是云服务，包括云计算和大数据，它能够基于大量收集到的数据实时进行智能处理和协同规划，进而开展队列控制等操作；端是智能终端，包括汽车、手机（代表行人）和路侧单元各种交通参与实体，也是执行云端指令的实体；而“管”则是连接“云”和“端”之间的各种管道，包括上、下行通信管道和直通管道，它将各种交通实体连接起来，并保证数据交互的顺畅。由于云端需要处理的数据量极大，对传输的时延和可靠性要求极高，所以目前更多地强调车车/车路之间的实时互联和分布式处理，以简化网络架构的设计和降低算法处理的复杂性。

2. 人车路网子系统

在美国，引入车联网的ITS系统架构如图1-5所示，它总共包含了22个小的子系统，22个子系统又被划分为四个大的子系统：中心子系统、道路子系统、车辆子系统以及旅客子系统。子系统之间采用不同的通信技术完成信息交互，包括车车通信、车路通信、点对点通信和广域无线通信，子系统与子系统之间通过标准接口来交换信息［6］。

由于ITS的子系统众多，需要一个能接收和处理其他子系统信息的中心，用于控制并协调其他子系统的活动，中心子系统就起到了这样的作用。中心子系统包含交通管理、紧急管理、收费管理、商务车管理、车队和货运管理、信息服务支持、排放管理、运输管理、维护和施工管理，以及归档数据管理等子系统。

道路子系统的主要功能是通过传感器对道路进行监测，以确定道路的实际情况（例如是否拥堵，红绿灯信息，是否出现事故等），同时对道路进行一定程度上的控制（例如操作一些云控制系统或者进行交通灯的控制），此外还需要为信号灯、高速公路状况无线电等路边设备提供信息。道路子系统又包含了道路信息、安全监控、道路支付、停车管理、商用车检查等方面的内容。

车辆子系统则代表了道路上运行的车辆主体，它的功能则反映了不同车辆对安全高效行车所必需的感知、处理、存储和通信功能。其下针对普通汽车、应急车辆、商用车辆、公共交通车辆以及维护施工车辆提出了不同的需求与功能部署。

旅客子系统代表了行人子系统或非机动车子系统，是为旅客的个人设备提供相关的出行信息支持，此处不能与车辆相关的导航设备混淆。旅客子系统包含了远程旅客支持和个人信息访问两个部分。

1.3.2 车联网体系参考模型

作为物联网的一种特殊行业应用，车联网体系参考模型主要包括三层：数据感知层、网络传输层以及应用层。

1. 数据感知层

数据感知层承担车辆自身与道路交通信息的全面感知和采集，是车联网的神经末梢，通过传感器、RFID、车辆定位等技术，实时感知车况及控制系统、道路环境、车辆当前位置、周围车辆等信息，实现对车辆自身属性以及车辆外在环境如道路、人、车等静、动态属性的提取，为车联网应用提供全面、原始的终端信息服务。数据感知层的数据来源包括多个部分，一是对车辆自身的感知，例如速度、加速度、位置、横摆角速度等，主要通过读取CAN总线、GPS和其他感知设备来实现；二是对周围车辆行驶状态的感知，比如周围车辆的位置、方位、速度、航向角，这就需要车间通信，以及道路环境的感知，比如交通信号状态、道路拥堵状态、车道驾驶方向，这就需要车路通信，每辆车和路边设施单元需要把自己感知到的信息分发出去；三是通过与后台及第三方应用交互来获取更多的数据，比如天气数据、公交车优先调度请求等。

2. 网络传输层

为了在车车、车路、车人和车云（车与后台中心）之间实现信息的共享，这就需要考虑通用的通信协议的制定。网络层通过制定满足业务传输需求的能够适应通信环境特征的网络架构和协议模型，在一种网络环境下整合不同实体所感知到的数据；通过向应用层屏蔽通信网络的类型，为应用程序提供透明的信息传输服务；通过对云计算、虚拟化等技术的综合应用，充分利用现有网络资源，为上层应用提供强大的通信支撑和信息支撑服务。

3. 应用层

车联网的各项应用必须在现有网络体系和协议的基础上，兼容未来可能的网络拓展功能。应用需求是推动车联网技术发展的原动力，车联网在实现智能交通管理、车辆安全控制、交通事件预警等功能的同时，还应为车联网用户提供车辆信息查询、信息订阅、事件告知等各类服务功能。同时可以运用云计算平台，面向包括政府管理部门、整车厂商和信息服务运营企业以及个人用户在内的不同类型用户，提供汽车综合服务与管理功能，共享汽车与道路交通数据，从而支持新型的服务形态和商业运营模式。

