鴻課堂∣大唐高鴻王世良：C-V2X模組架構的定義與思考

C-V2X模組是車載通信系統(tǒng)的核心，承擔了在“人—車—路—云”之間進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，是實現(xiàn)車路網(wǎng)聯(lián)的中樞。

近日，大唐高鴻智能網(wǎng)聯(lián)產(chǎn)品事業(yè)部首席架構師王世良在業(yè)內(nèi)就C-V2X模組進行了干貨分享，以下為主要內(nèi)容。

大家好，我叫王世良。 今天分享的主題是C-V2X模組架構的定義與思考。主要包含三部分：C-V2X終端對模組的要求、如何定義C-V2X模組以及大唐高鴻在C-V2X模組研發(fā)方面的實踐和成果。

首先，我先為大家簡單介紹一下大唐高鴻。大唐高鴻是中國信科集團旗下上市公司（股票代碼：000851），是集團車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的骨干載體。

大唐高鴻是C-V2X系列標準的核心制定者，五大標準化組織的核心成員，參編標準超過數(shù)十項，擁有多項C-V2X核心專利；也是車聯(lián)網(wǎng)領域國家重大科技專項的牽頭單位，參與了近十項的國家重大科技專項。

近些年來，大唐高鴻一直致力于車聯(lián)網(wǎng)相關產(chǎn)品的研發(fā)以及產(chǎn)業(yè)化的推進。作為C-V2X核心通信模組及終端設備的提供商，我們與數(shù)十家產(chǎn)業(yè)鏈下游的企業(yè)有密切合作。同時，作為C-V2X智慧交通解決方案的供應商，我們參與了十多個車聯(lián)網(wǎng)示范區(qū)及車路協(xié)同項目的建設，具有豐富成熟的商業(yè)化落地經(jīng)驗。

一、C-V2X終端對于模組的要求

我們先從C-V2X的系統(tǒng)架構作為切入口。

下圖展示了一個最簡單的C-V2X系統(tǒng)。路側(cè)設備RSU和車載設備OBU可以通過C-V2X的PC5接口直接通信，還可以通過C-V2X的Uu接口，也就是我們最常用的4G/5G移動網(wǎng)絡與后臺的云之間的相互通信。當然回傳接口，尤其是對RSU而言可以不用4G/5G移動網(wǎng)絡，而采用以太光纖等有線網(wǎng)絡。另外，在現(xiàn)有的系統(tǒng)中，RSU一般會配備一些路側(cè)設備和基礎設施，常見的有紅綠燈，雷達、攝像頭等。

在這個系統(tǒng)當中，C-V2X模組主要服務的對象是兩類終端——RSU和OBU。

從網(wǎng)絡角度分析，這兩類終端設備的地位不同。RSU是固定網(wǎng)絡設備，而OBU是移動網(wǎng)絡設備。

從技術角度分析，RSU和OBU的組成類似。核心部件都需要有MCU（(Microcontroller Unit），配備GNSS（Global Navigation Satellite System）模組獲取位置和時鐘信息，需要HSM（Hardware Security Module）進行信息安全的處理，還需要Uu模組負責回傳，最主要的是需要PC5的模組來負責直接通信，因此PC5模組是RSU和OBU通用的核心部件。

C-V2X網(wǎng)絡通信方式與傳統(tǒng)的4G/5G蜂窩數(shù)據(jù)不同。4G/5G網(wǎng)絡都會部署基站，基站對于接入的終端（手機等移動設備）具有控制功能，因此在鏈路上兩者的定義也不同。我們一般稱一個為downlink，一個為uplink。但是對于C-V2X PC5直接通信而言，所有設備的地位在通信角度上都是對等的，因此在鏈路上不能用downlink/uplink作為區(qū)分。在3GPP的標準上，我們叫sidelink。所以從通信對等的角度來看，RSU和OBU是完全相同的，僅在所承載的業(yè)務上存在區(qū)別，兩者完全可以使用同一款模組。

由上述可見，C-V2X模組也是一個通信模組。但是與常見的通信模組相比有顯著差異——傳統(tǒng)通信系統(tǒng)只需要做好底層通信，而C-V2X卻是獨立自成體系的協(xié)議族。

傳統(tǒng)通信系統(tǒng)在網(wǎng)絡協(xié)議中，需要解決的是物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的通信，網(wǎng)絡層可以直接復用IP協(xié)議，傳輸層可以復用TCP、UDP協(xié)議，應用層可以復用HTTP、MQTT協(xié)議，這些都是特別成熟的協(xié)議，也有豐富的生態(tài)業(yè)務。

