5G+V2X：信息通信與汽車產(chǎn)業(yè)的“大融合”

張 旸 邵宏軒

1.中通服咨詢設(shè)計(jì)研究院有限公司；2.同濟(jì)大學(xué)

0 引言

根據(jù)2017年7月公安部交管局公布的汽車統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，中國機(jī)動(dòng)車保有量截至2017年6月已達(dá)到3.19億輛，規(guī)模僅次于美國，我國已成為世界第二汽車大國。另據(jù)《道路交通運(yùn)輸安全發(fā)展報(bào)告（2017）》，我國因交通事故死亡的人數(shù)在2016年約為6.3萬。 交通擁堵、道路安全和環(huán)境污染等一系列問題日益嚴(yán)重。

有鑒于此，車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域受到了越來越廣泛的關(guān)注。國家將車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展視為實(shí)體經(jīng)濟(jì)中“互聯(lián)網(wǎng)+”和人工智能應(yīng)用的重要方面，并將智能網(wǎng)絡(luò)汽車作為汽車行業(yè)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵方向之一?！吨袊圃?025》《關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)的指導(dǎo)意見》和《關(guān)于印發(fā)新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知》等重要政策文件均提出要大力發(fā)展車聯(lián)網(wǎng)。

我國車聯(lián)網(wǎng)市場在國家政策的大力支持下蓬勃發(fā)展。據(jù)相關(guān)調(diào)查顯示，2025年中國車聯(lián)網(wǎng)市場規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)2162億美元，占全球市場的1/4，年均復(fù)合增長率將近45%。

1 車聯(lián)網(wǎng)V2X技術(shù)簡介

車聯(lián)網(wǎng)（Vehicle-to-X，簡稱V2X）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（Radio Frequency Identi fi cation ）、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。

V2X是包括V2V（Vehicle to Vehicle 汽車對(duì)汽車通信）、V2I（Vehicle to Instruction 汽車對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施通信）、V2P（Vehicle to Pedestrian汽車對(duì)行人通信）、V2N（Vehicle to Network，車與網(wǎng)絡(luò)通信）等應(yīng)用在內(nèi)的統(tǒng)稱，通過安裝在車上的通信設(shè)備與車、道路設(shè)施、人乃至網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)通信，使信息終端匯集周邊信息，為出行交通提供智能決策依據(jù)。V2X 技術(shù)不僅可大幅減少交通事故、保障出行安全，而且可為智能交通、自動(dòng)駕駛和下一代車聯(lián)網(wǎng)提供低成本、易部署的基礎(chǔ)支撐平臺(tái)。

圖1 中國智能網(wǎng)聯(lián)汽車2025年目標(biāo)

圖2 V2X分類示意圖

（1）V2N在目前的車聯(lián)網(wǎng)場景中應(yīng)用最為廣泛，功能主要為通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)使車輛和云服務(wù)器相連，進(jìn)而由云服務(wù)器向車輛提供導(dǎo)航、娛樂和防盜等應(yīng)用。

（2）V2V 主要適用于車與車之間的數(shù)據(jù)雙工傳輸。車輛可通過它實(shí)時(shí)采集周邊車輛的位置、速度、方向及告警信息等，多應(yīng)用于車輛安全防撞系統(tǒng)。

（3）V2I是車輛與道路或交通燈等其他基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行通信，主要應(yīng)用于車輛行駛監(jiān)控、實(shí)時(shí)信息服務(wù)和電子收費(fèi)管理等。

（4）V2P是指在車載設(shè)備與行人的移動(dòng)設(shè)備之間進(jìn)行信息交互，主要用于車輛向非機(jī)動(dòng)車、行人發(fā)送安全告警等。

根據(jù)3GPP和ETSI定義的V2X車聯(lián)網(wǎng)場景，從應(yīng)用和時(shí)延角度可以劃分為5類業(yè)務(wù)。

表1 V2X 五類應(yīng)用場景業(yè)務(wù)劃分

2 車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)比較

目前在V2X技術(shù)領(lǐng)域，全球有兩大主要技術(shù)陣營，早期以DSRC（dedicated short range communication，專用短距離通信技術(shù)）為主，其已在美國開發(fā)測試多年。近年來隨著移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展，又出現(xiàn)了C-V2X（Cellular Based V2X，即以蜂窩通信技術(shù)為基礎(chǔ)的V2X）技術(shù)。