由于不同的业务需求和传输环境，整个车联网采用不同的通信技术，一个实体往往具有多模式的接入能力，比如车载单元，既有WiFi、DSRC、3G/4G接入，还有卫星通信，如图1-6所示。具体到实体之间，路侧和后台中心子系统之间往往采用光纤通信，行人、车辆与中心子系统之间采用蜂窝接入。由于交通安全需要及其严苛的通信时延和传输可靠性，因此需要车与车、车与路之间的实时通信，且不与其他的通信系统相互干扰，就必须制定专用于车辆环境的通信标准以及开发相应的通信技术。考虑到其他的通信技术非常成熟，常常讨论的车联网（V2X）就是针对车车/车路通信这种狭义的车联网技术而言，而且目前美国、欧盟所规划的战略重点也是针对这种技术，因此我们后面的章节主要围绕车车/车路通信相关的V2X技术展开讨论。

1.3.3 美国车联网通信标准

就狭义车联网的通信标准来说，国际上最典型的V2X通信技术为车辆专用短程通信技术。DSRC是一种高效、专用的车辆无线通信技术，于1998年由美国国会颁布的《21世纪交通平等法》最先提出，它是以IEEE 802.11p为基础，将5.850～5.925GHz中的75MHz频段作为智能交通系统中专用短程通信的无线电服务，服务目的是为了改善交通安全程度，减少拥堵等。后续，欧盟、日本、新加坡、韩国等相继推出自己的通信标准，但是都是基于美国的DSRC标准派生而来，所以这里首先介绍美国的DSRC标准。

DSRC通信从根本上依赖于来自不同制造商的设备之间的互操作性。由美国交通部和汽车制造商组成的车辆安全通信3（Vehicular Safety Communication 3,VSC3）团队已经开展了一个项目，用于测试DSRC技术的互操作性和扩展性。这个V2V互通性项目的第一阶段集中在新兴标准是否足够清晰和全面，能否实现独立的通信。测试显示，来自四个供应商的DSRC设备能有效通信，在标准识别上没有显著差异。

DSRC协议栈如图1-7所示［7］。在物理层和MAC层，DSRC使用IEEE 802.11p（IEEE 802.11（WiFi）的改进版）提供车载环境下的无线接入。在协议栈中间位置，DSRC采用一套IEEE 1609工作组定义的标准：1609.4——用于信道切换，1609.3——用于网络服务（包括WAVE短消息协议——WSMP），1609.2——用于安全服务。DSRC还支持在网络和传输层使用IPv6协议，用户数据报协议（User Datagram Protocol, UDP）和传输控制协议（Transmission Control Protocol,TCP），以支持接入Internet的需求。在具体通信过程中，选择使用WSMP还是IPV6+UDP/TCP取决于应用程序给定的要求。单跳消息例如以碰撞预防为基础的应用，通常使用通信效率高的WSMP，多跳数据包可使用IPv6的路由功能。

在协议栈顶部，SAE J2735标准指定了固定的消息格式来支持各种基于车辆的应用程序，其中最重要的消息格式是基本安全消息，它传达了重要的车辆状态信息来支持V2V安全应用程序。频繁发送BSM的车辆可以互相追踪周边其他车辆的运动状态，通过具体算法分析行为轨迹来防止潜在的碰撞。SAE J2945.1标准中对通信最低性能要求标准有详细说明，需要解决的主要问题在于BSM传输速率和功率、BSM数据的准确性以及信道拥塞控制。

美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission,FCC）已经将5.850～5.925GHz的5.9GHz频带分配给了DSRC通信，这段频谱包含了7个10MHz的信道和在最底部预留一个5MHz的保护间隔，并指定了每个信道是服务信道（Service Channel,SCH）还是控制信道（Control Channel,CCH），如图1-8所示。其中，两个10MHz的信道也能组合成20MHz的信道，例如信道175和信道181。美国在有关DSRC的测试中大多使用10MHz信道，测试显示，这种带宽很适合在汽车环境中所遇到的延迟和多普勒扩散。信道拥塞问题能通过提升到20MHz的信道容量来解决，这里需要考虑的是，虽然20MHz能降低碰撞概率，但传输一个给定调制方式和编码方式帧在10MHz信道上的花费只有20MHz上的一半，此外一个20MHz的信道在一个给定背景频谱下会产生更多的噪声。

