51学通信

深度解析 3GPP TS 23.287：0 5GS V2X 架构增强 (全景概览)

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深度解析 3GPP TS 23.287：5GS V2X 架构增强 (全景概览)

本文技术原理深度参考了3GPP TS 23.287 V18.4.0 (2024-09) Release 18规范，旨在为读者提供一个关于5G系统支持Vehicle-to-Everything (V2X)服务的架构增强的全景视图。

引言：开启万物互联的智能交通时代

想象一下，在不久的未来，我们穿梭于智慧城市的脉络之中。道路上的每一辆车、每一个行人、甚至每一个交通信号灯，都成为了一个智能化的信息节点。它们彼此之间高速、可靠地交换着信息，共同编织出一张前所未有的交通安全与效率之网。这，就是Vehicle-to-Everything（V2X）技术为我们描绘的宏伟蓝图。

3GPP作为全球移动通信技术的标准制定者，早已将V2X视为5G演进的关键驱动力。从最初的LTE-V2X到如今基于5G系统的NR-V2X，技术在不断迭代，旨在满足自动驾驶、智能交通等场景对通信时延、可靠性和带宽日益严苛的要求。

TS 23.287规范，正是5G系统（5GS）为全面拥抱V2X时代而进行架构增强的核心纲领。它详细定义了5G网络如何支持车辆与其他实体进行通信的体系结构、关键功能和核心流程。

为了让这本厚重的技术规范变得生动易懂，我们将引入一位特殊的主角——自动驾驶汽车**“智行一号”**。今天，我们将跟随“智行一号”在智慧城市中的一天，通过它的视角，来全面探索TS 23.287规范所构建的V2X世界。

1. 宏伟蓝图：V2X通信的两种核心模式 (总览TS 23.287 第4章)

清晨，“智行一号”从车库中缓缓启动，准备开始一天的工作。在它正式上路之前，车载系统首先要明确自己将如何与外界沟通。TS 23.287为它提供了两种截然不同但又相辅相成的通信模式。

4.1 General concept

There are two modes of operation for V2X communication, namely V2X communication over PC5 reference point and V2X communication over Uu reference point. These two operation modes may be used by a UE independently for transmission and reception.

这段原文揭示了V2X通信的二元性。这两种模式，如同“智行一号”的“对讲机”和“手机”，分别应对不同的通信场景。

1.1 PC5参考点：车间密语的“对讲机”

PC5接口是一种直通通信模式。它允许车辆之间（V2V）、车辆与行人之间（V2P）、车辆与路侧单元之间（V2I）不经过蜂窝网络基站，直接进行信息交互。

场景演绎：“智行一号”的清晨车队

“智行一号”驶上高速，它今天的第一个任务是加入一个自动驾驶卡车编队，执行一项物流运输任务。此时，PC5接口的作用就凸显出来了。

它通过PC5接口，以广播的方式向周围不断地发送自己的位置、速度、行驶方向等基本安全信息（BSM）。很快，它发现了前方的卡车编队。编队内的车辆通过**Groupcast（组播）**模式，在小范围内共享着更为精细的协同驾驶指令，例如精确的加减速时机、变道意图等。

为了加入编队，“智行一号”与领头车建立了一条**Unicast（单播）**链路，进行了一次“私聊”，完成了身份验证和入队请求。整个过程，信息交互都在车辆之间直接完成，时延极低，为毫秒级的协同控制提供了保障。这就是PC5的魅力所在——低时延、高可靠、不依赖网络覆盖，是实现主动安全和提升交通效率的关键。

1.2 Uu参考点：连接云端的“智能手机”

Uu接口则是我们所熟知的传统蜂窝通信模式。车辆通过5G基站（gNB）接入5G核心网，与远端的V2X应用服务器（V2X Application Server）进行通信。

