中国联通智能路侧单元白皮书

Posted 2022-05-25 爱是与世界平行

中国联通智能路侧单元白皮书

智能路侧设备（Road Side Unit, RSU）作为道路基础设施网络化、智能化的关键基础设备，将承担道路与车辆之间通信的重任，为 L5 级自动驾驶的终极目标铺平道路。

2 RSU 架构及功能

2.1 基本功能和架构

RSU 产品构架可以分层业务功能部分和设备管理部分两大部分：

业务功能部分用于实现 RSU 的主体业务场景需求，分为交通信息收发，交通设备接入，交通场景分析和定位授时等业务模块。

管理功能部分用于维护 RSU 日常运行时候的维护管理，安全管理，配置管理和升级管理。

2.2 业务功能

（1）交通信息收发

接收来自车辆 OBU 和路侧设施产生的交通信息，根据交通场景需要，通过PC5 或者 Uu 接口，以标准化的形式发送给相应的交通实体中；目前主要涉及 4类消息：

RSI（Road Side Information）路侧事件消息：由 RSU 向所覆盖范围内的车辆 OBU 广播当前区域内发布的交通事件信息和交通标志牌信息。

RSM（Basic Safety Message）路侧安全消息：由 RSU 向所覆盖范围内的车辆 OBU 广播当前区域，通过各种检测手段（雷达，事件检测摄像机等）获取到的参与交通场景的各种物体（包括车辆，非机动车，行人等）的实时状态信息。

SPAT（Signal Phase and Timing Message）信号灯消息：由 RSU 向所覆盖范围内的车辆 OBU 广播当前道路路口的信号灯当前状态信息，作为车辆是否被允许通行的依据。

MAP 地图消息：由 RSU 向所覆盖范围内的车辆 OBU 广播当前区域内路网信息，包含路口信息，路段信息，车道信息和道路连接关系等。

（2）交通设备接入

为了达到更好的交换交通场景信息的目的，通过各种硬件和软件结合的方式，将交通场景中所需的信息源产生的交通数据汇集到 RSU 后，通过标准化的协议发送到车辆 OBU 使用。常用的交通设备包括信号灯控制器，微波雷达，AI 事件检测相机和交通信息告示牌。由于交通设备与 RSU 之间的接口基本以厂家私有为主，因此 RSU 的需要提供对各种接口协议适配的能力。

（3）交通场景分析

RSU 对于收到的来自车辆 OBU 和路侧各种交通设备的信息，通过分析，可以提炼出路况状态的实时报告，进而可以以交通事件的形式，发送给与之相关的其他 RSU 和 OBU，从而改善后续交通通行效率。

（4）定位和授时

RSU 本身可以通过 GNSS 系统进行高精度定位，以用于各类消息中。RSU可以把接收到的来自 RTCM 数据源的消息广播给车载 OBU 设备，实现车载 OBU的高精度定位。

（5）边缘计算和云平台整合

MEC 作为 RSU 的能力扩展单元，除了能提升 RSU 的计算和存储能力外，也能引入更多的本地应用，丰富交通场景的业务需求。同时，在 RSU 上应用分布式的业务应用设计模型，通过 MEC 数据汇聚后接入核心云平台集中处理展现，能实现整个城市或者地区的交通路网动态规划调节能力。

2.3 管理功能

（1）安全管理

（a）设备安全管理

RSU 配置专用的硬件加密模块，作为安全管理的基础器件提供本地的加解密功能。存储于 RSU 的本地配置数据和业务数据，需要采用 Trustzone 方式安全存储，防止不必要的泄露和删改。

为防范入侵和网络攻击，RSU 设备需要从设备系统和网络环境等多方面考虑安全问题，除了对系统固件进行必要的加固防范，对于设备暴露的硬件通信接口也要通过软件系统进行锁定和禁用。

对于本地和远端的管理维护行为，除了必要的双向账号验证外，还要求对全过程实施通信承载加密，防止第三方截取。

（b）对 PC5 接口上的 C-V2X 消息认证鉴权

C-V2X 业务运行安全机制中，要求通过 PKI 数字证书认证体系来对 RSU 收发消息进行签名和验签操作，以达到验证消息发送端是否合法有效。具体执行标准参见《GB/T 37376-2019 交通运输 数字证书格式》。

（2）配置管理

提供对 RSU 业务运行所需的各种硬件和软件资源的参数设置。

（3）维护管理

提供网络维护管理方式，对 RSU 资源的使用情况和状态进行实时监控。

（4）运行统计

提供对 RSU 在业务使用过程中，各个接口上发送和接收消息种类和数量的统计。

（5）状态监控

提供对 RSU 自身资源的使用状态进行监控，防止异常的资源占用情况发生。

（6）故障告警

针对业务使用的异常情况（例如 GNSS 定位同步失败），通过消息告警的方式反馈。

（7）升级管理

针对业务功能和安全需求的改进，RSU 可以通过 OTA 方式远程升级系统固件，满足业务需求。

3 基本要求

3.1 安全要求

满足《基于 LTE 的车联通通信安全技术要求》和《智能网联汽车车载端信息安全技术要求》。

3.2 通信要求

满足《基于 LTE 的车联网无线通信技术 总体技术要求》，《基于 LTE 的车联网无线通信技术 空中接口技术要求》和《基于 LTE 的车联网无线通信技术网络层技术要求》。