美标DSRC为不同的信道分配了不同的任务，其中172信道和184信道指定用于公共安全相关的业务，172侧重于V2V之间的BSM交互和生命财产相关，其最大输出功率限定于33dBm，184侧重于长距离的交叉口安全业务，其最大输出功率可达40dBm。174和176信道用于中距离的共享公共安全/私有服务，最大输出功率为33dBm。178为控制信道，如果面向私有服务，最大输出功率为33dBm，如果面向公共服务，最大输出功率为44.8dBm。180和182信道提供短距离的共享公共安全/私有服务，最大输出功率为23dBm，其DSRC频谱图如图1-9所示。

1.3.4 欧盟车联网通信标准及与美标的区别

各国在频段划分、定义、使用方面存在差异，本节将主要介绍欧标和美标的区别。

V2X通信的欧洲标准为协作式智能交通系统C-ITS，C-ITS属于ITS的范畴，主要关心包括汽车、卡车、公共汽车、火车、基础设施等在内的一对一或一对多通信。其通信方式可以使用现有的适用于移动应用的技术，例如蜂窝网通信、Wi-Fi或者专用短程通信DSRC，但由于车辆场景下的高速移动特性，传统的Wi-Fi技术对于车辆移动通信不是最优选择。

欧标C-ITS 拥有自己的通信体系结构，如图1-10所示，整个通信模块由五个主要部分组成：

1）接入（Access）。对应OSI中的物理层和数据链路层，从图中可以看出C-ITS支持多种模式的接入。

2）网络和传输（Networking & Transport）。对应OSI中的网络层和传输层。网络层利用IP协议描述了如何寻址和寻找路由，其中定义了一种特殊的组网方式——基于地理位置的组网（GeoNetworking,GN）；传输协议定义数据是如何传输和控制的，例如TCP/UDP或基本传输协议（Basic Transport Protocol, BTP）。

3）设施（Facilities）。对应OSI中的会话层，表示层，应用层。可以提供通信信息共享的支持，应用的支持，其中包含了消息协议（例如CAM, DENM和SPAT）和LDM（本地动态地图）的定义。

4）管理。一个垂直支柱，管理ITS-S内所有进程，从底层到顶层。

5）安全。一个垂直支柱，管理ITS-S内端到端的安全，从底层到顶层。

C-ITS中的所有服务和应用位于顶层的应用层，与协议栈中的更低层通过API进行信息交互。

1. 通信频段的对比

就通信频段来说，欧标与美标的DSRC频段分配情况如图1-11所示。在欧洲的C-ITS标准中，为DSRC预留了5.9GHz频段上的70MHz带宽（在ETSI TC ITS和CALM M5 in ISO TC 204中被称为“ITS-G5”），用于支持快速移动车辆间的通信以及车辆和路边单元的通信。其频段范围为5855～5925MHz，与美国标准正好对应起来。

在IEEE标准中802.11的信道只定义了核心频率，并没有定义特定的带宽，而欧盟以及美国的标准中对不同的编号信道还提出了一个特定的信道带宽。如图1-12所示，欧标的10号信道占用了30MHz带宽，2号信道和8号信道占用了20MHz带宽；而在美标中，只有175号和181号两个可选的信道占用了20MHz带宽。

欧盟与美国的标准中均有对逻辑控制信道、逻辑服务信道和逻辑安全信道的定义。逻辑控制信道用于传送信令或同步数据，逻辑服务信道用于传递数据，逻辑安全信道（Safety Channel, SfCH）为特定功能的物理信道（例如用于保障人身财产安全的信道）。对比欧标和美标的规范，关于DSRC的信道定义的不同之处如图1-13所示。

● 对于5.9GHz频带下的逻辑控制信道CCH映射到物理信道的方式是不同的。

● 对于5.9GHz频带下的逻辑安全信道SfCH映射到物理信道的方式是不同的。

● 在ETSI欧洲标准中相较于美标，数量更少的物理信道被单独映射成逻辑服务信道

2. 协议栈的对比

欧盟和美国的车联网通信标准主要的区别如表1-1所示。在接入层，欧标和美标大同小异，都是基于IEEE 802.11p，采用了多信道调配的机制。不同的是，美标只支持单一的接入，而欧标能支持多种模式的接入。主要的区别来自于上层，在网络传输层，美标以WAVE短消息协议为主，而欧标以基于地理位置的组网/基本传输协议为主。在应用层，美标主要基于基本安全消息进行信息交换，其中以周期性消息为主，其中又包含了事件触发的消息；而欧标则分别定义了两大类消息：周期性消息（Cooperative Awareness Message, CAM）和事件触发消息（Decentralized Environmental Notification Message, DENM）。

