5G時代車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

顧文琰

【摘 要】隨著5G網(wǎng)絡(luò)商用化進(jìn)程的加快，5G車聯(lián)網(wǎng)的研究和建設(shè)已提上日程。本文首先論述了當(dāng)下車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中的不足，然后分析和總結(jié)了5G車聯(lián)網(wǎng)在技術(shù)、政策和市場上所面臨的機(jī)遇及挑戰(zhàn)。

【關(guān)鍵詞】5G車聯(lián)網(wǎng);發(fā)展機(jī)遇;挑戰(zhàn)

中圖分類號： TN918;TN929.5;U495文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? 文章編號： 2095-2457（2019）19-0001-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.19.001

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)和生活條件的改善，我國每百戶家庭私家車的擁有量從2017年的36輛提升至2018年的40輛，商務(wù)部認(rèn)為在接下來的幾年，我國私家車的數(shù)量仍會繼續(xù)增長。而許多城市的道路承載容量已經(jīng)飽和，擁堵、安全事故等狀況頻發(fā)，成為城市發(fā)展中亟待解決的重要問題。另外，智能網(wǎng)聯(lián)汽車、無人駕駛汽車也越來越受到人們的關(guān)注，尤其是無人駕駛汽車需要通過傳感器來感知環(huán)境、采集數(shù)據(jù)，以獲得行駛環(huán)境狀況，并及時處理信息。為滿足智慧交通、自動駕駛等應(yīng)用的發(fā)展需求、解決城市交通發(fā)展難題，車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)運而生。

1 車聯(lián)網(wǎng)概念的演進(jìn)

車聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)在交通領(lǐng)域的衍生，隨著AI、邊緣算法、大數(shù)據(jù)等技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用，車聯(lián)網(wǎng)的概念也隨之改進(jìn)和完善。傳統(tǒng)車聯(lián)網(wǎng)是利用車輛的電子標(biāo)簽和無線射頻識別技術(shù)，通過信息網(wǎng)絡(luò)平臺提取車輛的屬性信息和動、靜態(tài)信息，并加以有效利用，本質(zhì)是車輛位置、行駛速度和路線等信息構(gòu)成的巨大交互網(wǎng)絡(luò)[1]。

考慮到車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和應(yīng)用需求的變化，中國信息通信研究院在2017年發(fā)布的車聯(lián)網(wǎng)白皮書中指出，車聯(lián)網(wǎng)是由人員、車輛、道路、通信和服務(wù)平臺五個要素構(gòu)成，借助新一代信息和通信技術(shù)，可實現(xiàn)車輛與車輛（V2V）、車輛與道路（V2R）、車輛與行人（V2P）、車輛與服務(wù)平臺（V2I）的全面網(wǎng)絡(luò)連接，提升汽車智能化水平和自動駕駛能力，構(gòu)建新的汽車和交通服務(wù)格局，提高交通效率，改善汽車駕乘體驗，為用戶提供智能、安全、高效的綜合服務(wù)。

2 車聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)與發(fā)展現(xiàn)狀

車聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)與物聯(lián)網(wǎng)相似，由終端層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層和應(yīng)用層構(gòu)成。

1）終端層：包括移動終端、感知設(shè)備、顯示設(shè)備、通信設(shè)備和車載終端等。

2）網(wǎng)絡(luò)層：包括4G/5G/DSRC/衛(wèi)星通信/衛(wèi)星導(dǎo)航等。

3）平臺層：包括安全連接、網(wǎng)絡(luò)通信、駕駛輔助、增值服務(wù)、車輛協(xié)同等。

4）應(yīng)用層：包括安全駕駛、智能交通、TSP信息服務(wù)等[1]。根據(jù)構(gòu)成又可劃分為三類：一是以用戶體驗為中心的信息服務(wù)應(yīng)用;二是基于車輛駕駛的汽車智能化應(yīng)用;三是以協(xié)同為核心的智慧交通應(yīng)用。

