C-V2X模組是車載通信系統的核心，承擔了在「人—車—路—雲」之間進行數據傳輸的功能，是實現車路網聯的中樞。
近日，大唐高鴻智能網聯產品事業部首席架構師王世良在業內就C-V2X模組進行了乾貨分享，以下為主要內容。
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），是集團車聯網產業的骨幹載體。
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，參編標準超過數十項，擁有多項C-V2X核心專利；也是車聯網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，大唐高鴻一直致力於車聯網相關產品的研發以及產業化的推進。作為C-V2X核心通信模組及終端設備的提供商，我們與數十家產業鏈下遊的企業有密切合作。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網示範區及車路協同項目的建設，具有豐富成熟的商業化落地經驗。
一、C-V2X終端對於模組的要求
我們先從C-V2X的系統架構作為切入口。
下圖展示了一個最簡單的C-V2X系統。路側設備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行動網路與後臺的雲之間的相互通信。當然回傳接口，尤其是對RSU而言可以不用4G/5G行動網路，而採用以太光纖等有線網絡。另外，在現有的系統中，RSU一般會配備一些路側設備和基礎設施，常見的有紅綠燈，雷達、攝像頭等。
在這個系統當中，C-V2X模組主要服務的對象是兩類終端——RSU和OBU。
從網絡角度分析，這兩類終端設備的地位不同。RSU是固定網絡設備，而OBU是行動網路設備。
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網絡通信方式與傳統的4G/5G蜂窩數據不同。4G/5G網絡都會部署基站，基站對於接入的終端（手機等行動裝置）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。但是對於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，僅在所承載的業務上存在區別，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——傳統通信系統只需要做好底層通信，而C-V2X卻是獨立自成體系的協議族。
傳統通信系統在網絡協議中，需要解決的是物理層和數據鏈路層的通信，網絡層可以直接復用IP協議，傳輸層可以復用TCP、UDP協議，應用層可以復用HTTP、MQTT協議，這些都是特別成熟的協議，也有豐富的生態業務。
C-V2X模組的物理層和數據鏈路層為3GPP定義的LTE-V2X，網絡層則是CCSA定義的DSMP，應用層是基於CCSA定義的消息級的應用場景。
與傳統的通信系統相比，C-V2X系統具有以下特點：
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；
第二、它是一個跨多行業的系統，涉及通信圈、汽車圈、交通圈等；
第三、不同於傳統通信主要關注單播，C-V2X是一個優先關注廣播的系統，主要用於發送短消息。因此，在指標方面並不會要求特別高的數據吞吐量，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網深度優化的系統，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化才能達到性能最優。比如說LTE-V2X的數據傳輸基於半持續調度的機制，因此，應用層在發送數據時，就只有在數據包的起點和周期與底層的半持續調度機制匹配起來時才能取得丟包和時延的最優，並不能像傳統通信那樣只要有數據就可以隨時發送。另外，系統在容量大時都會發生擁塞，那麼底層系統發生擁塞時，底層會返回測量結果，這時也需要應用層來考慮降負荷。因此，C-V2X是一個需要跨層優化的系統。
綜上所述，C-V2X通信系統是一個特點鮮明的系統，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對於模組的具體要求，主要包括四點：車規級、合規性、靈活性和開放性。
1、車規級是對硬體的要求，主要如下：
尺寸：（SMT要求≤40mm*mm）
工作溫度：（-40~+85℃）
高溫高溼：（+85℃，85%RH 1000小時）
溫度衝擊：（-40~+85℃ 1000次）
2、合規性是指根據符合行業標準，保證互聯互通。
由於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，合規性也就顯得異常重要。以空口配置為例，之前的車聯網系統採用的空口配置都是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。
隨著為車聯網應用正式頒發了20兆赫茲專用帶寬以後，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發送專用，高頻的資源池為RSU發送專用，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，由於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性的一個例子，其他例子還包括不同業務使用的AID是否規範，接口欄位是否符合標準定義。以上這些都會對C-V2X模組在應用過程中能否正常收發數據產生影響，所以合規性也是C-V2X模組的一個重要方面。