具体来说，欧标与美标的映射对比如图1-14所示，左图为欧标通信架构，右图为美标通信架构。

在设施层（包括应用层），欧标包含应用支持、信息支持、通信支持三个子层：应用支持为ITS 基本应用程序集提供应用支持功能，该设备的例子有CAM管理和DENM管理；信息支持为ITS 基本应用程序集提供普通数据和数据库管理功能，该设备的例子有本地动态地图（Local Dynamic Map,LDM）；通信支持则为通信和会话管理提供服务；该设备的例子有寻址模式和会话支持。美标则划分为应用子层以及消息子层。

在网络传输层，欧标以TS 102 636.5.1以及TS102 636.4.1/2定义了基本的传输协议（Basic Transport Protocol,BTP）以及地理信息网络（GeoNetwoking,GN）标准，美标则在IEEE 1609.3中定义了车载环境下的短消息协议。两种标准均支持TCP/UDP和IPv6协议，美标不支持IPv4协议。

欧标将接入层纵向划分为ITS G5、CEN-DSRC（ETC）、LTE/WIFI三个子层，美标则按照通用协议栈将其划分为物理层、MAC层、MAC扩展子层以及逻辑链路层。若从纵向来看，欧标中的安全协议横跨了设施层、网络层、传输层及接入层，而美标的安全性则是通过1609.2协议来保证，它仅横跨了应用层和网络传输层。

1.3.5 中国力推的LTE-V标准

V2X通信技术除了DSRC路线外，还有LTE-V（也称为LTE V2X）路线。2014年9月，LG向第三代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project, 3GPP）提交了LTE在V2X通信应用（RP-141381, Consideration of LTE-based V2X Communication）的规范草案。同年12月，Ericsson提交了增强LTE D2D邻近服务（RP-142027，Enhanced LTE Device to Device Proximity Services）的规范草案，随后于2015年2月和6月，3GPP的SA1和RAN1工作组分别设立了专题“Study on LTE Support for V2X Services（V2XLTE）”和“Feasibility Study on LTE-based V2X Services”，标志着LTE-V技术标准化研究的正式启动。

在欧洲，LTE-V早有迹象，几年前欧盟在C-ITS标准化过程中即开始关注使用广域通信（例如蜂窝网）和短程通信的结合使用。高通、华为、乐金电子（LG Electronic）与大唐电信等企业共同主导了3GPP研究。中国通信标准化协会（Chinese Communication Standards Association, CCSA）已经在中国针对LTE V2X推出了工作项目。

目前国际上主要选用IEEE 802.11p协议作为DSRC的接入协议，符合车联网系统中的相关应用需求。但由于使用DSRC技术必须在路边建设大量基础设施，使其部署成本大大提高，商业模式也不明朗，因此自2010年标准发布以来至今没有实现大规模商用。技术上来说，DSRC还存在以下问题：基于载波侦听多点接入与碰撞避免（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA/CA）技术，存在隐藏节点问题，在节点数量密集时容易发生碰撞拥塞，网络性能（时延、可靠性）急剧下降；车载环境下难以准确、及时估计及有效跟踪信道；缺少时域交织，难以抵抗深衰落；多信道工作的相邻频带泄露；覆盖/连通性较差。

从长远来看，随着高性能的LTE全面商用，相较于DSRC，LTE-V的最大好处在于能够重复使用现有的蜂窝基础建设和频谱资源，LTE网络基础建设已经存在，电信运营商不需要布建专用的路侧设备以及提供专用频谱，同时其设备可以和手机使用同一类型的单一LTE晶片组，能为车厂大大降低整合成本。LTE可以更好地支持长距离信息传递、高速移动节点、稀疏交通场景以及复杂的传输环境。此外，不同于802.11p自组织组网方式，LTE采用中心组网或者中心辅助下的组网方式，通过基站的参与更加有利于保证V2X的通信质量，解决802.11p可靠性低的问题。