场景演绎：“智行一号”的城市导航

完成了高速运输任务，“智行一号”进入了繁华的市区。此时，路况变得复杂多变。它需要获取更大范围、非视距的交通信息。

通过Uu接口，“智行一号”连接到了城市的“交通大脑”——一个部署在云端或边缘计算节点的V2X应用服务器。服务器向它下发了最新的高精度地图、前方数公里外的交通事故预警、以及动态规划的最优行驶路线。这些信息对于单个车辆来说是无法通过自身传感器感知的。

Uu通信模式的优势在于通信范围广、可连接强大的云端应用、实现丰富的V2N（Vehicle-to-Network）业务。它弥补了PC5通信距离和信息获取能力的不足。

1.3 5G V2X的整体架构

为了支撑这两种模式，“智行一号”所处的5G网络需要一个精密的架构。规范中的“Figure 4.2.1.1-1: Non-roaming 5G System architecture for V2X communication over PC5 and Uu reference points”清晰地展示了这个蓝图。

架构解读：

  • UE (用户设备): 这里的UE就是我们的“智行一号”，它内部集成了V2X应用和通信模块。
  • NG-RAN (下一代无线接入网): 即5G基站，是“智行一号”通过Uu接口与网络沟通的桥梁。
  • 5GC (5G核心网): 这是网络的大脑，包含了多个关键网元：
    • AMF (接入与移动性管理功能): 负责“智行一号”的注册、接入认证和移动性管理。
    • SMF (会话管理功能): 为“智行一号”建立到V2X应用服务器的数据通道（PDU会话）。
    • UPF (用户面功能): 负责实际数据的转发。
    • PCF (策略控制功能): V2X中的关键角色，负责制定和下发V2X相关的策略，如“智行一号”是否有权使用PC5通信、在哪个频段使用等。
    • UDM/UDR (统一数据管理/仓库): 存储着“智行一号”的签约信息，包括它是否订购了V2X服务。
  • V2X Application Server: 位于外部数据网络，提供各类V2X应用服务，如我们提到的“交通大脑”。

这个架构的精妙之处在于，它将PC5直通通信和Uu网络通信无缝地整合到了一个统一的5G系统中，通过PCF进行统一的策略授权和管理，确保了V2X服务的可管可控。

2. 规则与通行证：V2X服务的核心功能与特性 (总览TS 23.287 第5章)

“智行一号”要在复杂的道路上安全高效地行驶，光有通信能力还不够，还需要遵守一系列“交通规则”。第5章就详细定义了这些规则，确保V2X通信的有序进行。

2.1 授权与配置：V2X的“驾照” (5.1)

并非所有车辆都能随意使用V2X服务，尤其是可能占用公共频谱资源的PC5通信。“智行一号”在启动并注册到5G网络后，必须首先获得“授权”。

5.1.2 Authorization and Provisioning for V2X communications over PC5 reference point

The basic principles of service authorization and provisioning … are:

  • The UE may be authorized to use V2X communication over PC5 reference point on a per PLMN basis by the PCF in the HPLMN.
  • The provisioning to UE for V2X communication over PC5 and Uu reference points is controlled by the PCF and may be triggered by UE.

这段原文明确了授权的核心控制点——PCF（策略控制功能）。

场景演绎：“智行一号”获取通行证

当“智行一号”注册网络时，AMF会从UDM获取其签约信息，得知它是一个V2X用户。随后，AMF会为其选择一个支持V2X的PCF。PCF会根据运营商的策略、车辆的签约等级以及当前所在的地理位置，为“智行一号”生成一套详细的V2X策略。

这套策略就像一本“通行证”，里面详细规定了：

  • 授权策略： “智行一号”是否被允许在当前网络（PLMN）使用PC5通信？在哪些无线技术（LTE PC5或NR PC5）上被授权？
  • 无线参数： 当“智行一号”在网络覆盖外时（例如隧道里），它应该使用哪些频率进行PC5通信？
  • 服务映射： 不同的V2X服务（如碰撞预警、高精地图下载）应该映射到哪个PC5无线技术？使用哪种通信模式（广播/组播/单播）？对应怎样的QoS要求？