C-V2X模組的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層為3GPP定義的LTE-V2X，網(wǎng)絡層則是CCSA定義的DSMP，應用層是基于CCSA定義的消息級的應用場景。

與傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)相比，C-V2X系統(tǒng)具有以下特點：

第一、它是一個從物理層到應用層都進行了定義、自成體系的一個系統(tǒng)；

第二、它是一個跨多行業(yè)的系統(tǒng)，涉及通信圈、汽車圈、交通圈等；

第三、不同于傳統(tǒng)通信主要關注單播，C-V2X是一個優(yōu)先關注廣播的系統(tǒng)，主要用于發(fā)送短消息。因此，在指標方面并不會要求特別高的數(shù)據(jù)吞吐量，而是對丟包和時延更加敏感。

第四、C-V2X的模組是一個針對車聯(lián)網(wǎng)深度優(yōu)化的系統(tǒng)，在增強了針對性的同時也犧牲了普適性，因此需要一定程度的跨層優(yōu)化才能達到性能最優(yōu)。比如說LTE-V2X的數(shù)據(jù)傳輸基于半持續(xù)調(diào)度的機制，因此，應用層在發(fā)送數(shù)據(jù)時，就只有在數(shù)據(jù)包的起點和周期與底層的半持續(xù)調(diào)度機制匹配起來時才能取得丟包和時延的最優(yōu)，并不能像傳統(tǒng)通信那樣只要有數(shù)據(jù)就可以隨時發(fā)送。另外，系統(tǒng)在容量大時都會發(fā)生擁塞，那么底層系統(tǒng)發(fā)生擁塞時，底層會返回測量結(jié)果，這時也需要應用層來考慮降負荷。因此，C-V2X是一個需要跨層優(yōu)化的系統(tǒng)。

綜上所述，C-V2X通信系統(tǒng)是一個特點鮮明的系統(tǒng)，因此也要求C-V2X模組具有更多

的可能性，這就是跟其他通信模組的不同之處。

二、如何定義C-V2X模組

C-V2X對于模組的具體要求，主要包括四點：車規(guī)級、合規(guī)性、靈活性和開放性。

1、車規(guī)級是對硬件的要求，主要如下：

尺寸：（SMT要求≤40mm*mm）

工作溫度：（-40~+85℃）

高溫高濕：（+85℃，85%RH 1000小時）

溫度沖擊：（-40~+85℃ 1000次）

2、合規(guī)性是指根據(jù)符合行業(yè)標準，保證互聯(lián)互通。

由于C-V2X是一套自成體系的標準而且還是新技術，相關標準也尚在完善過程中，在

這個背景下，合規(guī)性也就顯得異常重要。以空口配置為例，之前的車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)采用的空口配置都是10兆赫茲帶寬，資源池的配置是整個帶寬一個資源池，每個子信道的大小為10，共5個子信道，無論是OBU還是RSU都共享相同的資源池。另外Bitmap的長度是20，這樣就不需要考慮預留子幀的問題。

隨著為車聯(lián)網(wǎng)應用正式頒發(fā)了20兆赫茲專用帶寬以后，CCSA定義了新的配置，將20兆分成了兩個10兆的資源池，每個資源池的大小能源為10兆，每個池的子信道大小仍是10，每個資源池有5個子信道。其中，低頻的資源池是OBU發(fā)送專用，高頻的資源池為RSU發(fā)送專用，同時兩個資源池都可以作為接收資源池。另外Bitmap的長度也修改為100，由于100不能被10240整除，所以就需要考慮預留子幀。

空口配置僅僅是合規(guī)性的一個例子，其他例子還包括不同業(yè)務使用的AID是否規(guī)范，接口字段是否符合標準定義。以上這些都會對C-V2X模組在應用過程中能否正常收發(fā)數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，所以合規(guī)性也是C-V2X模組的一個重要方面。

3、靈活性是指，可以根據(jù)具體需求選擇應用邏輯的處理方式。

在車聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)里，C-V2X模組的功能涵蓋到協(xié)議棧的哪一層是一個比較值得深入探討的問題。下圖呈現(xiàn)了C-V2X協(xié)議棧層結(jié)構，自下而上分別是射頻、物理層、MAC層、RLC層、PDCP層、網(wǎng)絡層（其中網(wǎng)絡層又分成了DSM層和適配層兩個子層）、安全層、消息層和應用場景。那么C-V2X模組應該將接口開放到哪一層呢？