3.3 软件要求

RSU 软件构架如图 3 所示，其中：

设备业务功能包含：硬件与接口适配，协议适配，信息分发和定位与时钟功能功能。业务功能采用模块化设计，可以根据业务发展需要，开发和加载新的业务功能，满足实际业务场景的需求。

管理功能包含：安全管理，配置管理，升级管理，运行统计，状态监控和告警管理。基本的系统管理可以通过自检和日志等手段进行系统状态分析；支持本地端口和通过网络远程接入的方式进行维护管理。

整体 RSU 软件基于开放式的 Linux 系统，可根据系统硬件需要和软件协议进行相应裁剪和二次开发，以满足适配各种外围接口设备的需求。

3.4 硬件要求

RSU 硬件构架如图 4 所示。其中：

运算单元：通用构架的应用处理器；

存储单元：承载运算单元运行所需的实时数据（RAM），和通过文件系统形式存储非易失性数据（EMMC）；

加密单元：实时的硬件加密和验签的物理实体；

主通信单元：支持 V2N 通信 LTE-Uu 口和 5GNR 口，以及支持 V2I 通信的LTE-PC5 口；

其他通信单元：根据业务需要，可以在 RSU 提供以太网，光纤，WIFI/BT，USB 和串口满足不同类型设备的本地接入需求；

天线单元：针对不同的无线通信单元，提供相应的天线接口用于信号收发；

GNSS 单元：提供 GPS 和 Biedou 的卫星定位系统，用于 RSU 定位和授时；

电源单元：RSU 内部采用直流供电，外围供电可以接入 220V 市电和-48V直流供电，亦可根据环境需要，采用 POE 或者提供光伏/电瓶方式提供电源；

外围单元：提供运行状态和电源状态指示所需的 LED 指示，以及针对告警所需的声光指示器件。

3.5 性能要求

（1）故障指标

商用 RSU 设备可用度为 99.99%，MTBF（平均无故障运行时间）为 10 年，系统年平均中断时间小于 3 分钟。

（2）温度湿度

RSU 应适应以下环境温度范围内正常工作及存储要求：

支持在-35℃~+70℃温度内正常工作；

支持在-40℃~+85℃温度内正常存储；

防护等级：IP67。

（3）射频通信指标

射频发射功率<23dbm，通信范围>500 米。

3.6 可扩展性

RSU 设备需要提供可扩展性能力，通过其内置的接口，方便的接入第三方交通设施，实现整体的交通应用功能。

4 RSU 应用案例和解决方案

4.1 智慧路况监测

针对交通流量的实时监测上，RSU产品能提供比传统方案更为丰富的数据。

传统方案通过地磁检测方式减速车流密度，或者通过车主移动 APP 提供车速和定位信息进行数据分析推算道路通信状态。RSU 可以获取比传统方式更为丰富的车流数据信息。

RSU 直接接收来自车辆 OBU 的 BSM 消息，能直接获取车辆上报的车速信息；通过接入的运动检测相机，RSU 能对路口车流量进行数据分析和密度估算。

另外，对于到处出现到异常事故等信息，可以通过 OBU 上报等形式直接被 RSU捕捉和上传至数据中心处理。这些信息又可以作为交通信号灯调整的直接数据，以达到优化车流的目的。

4.2 车路协同自动驾驶

传统自动驾驶 ADAS 系统，主要通过雷达和 AI 摄像机来感知道路状况，进而通过分析决策来控制车辆行驶。但是道路情况往往是复杂的，在高速和一些非视距场景（路口，急弯和驼峰桥等）下，ADAS 的解决方案将无法发挥左右；而且，ADAS 系统受天气因素影响也很明显，大雨和夏季高温将导致 ADAS 系统效果非常难于稳定有效。

基于 C-V2X 技术的 RSU 产品对自动驾驶车辆在这些场景中，起到了很好补充效果。RSU 通过接收解析来自 RSU 的 RSI 和 RSM 消息，自动驾驶车辆能够“看 见”路口遮蔽物后的车辆和行人，并完全不受到天气因素的影响。相反，RSU 可以提供前方路段的实时天气信息和道路积水情况，避免不必要的安全事故。车辆通过解析来自 RSU 的 SPAT 消息，获得路口交通信号灯的相位信息，从而调整车速，提高行驶效率。对于特殊的路段（例如：可变车道），通过 RSU 实时下发本地高精度地图，能引导车辆安全有效通过。

4.3 辅助车辆进行高精度定位导航

传统车辆的 GNSS 导航在城市峡谷等路段，因为收到高楼遮挡而使得卫星信号恶化，进而影响定位导航。RSU 设备可以在这些地区提供广播转发基于 CORS参考站的差分定位信号，从而为车辆提高定位的能力。并且，RSU 可以通过 MAP消息发送本地路网的实时信息，进而引导车辆进行合理的行驶。