这些策略通过核心网信令下发给“智行一号”，指导其后续所有的V2X通信行为。

2.2 服务质量（QoS）保障：为生命安全信息开辟“绿色通道” (5.4)

在V2X通信中，并非所有信息都生而平等。一条“前方有事故，请紧急制动”的消息，其重要性远高于“附近有充电桩”的通知。因此，必须有一套完善的QoS机制来区分和保障这些信息的传输。

5.4.1.1.1 General overview

For NR based PC5, a QoS model similar to that defined in TS 23.501 for Uu reference point is used, i.e. based on 5QIs, with additional parameter of Range… For the V2X communication over NR based PC5 reference point, a PC5 QoS Flow is associated with a PC5 QoS Rule and the PC5 QoS parameters…

5G NR-V2X引入了与5G Uu接口类似的基于QoS流（QoS Flow）的精细化QoS模型。其核心是PQI（PC5 QoS Indicator）。

场景演绎：“紧急刹车”的最高优先级

“智行一号”正在城市道路上以60km/h的速度行驶。突然，它通过PC5接口收到一条来自前方车辆的消息，消息内容是“紧急制动事件”。这条消息的PQI值非常高，例如被映射为PQI 90（Cooperative collision avoidance）。

车载V2X系统解析该PQI后，立即将其映射为极低的**时延预算（PDB）和极低的丢包率（PER）**要求。底层的无线协议栈（AS层）会为这条消息分配最高优先级的无线资源，确保它能够以最快速度、最可靠的方式被处理和传输，从而为“智行一号”的决策系统争取到宝贵的反应时间。

与此同时，“智行一号”正在通过Uu接口下载娱乐视频，这个数据流的5QI值较低，优先级自然就让位于救命的安全消息。这就是V2X QoS的核心价值——区分业务，保障关键。

规范中的Table 5.4.4-1: Standardized PQI to QoS characteristics mapping详细定义了不同PQI值与QoS参数（资源类型、时延、丢包率等）的对应关系，是实现V2X QoS的“法典”。

2.3 标识与隐私：在互联世界中保护行踪 (5.6)

当成千上万的“智行一号”在道路上实时交换信息时，一个新的问题浮出水面：如何防止车辆被恶意跟踪，保护用户的隐私？

5.6.1.1 General

If the UE has an active V2X application that requires privacy support in the current Geographical Area… in order to ensure that a source UE (e.g. vehicle) cannot be tracked or identified by any other UEs (e.g. vehicles) beyond a certain short time-period required by the application, the source Layer-2 ID shall be changed over time and shall be randomized.

规范明确要求，为了隐私保护，用于PC5通信的源Layer-2 ID必须随时间变化且随机化。

场景演绎：“智行一号”的“隐身术”

“智行一号”在行驶过程中，并不会一直使用一个固定的ID来广播自己的信息。它的V2X策略中包含一个隐私定时器。每当定时器超时，或者满足其他触发条件时，它就会重新生成一个随机的Layer-2 ID作为自己的新身份标识。

这样一来，即使有人在沿途持续监听PC5信道，他也只能捕获到一系列不连续、无关联的ID发出的信息，无法将这些信息拼凑起来，从而无法有效跟踪“智行一号”的完整轨迹。这种机制在保障V2X通信功能的同时，最大限度地保护了用户的隐私安全。

3. 协同作战：V2X的核心流程与交互 (总览TS 23.287 第6章)

架构和功能最终需要通过具体的流程来实现。第6章详细描述了“智行一号”与网络、与其他车辆之间是如何进行一步步的交互，以完成复杂的V2X通信任务的。

3.1 服务授权与策略下发流程 (6.2)

这是“智行一号”开启V2X功能的第一步。

6.2.2 PCF based Service Authorization and Provisioning to UE

If the UE indicates V2X capability in the Registration Request message and if the UE is authorized to use V2X service based on subscription data, the AMF selects the PCF which supports V2X Policy/Parameter provisioning…

