新一輪汽車產(chǎn)業(yè)變革已經(jīng)來臨。根據(jù)預(yù)測(cè)到2025年中國汽車互聯(lián)網(wǎng)總的產(chǎn)值有望上升到2162億美元，占全球車聯(lián)網(wǎng)總規(guī)模26%?？梢钥闯龌ヂ?lián)網(wǎng)規(guī)模相當(dāng)可觀，不僅隱含了無法估量的汽車，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)更是汽車智能網(wǎng)聯(lián)升級(jí)過程中實(shí)實(shí)在在的機(jī)遇，汽車網(wǎng)聯(lián)時(shí)代已經(jīng)到來。

5G時(shí)代的車聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營

車聯(lián)網(wǎng)是以車內(nèi)網(wǎng)、車際網(wǎng)和車載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，融合了傳感器、RFID、數(shù)據(jù)挖掘、自動(dòng)控制等相關(guān)技術(shù)，按照約定的通信協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)，在車X （X：車、路、行人、互聯(lián)網(wǎng)）交互過程中，實(shí)現(xiàn)車輛與公眾網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)移動(dòng)通信，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在交通系統(tǒng)領(lǐng)域的典型應(yīng)用。

在車聯(lián)網(wǎng)中，車輛作為移動(dòng)通信設(shè)備和用戶的載體，以拓?fù)涔?jié)點(diǎn)的形式組織移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹Ｓ捎谲囕v自身的移動(dòng)性，車載通信具有移動(dòng)區(qū)域受限、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓臁⒕W(wǎng)絡(luò)頻繁接入和中斷、節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍大、通信環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)。根據(jù)車聯(lián)網(wǎng)的上述特征，當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)的實(shí)施存在以下多方面挑戰(zhàn)和困難。

（1）在體系結(jié)構(gòu)方面，由于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的快速發(fā)展，為滿足用戶的多功能體驗(yàn)，車聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。在車載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)中，路側(cè)單元（RSU）作為車輛自組網(wǎng)（VANET）無線接入點(diǎn)，將車輛以及道路等信息上傳至互聯(lián)網(wǎng)并發(fā)布相關(guān)交通信息，這種車與基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）的協(xié)作通信模型需要大量的RSU支撐，增加了建設(shè)的成本和能源消耗。

（2）在通信方面，車聯(lián)網(wǎng)中存在多種類型的通信網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)使用不同的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)的融合不完善，影響車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行效率。雖然IEEE 802.11p標(biāo)準(zhǔn)的車輛自組網(wǎng)通信在高速運(yùn)行環(huán)境下傳輸距離遠(yuǎn)、分組丟失率低、可靠性高，但在極其復(fù)雜的非視距環(huán)境下通信質(zhì)量會(huì)受到不同程度的干擾。另外，由于車輛的高速移動(dòng)，需要快速可靠的網(wǎng)絡(luò)接入與信息交互，時(shí)延受限成為當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)面臨的重要問題。

（3）在安全方面，車聯(lián)網(wǎng)中的用戶信息都將連接在該網(wǎng)絡(luò)上，隨時(shí)隨地被感知，很容易被干擾和竊取，嚴(yán)重影響了車聯(lián)網(wǎng)體系的安全。當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)在每一層都存在不同程度的威脅：在感知層，車輛單元（OBU）和RSU節(jié)點(diǎn)的物理安全、感知信息的無線傳輸;在網(wǎng)絡(luò)層，數(shù)據(jù)破壞、數(shù)據(jù)泄露、虛假信息等安全與隱私問題;在應(yīng)用層，也存在身份假冒、越權(quán)操作等由于技術(shù)方面的不足或因管理不當(dāng)而帶來的隱形危害。

近年來，車聯(lián)網(wǎng)在體系結(jié)構(gòu)、通信以及安全方面存在的問題成為當(dāng)前學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點(diǎn)，而隨著第5代移動(dòng)通信（5G）的快速發(fā)展，5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將融合大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、終端直通、認(rèn)知無線電等先進(jìn)技術(shù)，以更加靈活的體系結(jié)構(gòu)解決多樣化應(yīng)用場(chǎng)景中差異化性能指標(biāo)帶來的挑戰(zhàn)。

5G移動(dòng)通信技術(shù)在低時(shí)延、高移動(dòng)性車聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景的應(yīng)用，解決了當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)面臨的多方面問題和挑戰(zhàn)，使OBU在高速移動(dòng)下獲得更好的性能。而且，5G通信技術(shù)讓車聯(lián)網(wǎng)不用單獨(dú)建設(shè)基站和服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施，而是隨著5G通信技術(shù)的應(yīng)用普及而普及，為車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展帶來歷史性的機(jī)遇。

5G車聯(lián)網(wǎng)特征

5G移動(dòng)通信融合CR、毫米波、大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、全雙工通信等關(guān)鍵技術(shù)，顯著提高了通信系統(tǒng)的性能。在車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景中，相比IEEE 802.11p標(biāo)準(zhǔn)的通信，5G車聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在低時(shí)延與高可靠性、頻譜和能源高效利用、更加優(yōu)越的通信質(zhì)量。

