基于C-V2X 的智能路側單元系統設計

王宏善WANG Hong-shan；賁偉BEN Wei；丁維昊DING Wei-hao

（南京萊斯網信技術研究院有限公司，南京 210014）

0 引言

C-V2X（Cellular V2X）技術是基于3GPP 全球統一標準的通信技術，主要應用在車路協同、車聯網領域，包含C-V2X R14/R15（LTE-V2X）、C-V2X R16（5G-V2X）及后續演進版本[1，2]，當前C-V2X 通信方案主要基于3GPP R14/R15 版本，在路側部署路側單元RSU（Road Side Unit），在車端安裝車載單元OBU（On board Unit），通過CV2X 直連通信技術進行車-路、車-車信息交互，進行輔助駕駛、自動駕駛等車路協同場景應用[3]。路側單元RSU 能夠連接交通信號機等路側智能交通基礎設施、毫米波雷達等智能感知設備以及交通參與者，將路側信息分析處理后上傳到云端，同時將信息發送給車端，為智能網聯車輛、自動駕駛車輛提供各類信息服務，是車路協同系統的路側核心設備，是支撐車路協同技術應用的關鍵所在，因此，本文基于C-V2X 通信技術，設計了一種智能路側單元。

1 系統總體設計

1.1 總體設計框圖

為滿足車路協同業務需求，基于C-V2X 技術的智能路側單元RSU 需支持C-V2X 直連通信，支持5G 通信，支持硬件加解密，支持C-V2X 系列標準協議，支持POE 供電等，總體設計框圖如圖1 所示，總體分為硬件設計和軟件設計兩個部分。硬件設計包括應用處理器單元、C-V2X直連通信單元、5G 通信單元、安全加密處理單元、對外接口單元、供電單元的電路設計；軟件設計包括板級驅動程序設計、BootLoader 適配、Linux 操作系統裁剪、C-V2X 協議棧軟件設計、上層應用軟件設計等。

圖1 總體設計框圖

1.2 系統功能

智能路側單元RSU 功能組成如圖2 所示。

圖2 功能組成框圖

①提供C-V2X 車路直接通信功能，實現“車”與“路”直接通信，基于C-V2X R14 直連通信技術，中心頻率為5.9GHz，不需要蜂窩網絡的協助或覆蓋，通過PC5 廣播方式，實現車路直接通信，支持V2I（Vehicle to Infrastructure）等車路場景應用；

②提供5G 蜂窩通信功能，符合3GPP R15 標準，同時支持5G NSA 和SA 模式，并向下兼容4G/3G 通信，為與云端平臺實時信息交互提供無線傳輸通道。

③提供安全加密功能，集成硬件加密芯片，滿足CV2X 車聯網安全證書管理系統技術要求，對通信報文提供簽名/驗簽服務。

④支持POE（Power over Ethernet）供電功能，僅通過網線即可實現供網供電，不需要額外接電源線，便于室外安裝使用。

⑤提供路側端設備接入功能，能夠支持毫米波雷達、激光雷達、攝像機等常用路側端傳感器數據接入功能，支持交通信號機等信控設備接入，為智能路側感知和信息發布場景提供豐富的數據源。

⑥支持交通信息實時發布功能，對車輛數據和交通信息數據進行融合計算，將交通信號燈燈色時長信息、道路渠化信息、前方道路擁堵情況等交通狀態實時呈現給用戶，以實現超視距的交通信息提示和智能化的出行體驗。

⑦預留云端平臺通信接口，便于平臺對智能路側單元RSU 進行信息下發回傳和運維管理，支持路網配置管理，滿足車路協同系統C-V2X 應用業務的協同控制需求，具備與云端服務平臺實時通信功能。

2 硬件設計

2.1 應用處理器單元

為滿足智能路側單元海量數據處理及邊緣計算需求，應用處理器單元采用恩智浦IMX8M 處理器[4]。IMX8M 是一款基于ARMv8-A 架構的四核處理器，主頻1.3GHz，并集成了ARM Cortex-M4 內核平臺用于低功耗處理。存儲電路采用DDR4 內存顆粒組成2GB 內存，采用8GB eMMC 存儲芯片做為閃存。IMX8M 的高速高性能特點對PCB 布板帶了一定難度和挑戰，DDR4、PCIE Gen2、USB3.0等高速走線需注意阻抗匹配、差分線等長、網絡走線上的過孔總數不超過2 個。DDR4 速率高達3200MT/s，需嚴格按照DDR4 信號完整性要求布板布線，保證電路參考地平面完整性、保持線距減少串擾。

2.2 C-V2X 直連通信單元

C-V2X 直連通信單元采用中信科智聯的DMD3A 模組，支持3GPP R14 C-V2X PC5 直連通信，支持頻段5905～5925MHz，工作帶寬10MHz/20MHz。C-V2X 通信依賴于GNSS 輸出的PP1S 和UTC 時間進行無線通信的同步，DMD3A 需要使用外部GNSS 模塊進行時間同步，DMD3A 與GNSS 模塊通過UART 接口進行數據交互，對波特率、數據格式有一定要求，因此設計上采用電子開關靈活配置的方式，由應用處理器對GNSS 模塊進行參數配置。初次啟動時，由電子開關選通GNSS 模塊與應用處理器之間的UART 接口，GNSS 模塊參數配置完畢后，電子開關選通GNSS 模塊與DMD3A 之間的UART 接口，GNSS模塊對DMD3A 提供授時服務。DMD3A 通過USB 接口與應用處理器單元進行C-V2X 數據交互。