这个流程的核心思想是：UE上报能力 → AMF基于签约鉴权 → PCF下发策略。

流程简化解读：

  1. “智行一号” (UE) 在开机注册时，会向网络（AMF）发送一个注册请求，并在其中声明：“我具备V2X通信能力，支持NR PC5和Uu”。
  2. AMF 收到请求后，查询UDM核实“智行一号”的“户口本”，确认它确实是签约了V2X服务的合法用户。
  3. AMF 随后为“智行一号”选择一个“V2X策略专家”——PCF，并通知PCF：“这位新用户需要V2X策略”。
  4. PCF 根据运营商的配置、用户签约和位置信息，量身定制V2X策略，并通过AMF将这些策略（封装在UE Policy中）下发给“智行一号”。
  5. “智行一号”收到策略后，存储起来，作为后续所有V2X通信的行动指南。

3.2 PC5通信流程 (6.3)

获得了“通行证”后，“智行一号”就可以开始PC5通信了。根据通信模式的不同，流程也有所差异。

  • 广播模式 (6.3.1): 这是最简单的模式。发送方（如“智行一号”）根据策略确定好目标L2 ID（通常是一个广播ID）、QoS参数等，然后直接将数据包发送出去。接收方则一直监听信道，接收自己感兴趣的消息。这个过程是无连接的，就像在公共频道喊话。

  • 组播模式 (6.3.2): 与广播类似，但目标L2 ID是一个组ID。只有属于这个组的成员才会处理该消息。例如，卡车编队内的协同驾驶消息。

  • 单播模式 (6.3.3): 这是最复杂的模式，需要建立一个点对点的Layer-2链路。

    6.3.3.1 Layer-2 link establishment over PC5 reference point Figure 6.3.3.1-1 shows the layer-2 link establishment procedure for unicast mode of V2X communication over PC5 reference point.

    流程简化解读：

    1. 发起方（“智行一号”） 向目标车辆广播或单播一个“直接通信请求”消息，其中包含了自身的ID、想要建立通信的服务类型和QoS需求等。
    2. 目标车辆 收到请求后，如果同意建立连接，会进行安全认证过程。
    3. 安全认证通过后，目标车辆回复一个“直接通信接受”消息，双方交换用于后续通信的Layer-2 ID，并协商最终的QoS参数。
    4. 至此，一条双向的PC5单播链路建立成功，双方可以开始进行私密的、有QoS保障的数据传输。

3.3 与4G V2X的互通 (5.8)

技术的发展是渐进的，在很长一段时间内，5G NR-V2X将与存量的4G LTE-V2X共存。“智行一号”在行驶过程中，完全有可能遇到只能使用LTE-V2X的车辆或路侧单元。

5.8 Interworking between EPS V2X and 5GS V2X

V2X communication over NR PC5 reference point in network scheduled operation mode is supported in EPS… Mobility between EPS and 5GS over Uu… is applied…

规范确保了5G V2X系统能够平滑地与4G EPS V2X系统互通。PCF可以同时为UE下发适用于5GS和EPS的V2X策略。当“智行一号”在5G和4G网络间移动时，其V2X业务授权等上下文信息可以通过N26接口在AMF（5G）和MME（4G）之间传递，从而保证V2X服务的连续性。

总结：TS 23.287，铺就未来交通的数字高速公路

通过跟随“智行一号”的一天，我们对3GPP TS 23.287这份重要的V2X规范有了全景式的了解。它不仅仅是一系列技术术语和流程的堆砌，更是构建未来智能交通系统的基石。

总结来说，TS 23.287的核心贡献在于：

  1. 定义了统一的5G V2X架构： 无缝融合了用于直接通信的PC5接口和用于网络通信的Uu接口，并通过核心网，特别是PCF，实现了对两种模式的统一授权和策略管理。
  2. 建立了精细化的QoS保障体系： 引入了基于PQI的QoS模型，能够区分不同V2X业务的优先级，为高等级自动驾驶所需的安全消息提供了“绿色通道”。
  3. 兼顾了功能与隐私保护： 在定义强大通信能力的同时，通过动态变化的身份标识等机制，充分考虑了用户隐私保护的需求。
  4. 规划了清晰的实现路径： 详细规定了从服务授权、策略下发到具体通信链路建立的端到端流程，并考虑了与现有4G V2X系统的互通，为产业界的研发和部署提供了明确的指导。

