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基于“车路云”一体化系统的车云融合关键技术研究

Research on key technologies of vehicle-cloud integration based on the vehicle-road-cloud integrated system

项目研制单位：智能汽车创新发展平台（上海）有限公司 、同济大学

主要研制人员：平台公司（陈天桢、黄剑其、窦瑞、周剑鸣、宋理清、邵亚萌）、同济大学（魏忠祥、王新红、迟会聪、周志熠、周扬）

1、研究内容介绍

• 研究的目的与意义

近年来，我国积极布局并大力发展车路一体交通系统。2016年7月，国家发展改革委和交通运输部联合发布《推进“互联网+”便捷交通促进智能交通发展的实施方案》，从构建智能运行管理系统、加强智能交通基础设施、实施“互联网+”交通示范项目全面阐述了汽车产业转型升级的重要方向，提出了车联网与自动驾驶的技术创新发展趋势。2017年“十九大”将建设交通强国做为我国重要战略目标，国家发改委将“云控基础平台”作为产业融合发展公司的重点产业化对象，将“智能汽车大数据云控应用系统”作为信息基础设施网络服务公司的重点建设对象。

“车路云”一体化系统将是智能汽车与数字化道路、5G通信、云计算、边缘计算技术深度融合的产物，是汽车工业新四化的集中体现，可极大拓展车辆的智能化水平和车辆的驾乘安全性，赋予汽车工业新的生命力，提升现代城市的智慧交通水平。 基于“车路云”一体化系统与标准化通信协议，可实现物理空间与信息空间中的车、交通、环境等要素相互映射。通过两者之间的标准交互、高效协同，利用云计算大数据能力，解决系统性的资源优化与配置问题，促进人车路运行按需响应、快速迭代、动态优化，最终实现协同式无人驾驶。

目前较为成熟的车路协同技术一般基于V2X设备（例如RSU和OBU），完成路侧与车端、车端与车端子系统之间的通信工作，支持传输的内容包括目标检测结果、硬件设备信息、车-路或绝对-相对坐标系转换矩阵等。但该模式需要同时满足路侧RSU设备的规模化部署和车辆OBU设备加装，难以推广应用。因此，面向“车路云”一体化系统技术需求，有必要构建基于5G网络的的可信可靠的动静态信息交换机制，对5G MEC网络的车-路-云的数据交互在时延、掉包率、信干噪比等关键性能指标开展测试。基于测试结果，结合第三方运营商可支持技术以及5G通信技术发展趋势，形成适用于“车路云”一体化系统的5G MEC专网优化与建设方案。

• 要解决的关键技术

本项目紧跟智能汽车创新发展战略，针对“车路云”一体化系统的建设需求，针对智能汽车与数字化道路、5G通信、云/边缘计算等关键技术，研究“车路云”一体化系统的车路云融合关键技术及标准，要解决的关键技术如下：

1）整合平台公司的路侧感知系统、低时延边缘云平台、同济的车端测试系统，构建面向5G专网的车路云一体化数据交互系统。

2）研究并提出“车路云”系统的时间同步和空间对齐方案，实现基于5G MEC网络的车端、路端和云端实时信息交换；

3）聚焦5G MEC通信环境，面向车路云一体化项目需求，搭建“车路云”一体化平台的测试验证环境，开发网络性能测试工具。针对车路云信息交互的低时延、高可靠性要求，设计测试验证方案；

4）基于嘉定开放道路，测试不同车速、基站负载、数据包大小情况下的通信时延、抖动等关键性能指标。

5）依据测试结果与理论分析，提出适用于车路云一体化系统的网络优化建议和专网方案。

6）形成关于“时空同步”与“交通信号数据推送”团标，为面向智能驾驶的车路云一体化系统规划与建设提供规范。

• 采取的路线和方法

如图1所示，本项目的技术路线简述如下。

图 1 项目技术路线图

1）车路云一体化系统测试验证环境设计及搭建

车路云一体化系统测试验证环境囊括路侧实时感知系统、低时延边缘云平台、车端测试系统。基于同济的车载计算设备和平台公司的路侧设备、云端系统及网络环境，搭建车路云一体化数据交互系统，基于5G网络实现路侧感知数据、信号灯数据、车辆行驶数据的数据交互。在无线侧，使用5G Uu接口建立车辆、路侧与基站的通信链路；在核心网侧，使用专网等技术提高数据从基站到云端设备的通信效率。

