5G车路协同白皮书.pdf

目录摘要1 概述 .11.1 背景 .11.2 产业发展概况 .11.3 产业发展分析 .32 智慧交通车路协同架构及要素 .52.1 智慧交通车路协同架构 .52.2 端侧基础设施能力 .62.3 网络通信能力 .72.4 云侧平台能力 .83 5G 车路协同对运营商能力要求 .113.1MEC 与 C-V2X 融合发展 .113.1.1MEC 与 C-V2X 融合部署架构 .113.1.2 C-V2X 场景中 MEC 关键技术 .133.2 安全通信 .143.2.1 通信安全整体防护体系 .143.2.2 基于蜂窝通信的安全防护机制 .143.2.3 基于直连通信的安全防护机制 .163.3 基于 SLA 的网络能力解析 .163.3.1 确定性 SLA 使能 C-V2X 业务 .163.3.2 SLA 部署和运维 .173.4 车路协同云控平台 .183.4.1 V2X 基础设施运维管理子平台 .183.4.2 SLA 网络质量监控子平台 .203.4.3 智能驾驶协同调度子平台 .213.4.4 V2X 业务管理子平台 .223.5 功能安全保障 .234 联通车路协同应用实践 .254.1 自主泊车 .254.2 城市快速 BRT .264.3 景区无人驾驶 .274.4 智能网联测试 / 示范园区 .285 总结与展望 .29摘要“新基建”是我国经济增长新动能的基础，是带动产业革命的催化剂。车路协同是实现智慧交通的必然技术途径。车路协同通过“端”、“管”、“云”三层架构实现环境感知、数据融合计算、决策控制，从而提供安全、高效、便捷的交通服务。5G 赋能智慧交通，将车、路、人、云连接起来，形成一张可随时通信、实时监控、及时决策的智能网络。产业化路上，在国家政策的大力引导下，智慧交通标准体系基本建成，产业链中的芯片、终端、平台、应用等元素构成闭环系统。同时，全国各地均在开展相关业务示范和应用，但由于智慧交通建设前期投资成本高，运营主体不明确，商业模式不明晰，目前相关业务主要在封闭 / 半封闭场景下实现落地。 运营商作为智慧交通车路协同的重要参与者，基于 5G 网络能力为各交通元素互联互通提供必不可少的技术保障；同时中国联通将基于网络能力拓展在垂直行业业务范围，聚焦标准技术研究、端到端解决方案制定、关键组件及平台研发，为智慧交通提供更多的技术保障。本白皮书是中国联通在“5G新基建”以及“混改”背景下，依托运营商网络能力，针对 5G 车路协同的深入研究与探索。白皮书提出了基于 5G 的“车、路、云”协同智慧交通网络架构，分析了5G车路协同对运营商的能力要求，涉及边缘计算、安全通信、SLA网络解析、平台使能等，最后给出联通近期在车路协同方向的创新实践。我们期望与产业各界共同探讨智慧交通车路协同的发展路线及合作模式，共同推动智能驾驶、智慧交通的和谐发展。欢迎各界同仁提出修改意见和建议！1新基建、新动能：5G 车路协同白皮书1 概述2020 年，“新冠肺炎”肆虐全球，中国上下万众一心共同抗“疫”。2020年，“新基建”逐渐进入人们的视线，是国家推动技术创新和经济发展的重大举措。2020 年 4 月 20 日，发改委首次明确“新基建”三个方向：信息基础设施、融合基础设施和创新基础设施。其中信息基础设施包括通信网络基础设施、新技术基础设施和算力基础设施，覆盖5G基建、物联网、人工智能、云计算、数据中心等。交通运输是国民经济的重要产业之一。随着经济社会的迅速发展，人们对交通出行的需求越来越高，高效、安全、便捷的出行体验成为国家发展交通的重要目标。网络连接、实时通信是智慧交通的基础，车路协同是智慧交通的必然技术途径。而“新基建”的重要元素5G 进一步赋能智慧交通，将交通中的各实体元素实现数字化映射，形成一张可随时通信、实时监控、及时决策的智能网络。5G 新基建赋能车路协同，激发新动能。