按照傳統(tǒng)模組的思路，可以將接口開放到數(shù)據(jù)鏈路層之上，之下的部分屬于傳統(tǒng)通信圈的特長，而之上的部分則為應用圈的特長。

我們?yōu)榱吮阌趨^(qū)分，將第一種稱為通信的歸通信，第二種稱為應用的歸應用，這兩種方式在應用過程中需要根據(jù)具體需求而定。

通信的歸通信：如果開放到數(shù)據(jù)鏈路層，那么對OBU而言，高層可以由Tier 1或者主機廠完成開發(fā)，RSU可以由RSU的制造商或者運營商負責開發(fā)。

應用的歸應用：接口也可以開放到應用層，因為應用層之下的處理流程都在標準上進行了詳細的定義，包括幀的格式，數(shù)據(jù)收發(fā)的行為等。如果C-V2X模組將在這幾部分的工作都完成，那么在處理應用場景時，就不需要關注數(shù)據(jù)傳輸?shù)募毠?jié)和影響互聯(lián)互通的流程，僅需要關注應用邏輯的處理。

通信的歸通信方式

按照這種方式劃分需要再仔細研究網(wǎng)絡層的標準，下圖展示了網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)面的處理，數(shù)據(jù)面的處理是比較簡單的。

來自應用層的數(shù)據(jù)先到達DSMP層，加上DSMP的包頭，然后再到達適配層，再加上適配層的包頭，最后作為接入層的凈荷發(fā)送到PDCP層，作為PDCP的SDU。比較復雜一點的是控制面，按照標準的規(guī)定，在發(fā)送或接收一個數(shù)據(jù)包時，隨著數(shù)據(jù)包要附帶一些原語作為控制字段來指示上層或下層應該如何對數(shù)據(jù)包進行處理。以發(fā)送為例，來自應用層的數(shù)據(jù)包需要指示這個數(shù)據(jù)包的AID和優(yōu)先級，數(shù)據(jù)包到達網(wǎng)絡層之后，網(wǎng)絡層會將這些數(shù)據(jù)再指示給適配層。

但是，適配層在向接入層發(fā)送時就不能直接發(fā)，因為這兩個字段空口都不認識，因此適配層就需要做一個工作，就是將AID和優(yōu)先級進行轉(zhuǎn)換。AID需要轉(zhuǎn)化成destination Layer-2 ID，優(yōu)先級則需要轉(zhuǎn)換成PPPP。這個工作的完成需要基于3GPP定義的一個配置文件MO（Management Object Configuration），MO保存著AuthorizedV2XServiceList，也就是授權的V2X列表這樣一個字段，這個字段將規(guī)定的某個具體的AID應該映射成哪個destination Layer-2 ID。另外，這個配置文件中還包存著PPPPtoPDBMappingRule的一個字段，它規(guī)定了PPPP到PDB的映射規(guī)則。那么再往前一步，從優(yōu)先級到PPPP的映射則是在CCSA的網(wǎng)絡層規(guī)范中完成的，這個工作也需要適配層來負責。

因此從界面清晰的角度來講，3GPP標準范疇的處理，最好應該封裝在模組內(nèi)部，也就是說如果采用通信歸通信這種劃分方式的話，最合適的切割界面應該是在DSM層與適配層之間。

應用的歸應用方式

下圖展示了網(wǎng)絡層、安全層、應用層這些高層更多的處理細節(jié)，我們從下往上看可以得到多種劃分方式。

如果在網(wǎng)絡層與與安全性層之間劃分，這兩層中間傳遞的數(shù)據(jù)定義都非常明確，是標準的成幀數(shù)據(jù)。

如果再向上一層劃分在安全層與消息層之間，這兩層之間的數(shù)據(jù)定義也非常明確，是標準的成幀數(shù)據(jù)，如果劃分在這一層，那么C-V2X模組即保證了向高層遞交的數(shù)據(jù)都是合法的，這樣能夠大大地簡化應用的處理。

如果再向上半層，可能就不是很合適。這一層的數(shù)據(jù)對于發(fā)送側(cè)是ASN.1編碼前的雜亂數(shù)據(jù)，對于接收側(cè)則是ASN.1解碼后的雜亂數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)都沒有標準的幀格式定義。如果在兩層之間，可能還是在兩個處理器之間進行傳輸?shù)脑?，那無疑還要再進行一次解幀與組幀的過程，從端到端傳輸?shù)慕嵌榷跃驮黾恿怂拇蔚奶幚?，分別是兩次解幀和兩次組幀，那么對于時延敏感的C-V2X應用而言，這是有害無益的。