錢志華認(rèn)為車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展可以分為三個階段：導(dǎo)航階段、無線通信與GPS結(jié)合階段和車-人-網(wǎng)全面互動階段[2]。陳祎根據(jù)通信技術(shù)的發(fā)展，將車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展分為三個階段：第一階段是基于2G、3G蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)，提供汽車娛樂和以e-Call為代表的遠(yuǎn)程信息處理業(yè)務(wù);第二階段是通過LTE-V2X和DSRC等通信系統(tǒng)將汽車互聯(lián)，提供智能交通業(yè)務(wù);第三階段是借助5G及5G-V2X網(wǎng)絡(luò)，將汽車與云端連接，并結(jié)合精確位置信息，提供自動駕駛、編隊行駛等業(yè)務(wù)[3]。陳祎的劃分方式與車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展更加匹配，筆者比較贊同我國當(dāng)前處于由第二階段向第三階段過渡的說法，并認(rèn)為車聯(lián)網(wǎng)正在從信息服務(wù)業(yè)務(wù)向安全出行和交通效率業(yè)務(wù)發(fā)展，更將逐步向支持實現(xiàn)自動駕駛的協(xié)同服務(wù)業(yè)務(wù)演進(jìn)。

車聯(lián)網(wǎng)作為移動通信設(shè)備和用戶的載體，車載通信具有移動區(qū)域受限、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?、網(wǎng)絡(luò)頻繁接入和中斷、節(jié)點覆蓋范圍大、通信環(huán)境復(fù)雜等特點[4]。當(dāng)下車聯(lián)網(wǎng)需要投入大量路側(cè)單元（RSU）來支撐體系結(jié)構(gòu)，消耗了更多的建設(shè)成本和能源，通信干擾和時延性也無法得到妥善的解決，且體系架構(gòu)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層均存在不同程度的安全隱患[4]。而實現(xiàn)自動駕駛汽車和車聯(lián)網(wǎng)的通信需要網(wǎng)絡(luò)實時傳輸汽車導(dǎo)航信息、位置信息以及汽車各個傳感器的數(shù)據(jù)到云端或其他車輛終端，需要更高的網(wǎng)絡(luò)帶寬和更低的網(wǎng)絡(luò)延時，依靠當(dāng)前的LTE-V2X和DSRC等通信技術(shù)無法實現(xiàn)[5]，也無法滿足大規(guī)模車輛的數(shù)據(jù)連接和傳輸要求，因此亟需提升整個車聯(lián)網(wǎng)體系的能力。

3 5G時代車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重大機(jī)遇

5G為第五代移動通信技術(shù)，具備eMBB（超大帶寬）、uRLLC（超高可靠性，超低時延）和mMTC（超大連接）等特征。將5G引入車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，不僅可以解決當(dāng)下車聯(lián)網(wǎng)存在的問題，而且能夠充分發(fā)揮5G網(wǎng)絡(luò)能夠融合2/3G、LTE、LTE-A、WIFI、M2M等多種技術(shù)的優(yōu)勢，使車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)性能和能效得到較大提升，有助于真正開啟車聯(lián)網(wǎng)時代。

結(jié)合相關(guān)學(xué)者的觀點，筆者認(rèn)為5G車聯(lián)網(wǎng)是基于車內(nèi)網(wǎng)、車際網(wǎng)和車載移動互聯(lián)網(wǎng)，集成傳感器、RFID、數(shù)據(jù)挖掘、自動控制、邊緣計算、AI等相關(guān)技術(shù)，按照5G通信協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)，采用基于設(shè)備到設(shè)備（D2D）的終端直接通信方式，通過車X（X：車輛、道路、行人和互聯(lián)網(wǎng)）交互，實現(xiàn)車輛與公眾網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)移動通信[4][6]。5G車聯(lián)網(wǎng)具備較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢和市場潛力，也得到國家政策的大力扶持。

3.1 車聯(lián)網(wǎng)在5G時代的技術(shù)機(jī)遇

5G車聯(lián)網(wǎng)與當(dāng)下車聯(lián)網(wǎng)的主要區(qū)別在于，通過在連通體系中部署5G網(wǎng)絡(luò)，可大幅提升網(wǎng)絡(luò)連通性，拓展應(yīng)用范圍[4][6][7]。其技術(shù)優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下方面。

首先，在連通性方面。由于5G網(wǎng)絡(luò)融合了認(rèn)知無線電、全雙工通信、大規(guī)模MIMO等一系列新興技術(shù)，具備數(shù)據(jù)傳輸速率快、網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣的優(yōu)勢，因而5G車聯(lián)網(wǎng)可以實現(xiàn)多實體間的信息交互、車載單元（OBU）的多網(wǎng)接入以及車內(nèi)網(wǎng)、車際網(wǎng)和車載移動互聯(lián)網(wǎng)的“三網(wǎng)融合”[6]。另外，5G網(wǎng)絡(luò)將時延降低至毫秒級，減輕了車聯(lián)網(wǎng)節(jié)點之間相互切換的壓力，節(jié)點與節(jié)點間能夠進(jìn)行高質(zhì)量的無縫切換，連接性能更好[6][8]，可滿足自動駕駛的技術(shù)要求。

