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；ProSe
1.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-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-V2X技术对比表
2.蜂窝车联网技术架构
目录
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) 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 23.468[4]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一起通过MME提供给eNodeB。MBMS承载业务分配的C-TEID基于由TMGI（Temporary Mobile GroupIdentity）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-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 TS23.303[5]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现请求的授权。它还向UE提供必要的安全手段，以便保护通过空中传输的发现消息。在受限的ProSe Direct Discovery中，它还通过PC2参考点与应用程序服务器进行交互，以便发现请求的授权。
(3)EPC级别ProSe发现功能：具有存储ProSe相关用户数据，为EPC级别ProSe发现和EPC辅助WLAN直接发现，通过PC3对UE授权和配置，存储已授权应用列表等功能。
4. 蜂窝车联网关键技术的部署选择
4.1 路测单元（RSU）部署
RSU是V2X的重要基础设施资源，根据LTE-PC5和LTE-Uu两种通信方式，RSU部署可以分为以下两种。
(1)RSU通过PC5接口接收V2X消息时，RSU被部署为UE和V2X应用的逻辑组合，称为UE型RSU。
(2)RSU通过LTE-Uu接口接收V2X消息，RSU将包括eNB、并内置L-GW（本地部署的具备S/P-GW功能）和V2X应用服务器，称为eNB型RSU。
4.2 本地广播服务系统部署
在MBMS系统中，BM-SC，MBMS-GW和MME均位于核心网中。在V2X应用场景下，当计算端到端时延时，BM-SC和eNB之间的时延是不可忽略的，特别是当使用MBMS来传送V2X系统中的下行V2X消息时。为了最小化时延，在MBMS系统部署时需要考虑以下问题。
(1) 部署靠近eNB的MBMS CN功能（包括BM-SC，MBMS-GW）。
(2) 部署靠近eNB的MBMS CN功能用户面（采用BM-SC和MBMS-GW C/U分离架构）。
以上两个选项在部署时如图3和图4所示。
图3 本地化MBMS系统部署方案示意图
图4 本地化C/U分离架构MBMS系统部署方案示意图
C/U分离的MBMS CN功能，其用户平面应实现以下功能。
（1）通过MB2-U从V2X应用服务器接收用户数据。
（2）将MBMS用户平面数据的IP多播分发到E-UTRAN（M1参考点）。
（3）数据同步（对于传统MBMS机制中的BM-SC）。
（4）专用的MBMS编解码或前向纠错方案（可选）。
（5）MBMS数据加密（可选）。
4.3 V2X通信中PC5和LTE-Uu混合部署
面对V2X的应用场景，PC5直接通信方式和LTE-Uu的广播通信方式对于车辆安全驾驶和智能交通系统都是至关重要的。在实际应用中应以混合方式使用V2X通信的两种操作模式（即PC5和超过LTE-Uu）。
4.3.1 场景1
基于PC5的V2X通信与MBMS接收。
在该场景中，UE始终通过PC5直接发送V2X消息进行通信。同时UE通过PC5和MBMS共同接收V2X消息。
基站设施作为UE时（如RSU），通过PC5接收V2X消息，通过LTE-Uu的PDN连接或其它类型的连接，通过V1接口（应用层接口）将应用层处理的V2X消息转发到V2X AS。V2X AS处理的V2X消息可以根据需要通过MBMS系统分发给UE。
这种方式的优势是UE可以从邻近的其他UE直接接收V2V消息。此外，在这种操作模式中，移动网络可以提供来自更广阔范围的信息，并且满足对现场感知情景的软安全性的需要，还能够实现更先进的辅助驾驶应用。这种组合的信息源在高密度场景下特别有用，因为UE可能无法可靠地通过PC5直接从远端UE接收到所有V2X消息。
4.3.2 场景2
无需部署MBMS服务，同时基于LTE-Uu和基于PC5进行V2X通信。
在该场景下，UE经由PC5与包括UE型RSU在内的其他UE进行通信，用于V2X消息的发送和接收。UE型的RSU可以通过LTE-Uu与移动网络中的V2X应用服务器进行通信，并按需用于管理超出直接PC5通信范围的V2X消息的通信。此场景下通过使用基于PC5和LTE-Uu的V2X通信的混合通信方式，不需要在下行链路上部署MBMS广播服务。
图5 UE型RSU通过LTE-Uu和PC5方式进行V2X通信场景示意图
图5中，作为UE的RSU为车辆交通基础设施提供足够的覆盖。UE和UE型RSU被配置通过PC5进行V2X通信，UE型RSU可以与V2X应用服务器进行通信。UE型RSU通过PC5从其他UE接收V2X消息，部署在RSU的V2X应用决定是否需要通过LTE-Uu连接将消息路由到V2X应用服务器，例如当目标区域大于PC5上的V2X通信范围时。V2X应用服务器确定目标区域和需要分发V2X消息的区域的大小。V2X应用服务器可以与其它V2X应用服务器进行协调和通信，以确定目标区域的目标区域和V2X消息的分发。V2X应用服务器将下行链路的V2X消息通过LTE-Uu发送到目标分配区域中的RSU。RSU通过PC5使用V2X通信广播接收到的V2X消息。该区域内的UE通过PC5接收RSU广播的V2X消息。
以这种方式，UE，例如车辆UE只需要通过PC5在V2V/V2P服务的操作模式下运行。只有实现为RSU的UE才能通过PC5和LTE-Uu同时进行V2X通信的混合模式。基于PC5和基于LTE-Uu的V2X通信的这种组合在用户可能不能够经由PC5直接从远端UE接收V2X消息的用例中也是有用的。此外，UE类型的RSU可以使用SIPTO连接进行与本地V2X服务器的通信，以减少延迟。
5. 总结
无论是北美、欧盟以及日本这些发达国家还是我国，车联网尚处于测试推广阶段，还未实现大规模的商用。基于蜂窝网的车联网通信在政府的大力支持下发展态势很好，LTE-V2X技术有望于2018-2019年在中国率先实现商用部署。虽然在标准成熟度、芯片方面DSRC略优于C-V2X，但部署方式、关键指标和国家政策支持上C-V2X均优于DSRC技术。未来5G-V2X技术将在关键场景指标方面有更显著的提升，蜂窝车联网（C-V2X）技术未来还有广阔的发展空间。
参考文献
[1] TC5-WG3-2017-005 基于公众LTE网络的车联网无线通信系统总体技术要求（征求意见稿）
[2] 3GPP TS 23.401 V15.1.0 (2017-09): General Packet Radio Service (GPRS) enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN) access (Release 15)
[3] 3GPP TS 23.246 V7.2.0 (2007-03): Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS); Architecture and functional description (Release 7)
[4] 3GPP TS 23.468 V14.0.0 (2017-03): Group Communication System Enablers for LTE (GCSE_LTE); Stage 2 (Release 14)
[5] 3GPP TS 23.303 V15.0.0 (2017-06): Proximity-based services (ProSe); Stage 2 (Release 15)
来源：中国移动通信集团设计院有限公司
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