DSRC技術(shù)包括三套標(biāo)準(zhǔn)：第一為IEEE 1609，即“車載環(huán)境無線接入標(biāo)準(zhǔn)系列（WAVE）”，其定義了網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)和流程。第二為SAE J2735和SAE J2945，它們定義了消息包中攜帶的信息。該數(shù)據(jù)將包括來自汽車上的傳感器的信息，例如位置、行進(jìn)方向、速度和剎車信息。第三為IEEE 802.11p，其工作在5.9GHz頻段，定義了汽車相關(guān)的“專用短距離通信”（DSRC）的物理標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)主要由兩類設(shè)備組成：RSU（Road Side Unit，路邊設(shè)備）和OBU（On-Board Unit，車載設(shè)備）。

DSRC得到美國NHSTA（National Highway Traf fi c Safety Administration，國家高速交通安全管理局）的支持。根據(jù)NHSTA基于730萬起交通事故的統(tǒng)計(jì)和分析，通過V2X中V2V功能，可提高30%交通效率，避免近81%車輛間碰撞事故。目前多國政府已表示支持DSRC協(xié)議（基于IEEE 802.11p）：美國交通部在2016年底發(fā)布的V2X 建議規(guī)則制定公告計(jì)劃中，要求100%的新汽車在2023年底前須采用DSRC；在亞洲，日本、韓國、新加坡政府也均采用DSRC技術(shù)，并推出了相關(guān)汽車計(jì)劃時(shí)間表。中國正在對(duì)DSRC進(jìn)行評(píng)估，但尚未確定統(tǒng)一的V2X標(biāo)準(zhǔn)。

C-V2X（Cellular Based V2X）是由3GPP主導(dǎo)的基于移動(dòng)蜂窩網(wǎng)的車聯(lián)網(wǎng)專有協(xié)議?，F(xiàn)階段以基于LTE網(wǎng)絡(luò)的C-V2X被稱為LTE-V2X，其標(biāo)準(zhǔn)已于2017年3月完成制定。

C-V2X系統(tǒng)包括2種空中接口：Uu和PC5（見圖3）。其工作場景也相應(yīng)分為兩種，場景一基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋，既可以通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)的Uu接口，實(shí)現(xiàn)寬頻域、長距離通信服務(wù)，也可以由PC5接口，實(shí)現(xiàn)車輛直接與周邊基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行低時(shí)延、高可靠信息交互；場景二可獨(dú)立于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)未覆蓋地區(qū)借助PC5接口提供的V2X服務(wù)保證行車安全。在蜂窩網(wǎng)絡(luò)部署的場景中，數(shù)據(jù)通信可以靈活的在PC5接口和Uu接口之間無縫切換。

圖3 C-V2X系統(tǒng)架構(gòu)

在不久的將來，LTE-V2X技術(shù)可以平滑演進(jìn)到5G-V2X。5G與車聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合將使車聯(lián)網(wǎng)擁有更加優(yōu)越的系統(tǒng)性能和彈性的體系結(jié)構(gòu)。5G車聯(lián)網(wǎng)采用雙層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，包含宏蜂窩層和設(shè)備層。宏蜂窩層類似傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，主要為基站和終端設(shè)備之間進(jìn)行通訊。而設(shè)備層通信主要涉及設(shè)備到設(shè)備（D2D，device-to-device）通信，即終端之間可不借助其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)而直接交互信息，這也是5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵組成部分。

圖4 5G 車聯(lián)網(wǎng)基于D2D的通信模式

圖4羅列了車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中5G網(wǎng)絡(luò)基于D2D的通信模式。D2D通信為車聯(lián)網(wǎng)提供了新的通信方式。在車輛移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，OBU可通過5G基站或鄰近的OBU、用戶移動(dòng)終端等直接快速訪問互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)汽車與云服務(wù)器之間的通信；在車內(nèi)網(wǎng)中，通過OBU，汽車與5G終端之間在沒有基站等中繼設(shè)備協(xié)助的情況下，可由自控鏈路，進(jìn)行短距通信，充分實(shí)現(xiàn)用戶與車輛之間的人機(jī)交互；在D2D通信網(wǎng)絡(luò)中，基于單跳或多跳D2D建立的Ad-Hoc（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)）網(wǎng)絡(luò)，5G車載單元可在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)邊緣或信號(hào)擁塞區(qū)域?qū)崿F(xiàn)車輛自組網(wǎng)通信。

5G移動(dòng)通信融合大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、新型多址、全頻譜接入和新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)，顯著提高了通信系統(tǒng)的性能。相比DSRC標(biāo)準(zhǔn)，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、高頻譜利用率及更加優(yōu)越的通信質(zhì)量。表2列舉了2種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵參數(shù)的對(duì)比情況。

表2 5G 車聯(lián)網(wǎng)與DSRC 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的比較

