一文详解智能网联发展阶段和关键技术

截至2024年1月，全国共建设17个国家级测试示范区、7个车联网先导区、16个智慧城市与智能网联汽车协同发展试点城市，开放测试示范道路22000多公里，发放测试示范牌照超过5200张，累计道路测试总里程8800万公里，自动驾驶出租车、干线物流、无人配送等多场景示范应用有序开展。

（一）智能网联发展阶段

在中国，智能网联作为新生事物，从封闭园区测试阶段，到开放道路运行阶段，城市网联化的趋势越来越明显，已开展一系列探索，并取得阶段性建设成效。

1．封闭园区测试阶段

封闭园区测试是智能网联发展的第一阶段，该阶段以科研机构和车企在封闭环境内进行测试实验为主导，主要目的是探索技术的可行性、产品的实用性，重点考核车辆对交通环境的感知及应对能力，是面向车-车、车-路、车-人等耦合系统的测试。

交通部2018年7月发布了自动驾驶封闭场地建设的指导性文件《自动驾驶封闭场地建设技术指南（暂行）》，对建设目标与原则、场地选择和设计、设施设备和管理等方面进行规范指导。目前，全国约有50个封闭测试场（已建成和待建设），其中30余个具备智能网联汽车测试能力，如表1所示。

表1封闭测试场列表

备注：*为智能网联汽车封闭测试场

封闭园区测试建设，通过抓取典型智能交通场景，真实还原实际路况和环境，模拟智能网联落地应用。一方面能够有效控制安全风险，防止因智能网联技术不成熟而导致出现安全事故，另一方面也可为持续研究和分析智能网联应用提供翔实的试验和测试数据，为后续的开放道路阶段提供成功的实践经验和技术储备。

2．开放道路运行阶段

开放道路运行阶段是智能网联汽车从封闭园区进入实际应用的关键时期，涵盖了智能网联汽车的演化、测试、应用等全过程，主要是在特定的开放道路环境下运行，通过试点示范、先行先试，实践并验证技术成果，解决在公开道路上的交通环境复杂、人员车辆流动等问题，保证车辆的可控性。

开放道路测试与示范应用方面，国家部委、各省市均纷纷出台相关道路测试管理规范。不完全统计，全国40多个省和市出台了智能网联汽车测试管理规范或实施细则，其中北京、上海、天津、重庆、江苏、浙江、湖南、河南、广东、海南、吉林等出台了省（直辖市）级法规，如表2所示。上海、江苏、浙江、安徽出台了跨省市的《长江三角洲区域智能网联汽车道路测试互认合作协议》。

表2 各地智能网联测试政策汇总表

从封闭测试区到开放道路建设阶段，一方面需要符合实际交通情况，考虑设计和建设的可行性，保证道路安全，另一方面，需要通过成功的示范应用，促进智能网联技术的发展，加速其在实际中的推广应用。

（二）智能网联关键技术

C-V2X是智能网联关键技术，其发展经历了从简单的车辆间通信到智能车联网系统的演变过程。目的是为了提高道路安全和交通效率，为未来的智慧交通打下坚实的基础。随着技术的不断升级和完善，C-V2X技术发挥着越来越重要的作用，为人们的出行和生活带来更多的便利和创新。下面将阐述C-V2X技术从3GPP R14到R17的几个发展阶段。

1．3GPP R14

C-V2X技术的发展历程可以追溯到3GPP R14版本，该版本最初被定义为一种用于车辆之间通信的技术，以实现实时数据交换和共享。该版本的规范包括V2V和V2I通信的基础架构和功能需求，并明确了相关术语和定义。在该版本中，C-V2X的主要目标是提高道路安全和交通效率，从而实现更高的可靠性和更低的延迟。

首先，C-V2X是一种无线通信技术，可以使车辆与其他车辆、交通信号灯、道路设施以及其他车辆上的传感器进行通信。这种通信可以实现更高效的交通流动、更安全的道路行驶以及更智能化的车辆控制。

其次，C-V2X包括多个组件，如车载终端、路侧终端、云端服务和API等。这些组件可以通过无线信号进行通信，从而实现车辆之间的信息交换。此外，C-V2X还包括一些安全机制，以确保通信的安全性和可靠性。