3、靈活性是指，可以根據具體需求選擇應用邏輯的處理方式。
在車聯網的系統裡，C-V2X模組的功能涵蓋到協議棧的哪一層是一個比較值得深入探討的問題。下圖呈現了C-V2X協議棧層結構，自下而上分別是射頻、物理層、MAC層、RLC層、PDCP層、網絡層（其中網絡層又分成了DSM層和適配層兩個子層）、安全層、消息層和應用場景。那麼C-V2X模組應該將接口開放到哪一層呢？
按照傳統模組的思路，可以將接口開放到數據鏈路層之上，之下的部分屬於傳統通信圈的特長，而之上的部分則為應用圈的特長。
我們為了便於區分，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具體需求而定。
通信的歸通信：如果開放到數據鏈路層，那麼對OBU而言，高層可以由Tier 1或者主機廠完成開發，RSU可以由RSU的製造商或者運營商負責開發。
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，數據收發的行為等。如果C-V2X模組將在這幾部分的工作都完成，那麼在處理應用場景時，就不需要關注數據傳輸的細節和影響互聯互通的流程，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絡層的標準，下圖展示了網絡層數據面的處理，數據面的處理是比較簡單的。
來自應用層的數據先到達DSMP層，加上DSMP的包頭，然後再到達適配層，再加上適配層的包頭，最後作為接入層的淨荷發送到PDCP層，作為PDCP的SDU。比較複雜一點的是控制面，按照標準的規定，在發送或接收一個數據包時，隨著數據包要附帶一些原語作為控制欄位來指示上層或下層應該如何對數據包進行處理。以發送為例，來自應用層的數據包需要指示這個數據包的AID和優先級，數據包到達網絡層之後，網絡層會將這些數據再指示給適配層。
但是，適配層在向接入層發送時就不能直接發，因為這兩個欄位空口都不認識，因此適配層就需要做一個工作，就是將AID和優先級進行轉換。AID需要轉化成destination Layer-2 ID，優先級則需要轉換成PPPP。這個工作的完成需要基於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列表這樣一個欄位，這個欄位將規定的某個具體的AID應該映射成哪個destination Layer-2 ID。另外，這個配置文件中還保存著PPPPtoPDBMappingRule的一個欄位，它規定了PPPP到PDB的映射規則。那麼再往前一步，從優先級到PPPP的映射則是在CCSA的網絡層規範中完成的，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標準範疇的處理，最好應該封裝在模組內部，也就是說如果採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
下圖展示了網絡層、安全層、應用層這些高層更多的處理細節，我們從下往上看可以得到多種劃分方式。
如果在網絡層與與安全性層之間劃分，這兩層中間傳遞的數據定義都非常明確，是標準的成幀數據。
如果再向上一層劃分在安全層與消息層之間，這兩層之間的數據定義也非常明確，是標準的成幀數據，如果劃分在這一層，那麼C-V2X模組即保證了向高層遞交的數據都是合法的，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。這一層的數據對於發送側是ASN.1編碼前的雜亂數據，對於接收側則是ASN.1解碼後的雜亂數據，這些數據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的話，那無疑還要再進行一次解幀與組幀的過程，從端到端傳輸的角度而言就增加了四次的處理，分別是兩次解幀和兩次組幀，那麼對於時延敏感的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，對於數據進行一定的預處理，這樣一來可以減少傳輸的數據量；再者經過預處理之後，可以減輕應用處理器處理應用場景時的複雜度，這樣做就是有意義的了。但是這個接口沒有標準化，需要根據具體的應用場景進行自定義。
最後，劃分的接口可以再向上移一步，可以對數據進行完整的處理，並最終輸出交通安全預警。這種方式比較適合於輔助駕駛，因為預警的結果可以直接輸出到HMI進行提示就行了。自動駕駛如果按照這種方式劃分，並不是很合適，因為自動駕駛的主處理器，需要更多的細節與其他傳感的數據進行融合。
除了上述業務層面，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，那麼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，其內部都是很複雜的。因此，能夠及時反饋十分重要，例如內部的狀態隨時可查，如果發生了異常，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，如果失鎖時間過長，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幹預，比如提醒駕駛員衛星信號出現異常，提示駕駛員更加謹慎地駕駛等等；其次，在模組發生異常時應該能夠記錄並提取日誌，以便於分析異常，或者判斷其處理是否合理；另外，對於模組而言，尤其是產業上，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車聯網概念
