现代智能汽车中的无线技术33——V2X（5）

LTE-V2X

LTE-V2X 物理层与 MAC 层技术 在 C-V2X 中，车辆如何在高速移动中，即便没有基站指挥，也能井然有序地互发消息而不发生无线电碰撞？答案就隐藏在物理层和 MAC 层的设计中。

1 频段与信道：5.9GHz 频谱规划与资源池概念

1. 黄金频段：5.9GHz (The ITS Band) 全球主要国家都将 5.9 GHz (5905-5925 MHz) 附近的 20MHz 频宽划拨给智能交通系统（ITS）。

• 物理特性： 这个频段属于微波，具有较好的穿透性和绕射性（相比毫米波），同时又能承载较高的数据速率。

• 独占性： 这是一个"专用车道"。不像 2.4GHz 频段那样挤满了 Wi-Fi、蓝牙和微波炉的干扰，5.9GHz 保证了车联网通信的纯净和可靠。

2. 资源池 (Resource Pool) C-V2X 不像 Wi-Fi 那样随用随取，而是采用了严谨的"时频资源方格"管理。

• 时域（时间）： 被切分成一个个子帧（Sub-frame, 1ms）。

• 频域（频率）： 被切分成一个个子信道（Sub-channel）。

• 概念： 资源池就是一堆预先定义好的"时频方格"。

• 发送资源池 (Tx Pool)： 车辆从中挑选方格用来发消息。

• 接收资源池 (Rx Pool)： 车辆在这些方格里监听别人的消息。

• 类比： 想象一面巨大的课程表（资源池）。你想在上面贴通知（发消息），必须找到一个空的格子里贴，不能贴在别人的通知上。

2 资源分配模式：有序的指挥 vs. 聪明的自律

这是本章的核心。C-V2X 定义了两种截然不同的抢占"课程表格子"的方式。

1. Mode 3（基站调度）：在网络覆盖下的有序通信

• 适用场景： 车辆处于蜂窝网络（Uu口）覆盖范围内。

• 工作机制： "举手发言"。

1. 车辆通过 Uu 接口向基站（eNodeB）申请："我要发数据"。

2. 基站查看资源池，指定一个空的格子，指令车辆："你在第 5 毫秒的第 3 个信道发送"。

3. 车辆遵照指令通过 PC5 接口发送。

• 优点： 绝对有序，无碰撞（基站上帝视角）。

• 缺点： 依赖基站覆盖，且信令交互增加了一点点时延。

2. Mode 4（自主资源选择）：无网络覆盖下的竞争机制

• 适用场景： 高速公路、隧道、地库、荒野等无基站区域，或基站拥塞时。这是 C-V2X 体现 Ad Hoc 自组网特性的关键模式。

• 工作机制： "先听后说" (Sensing + Selection)。

• 核心算法：SB-SPS (Sensing-Based Semi-Persistent Scheduling，基于感知的半持续调度)

• 难点： 没有基站指挥，几百辆车怎么保证不撞车（不选用同一个资源块）？

• SB-SPS 算法流程详解：

1. 感知 (Sensing)： 车辆在发送前，先打开耳朵"听"过去 1000ms（1秒）内的信道情况。它会记录哪些格子已经被别人用了，且信号很强（干扰大）。

2. 排除 (Exclusion)： 在备选的资源窗里，把那些"被别人占用的"、"干扰大的"格子统统划掉。

3. 选择 (Selection)： 在剩下那些比较干净的格子（通常取最好的 20%）里，随机挑一个。

4. 半持续 (Semi-Persistent)： 这一点最聪明。因为 BSM 消息通常是周期性的（比如每秒 10 次）。车辆一旦选中了一个格子，就会预约接下来的几十次都用这个相对位置的格子。

• 为什么？ 这样别人在"听"的时候，就能预测到："哦，这个车预订了这个位置，我下次避开它。"

• 重选计数器 (Reselection Counter)： 预约不是永久的（防止死锁）。每隔一段时间（比如 5-15 次传输后），车辆会重新随机选一次位置，保持系统的流动性。