當然劃分的接口可以再向上移一步，對于數(shù)據(jù)進行一定的預處理，這樣一來可以減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量；再者經(jīng)過預處理之后，可以減輕應用處理器處理應用場景時的復雜度，這樣做就是有意義的了。但是這個接口沒有標準化，需要根據(jù)具體的應用場景進行自定義。

最后，劃分的接口可以再向上移一步，可以對數(shù)據(jù)進行完整的處理，并最終輸出交通安全預警。這種方式比較適合于輔助駕駛，因為預警的結(jié)果可以直接輸出到HMI進行提示就行了。自動駕駛如果按照這種方式劃分，并不是很合適，因為自動駕駛的主處理器，需要更多的細節(jié)與其他傳感的數(shù)據(jù)進行融合。

除了上述業(yè)務層面，模組的管理也很重要，它極大地決定了模組的易用性。比如前面講的各種空口的配置，首先模組能夠提供支持，其次是需要靈活，如果每個配置都要單獨版本，那么使用時將會非常的不方便，最好的處理方式是一個版本可以通過修改參數(shù)完成不同配置之間的切換。

4、開放性要求模組保證擁有各類接口，提供功能自定義和升級服務

模組要開放，能夠提供各類的接口，允許用戶自定義修改，不管模組的功能涵蓋了哪一層，其內(nèi)部都是很復雜的。因此，能夠及時反饋十分重要，例如內(nèi)部的狀態(tài)隨時可查，如果發(fā)生了異常，能夠及時的通知應用進行處理。比如，GNSS因為信號原因等因素突然失鎖了，如果時鎖時間過長，就會導致模組的時鐘失步。此時的模組實際上已經(jīng)不能與其他模組通信了，這就需要模組能夠主動地通知應用進行干預，比如提醒駕駛員衛(wèi)星信號出現(xiàn)異常，提示駕駛員更加謹慎地駕駛等等；其次，在模組發(fā)生異常時應該能夠記錄并提取日志，以便于分析異常，或者判斷其處理是否合理；另外，對于模組而言，尤其是產(chǎn)業(yè)上，在培育階段，固件升級是在所難免的，所以模組能夠提供升級能力也是一個必選項。

三、大唐高鴻在C-V2X模組研發(fā)方面的實踐和成果

首先，向大家介紹一下大唐高鴻在模組研發(fā)方面的實踐：

2013年，大唐在國際電信日上首次公開提出了LTE-V車聯(lián)網(wǎng)概念

2017年，發(fā)布了業(yè)界首款商用LTE-V2X通信模組DMD31

2018年，發(fā)布采用全新架構設計的下一代產(chǎn)品，順利完成“三跨”互聯(lián)互通測試

2019年，發(fā)布了車規(guī)級通信模組DMD3A，成功完成“四跨”互聯(lián)互通測試

2020年，實現(xiàn)車規(guī)級DMD3A模組量產(chǎn)

接下來，給大家介紹一下大唐高鴻的重磅級產(chǎn)品——車規(guī)級模組DMD3A

DMD3A模組是由大唐高鴻和阿爾卑斯阿爾派聯(lián)合設計，并由阿爾卑斯阿爾派負責生產(chǎn)的車規(guī)級模組。DMD3A除了支持通信功能以外，還提供了一個應用處理器，能夠適用更加多樣化的應用場景。

從硬件上看，首先，DMD3A是采用中國信科集團自研高品質(zhì)的CPU進行設計，具有一顆純正的中國“芯”；其次，DMD3A由阿爾卑斯阿爾派負責生產(chǎn)，完全滿足汽車行業(yè)的16949質(zhì)量標準。為了保證品質(zhì)，我們對DMD3A進行了近三個月嚴苛的高溫高濕、溫度沖擊、振動沖擊等數(shù)十項測試，全部完美達標。在關鍵的工作溫度指標上，DMD3A也達到了-40~+85℃的車規(guī)溫度要求，而且還具備較強的抗電磁干擾能力，有較高的信號接收機靈敏度，能夠適應惡劣嚴苛的工作環(huán)境。最后，它采用了緊湊的LGA封裝，滿足了車規(guī)級設計對尺寸的嚴苛要求。

從軟件上看，DMD3A采用了Open CPU的架構，可以提供SDK(Software Development Kit)。SDK將開放豐富的API以支持二次開發(fā)，前面介紹的各類接口切分方式都能夠完美的支持。“通信的歸通信”和“應用的歸應用”這兩種方式，借助DMD3A內(nèi)置的應用處理器，都可以靈活的支持。