“智行一号”的一天结束了，但它所代表的V2X技术革命才刚刚开始。TS 23.287规范为这场革命铺设了坚实的数字高速公路。从这篇文章开始，我们将继续深入这条公路的每一个细节，逐章逐节地为您拆解和解读，敬请期待。

FAQ

Q1：5G V2X中定义的PC5和Uu两种通信模式，最核心的区别和应用场景是什么？ A1：核心区别在于通信路径。PC5是直通通信，数据不经过网络基站，直接在终端之间（车-车，车-人）传输，具有极低时延和高可靠性的优点，不依赖网络覆盖，主要用于主动安全类应用，如碰撞预警、协同驾驶、编队行驶等。Uu是传统的蜂窝网络通信，数据通过基站和核心网与远端的应用服务器交互，其优点是通信距离远，可以利用云端强大的计算和信息能力，主要用于信息服务类应用，如高精度地图下载、实时交通信息服务、远程诊断等。

Q2：一辆自动驾驶汽车是如何获得使用V2X服务的许可的？ A2：它需要经过一个由网络控制的授权和配置（Authorization and Provisioning）过程。当车辆（UE）开机并向5G网络注册时，它会表明自己具备V2X能力。网络侧的AMF会根据其UDM中的签约信息，确认它是否是合法的V2X用户。然后，关键的**PCF（策略控制功能）**会根据运营商的策略，为该车辆生成一套V2X策略，并通过信令下发给车辆。这套策略详细规定了它是否能用、在哪里用、以及如何用V2X服务（特别是PC5通信）。

Q3：V2X应用服务器（V2X Application Server）在整个架构中扮演什么角色？ A3：V2X应用服务器是V2X服务的提供者，通常部署在运营商网络之外的云端或边缘节点。它通过Uu接口与车辆进行通信。其主要作用包括：1. 信息汇聚与分发：收集大量车辆和基础设施的数据，进行分析处理后，向车辆提供大范围、非视距的交通信息，如事故预警、拥堵预测。2. 提供高级应用：提供高精度地图、远程驾驶、车载信息娱乐等需要强大后台支持的服务。3. 参与策略制定：在某些场景下，应用服务器可以作为AF（应用功能），向PCF提供应用层信息，影响网络为V2X业务提供的QoS策略。

Q4：对于像“紧急碰撞预警”这样的安全消息，5G V2X如何保证它的传输质量？ A4：通过一套精细化的QoS（服务质量）机制。对于NR PC5通信，规范定义了PQI（PC5 QoS Indicator）。每种V2X服务都会被映射到一个特定的PQI值。例如，“紧急碰撞预警”会被映射到一个代表“高优先级、低时延、低丢包率”的PQI。车辆的V2X层在发送数据时，会根据这个PQI为数据包打上烙印。底层的无线协议栈看到这个高优先级的PQI后，会为其预留资源、优先调度，确保这条性命攸关的消息得到最优先、最可靠的传输。

Q5：V2X通信会实时广播车辆信息，规范是如何考虑隐私保护的？ A5：规范高度重视隐私保护，其核心机制是身份标识的动态随机化。在PC5通信中，车辆不会使用一个固定的身份标识（如IMSI或车牌号）。相反，规范要求车辆使用的源Layer-2 ID必须是临时且随机生成的。根据PCF下发的隐私策略（例如一个定时器），车辆会周期性地更换自己的Layer-2 ID。这样，即使有攻击者在沿途监听，也无法通过关联不同时间点的ID来持续跟踪一辆特定的车，从而有效保护了车辆的行驶轨迹和用户的隐私。

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