展望未來全球V2X市場，2種主流技術(shù)各有千秋。各地具體采用何種技術(shù)，受政府、通信運(yùn)營商、設(shè)備商、汽車廠商等多種因素影響，就我國而言，筆者更傾向于認(rèn)為將以5G-V2X技術(shù)為主導(dǎo)。

從產(chǎn)業(yè)角度，采用5G-V2X具有成本優(yōu)勢且有利于國內(nèi)企業(yè)規(guī)避專利風(fēng)險(xiǎn)，DSRC網(wǎng)絡(luò)需要新建大量RSU（路側(cè)單元），硬件新建成本較大。5G-V2X依靠我國全球最大移動(dòng)商用網(wǎng)絡(luò)，直接利用5G基站和頻段，組網(wǎng)成本明顯降低，且和手機(jī)使用相同類型的單一通信芯片組，能大大降低整合成本。在未來5G標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的情況下，車聯(lián)網(wǎng)相關(guān)硬件產(chǎn)品的生產(chǎn)有望實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)?；?，更易于形成成熟商業(yè)模式且成為擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的通訊技術(shù)。

就技術(shù)性能而言，5G系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)相比DSRC技術(shù)均有較大提升。其網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延達(dá)到毫秒級(jí)，完全可滿足車聯(lián)網(wǎng)的苛刻要求，保證車輛在高速（500km/h）行駛中的安全；峰值速率可達(dá)1Gbit/s以上，連接數(shù)密度可達(dá)100萬個(gè)/km2，可滿足未來車聯(lián)網(wǎng)海量接入環(huán)境下的通信需求。

就國家安全而言，為確保道路交通安全和事故責(zé)任認(rèn)定，當(dāng)V2X信息交互時(shí)，應(yīng)執(zhí)行完備的消息合法性/完整性驗(yàn)證。5G-V2X可直接借助移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)定期更新設(shè)備證書，全面保障關(guān)鍵環(huán)節(jié)的信息和網(wǎng)絡(luò)安全。

雖然DSRC技術(shù)和產(chǎn)業(yè)相對(duì)成熟，具備先發(fā)優(yōu)勢，但從智能交通長遠(yuǎn)發(fā)展角度考慮，C-V2X技術(shù)（未來平滑演進(jìn)至5G-V2X）憑借多維度明顯優(yōu)勢，擁有更加光明的應(yīng)用前景。

3 5G車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展展望

目前，5G-V2X處于業(yè)務(wù)需求和場景確定階段。3GPP的需求組（SA1）已基本完成對(duì)5G-V2X的相關(guān)討論，并在TR22.886報(bào)告中將25個(gè)5G-V2X業(yè)務(wù)場景分成4組：車輛編隊(duì)、先進(jìn)駕駛、擴(kuò)展傳感器、遠(yuǎn)程駕駛（見圖5）。

圖5 5G-V2X業(yè)務(wù)場景

3GPP需求組基于無線通信角度定義了5G-V2X業(yè)務(wù)場景的相應(yīng)需求，具體如表3所示。

4 結(jié)語

表3 5GV2X業(yè)務(wù)場景對(duì)通信的需求

如何在高密度車輛場景下滿足低時(shí)延、高可靠、高速率、大容量、高安全性等需求，是5G車聯(lián)網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)，也是其相關(guān)研究的重點(diǎn)。

盡管車聯(lián)網(wǎng)有著諸多便利，車聯(lián)網(wǎng)通信的標(biāo)準(zhǔn)化工作也已基本完成，但是受限于現(xiàn)階段基礎(chǔ)通信技術(shù)瓶頸，且涉及面廣、影響面大，無論是歐美、日本等發(fā)達(dá)國家還是我國，車聯(lián)網(wǎng)尚處于推廣和測試階段，尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商用。而隨著通信技術(shù)與汽車工業(yè)的不斷進(jìn)步，具備高速率，低延遲，高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)的5G技術(shù)作為車聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)，將使車聯(lián)網(wǎng)朝向更方便、快捷、安全的方向快速發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)“中國智能網(wǎng)聯(lián)汽車2025”目標(biāo)提供強(qiáng)有力的支撐。

我國應(yīng)抓住5G與V2X發(fā)展的關(guān)鍵機(jī)遇，充分發(fā)揮自身制度優(yōu)勢，做好頂層設(shè)計(jì)和總體規(guī)劃，加強(qiáng)跨部門協(xié)調(diào)，合力推動(dòng)5G-V2X產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，積極促成信息通信與汽車產(chǎn)業(yè)的“大融合”。