2017年，發布了業界首款商用LTE-V2X通信模組DMD31
2018年，發布採用全新架構設計的下一代產品，順利完成「三跨」互聯互通測試
2019年，發布了車規級通信模組DMD3A，成功完成「四跨」互聯互通測試
2020年，實現車規級DMD3A模組量產
接下來，給大家介紹一下大唐高鴻的重磅級產品——車規級模組DMD3A
DMD3A模組是由大唐高鴻和阿爾卑斯阿爾派聯合設計，並由阿爾卑斯阿爾派負責生產的車規級模組。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。
從硬體上看，首先，DMD3A是採用中國信科集團自研高品質的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，完全滿足汽車行業的16949質量標準。為了保證品質，我們對DMD3A進行了近三個月嚴苛的高溫高溼、溫度衝擊、振動衝擊等數十項測試，全部完美達標。在關鍵的工作溫度指標上，DMD3A也達到了-40~+85℃的車規溫度要求，而且還具備較強的抗電磁幹擾能力，有較高的信號接收機靈敏度，能夠適應惡劣嚴苛的工作環境。最後，它採用了緊湊的LGA封裝，滿足了車規級設計對尺寸的嚴苛要求。
從軟體上看，DMD3A採用了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，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，藉助DMD3A內置的應用處理器，都可以靈活的支持。
在合規性上，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和業務模型以及最新的標準定義都無一遺漏地進行了實現。
在開放性和靈活性上，我們也提供了靈活開放的管理接口，參數可以靈活配置，狀態實時可查，異常能夠及時上報，日誌方便提取，軟體可靠升級，各方面都進行了充分的考慮。
DMD3A的硬體架構
主要包含了AP處理器、基帶處理器、RF收發晶片、電源管理晶片（PMIC）和存儲晶片等。從最小系統的角度主要要求供電和GNSS系統，要求GNSS系統是因為sidelink是基於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，但是由於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的一部分。
為了方便用戶對DMD3A進行使用和評估，我們開發了一款EVB，將DMD3A支持的功能，各個接口的推薦用法都進行了設計。這個開發板適用於兩個場景，一個是在進行硬體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，作為行業內最早開發C-V2X模組和終端產品的高科技企業，大唐高鴻在模組研發方面有近十年的經驗積累，可以支持定製化，靈活應對客戶需求，這是大唐高鴻的核心競爭力之一。
四、問答環節
Q1：V2X路端用車規級模組嗎?
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一般不需要達到這麼高的工作溫度，一般到55度就可以了。所以，RSU使用車規級模組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境。
Q2：最近一年內，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，今年示範的規模會進一步擴大，估計會出現城市級大範圍大規模城市道路和高速公路道路示範。因為不受滲透率的影響，車路協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：車聯網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麼問題。因為有軌電車有固定軌道，如果在護欄中運行，且定時發車的話，大概率不會與外部的車輛或行人發生碰撞風險；如果不是在封閉環境下運行，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：單車智能和車路協同的發展路徑有什麼不同？
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，傳統傳感器對非視距的物體感知一直是盲點，且傳感器的採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，車路協同應用開始逐漸受到了重視，因為車路協同技術具有一些不可替代的優勢，比如說站得高看得遠，有上帝視角，可以通過將傳感設備轉移到路上從而降低車的成本，有利於自動駕駛的推廣。雖然如何讓車路協同更好地服務於自動駕駛還有很多問題需要破解，但個人認為，要實現L4/L5自動駕駛，車路協同是必經之路。