5G 与 C-V2X 联合组网构建广覆盖与直连通信协同的融合网络，为车路协同提供网络保障，从而使能智能驾驶和智能交通，如图 1-1 所示。图 1-1 5G 新基建赋能车路协同1.1 背景1.2 产业发展概况智慧交通车路协同的顶层设计规划呈现三大特点：一是将车联网及相关产业视为战略性新兴产业，在国家层面开展顶层设计；二是强调5G和C-V2X等新一代信息技术与传统汽车、交通等的融合创新发展；三是通过国家政策法规大力推动新技术和新应用的推广应用。在 5G 及 C-V2X 的技术发展带动下，全球车联网产业正在快速发展，并逐渐从以欧美为主导的DSRC向以C-V2X+5G为主要技术路线方向发展，具体表现如表1-1所示：2新基建、新动能：5G 车路协同白皮书表 1-1 车联网国际发展概况国家 / 地区 车联网发展状况简介美国DSRC标准体系，美国政府在2015年推出了IT的五年规划，定义了六个项目大类，包括加速部署、网联汽车、自动驾驶、新兴能力、互操作和企业数据。美国车路协同推动迅速，在多个州开展DSRC试点验证；2019 年 12 月美国 FCC 给 C-V2X 划定了 5.905-5.925GHz 频段的 20MHz 专用频谱；并将对“把 5.895-5.905GHz 频段的 10MHz给 C-V2X 还是给 DSRC”征求意见。欧洲ITS-G5 标准体系，欧盟委员会建立 C-ITS 平台，目标是促进整个欧盟范围内的投资和监管框架的融合，以达到从2019年开始部署C-ITS业务的目的。欧盟委员会2019年3月提案C-ITS仅采用TS-G5，即DSRC 标准体系，但这一提案于 2019 年 7 月在欧洲议会上被否决。日本日本政府重视自动驾驶汽车和车联网的发展。在政策、标准等方面为其发展提供了良好的平台，于 2016 年发布高速公路自动驾驶和无人驾驶的实施路线报告书，明确期望于 2020 年在部分地区实现自动驾驶功能。韩国韩国的终极发展目标是在全国范围内实现智能道路交通系统，在2040 年之前实现基于连接路与一切交通功能实体的智能交通系统，其中短期计划是截止 2020 年，重点实现交通事故多发地段的智能交通功能，实现交通事故100%现场处理，将交通事故伤亡降低50%，SKT推动 5G&C-V2X 验证，DSRC 也同步测试。国内在“新基建”、“新一代智慧交通”的大背景下，基于5G的车路协同智慧交通发展迅速。2019年9月，中共中央、国务院印发交通强国建设纲要；2020 年 2 月，11 部委联合发布智能汽车创新发展战略正式稿；2020 年 4 月，由工业和信息化部、公安部、国家标准化管理委员会三部门联合印发了国家车联网产业标准体系建设指南 ( 车辆智能管理 )的通知。多部委多次联合发布相关政策法规，传达出国家推动相关产业融合创新发展的决心，表现出各部委间合力促进车联网发展的强烈愿望。在标准体系上，中国各标准组织正在逐步完善智慧交通相关技术标准化。中国3新基建、新动能：5G 车路协同白皮书表 1-2 智慧交通产业链部分参与公司领域 公司通信芯片 华为、高通、大唐、紫光展锐、Intel、联发科通信模组 移远通信、高新兴、华为、中兴、大唐电信、芯讯通、Alps设备与终端华为、大唐、中兴、联陆、联想、星云互联、东软集团、万集科技、金溢科技、千方科技、赛德西威、光宝科技应用平台 中国联通、中国移动、中国电信、百度、智行者、商汤整车 一汽、上汽、福特、蔚来、丰田安全认证 大唐、国汽智联产业化发展日益走上正轨，在国家政策的大力引导下，车联网标准体系基本建成。通信企业、主机厂、互联网企业共推智慧交通产品，现已开发包括安全相关、效率相关及信息服务相关的多种应用，产业链中的芯片、终端、平台、应用等元素开始构成闭环系统。同时，全国各地均在开展车联网的业务示范和应用，但由于车联网建设前期投资成本高，同时商业模式不明晰，因此当前车联网业务落地的进展基本只限于业务能力示范，商业化进展缓慢。