其次，在網(wǎng)絡(luò)承載能力方面。5G網(wǎng)絡(luò)具備超大帶寬和超大連接的能力，能夠承載爆炸式車流量增長所帶來的壓力，通過采取適當(dāng)?shù)牧髁糠州d算法，5G車聯(lián)網(wǎng)可實現(xiàn)負(fù)載均衡，使用戶獲得適宜的頻譜，提高用戶體驗水平[6]。而超大帶寬可以為用戶提供高質(zhì)量通信，減少環(huán)境干擾，降低應(yīng)通信距離過長而導(dǎo)致終端間連接中斷的可能性，并能夠適應(yīng)速度更快的車輛通信。

再次，在精準(zhǔn)性方面。5G車聯(lián)網(wǎng)可利用5G基站實現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)的連接，并借助5G基站的中繼功能和大規(guī)模的天線陣列及部署范圍，可為用戶提供比GPS更加精準(zhǔn)的車輛定位，克服了GPS系統(tǒng)易受天氣影響、網(wǎng)絡(luò)脆弱等缺點[6]。另外，基于多車信息匯總的決策可靠性比基于單車信息基礎(chǔ)的決策要高3個數(shù)量級。

此外，5G車聯(lián)網(wǎng)可進(jìn)一步提升自動駕駛的性能，減低單車部署傳感器的成本，減少對高精度傳感器的依賴，提高自動駕駛的安全性。若將多接入邊緣計算（MEC）引入5G車聯(lián)網(wǎng)，還可豐富和擴(kuò)展車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的應(yīng)用場景，滿足闖紅燈預(yù)警、行人碰撞預(yù)警、基于信號燈的車速引導(dǎo)等場景對時延性的要求，將應(yīng)用場景擴(kuò)展至車輛感知共享、十字路口的路況識別與綜合分析、高精度地圖的實時分享以及大規(guī)模車輛協(xié)同等方面，有助于未來解決低抖動、低時延的可靠傳輸、數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)安全性等相關(guān)技術(shù)難題[3][9]。

為了更好地發(fā)揮5G車聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢，把握市場發(fā)展機(jī)遇，需要進(jìn)一步解決其在干擾管理和安全性上存在的不足。雖然5G車聯(lián)網(wǎng)采用的D2D終端直接通信方式能夠通過集中化管理方式減輕一定的信道干擾，但當(dāng)沒有基站作為中繼或管理鏈路時，干擾問題仍不能妥善解決[6]。考慮到5G車聯(lián)網(wǎng)在結(jié)構(gòu)、部署和架構(gòu)方面的特性，用戶信息存在被惡意盜取的危險，Sybil攻擊是車聯(lián)網(wǎng)身份認(rèn)證系統(tǒng)中最普遍的一種威脅[10]。

3.2 車聯(lián)網(wǎng)在5G時代的政策機(jī)遇

國家通過發(fā)布相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和計劃，引導(dǎo)車聯(lián)網(wǎng)健康發(fā)展。2018年6月，工業(yè)和信息化部和國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會印發(fā)了《國家車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南（總體要求）》、《國家車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南（信息通信）》和《國家車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南（電子產(chǎn)品與服務(wù)）》等系列文件，以規(guī)范、引導(dǎo)車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境構(gòu)建中的頂層設(shè)計，推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。2018年12月25日，工業(yè)和信息化部印發(fā)了《車聯(lián)網(wǎng)（智能網(wǎng)聯(lián)汽車）產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃》，提出計劃2020年后，全面建成技術(shù)創(chuàng)新、標(biāo)準(zhǔn)體系、基礎(chǔ)設(shè)施、應(yīng)用服務(wù)和安全報障體系，高級別自動駕駛功能的智能網(wǎng)聯(lián)汽車和5G-V2X逐步實現(xiàn)規(guī)?；虡I(yè)應(yīng)用，實現(xiàn)“人-車-路-云”的高度協(xié)同，同時從組織、政策、產(chǎn)業(yè)體系、發(fā)展環(huán)境、人才培養(yǎng)以及國際合作等6個方面提出了具體的報障措施。中國信息通信研究院在2017年和2018年分別發(fā)布了《車聯(lián)網(wǎng)白皮書》，對車聯(lián)網(wǎng)的概念和行業(yè)發(fā)展做出解讀，以期推動車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