2.3 5G 通信單元

5G 通信單元采用移遠通信RM500Q 工規級通信模組，支持5G/4G/3G 通信，集成多星座GNSS 接收機，滿足不同環境下的定位需求。RM500Q 通過USB 接口與應用處理器單元進行數據交互，RM500Q 的USB 接口最大數據傳輸速率可達10Gbps，可滿足5G 通信大容量需求。RM500Q 具備2 個（U）SIM 接口，支持雙卡單待功能，為保證（U）SIM 卡在使用中的可靠性，在布板布線時，(U)SIM 卡座需要盡量靠近RM500Q 模組放置，信號線布線遠離射頻線、功率電感等敏感信號源?？紤]到插拔（U）SIM 卡可能會存在靜電放電，需要在（U）SIM 卡座的引腳附近放置靜電防護二極管。

2.4 安全加密處理單元

安全加密處理單元采用華大信安IS32U512B 高性能安全芯片。IS32U512B 提供高性能SM2 公鑰算法引擎，支持SM2 密鑰對生成、數字簽名、簽名驗證、加密解密等運算[5]，芯片集成多個ECC 內核，支持多任務并行處理，具備SPI 接收緩存，支持SM2 驗簽批處理模式，可滿足C-V2X簽名驗簽性能要求。IS32U512B 與應用處理器之前采用SPI 通信接口，通信時鐘頻率設置為20MHz。

2.5 對外接口單元

對外接口單元包括千兆以太網RJ45 接口、USB type A 接口、USB OTG 接口、RS485 接口、RS232 接口等。對外接口需要設計靜電、浪涌防護電路，防止對設備造成損壞，特別是RJ45 網口，需要重點進行防雷電路設計，因為智能路側單元通常安裝于戶外城市道路的桿件上，供電方式為POE 供電，從桿件上的抱桿箱取電取網，即從抱桿箱內的POE 交換機引出一根網線沿桿件連接到智能路側單元，極易受到雷電影響。防雷電路采用氣體放電管與瞬態抑制二極管（TVS）相結合的電路拓撲，如圖3 所示，氣體放電管位于RJ45 網口和網口變壓器之間，用于消除共模雷擊電壓，TVS 位于以太網PHY 和網口變壓器之間，用于消除差模雷擊殘壓。

圖3 千兆以太網防雷電路圖

2.6 供電單元

供電單元包括POE 電路[6]、濾波電路、DC/DC 電路、過壓過流保護電路等電路設計。POE 供電電路有2 種方案：一種是使用非隔離型Buck 電路，優點是電路實現簡單、占電路板面積少，缺點是設備信號地與POE 電源地未隔離；第二種是使用隔離型的Flyback 反激變換器電路，優點是設備信號地與POE 電源地相互隔離，穩定性高，缺點是電路實現較為復雜、占電路板面積空間較多。本系統優先采用隔離型的Flyback 反激變換器電路。

DC/DC 電路設計主要是指DC/DC 電源設計，本系統電源電壓種類多，需要用到12V、5V、4.2V、3.8V、3.3V、2.5V、1.8V、1.2V 等多個電源，且對電源的穩定要求高。為滿足電源供給需求，高壓差大電流電壓轉換電路采用Buck 開關電源電路拓撲，低壓差小電流電壓轉換電路采用線性穩壓電源電路拓撲。

開關電源紋波較大，電源濾波電路必不可少，濾波電路設計須保證電源紋波在50mV 以內。此外，在出現短路、浪涌等情況時，為保證系統穩定運行、不會發生起火等安全隱患，系統必須具備過壓過流保護功能。

3 軟件設計

系統的軟件設計主要包括板級驅動軟件設計、BootLoader 適配、Linux 操作系統裁剪、C-V2X 協議棧軟件設計、上層應用軟件設計等。系統使用Linux 操作系統，需要根據硬件接口設計進行Linux 相應驅動程序開發，涉及C-V2X 模組驅動、串口外設驅動、專用I/O 口驅動、千兆以太網PHY 驅動等，采用U-Boot（Universal Boot Loader）進行BootLoader 適配[7]。本系統需要實時處理和發布交通信息，對系統實時性要求較高，消息發布時延需控制在100毫秒以內，對此，需要對Linux 內核進行裁剪和修改，增強實時性。

C-V2X 協議棧包含ASN.1 編解碼模塊、專用短程通信短消息協議模塊DSMP （Dedicated Short Message Protocol）、專用管理配置模塊DME（Dedicated Management Entity）、Uu 通信協議模塊等，具備通信報文的編解碼、協議的封裝與拆解、內部層級間的數據流轉傳遞等功能，CV2X 協議棧架構如圖4 所示。在進行協議棧軟件設計時，代碼需要高效簡潔，支持高并發、低時延，具備高效的編解碼能力，為上層應用提供豐富便捷的應用接口，便于在上層開發各類C-V2X 應用模塊，支持各應用模塊的高效運行。

圖4 C-V2X 協議棧架構圖

應用程序設計包括路側端傳感器通信協議適配、多傳感器信息融合算法設計、浮動車感知算法設計、車端信息交互、紅綠燈信息發布、交通信號機報文解析等，應用程序在開發時需注意滿足實時性要求，不能獨占內核，需要支持局部路網與路側信息靜態配置，支持動態信息發布。

4 結束語

本文設計了一種基于C-V2X 的智能路側單元，從系統總體設計、硬件設計、軟件設計等方面闡述了智能路側單元系統設計的全過程。目前多個城市正在積極推進車路協同場景應用建設，已建設多個國家級、省級先導區，智能路側單元做為車路協同系統的路側核心設備，有著廣闊的應用空間。