1 、低時(shí)延與高可靠性

作為車聯(lián)網(wǎng)信息的發(fā)送端、接收端和中繼節(jié)點(diǎn)，消息傳遞過程必須保證私密性、安全性和高數(shù)據(jù)傳輸率，通信具有嚴(yán)格的時(shí)延限制。目前，研究的車聯(lián)網(wǎng)通信數(shù)據(jù)的密集使用以及頻繁交換，對(duì)實(shí)時(shí)性要求非常高，然而，受無線通信技術(shù)的限制（如帶寬、速度和域名等），通信時(shí)延達(dá)不到毫秒級(jí)，不能支持安全互聯(lián)需求。

5G高/超高密集度組網(wǎng)、低的設(shè)備能量消耗大幅地減小信令開銷，解決了帶寬和時(shí)延相關(guān)問題，且5G的時(shí)延達(dá)到了毫秒級(jí)，滿足了低延時(shí)和高可靠性需求，成為車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的最大突破口。在5G車聯(lián)網(wǎng)通信中，為更好地研究與應(yīng)用低時(shí)延和高可靠性的鏈路特征，有文獻(xiàn)分析了適應(yīng)于以300 km/h速度移動(dòng)車輛通信的5G自適應(yīng)天線，提高了OBU與基站的通信質(zhì)量，降低了在信道估計(jì)與數(shù)據(jù)傳輸之間產(chǎn)生的時(shí)延。有文獻(xiàn)提出利用網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化和軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提高5G網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的靈活性，并提出實(shí)現(xiàn)低時(shí)延服務(wù)的解決方案，主要包括服務(wù)預(yù)約和配置、減少IP地址解析的時(shí)延、連續(xù)服務(wù)時(shí)延的優(yōu)化。其中，5G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的優(yōu)化不僅要支持當(dāng)前的應(yīng)用服務(wù)，而且要適應(yīng)高速增長(zhǎng)的信息量并滿足將來多樣性的服務(wù)需求，尤其是對(duì)于時(shí)延高度敏感的通信，如車聯(lián)網(wǎng)V2X通信場(chǎng)景，嚴(yán)格要求低時(shí)延和高可靠性，是5G網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)應(yīng)用的顯著特點(diǎn)。

根據(jù)表1設(shè)置的主要參數(shù)實(shí)施基于D2D模式的V2V通信時(shí)延仿真，得到了如圖1所示的結(jié)果。隨著車輛數(shù)目的增加，端到端的通信時(shí)延基本保持平穩(wěn)狀態(tài)，而5G車聯(lián)網(wǎng)基于D2D技術(shù)將實(shí)現(xiàn)車與車、車與基站以及5G移動(dòng)終端通信，其空口時(shí)延在1 ms左右，端到端時(shí)延控制在毫秒級(jí)延時(shí)性能比IEEE 802.11p標(biāo)準(zhǔn)的通信方式優(yōu)越，有效地保障了通信的可靠性。

表1 基于D2D模式的V2V通信時(shí)延仿真參數(shù)

圖1 基于D2D模式的V2V通信時(shí)延分析

2、頻譜和能源高效利用

頻譜和能源的高效利用是5G用戶體驗(yàn)的一個(gè)重要的特征。5G通信技術(shù)在車聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，將解決當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)資源受限等問題。5G車聯(lián)網(wǎng)的頻譜和能源高效利用主要體現(xiàn)在以下兒個(gè)方面。

1）D2D通信。在5G通信中，D2D通信方式通過復(fù)用蜂窩資源實(shí)現(xiàn)終端直接通信。5G車載單元將基于D2D技術(shù)實(shí)現(xiàn)與鄰近的車載單元、5G基站、5G移動(dòng)終端的車聯(lián)網(wǎng)自組網(wǎng)通信和多渠道互聯(lián)網(wǎng)接入。通過這種方式提高車聯(lián)網(wǎng)通信的頻譜利用率，與基于IEEE 802.11p標(biāo)準(zhǔn)的車聯(lián)網(wǎng)V2X通信方式相比，減少了成本的支出，節(jié)約了能源。

2）全雙工通信。5G移動(dòng)終端設(shè)備使用全雙工通信方式，允許不同的終端之間、終端與5G基站之間在相同頻段的信道可同時(shí)發(fā)送并接收信息，使空口頻譜效率提高一倍，從而提高了頻譜使用效率。

3）認(rèn)知無線電。認(rèn)知無線電技術(shù)是5G通信網(wǎng)絡(luò)重要的技術(shù)之一。在車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景中，車載終端通過對(duì)無線通信環(huán)境的感知，獲得當(dāng)前頻譜空洞信息，快速接入空閑頻譜，與其他終端高效通信。這種動(dòng)態(tài)頻譜接入的應(yīng)用滿足了更多車載用戶的頻譜需求，提高頻譜資源的利用率。其次，車載終端利用認(rèn)知無線電技術(shù)可以與其他授權(quán)用戶共享頻譜資源，從而解決無線頻譜資源短缺的問題。