LTE-V针对车辆应用定义了两种通信方式：集中式（LTE-V-Cell）和分布式（LTE-V-Direct）。集中式也称为蜂窝式，需要基站作为控制中心，集中式定义车辆单元、路侧单元与基站之间的通信方式，需要基站进行资源的调度；分布式也称为直通式，车辆之间可以直接通信，无须基站支撑，也可表示为LTE-Direct（LTE-D）或LTE D2D（Device-to-Device）。DSRC和LTE-V的关系和区别总结如表1-2所示。

LTE-V与DSRC主要的不同是在接入层，基于不同的接入技术演变而来，前者是基于蜂窝移动通信进行演进，后者是基于无线宽带接入进行演进。而在网络传输层，LTE-V极有可能借助现有的DSRC标准IEEE 1609系列，特别是在应用层，通过保持与DSRC应用协议的一致性，即完全兼容SAE J2735所定义的消息集，提供LTE-V与DSRC之间的互操作性。如图1-15所示。

LTE-V是在LTE蜂窝网络的基础上，围绕车辆主动安全应用的通信需求进行了重点优化，在帧结构、最大发射功率降低、拥塞控制、信息安全机制等方面优化了系统性能。LTE-V结合蜂窝和直通技术，形成了车辆终端自组织和基站集中控制两种调度模式下的技术方案，满足智能交通多样化的应用需求，更加全面地支持行车安全、交通效率、信息娱乐等多种业务。

考虑到中国已经建成全球最大的LTE蜂窝网络，而且拥有全球第一大汽车市场，在车联网标准上应该占据主导权。但是DSRC标准已经形成，我国已经错过了一次机会，而LTE-V的国际标准刚刚起步，再加上其向5G演进的技术路线较为清晰，所以我国很有可能在LTE-V上大有作为，包括“新一代宽带无线移动通信网”国家科技重大专项在内的项目已经开始资助LTE-V的关键技术研发和标准化推进。国内的电信企业如华为、大唐以及信息与通信研究院已在积极参与3GPP制定LTE-V标准。3GPP V2X的标准制定分为三个阶段。第一阶段和第二阶段V2X是基于LTE协议的LTE-V技术。第三阶段V2X是基于NR协议的新空口技术。目前已经完成了第一阶段Rel-14 V2X和第二阶段Rel-15 eV2X的标准化工作。基于NR新空口的Rel-16 V2X技术是第三阶段的任务，着重于满足SA1定义的advanced V2X应用场景，与LTE V2X形成互补关系。

相比于LTE-V，DSRC已经测试了十多年的时间，非常成熟，特别是以美国为代表的强大汽车工业，在DSRC项目上投入了太多，非常支持DSRC。美国交通运输部已经准备好推出这项强制安装DSRC的命令，在奥巴马政府下台之前，简化了一切可以简化的程序。但是，也正是因为新旧政府交替，相关的主管部门FCC和DoT现在都在更换领导层，所以政策问题仍悬在空中，DSRC设备是否会在未来6个月内强制安装在美国新生产的汽车上需要拭目以待。

在欧洲已经形成了一个新的联合体——5GAA，以推动C-V2X（Cellular-V2X, 即LTE-V）技术为主要目的。奥迪、宝马、戴姆勒和罗尔斯·罗伊斯等汽车生产商与沃达丰、爱立信、英特尔、华为、诺基亚和高通等IT企业都加入了这个联盟。2018年8月15日，松下北美公司联合科罗拉多交通部门（美国丹佛）、福特汽车、高通公司，成功进行了“全球首个”在真实公路环境（而不是测试专用道路）中的蜂窝车联网LTE-V2X展示。高通公司提供的LTE-V2X网络将福特汽车的位置和行驶状态、RSU感知到的道路环境信息实时上传到松下北美公司的云数据平台，云平台对车载和道路数据进行实时分析给出决策，并及时地将决策结果反馈给福特汽车以实现碰撞预警、车速引导等应用。

在随后短短一个月的时间，无锡举办了2018年世界物联网博览会，以中国为主的企业，包括移动、华为、上汽、奥迪，在社会开放道路联合展示了基于LTE-V2X的13个应用场景。车载单元（OBU）和边缘V2X服务器分别将车辆行驶状态和道路交通状态实时上传到IoT云平台，由云平台完成对车辆和道路的匹配，并进行决策分析，将分析结果实时下发到车载单元，实现相应的V2X应用场景。

随着时间的推移，LTE-V可能会更加具有优势，因为未来将是5G的天下，5G时代将更容易实现对LTE-V技术的继承和演进，并在智能网联汽车上真正商用推广。