第三，C-V2X可以支持多种应用，如车联网、自动驾驶、远程监控和智慧城市等。通过与其他车辆和基础设施进行通信，C-V2X可以为这些应用提供更加精确和实时的数据。例如，在车联网应用中，C-V2X可以帮助车辆更好地理解路况和交通状况，从而更加智能地规划路线。

最后，C-V2X还涉及到一些标准化问题。为了确保不同厂商的设备和应用程序能够相互通信，3GPP组织制定了一系列的规范和协议。这些规范和协议确保了C-V2X的可靠性、安全性和互操作性。

2．3GPP R15

2015年9月，国际电联（International Telecommunication Union，ITU）正式确认了5G的三大应用场景，即增强移动宽带（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）、超可靠低时延通信（Ultra-Reliable and Low-Latency Communications，uRLLC）和大规模机器通信（Massive Machine Type Communications，mMTC）。2016年3月，3GPP就正式启动了5G的标准化工作，旨在开发一个统一的、更强大的无线空口——5G新空口（New Radio，NR）。

R15是5G标准制定的开端。R15最重要的使命之一，是针对eMBB场景进行标准制定。ITU针对eMBB的指标要求，是下行峰值速率必须达到10Gbps以上，用户体验速率必须达到1Gbps以上。3GPP为了实现这一需求，采用了两个思路：一个是寻找更多的可用频谱资源，另一个是深入挖掘每MHz频率资源的潜力。

在扩充频谱资源方面，3GPP在Sub-6GHz频段的基础上，提出了移动毫米波技术。也就是说，将5G的工作频谱向更高频段延伸，覆盖到毫米波的频段。

移动毫米波带来的速率和容量提升非常明显，奠定了5G高速连接的基础。在毫米波技术的基础上，3GPP又引入了大规模天线阵列（Massive Multiple Input Multiple Output, Massive MIMO）。这个技术是5G最具标志性的创新之一，它通过大量增加基站中的天线数量，从而对不同的用户形成独立的窄波束覆盖，可以数十倍地提升系统吞吐量，也改进了基站的覆盖效果（尤其弥补了毫米波覆盖能力的不足）。

5G NR设计中最重要的决定之一，就是选择无线波形和多址接入技术。在当时的方案评估过程中，通过广泛研究发现，正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）体系，具体来说包括循环前缀正交频分复用和离散傅里叶变换扩频正交频分复用，是面向5G eMBB和更多其他场景的最佳选择。在4G LTE已有的OFDM应用基础上，通过设计统一的子载波间隔指数扩展公式，实现了可扩展的OFDM参数配置。这一技术发明，被称为“可扩展参数集”，是R15的重大亮点之一。利用可扩展OFDM参数配置，可以实现子载波间隔能随信道宽度以2的n次方扩展。这样一来，在更大带宽的系统中，快速傅里叶变换点数大小也随之扩展，却不会增加处理的复杂性。

R15另一个令人耳目一新的设计是基于时隙的灵活框架。该灵活框架的关键技术发明就是5G NR自包含时隙结构。在新的自包含时隙结构中，每个5G NR传输都是模块化处理，具备独立解码的能力，避免了跨时隙的静态时序关系。

2018年6月，3GPP R15标准正式冻结。在3GPP R15版本中，C-V2X标准得到了进一步的发展和完善。该版本的规范主要包括增强版的V2V和V2I通信，以及引入智能路侧单元（Smart Road Side Unit，SRSU）的概念，以提高通信效率和可靠性。同时，该版本还针对车联网应用中的安全、隐私等问题进行了详细的考虑和规定。

首先，C-V2X增加了新的应用场景，如智能停车和交通灯控制等。通过这些新增的应用，C-V2X可以提供更加全面和细致的服务，为驾驶员和乘客带来更好的出行体验。

其次，C-V2X的性能得到了提升。在新的版本中，C-V2X的传输速率提高了数倍，使其更加适合高速移动的场景。同时，新版本还对信道进行了优化，以提高通信的可靠性和稳定性。

第三，C-V2X的安全机制也得到了加强。新的版本针对网络安全性和隐私保护等方面进行了改进，以增强C-V2X的安全性和可信度。

第四，C-V2X的标准化进程得到了进一步的推进。在新的版本中，3GPP组织进一步完善了C-V2X的标准和规范，使其更加具有互操作性和可扩展性。这将有助于促进不同厂商的设备和应用之间的互通和交流。