除了以上提到的頻譜和能源高效應(yīng)用外，最近的相關(guān)研究表明，在不影響通信性能的情況下，5G基站的大規(guī)模天線陣列的部署有潛在的節(jié)約能源作用。其次，在車輛自組網(wǎng)中，5G車載單元及時(shí)發(fā)現(xiàn)鄰近的終端設(shè)備，且與之通信的能力也會(huì)減少OBU間通信的能源消耗。

3、更加優(yōu)越的通信質(zhì)量

5G通信網(wǎng)絡(luò)被期望擁有更高的網(wǎng)絡(luò)容量并且可為每個(gè)用戶提供每秒千兆級(jí)的數(shù)據(jù)速率，以滿足QoS的要求。有文獻(xiàn)提出頻段為30~300 GHz的毫米波通信系統(tǒng)可為5G終端之間以及終端與基站之間以更好的通信質(zhì)量進(jìn)行信息交互。其中，毫米波擁有極大的帶寬，可提供非常高的數(shù)據(jù)傳輸速率，并減少環(huán)境的各種干擾，降低終端之間連接中斷的概率。

5G車聯(lián)網(wǎng)擁有比當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)更加優(yōu)越的無線鏈路特征。

1）通信距離。5G車聯(lián)網(wǎng)V2V通信的最大距離大約為1 000 m，從而可以解決IEEE 802.11p車輛自組網(wǎng)通信中短暫、不連續(xù)的連接問題，尤其是在通信過程中遇到大型物體遮擋的NLOS環(huán)境下。

2）傳輸速率。5G車聯(lián)網(wǎng)為V2X通信提供高速的下行和上行鏈路數(shù)據(jù)速率，最大傳輸速率為1 Gbit/s。從而使車與車、車與移動(dòng)終端之間實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的音視頻通信。

3）高速移動(dòng)性。與IEEE 802.11p標(biāo)準(zhǔn)通信相比，5G車聯(lián)網(wǎng)支持速度更快的車輛通信，其中，支持車輛最大的行駛速度約為350 km/h。

5G車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)與應(yīng)用

將來，在5G通信網(wǎng)絡(luò)大量部署的時(shí)代，5G車聯(lián)網(wǎng)所構(gòu)建的可多網(wǎng)接入與融合、多渠道互聯(lián)網(wǎng)接入的體系結(jié)構(gòu)，基于D2D技術(shù)實(shí)現(xiàn)的新型V2X的通信方式以及低時(shí)延與高可靠性、頻譜與能源高效利用、優(yōu)越的通信質(zhì)量等特點(diǎn)為車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展帶來歷史性的機(jī)遇。5G車聯(lián)網(wǎng)因?yàn)椴恍枰獑为?dú)部署路邊基礎(chǔ)設(shè)施、可以和移動(dòng)通信功能共享計(jì)費(fèi)等，會(huì)得到快速發(fā)展，應(yīng)用于高速公路、城市街區(qū)等多種環(huán)境。5G車聯(lián)網(wǎng)不僅局限于車與車、車與交通基礎(chǔ)設(shè)施等信息交互，還可應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域以及自然災(zāi)害等場(chǎng)景。

在商業(yè)領(lǐng)域，商店、快餐廳、酒店、加油站、4S店等場(chǎng)所將會(huì)部署5G通信終端，當(dāng)車輛接近這些場(chǎng)所的有效通信范圍時(shí)，可以根據(jù)車主的需求快速地與這些商業(yè)機(jī)構(gòu)問建立ad hoc網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)終端之間高效快捷的通信，從而可以快速訂餐、訂房、選擇性地接收優(yōu)惠信息等，且在通信過程中不需要連接互聯(lián)網(wǎng)。這將取代目前商業(yè)機(jī)構(gòu)中工作在不授權(quán)頻段、通信不安全、通信質(zhì)量無法保障、干擾無法控制的藍(lán)牙或者Wi-Fi通信方式，也將帶動(dòng)一個(gè)新的大型商業(yè)運(yùn)營模式的產(chǎn)生與發(fā)展。

毫無疑問，隨著車輛的大量普及，車輛已經(jīng)成為人在家、辦公室之外最重要的活動(dòng)場(chǎng)合。然而，在地震、泥石流等自然災(zāi)害發(fā)生地區(qū)，當(dāng)通信基礎(chǔ)設(shè)施被破壞、無法為車載單元提供通信服務(wù)時(shí)，有相當(dāng)數(shù)量的人可能是正在車輛上或正準(zhǔn)備駕乘車輛離開，5G車載單元可以在沒有基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)助的情況下，通過基于單跳或多跳的D2D方式與其他5G車載單元通信。另外，5G車載終端也可以作為通信中繼，協(xié)助周邊的5G移動(dòng)終端進(jìn)行信息交互。

車聯(lián)網(wǎng)正在改變?nèi)祟惤煌ê屯ㄐ欧绞?，促使車輛向網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展。
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