2）车路云一体化系统的时间同步方案

针对搭建的车路云一体化系统，探索车辆、云端、路侧的时间同步及空间同步方案。在时间维度上，车路云设备部署在不同位置，受限于硬件固有原因，各设备间时钟有所不同，需要通过同步授时、同步触发等方式同步各设备至系统时钟，降低因时间不同导致的路侧感知数据、信号灯数据、车辆行驶数据的更新延迟。

3）车路云一体化系统的空间同步方案

在“车路云”一体化系统中，车载子系统是移动的，路侧子系统部署于不同位置。为实现不同设备数据的融合处理，在空间维度上，将路侧感知数据中被检测物的基于感知源的相对位置转换到绝对坐标系中的绝对位置，与车辆GPS数据统一于同一坐标系下，实现车路云设备间的空间同步。

4）车路云一体化系统网络性能测试

针对搭建的车路云一体化系统，开发网络通信性能测试工具。通过测试数据交互过程中的各环节对通信时延的影响，探究基于5G Uu接口的车路云一体化系统是否能满足智能驾驶不同应用或场景的性能要求，并基于测试结果对数据交互环节进行调优。

5）车路云一体化系统网络优化建议与专网方案

依据测试分析报告，由同济团队分析形成网络优化建议，平台公司与网络运营商衡量可执行度。网络优化与网络测试交替进行，基于测试与试验结果，比较基于PC5与Uu接口通信在时延、抖动、可靠性等关键指标性能，形成基于5G Uu接口及5G专网的车路云一体化组网优化方案。

6）车路云数据传输优化方案

TCP容易发生队头阻塞，传输效率低下。本项目结合TCP传输的可靠性和UDP传输的高效性，提出了MQTT Over QUIC的车路云数据传输优化方案，实现了一种无队头阻塞的多路数据流并行传输方案，极大的提高了传输效率，并保证了可靠性和安全性。

7）标准制定及知识产权相关工作

整合项目中的研究内容，针对项目中的时间同步、空间同步、网络搭建与策划等内容，形成行业标准和相关技术成果，为该方案的全国推广提供理论依据和实验数据。针对项目中的创新项，进行专利申请等工作。

• 达到的效果和成果技术水平

面向车路云一体化建设需求，项目搭建了囊括车端测试系统、路侧实时感知系统、低时延边缘云平台测试验证平台。利用5G Uu建立车辆、路侧与基站的无线通信链路，在核心网侧使用5G专网技术提高数据从基站到云端设备的通信效率，基于我国广泛部署5G基站、成熟商用的5G系统，形成了“易推广”、“低成本”的车路云一体化融合机制。针对搭建的车路云一体化系统，设计了车辆、云端、路侧的时间同步及空间同步方案，形成了基于5G Uu口的动静态数据实时交互方案。

项目针对车路云一体化网络开发了通信性能测试工具，测试了基于5G Uu口的数据端到端交互时延。基于嘉定开放测试道路，对不同基站负载、不同车速、不同数据包长度下的端到端时延、抖动等关键性能指标开展测试，基于测试结果对数据交互环节进行调优。通过对测试结果分析，发现了嘉定片区测试站点的网络覆盖较差（SINR值低于典型城镇环境值）、存在越区切换的乒乓效应、车辆接入时延较大等问题。经与平台公司、移动运营商三方讨论，结合5G通信系统技术发展趋势，提出了适用于车路云一体化系统的5G MEC专网建设与优化方案。在第三方运营商可支持条件下，已完成无线侧调优（部署新基站）、接入预调度、UPF下沉技术，可有效降低10ms-15ms端到端时延。项目为车路云一体化建设提供了有价值的指导方针，车路云一体化方案融合了Uu口、MEC、UPF等5G关键技术，在面向车路云一体化的5G MEC组网方面给出了世界先进的解决方案，端到端时延达到国际领先、国内先进的水平。