3．3GPP R16

R15主要针对eMBB场景进行了标准制定。R16在R15的基础上，进一步完善了uRLLC和mMTC场景的标准规范，从而贡献了第一个5G完整标准，也是第一个5G演进标准。从本质上来说，实现对垂直行业的支持和赋能，是R16最重要的使命。

R16需要进行标准化的uRLLC场景，主要针对的就是工业互联网、车联网等垂直行业领域。ITU针对uRLLC场景提出的指标目标，包括更严格的可靠性要求（高达99.9999%的可靠性），以及毫秒级的时延。

R16需要通过进一步增强5G网络的基础能力，引入更多的网络新特性，以此更好地支持toB的关键业务型用例，满足智能制造、智能质检、无人驾驶等垂直行业需求。

在网络基础能力增强方面，R16对频谱效率、网络的利用率和鲁棒性等方面都做了专门的优化和增强，包括大规模天线增强、载波聚合增强、切换技术增强等，极大地提升了5G的可用性和完善性。

在新特性引入方面，R16的表现更是可圈可点。以频谱扩展为例，R16增加了对5G NR免许可频谱（New Radio in Unlicensed Spectrum，NR-U）的支持，包括两种模式：许可辅助接入（Licensed-Assisted Access，LAA），以及不需要任何许可频谱的独立部署。这不仅带来了更大的容量，也实现了更灵活的部署。

对于前面提到的可靠性和时延要求，多点协作通信（Coordinated Multiple Points，CoMP）是实现这一目标的关键赋能技术之一。在这个技术创新中，通过采用多个发射和接收点，创建有冗余通信路径的空间分集，实现高可靠性和低时延，构建可用的时间敏感网络（Time Sensitive Networking，TSN）。

R16在组网技术方面则引入了远端干扰管理、无线中继以及网络组织和自优化技术，使得网络实际用户体验获得提升。具有代表性的例子，是新型干扰测量与抑制技术，以及集成接入与回传（Integrated Access Backhaul，IAB）。IAB支持毫米波基站进行无线接入和回传，在部署密集网络时可有效减少新增光纤部署需求。

特别值得一提的是，为了更好地推动政企垂直行业的5G落地，R16在专网部署模式上也进行了创新，推出了对非公共网络（Non-Public Networks，NPN）的支持，为5G专网通信的发展指明了方向。R16引入的新特性很多，除了上述技术之外，还包括终端节能，终端移动性增强、高精度定位等。

2020年7月，R16标准正式冻结。如果说R15只是实现了一个“可用”的5G，那么，R16的作用，就是让“可用”的5G变成“好用”的5G。它在成本、效率和功能上进行了深入增强和改进，为5G的全面落地铺平了道路。

在3GPP R16版本中，C-V2X进一步发展成为智能车联网系统的重要组成部分。该版本的规范包括智能路侧单元（SRSU）的功能和能力，以及基于SRSU的智能车联网系统的架构和应用。该版本的目标是实现更高效、更安全、更可靠的车联网系统，并为未来的智慧交通打下坚实的基础。

R16首次引入了NR-V2X，针对PC5接口定义了全新的帧结构、资源调度、数据重传方式等，支持单播、组播和广播三种模式；在Uu口引入了V2X通信切片、边缘计算、服务质量（Quality of Service，QoS）预测等特性，满足车联网低时延、高可靠和大带宽等需求。R16引入了车辆编队行驶、高级驾驶、传感器扩展和远程驾驶四类应用，定义支持25个V2X高级用例。

4．3GPP R17

2022年6月初，通信标准组织3GPP第96次全会在匈牙利布达佩斯如期召开。在本次会议上，备受瞩目的3GPP R17标准被正式宣布冻结。这标志着，5G的第一阶段演进已经全部完成，5G技术发展，迈入崭新的第二阶段，如图1所示。

图1  3GPP 5G标准演进阶段

作为全球5G NR标准的第三个主要版本，R17进一步从网络覆盖、移动性、功耗和可靠性等方面扩展了5G技术基础，将5G拓宽至全新用例、部署方式和网络拓扑结构。R17演进的关键词，可以分为“增强”和“扩展”。