车联网产业的进一步发展仍受限于以下问题：车联网模组 / 设备需要持续演进 。目前车联网的模组，主要以 LTE Uu+LTE-V2X PC5 为主，随着 5G 的全面商用，车联网作为 5G 的一个重要场景，将进一步推动网联化自动驾驶的发展。同时 C-V2X 也在从 LTE-V2X 向 NR-V2X 演进，NR-V2X 将支撑起更多的车联网业务场景。另外，安全通信成为车联网关注的重要方向，具备加密技术的模组终端将是车联网发展的必然趋势。车联网应用场景较为单一。目前 C-V2X 的应用开发，主要以合作式智能运输系统 车用通信系统应用层及应用数据交互标准规定的 17 个业务场景为主，而实际应用的又是其中少数，多数业务场景受基础设施建设、终端渗透率、互联互通等因素影响，没有得到充分的开发应用。1.3 产业发展分析通信标准化协会（CCSA）、全国智能运输系统标准化技术委员会（TC/ITS）、中国智能交通产业联盟（C-ITS）、车载信息服务产业应用联盟（TIAA）、中国汽车工程学会 (SAE-China) 及中国智能网联汽车产业创新联盟 (CAICV) 等都已积极开展 C-V2X相关研究及标准化工作。目前智慧交通相关标准体系已基本完善。同时，智慧交通车路协同产业发展迅猛，产业链基本成熟，如表 1-2 所示。4新基建、新动能：5G 车路协同白皮书缺乏统一的综合管理运营平台建设。 当前车联网业务仍以小规模的演示为主，基础设施运维管理平台多由设备厂家提供，业务应用平台仅根据测试和演示需求开发，跨平台的融合是当前的难点。只有建立城市级的C-V2X车联网业务应用平台，定义平台功能及接口规范，方才利于促进车联网产业化进程。亟需建设公共的车联网测试集及数据库。 车联网的部署和应用规划，需要大量测试作为支撑，而目前车联网测试，测试范围较小，仅包括模组、设备测试以及小范围的业务验证，且数据只掌握在设备厂家及少量应用开发商手中，缺少大规模数据库作为支撑。城市级车联网示范应用来加快推动车联网商业化进程。由于 C- V2X 涉及的产业链长，不同于以往传统车联网的商业模式，牵涉的厂商众多，还未形成强有力的主导方，未有统一的C-V2X的网络部署方案，整个产业没有形成核心的凝聚力，导致产业推动力量没有形成合力。为解决以上问题，城市级车联网示范应用有利于探索出更合理的商业模式以及市场需求。5新基建、新动能：5G 车路协同白皮书2 智慧交通车路协同架构及要素2.1 智慧交通车路协同架构图 2-1 智慧交通车路协同架构车路协同通过“端”、“管”、“云”三层架构实现环境感知、数据融合计算、决策控制，从而提供安全、高效、便捷的智慧交通服务，其中：端：指交通服务中实际参与的实体元素，包括通信功能的OBU（On Board Unit）、RSU（Road Side Unit）等，感知功能的摄像头、雷达等，以及路侧交通设备包括红绿灯、公告牌、电子站牌等。管：指实现交通各实体元素互联互通的网络，包括4G/5G、C-V2X，网络支持根据业务需求的灵活配合，同时保障通信的安全可靠。云：指实现数据汇集、计算、分析、决策以及基本运维管理功能的平台，根据业务需求可部署在边缘侧或中心云。在“端管云”新型交通架构下，车端和路端将实现基础设施的全面信息化，形成底层与顶层的数字化映射；5G 与 C-V2X 联合组网构建广覆盖蜂窝通信与直连通信协同的融合网络，保障智慧交通业务连续性；人工智能和大数据实现海量数据分析与实时决策，建立智能交通的一体化管控平台。6新基建、新动能：5G 车路协同白皮书2.2 端侧基础设施能力车联网场景中，根据端侧设备在整体系统中的功能和作用，可以分为三大类：通信类、感知类和功能性基础设施类，每一大类中对应的具体设备单元如表2-1所示。本节将详细介绍上述三大类端侧设备及具体的功能单元。