3 拥塞控制与抗干扰技术

当十字路口聚集了 500 辆车，所有车都在拼命发消息，信道就会像高峰期的菜市场一样嘈杂，导致丢包率飙升。这时需要"交警"介入。 1. 分布式拥塞控制 (DCC - Decentralized Congestion Control) 因为没有中心基站（在 Mode 4 下），每辆车必须自觉。

• CBR (Channel Busy Ratio) 信道繁忙率： 车辆实时测量信道有多"吵"（0% - 100%）。

• 调节策略： 当 CBR 超过阈值（比如太吵了），车辆会自觉启动"降噪"措施：

• 降低频率： 本来 1 秒发 10 次，现在改发 5 次。

• 提高门槛： 只有紧急度（PPPP值）高的消息才发，普通的问候就不发了。

• 降低功率： 小声说话，只让附近的车听见，不干扰远处的车。

• 提高编码率 (MCS)： 说快一点，占用信道时间短一点。

2. 远近效应与功率控制

• 问题： 旁边的车信号太强（震耳欲聋），导致听不见远处微弱的信号。

• 解决： 开放环路功率控制。根据路损估算，动态调整发射功率，确保大家听到的声音大小差不多。

小结： 物理层和 MAC 层是 C-V2X 的基石。特别是 Mode 4 的 SB-SPS 算法，它巧妙地利用了周期性规律和概率统计，在没有中心指挥的情况下实现了数百个节点的高效自组织通信，完美诠释了 Ad Hoc 网络的智慧。 在 C-V2X 的通信世界里，数据包非常珍贵。为了在毫秒级时间内传输最关键的信息，协议栈的设计必须极度精简且高效。

4 协议栈全景：ISO/OSI 模型与 C-V2X 的对应关系

C-V2X 并没有照搬互联网庞大的 TCP/IP 七层模型，而是针对车联网"短、频、快"的特点进行了适配。

1. 双栈架构：两条腿走路 中国 C-V2X 标准体系（参照 YD/T 3400）定义了两种并行的网络层路径：

• 路径 A：短消息协议栈 (Non-IP / DSMP) ------ C-V2X 的精髓

• 对应 OSI： 网络层 + 传输层。

• 特点： 极其精简，不使用 IP 地址。

• 核心协议：DSMP (WAVE Short Message Protocol / DSRC Short Message Protocol)。

• 为什么不用 IP？ IP 头部太长（IPv6要40字节），建立 TCP 连接还要三次握手。对于只有 100 字节的急刹车报警（BSM），加上几十字节的 IP 头太浪费带宽，且握手太慢。DSMP 允许数据包"拿起来就跑"，非常适合 Ad Hoc 广播模式。

• 路径 B：传统 IP 协议栈 (TCP/UDP/IP)

• 特点： 兼容互联网应用。

• 用途： 用于非安全类业务，如娱乐信息下载、远程诊断。

2. 协议分层图解

ISO/OSI 模型	C-V2X 协议栈 (中国标准)	核心功能
7. 应用层	消息层 (Message Layer)	定义"词汇表"（如 BSM, MAP, SPAT）
6. 表示层	编码层 (Encoding)	压缩数据（ASN.1 UPER）
5. 会话层	(通常合并入应用层)	管理会话
4. 传输层	UDP / TCP 或 无	端口寻址
3. 网络层	IPv6 或 DSMP	路由与适配（适配层负责把 DSMP 塞进物理层）
2. 数据链路层	PDCP / RLC / MAC	资源调度、重传控制
1. 物理层	LTE-V / NR-V PHY	无线电波发射 (5.9GHz)

5 消息集标准：车辆的"通用字典"

车与车之间说什么，由**应用层消息集（Message Set）**决定。 目前全球主要有三大标准体系：美国的 SAE J2735、欧洲的 ETSI ITS、以及中国的 CSAE 53 / GB/T 31024.3。本节重点解读中国标准，并对比欧美概念。