（1）网络基础能力增强

R17是在5G规模商用之后制定的标准。所以，它可以根据5G前期实际部署的经验，以及发现的不足，进行“查漏补缺”。R17为5G系统的容量、覆盖、时延、能效和移动性等多项基础能力带来了更多增强特性，包括Massive MIMO增强、覆盖增强、终端节电、频谱扩展、IAB增强、uRLLC增强等。

R17对5G毫米波进行了频谱扩展，定义了一个被称为FR2-2（Frequency Range 2-2）的全新独特频率范围，将毫米波的频谱上限，推高到了71GHz。这意味着，5G毫米波的网络容量将变得更大，更多的用例和部署方式将得以实现。例如智能制造行业中支持通信和定位功能的毫米波企业专网[2]。得益于5G NR可扩展子载波间隔（Sub-Carrier Space，SCS）方案和基于时隙的灵活帧结构，这种频段扩展可将控制和数据信道的子载波间隔直接扩展到480kHz和960kHz（以前低频段毫米波为120kHz）。

除频段扩展之外，R17还带来了其它毫米波增强特性，包括支持带间上行/下行载波聚合和增强移动性。IAB增强，来自于同时发射/接收（即全双工）和增强的多跳操作等特性，可以进一步提升部署效率、覆盖和性能。这对于毫米波部署尤其有用，它能够更经济且高效地快速扩展覆盖范围。

终端能力增强方面，为了改善用户体验，R17提出了一系列的增强特性。例如支持多达八根天线和额外的空间流，可实现更高吞吐量；先进的MIMO增强功能，可提升容量、吞吐量和电池续航；面向连接态和空闲态模式的节能新特性，可延长电池续航；重传和更高传输功率，可改善终端的网络覆盖范围；5G定位技术增强，可改善定位精度和时延；双卡双待，可支持单个或两个运营商的两个订购服务并发等等。

（2）5G网络和终端应用扩展

R17作为5G第一阶段和第二阶段的过渡，既要对现有5G进行增强，也要探索更多的5G场景应用可能性。这些可能性，包括轻量化（Reduced Capability，RedCap）、非地面网络（Non Terrestrial Network，NTN）、扩展直连通信、厘米级定位、扩展广播/多播，以及无界（Extended Reality，XR）扩展现实。

5G R17引入的最具代表性的技术，当然是面向中低速物联网应用的RedCap，也就是NR-Light。RedCap是简化版的5G，通过降低协议的复杂度，采用更好的节能技术，可以满足可穿戴设备、工业传感器和监控摄像头等物联网需求。

另一个值得关注的R17新特性，是非地面网络（NTN）。近年来，人们对卫星通信的关注度不断增加。为了让5G提供无处不在的连接，3GPP也加强了非陆地区域网络覆盖的研究。在R17中，有两个并行的NTN工作组来应对移动宽带和低复杂度物联网（IoT）用例。第一个项目采用5G NR框架来进行卫星通信，实现从地面到卫星的固定无线接入（Fixed Wireless Access，FWA）回传，并为智能手机直接提供低速率数据服务和语音服务。第二个项目侧重支持低复杂度eMTC和窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）终端卫星接入，扩大了关键用例的网络覆盖范围，如全球资产追踪。

近年爆火的元宇宙，给我们展现了跨越实体世界和虚拟世界的个性化数字体验。作为元宇宙的底层支撑技术，以VR、AR为代表的XR扩展现实技术得到了更多的重视。R17中的XR项目，专注于研究和界定各种类型的XR流量（AR、VR、云游戏）。此项研究为已经确定的XR流量类型定义需求和评估方法，并支持性能评估以确定未来的提升范畴。

在3GPP R17版本中，C-V2X继续完善和优化，以适应更加复杂和多样化的应用场景。该版本的规范主要针对智能车联网系统中的实时性、可靠性、安全性等方面进行了调整和升级，以支持更多的应用场景和需求。同时，该版本还强调了车联网系统与其他物联网设备之间的互操作性和互联互通的重要性，为实现智慧交通提供了有力的支撑。

R17侧重研究弱势道路参与者的应用场景（V2P），研究直通链路中终端节电机制、节省功耗的资源选择机制以及终端之间资源协调机制，以提高直通链路的可靠性和降低传输的时延。R17还将NR Sidelink直接通信的应用场景从V2X扩展到公共安全、紧急服务，乃至手机与手机之间直接通信应用。