表 2-1 车联网场景中端侧设备分类序号 类别 名称1通信类车载 OBU2 路侧 RSU3 手机及穿戴设备4感知类激光雷达5 高清摄像头6 毫米波雷达7 电子车牌天线8 环境监测传感器9基础设施类信号灯控制机10 电子站牌11 北斗差分基站（1）通信类端侧设备OBU 是一种可实现 V2X 通信的车载终端。在功能上具备通信能力、存储能力以及简单的数据处理和计算能力。在业务能力上可实现安全类、效率类以及信息服务类等多种业务。根据 OBU 的搭载形式，可以分为前装OBU和后装OBU。OBU可以搭载多种通信模组，包括LTE/NR模组以及 C-V2X 模组，同时 OBU 应当支持 Uu 口及 PC5 口的认证鉴权及安全通信。RSU设备是部署在路侧的V2X通信单元，从数据交互角度RSU可将交通信息广播到车端，同时将车侧信息收集到云端，以实现安全类、效率类及信息服务类业务。RSU作为路侧基础设施，需要辅助平台实现运维管理功能。RSU可搭载多种通信模组，包括 LTE/NR 模组以及 C-V2X 模组，同时 RSU 应当支持 Uu 口及 PC5 口的认证鉴权及安全通信，以及通过 Uu 口实现数据回传。（2）感知类设备根据感知类设备部署的对象，可以分为车载感知设备和路侧感知设备。以路侧为例，感知设备包括激光雷达、高清摄像头、毫米波雷达等，可以准确探测到行驶7新基建、新动能：5G 车路协同白皮书车辆的状态、道路的实时状况，为实现“聪明的车”和“智慧的路”提供数据基础。通过上述路侧设备，形成立体的信息探测、获知系统，可在交通场景中准确采集、获知车、路实时状态信息数据，供网络云平台分析和决策。（3）基础设施类基础设施类设备是实现交通体系智能化的关键因素，主要包括信号灯控制机、电子站牌、北斗差分基站等设备元素。信号灯控制机实现不同流向的交通车流量的动态管理，根据路侧的探测设备将车流量信息及时的传送到信号灯控制机平台，信号灯控制机根据车流量的大小动态的高速红、绿灯的持续时间，从而达到提升城区交通效率的目的。电子站牌则采用全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System, GNSS）、地理信息系统技术（Geographic Information System, GIS）、视频短回路传输、云处理以及智能传感器的有机结合。北斗差分基站的定位精度可以达到米级甚至亚米级，支撑智能交通系统提供准确的车辆定位、路线规划、高精地图匹配下载等服务。2.3 网络通信能力无线网络的建设延续性好、成熟度高，能够为联网车辆提供更加安全稳定的数据传输。在 C-V2X 通信机制 V2N 场景中，联网车辆的车载 LTE 或者 NR 模组通过 Uu无线接口实现车与网的互联。当车辆终端通过 Uu 口与网络实现通信，此时的联网车辆终端无异于手机终端设备，因此，联网车辆可以通过有效的接入管理、鉴权管理、资源管理等完善的机制获得网络服务。另外，无线网络的基础设施完备、覆盖率高，为车联网的长足发展提供现成的、成熟的基础通信能力。在资源管理方面，基于无线基站的资源管理和资源调度方式更加灵活可控，基于网侧的资源管理方式比车辆自主确定服务资源的方式展现出了明显的优势。为了缓解网络传输的压力、补充移动通信的盲点区域，3GPP提出了C-V2X的概念并持续进行技术演进，在 R14 版本中完成了 LTE-V2X 标准制定，R15 中完成了LTE-eV2X 标准制定，R16 中将完成 NR-V2X 标准制定。NR-V2X 相比于 LTE-V2X 有很多的演进和完善，对比如表2-2所示。不管采用哪种模式的资源调度，PC5通信机制中数据无需长路径传输，在相关通信终端之间通过直连方式进行数据交互，将大大缩短了数据的传输路径，减轻承载网络的数据传输压力；另外，数据传输回路的极大缩短为满足终端之间数据超低时延的传输需求提供了有效的可选方案。