V2X协议｜如何做到“车联万物”？【无线通信小百科】

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1、什么是V2X

V2X（Vehicle-to-Everything）即“车联万物”，是一项使车辆能够与周围环境实现实时通信的前沿技术。它允许车辆与其他交通参与者和基础设施进行信息交互。通过V2X，车辆不仅具备“远程感知”能力，还能在更大范围内共享信息，从而有效提升道路交通的安全性、通行效率和智能化水平。

其中，V2X 中的“X”代表多种通信对象，具体包括：

• V2V（Vehicle-to-Vehicle）：车辆与车辆之间的信息交换
• V2P（Vehicle-to-Pedestrian）：车辆与行人之间的通信，例如识别即将过街的行人
• V2N（Vehicle-to-Network）：车辆与网络平台的数据联通
• V2I（Vehicle-to-Infrastructure）：车辆与道路基础设施如信号灯、路侧单元的通信

V2X 技术最初主要基于 DSRC（Dedicated Short-Range Communications，专用短距离通信），该方案曾在美国、欧洲和日本得到广泛应用。随着蜂窝通信技术的快速发展，基于蜂窝网络的 V2X（即 C-V2X，Cellular V2X）应运而生。与 DSRC 相比，C-V2X 可依托于现有的 4G LTE 和 5G NR 网络运行，具备更广泛的覆盖能力和更高的通信性能。

C-V2X 的标准化由 3GPP 推动，自 Release 14（2017 年首次引入 LTE-V2X）开始，至 Release 18（预计于 2024 年推出，进一步优化 5G NR-V2X），技术规范不断演进，持续提升系统的时延、带宽与可靠性。

2、C-V2X的网络架构

C-V2X的架构主要由终端、接入层、网络层和应用层四部分组成：

• 终端层: 包括车辆用户终端、蜂窝用户终端以及路侧单元（RSU）等设备，是通信信息的发送者和接收者。
• 接入层: 其核心是蜂窝基站，作为各类终端设备的控制节点，负责用户接入、资源分配、切换管理、调度控制以及功率管理等关键功能。
• 网络层：承担数据转发和传输的任务，将接收到的信息高效、稳定地传递至应用层。
• 应用层：对上层业务逻辑进行处理，基于网络层传来的数据，为终端提供多种服务，例如交通安全预警、路径优化建议以及车载娱乐媒体等功能。

3、C-V2X的第一种通信方式：直接通信

直接通信：PC5接口（Proximity Communication Interface 5）

与DSRC相比，C-V2X的功能更为强大，其核心优势在于融合了两种通信模式：直接通信和蜂窝网络通信。其直接通信通过 PC5 接口实现。PC5接口与DSRC一样工作在5.9 GHz频段，但在性能和应用灵活性上更具优势。它允许车辆之间（V2V）、车辆与路侧基础设施（V2I，例如交通信号灯、电子标志牌等）实现点对点通信，无需依赖运营商蜂窝网络的支持。这种通信方式的最大特点是低延迟与高可靠性：在LTE网络下延迟可低至2毫秒，而在5G网络下更可达到1毫秒的极低延迟，非常适合对实时性要求极高的场景，如碰撞预警、紧急制动协同等安全关键型应用。其通信范围通常在300至1000米之间，能够覆盖车辆前方甚至多个路口的距离。

PC5与DSRC技术的对比

PC5 接口与 DSRC 相同点

两者都支持无需基站的点对点直接通信，工作在相同的5.9GHz 通信频段，具有相近的通信覆盖范围（300–1000 米）和低延迟（最低可达 1–2 毫秒），非常适合对实时性要求极高的车辆通信场景。

它们的主要差异在以下几个方面

1. 底层技术体系不同：

• DSRC基于IEEE 802.11p协议，是Wi-Fi技术的一个分支；
• PC5接口属于蜂窝通信体系，由3GPP定义，基于LTE-V2X 或 5G NR-V2X 技术。

2. 信道接入机制不同：

• DSRC使用CSMA/CA（载波侦听多路访问/冲突避免），在车流量较少的环境中传输效率较高；
• PC5使用更先进的感知调度机制：设备监听信道一段时间（如 1000 毫秒），分析资源占用情况，然后选择空闲资源周期性发送数据。该机制在车流密集的环境中更能有效避免冲突，提高通信可靠性。

3. 通信模式更丰富：

• DSRC仅支持广播通信；
• PC5（特别是在 5G NR-V2X 中）增加了单播（Unicast）和组播（Multicast）能力，支持定向和多对象通信，能实现如车队协同、编队驾驶等更复杂的应用场景。

4、C-V2X的第二种通信方式：网络通信

C-V2X的网络通信接口采用的是 3GPP 定义的术语，叫做Uu接口。 它是指车辆（或用户设备）与蜂窝网络基站之间的无线接口。 它通过蜂窝网络（如 LTE 或 5G NR）实现车辆与云端、远程服务器或其他广域网络的连接。

在4G LTE 模式下，Uu接口使用 SC-FDMA（上行）和 OFDMA（下行）作为调制方式；在5G 新空口（New Radio），全面采用 OFDM（正交频分复用），支持更高带宽和更低延迟。

而且不局限于 5.9 GHz ITS 频段，可以使用运营商的商用蜂窝频段（如 LTE 的 1.8 GHz、2.1 GHz，或 5G 的 Sub-6 GHz 和毫米波），对于频谱使用更加灵活。

Uu接口的主要特点

• 广域覆盖：由于它依托于蜂窝网络，覆盖范围远超PC5，可以达到即使公里，可以做到大范围的信息共享。高带宽特性：在LTE-V2X可以支持到几十 Mbps 的吞吐量。而5G NR-V2X的吞吐量高达 Gbps 级别，能传输大流量数据（如高清地图、视频流等）。
• 延迟特性：相对于PC5接口的低延迟，Uu接口由于涉及到和基站的通信，它延迟是会稍高一些的：在4G LTE下约 10-20 毫秒; 在5G下借助 URLLC（超可靠低延迟通信），可降至 1-5 毫秒， 相对和 PC5就比较接近了。
• 可靠性：由于采用基站调度资源，它避免了 PC5 或DSRC 的信道竞争问题。另外5G 的网络切片技术可以定向分配资源，优先保障 V2X 数据传输。
• 扩展性：Uu接口与现有蜂窝基础设施兼容，可以随 4G/5G 升级而提升性能。并且支持 OTA（空中升级）、远程诊断等车联网功能。

5、C-V2X的几个典型应用场景

1. 避免碰撞和道路安全

C-V2X 技术使车辆之间车辆与路侧单元之间能够直接通信，提供超过车辆传感器探测范围的实时数据 ，有效防止事故发生。

2. 智能城市基础设施

配备 C-V2X 功能的交通灯信号可以由云端控制，根据十字路口的车辆数量进行实时调整，比方说优先照顾紧急车辆的通行。

3. 物流运输

对于物流车队，C-V2X的实时通信可使车辆以组队的方式行驶。这种组队的做法可使车辆保持最佳速度和距离，减少空气阻力，实现更安全、更省油的长途运输；

4. 自动驾驶

C-V2X 使得车辆与其他车辆、道路基础设施和网络直接通信，增强车辆与环境互动的能力。例如自动驾驶的汽车能接收到有关周围路况、前方交叉路口路况甚至道路施工区的重要信息，使其能够做出更明智的驾驶决策。

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