在合規(guī)性上，大唐高鴻作為各大標準組織的核心成員，始終緊跟標準的進展，20兆帶寬雙資源池和預留子禎、最新定義的AID和業(yè)務模型以及最新的標準定義都無一遺漏地進行了實現(xiàn)。

在開放性和靈活性上，我們也提供了靈活開放的管理接口，參數(shù)可以靈活配置，狀態(tài)實時可查，異常能夠及時上報，日志方便提取，軟件可靠升級，各方面都進行了充分的考慮。

DMD3A的硬件架構

主要包含了AP處理器、基帶處理器、RF收發(fā)芯片、電源管理芯片（PMIC）和存儲芯片等。從最小系統(tǒng)的角度主要要求供電和GNSS系統(tǒng)，要求GNSS系統(tǒng)是因為sidelink是基于TDD方式進行通信，要求不同的終端必須嚴格的進行時鐘同步。如果僅考慮時鐘同步，可能PP1S就夠了，但是由于新行標的資源池配置Bitmap定為100，需要考慮預留子幀，那就不僅要求定時同步，還要求所有設備的幀號必須相等，否則預留子幀的位置計算將會錯誤。因此，GNSS模組輸出的UTC時間就必須成了最小系統(tǒng)的一部分。

為了方便用戶對DMD3A進行使用和評估，我們開發(fā)了一款EVB，將DMD3A支持的功能，各個接口的推薦用法都進行了設計。這個開發(fā)板適用于兩個場景，一個是在進行硬件的二次設計之前測試DMD3A的性能，其二是作為設計的參考。

最值得一提的是，作為行業(yè)內(nèi)最早開發(fā)C-V2X模組和終端產(chǎn)品的高科技企業(yè)，大唐高鴻在模組研發(fā)方面有近十年的經(jīng)驗積累，可以支持定制化，靈活應對客戶需求，這是大唐高鴻的核心競爭力之一。

四、問答環(huán)節(jié)

Q1：V2X路端用車規(guī)級模組嗎?

A：從通信上講，RSU和OBU是對等的，兩者完全可以用相同的模組。在實際應用上，車端對可靠性的要求更高一些，要求的工作溫度達到-40~+85℃， RSU一般不需要達到這么高的工作溫度，一般到55度就可以了。所以，RSU使用車規(guī)級模組DMD3A，可以做到錦上添花，可以更好地適應極熱和極寒的室外環(huán)境。

Q2：最近一年內(nèi)，C-V2X在車輛上會率先應用到哪些場景？

A：在新基建的背景下，今年示范的規(guī)模會進一步擴大，估計會出現(xiàn)城市級大范圍大規(guī)模城市道路和高速公路道路示范。因為不受滲透率的影響，車路協(xié)同相關的應用有望最先用在運營車輛上。比如說，紅綠燈相關的應用，行人橫穿、沒有信號燈路口的交叉路口碰撞。在高速公路上的應用則主要集中在路面異常事件如異常停車、團霧等方面，有效提升駕駛安全，降低高速公路事故率。

Q3：車聯(lián)網(wǎng)技術是否可以應用到有軌電車上？

A：技術層面看，應用到有軌電車上應該是沒有問題，主要看解決有軌電車的什么問題。因為有軌電車有固定軌道，如果在護欄中運行，且定時發(fā)車的話，大概率不會與外部的車輛或行人發(fā)生碰撞風險；如果不是在封閉環(huán)境下運行，則還是有必要的，所以還是要針對具體的場景和需求。當然，在有軌電車的場站，可以考慮V2I的相關應用。

Q4：單車智能和車路協(xié)同的發(fā)展路徑有什么不同？

A：這是個開放性的問題。之前自動駕駛應該只有單車智能一條技術路線。單車智能的好處是車輛通過各類傳感器和計算使其本身具備了自動駕駛的功能，但眾所周知，其成本是個劣勢。同時，傳統(tǒng)傳感器對非視距的物體感知一直是盲點，且傳感器的采集和學習受外界光線和自然天氣影響較大。近幾年來，隨著C-V2X技術的推廣，車路協(xié)同應用開始逐漸受到了重視，因為車路協(xié)同技術具有一些不可替代的優(yōu)勢，比如說站得高看得遠，有上帝視角，可以通過將傳感設備轉(zhuǎn)移到路上從而降低車的成本，有利于自動駕駛的推廣。雖然如何讓車路協(xié)同更好地服務于自動駕駛還有很多問題需要破解，但個人認為，要實現(xiàn)L4/L5自動駕駛，車路協(xié)同是必經(jīng)之路。

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