1. BSM (Basic Safety Message) vs. CAM/DENM

这是车联网中最基础、最核心的消息，被称为"车辆的心跳"。

• BSM (基本安全消息) ------ 中国 & 美国采用

• 性质： 周期性广播（通常 10Hz，即每秒 10 次）。

• 内容： "我是谁（临时ID）、我在哪（经纬度）、我多快（速度）、我要去哪（航向角）、我的尺寸（长宽）"。

• 作用： 周围车辆收到 BSM 后，会在本地计算："这个家伙 2 秒后会撞上我吗？"

• CAM (Cooperative Awareness Message) ------ 欧洲采用

• 性质： 类似于 BSM，也是周期性心跳消息。但在触发机制上略有不同（例如仅在位置变化大时才发，更省电）。

• DENM (Decentralized Environmental Notification Message) ------ 欧洲采用

• 性质： 事件触发型消息。

• 内容： "前面结冰了"、"有车祸"。

• 注： 中国标准中，这类信息通常包含在 RSI (Roadside Safety Information) 或 BSM 的特殊事件位中，虽然名字不同，但逻辑一致。

2. SPAT 与 MAP：路口的"红绿灯搭档"

这是 V2I（车路协同）中最典型的应用，用于让车"看懂"红绿灯。

• MAP (地图消息) ------ "静态的画线"

• 内容： 描述路口的几何拓扑。有几条车道？哪个车道能左转？停车线在哪里？

• 特点： 不常变，发包频率较低。

• SPAT (Signal Phase and Timing, 信号灯相位与配时) ------ "动态的填色"

• 内容： 描述灯的状态。

• Phase (相位)：现在是左转绿灯，还是直行红灯？

• Timing (配时)：当前颜色还剩多少秒结束？

• 特点： 实时变化，高频发送。

• 协同工作： 车辆先收到 MAP 搞清楚路口长啥样，再把 SPAT 的红绿颜色"涂"到对应的车道上，从而计算出："我以 60km/h 开过去，能不能赶上绿灯？"

3. 其他重要中国标准消息

• RSI (Roadside Safety Information)： 路侧发出的交通标志、施工、天气提醒。

• RSM (Roadside Safety Message)： 路侧感知到的障碍物信息（上帝视角告诉车：鬼探头来了）。

6 数据的编解码：ASN.1 与 UPER 编码规则

V2X 的带宽非常窄（20MHz），车辆又非常多。如果用 XML 或 JSON（像网页那样）传输数据，光是括号和引号就会把信道堵死。 因此，C-V2X 采用了极致紧凑的二进制编码技术。

1. 语法描述：ASN.1 (Abstract Syntax Notation One)

• 定义： 一种独立于计算机语言的接口描述语言。它用来定义数据结构，不管你是用 C++ 还是 Java 写代码，结构定义都是一样的。

• 例子（伪代码）：asn1 Speed ::= INTEGER (0..16383) -- 定义速度是一个整数，范围0到16383

2. 编码规则：UPER (Unaligned Packed Encoding Rules) 这是 C-V2X 省流的"黑科技"。

• 传统编码 (BER/DER)： 通常按"字节（8位）"对齐。如果存一个布尔值（True/False），虽然只需 1 位，但也得占 8 位，浪费 7 位。

• UPER (非对齐压缩)： 按"位（Bit）"紧凑排列，绝不浪费。

• 案例：

• 如果要发一个布尔值（1 bit）和一个 0-7 之间的整数（3 bits）。

• UPER 编码后，总共只占用 4 bits。它不在乎是否凑齐一个字节，直接把比特流挤在一起。

• 效果： 相比 JSON/XML，UPER 编码后的数据包大小通常只有其 1/10 甚至 1/20。

• 流程：

1. 定义： 工程师编写 .asn 文件定义 BSM 结构。

2. 编译： 使用 ASN.1 编译器生成 C/C++ 结构体代码。

3. 运行： 车辆采集数据 -> 填充结构体 -> UPER 编码器 -> 生成二进制流（如 0101110...） -> 发送给物理层。

小结： 网络层通过 DSMP 抛弃了臃肿的 IP 头，实现了极速传输；应用层通过 BSM/SPAT/MAP 统一了车辆的沟通语言；表示层通过 ASN.1 UPER 将数据压缩到了极致。这一套组合拳，保证了 C-V2X 在拥堵的无线环境中依然能高效"对话"。