2、技术创新点

有别于传统的PC5 V2X方案，本项目以“成本精益化”、“可复制推广”为核心理念，设计基于5G Uu口的车路云一体化数据交互系统，探究基于5G Uu、MEC等核心技术的车路云一体化大规模、可推广方案。以实地、实验的形式测试车路云一体化系统的时延、抖动、丢包率等关键性能指标，研究车路云一体化系统的数据交互可靠性和实时性。

基于可行性分析以及验证结果，依据5G R14至R18协议及技术发展趋势，形成囊括接入网、承载网、核心网的端到端网络优化建议。以无线侧基站覆盖优化、无线测RB资源预留、主动式上行预调度、UPF下沉、端到端网络切片、C-V2X多播传输、C-V2X多天线波束成形为主要核心技术，提出适用于车路云一体化系统专网建设方案。

通过将MQTT与QUIC相结合，为车路数据传输提供了以下几个方面的优化：

1）降低延迟：传统的MQTT over TCP需要先进行TCP握手，再进行TLS握手，这会导致延迟。QUIC将传输和TLS握手整合为一步，能够更快地建立MQTT连接。

2）无队头阻塞的多路复用：QUIC支持在单个连接上进行多路复用，确保每个数据流都是独立的。这对于同时处理多个主题或消息流的MQTT非常有益。

3）在网络不稳定的情况下表现更好：QUIC的设计能比TCP更好地处理数据包丢失和网络变化，可以提供更稳定的连接。

4）内置安全性：QUIC默认集成了与TLS等效的安全功能。这意味着MQTT over QUIC始终具备加密和认证功能，无需额外的配置。

5）连接迁移：QUIC能够无缝地应对客户端IP地址或端口的变化，而无需重新建立连接。

3、专利/论文/获奖情况(注明专利名称、专利号/论文名称、录用情况/获奖名称、获奖等级。

中国专利：《一种基于标识映射的车联网密钥管理实现系统及实现方法》，专利申请号：202311312116.4。设计一种基于标识映射的车联网密钥管理实现系统及实现方法，减少证书传递造成的通信开销，提高标识密码算法运算效率，且兼容于车联网PKI体系。

4、成果应用及经济效益（量化）

不同于传统的PC5 V2X车联网方案，本项目主要研究基于5G Uu口的车路云一体化系统。基于我国已广泛部署、大规模商用的5G基站，利用5G网络低延时、高可靠传输优点，建立基于5G Uu接口的“车路云”一体化网络。研究并提出“车路云”系统的时间同步和空间对齐方案，实现基于5G MEC网络的车端、路端和云端实时信息交换；

聚焦5G MEC通信环境，面向车路云一体化项目需求，搭建“车路云”一体化平台的测试验证环境，开发网络性能测试工具。针对信息交互的实时性、可靠性要求，设计测试验证方案；基于嘉定开放道路，测试不同车速、基站负载、数据包大小情况下的通信时延、抖动等关键性能指标。车速20-40km/h下平均单程时延26ms，基站高负载（早晚高峰）时延39.7ms。通过优化云服务器订阅模式，长数据包平均时延为44.4ms。

针对测试结果，同济、平台公司、移动三方讨论，依据5G R15至R18协议及技术发展趋势，并结合移动运营商可支持技术方案，形成囊括接入网、承载网、核心网的端到端网络优化与建设方案。平台公司牵头形成关于“时空同步”、“交通信号数据推送”团标两份，可指导面向智能驾驶的车路云一体化系统规划与建设。

项目旨在为我国智能交通系统、智能车联网的建设和推广提供新的技术方案和标准。对项目参与单位而言，项目旨在提高平台公司在车路云一体化系统的技术储备和评价水平，并建立网络性能评价方案和标准，为平台公司提供有效的5G网络搭建模板和性能参数。研究结果对平台公司牵头的智能汽车车路协同“上海方案”提供关键试验参数及标准支持，提升公司的行业竞争力。此外，基于我国广泛部署并成熟商用的5G基站，促进5G基站、MEC、云平台等技术的深度融合，拓宽5G网络在智能车联的应用方向。车端也可以避免车辆OBU设备加装，降低设备的部署成本，为车路协同网络的建设提供经济效益更高的方案。以此为基础，可以进一步开发基于“车路云”网络的云端应用，如数字孪生、高精度地图、交通动态规划、事故预警等应用，为进一步开发车联网的应用提供借鉴与参考。