除了政策上的支持外，國家還建立試點和示范區(qū)，以驗證5G車聯(lián)網(wǎng)的可行性。我國基于在汽車制造、通信與信息以及道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等領(lǐng)域的完善和發(fā)展，已初步形成覆蓋LTE-V2X系統(tǒng)、芯片、終端的產(chǎn)業(yè)鏈，工信部、交通部從車聯(lián)網(wǎng)、車路協(xié)同方面積極推進(jìn)國家示范區(qū)建設(shè)。懷柔建立了現(xiàn)階段最大的5G車聯(lián)網(wǎng)試點，可滿足LTE-V商用車聯(lián)網(wǎng)終端[12]。另外國家積極參與制定5G通信標(biāo)準(zhǔn)，在國內(nèi)擴(kuò)大寬帶網(wǎng)絡(luò)和高速公路網(wǎng)的規(guī)模，借助北斗導(dǎo)航衛(wèi)星為全國提供高精確的時空服務(wù)，具備了推動5G-V2X的發(fā)展實力。

3.3 車聯(lián)網(wǎng)在5G時代的市場機(jī)遇

互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算以及機(jī)器學(xué)習(xí)對社會發(fā)展帶來的革命性影響不斷深化，人類已互聯(lián)網(wǎng)時代逐步邁進(jìn)萬物互聯(lián)時代，車聯(lián)網(wǎng)作為高速場景中最具明確發(fā)展方向和國家政策扶持行業(yè)，5G車聯(lián)網(wǎng)具有極大的市場空間。

根據(jù)公安部統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2018年全國汽車保有量為2.4億輛，比2017年增加2285萬輛，增長10.51%，參照發(fā)達(dá)國家汽車保有量增速水平，以10%增速計算，預(yù)測2020年我國汽車保有量將達(dá)2.9億輛。按照15.0%的車聯(lián)網(wǎng)用戶滲透率估算，具備聯(lián)網(wǎng)能力的車輛將達(dá)4350萬輛左右。以每輛車需要配置3000元的硬件車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品價格來估算，2020年我國車聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的市場容量將達(dá)1305億元。隨著5G車聯(lián)網(wǎng)能力的提升和多樣化服務(wù)的加入，車聯(lián)網(wǎng)用戶的滲透比例也將明顯提高，有數(shù)據(jù)表明，未來5年車聯(lián)網(wǎng)行業(yè)用戶規(guī)模的年均復(fù)合增長率在30.0%左右。車聯(lián)網(wǎng)的市場規(guī)模將爆炸式增長。

此外，5G車聯(lián)網(wǎng)的運作不僅需要硬件提供商的支持，還需要軟件、通信和平臺等眾多企業(yè)的配合，產(chǎn)業(yè)鏈也隨著時代的發(fā)展不斷延伸、升級，汽車廠商、電信運營商以及互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)可通過硬件、平臺、通信網(wǎng)絡(luò)等來獲得較高的利潤回報，整個產(chǎn)業(yè)鏈的價值得到提升。

4 5G時代車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

國內(nèi)外大型汽車廠商、互聯(lián)網(wǎng)公司，包括奔馳、通用、大眾、上汽、百度、谷歌等，敏銳地察覺到5G車聯(lián)網(wǎng)的巨大商機(jī)，紛紛加大對自動駕駛技術(shù)的研發(fā)投入，加緊市場布局。羅德與施瓦茨、華為在慕尼黑和上海分別測試了5G-V2X在遠(yuǎn)程自動駕駛控制和車輛編隊的高效管理上的性能，測試結(jié)果表明5G車聯(lián)網(wǎng)可以實現(xiàn)毫秒級別的延遲[11]。

國內(nèi)各電信運營商已著手5G車聯(lián)網(wǎng)的部署。中國移動在2019年首屆5G自動駕駛峰會上，發(fā)布成立第一條5G自動駕駛車輛測試道路、5G自動駕駛聯(lián)盟及領(lǐng)先計劃、中國移動“和路通”智能ETC;中國電信重慶公司、大唐移動和中國汽研三家企業(yè)三方共同推進(jìn)5G車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，計劃在2019年內(nèi)實現(xiàn)基于5G網(wǎng)絡(luò)的自動駕駛落地示范應(yīng)用。

雖然在龍頭企業(yè)的積極參與下，5G車聯(lián)網(wǎng)試驗已經(jīng)取得了一些可人的成果，但由于5G車聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)鏈的復(fù)雜性，在技術(shù)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及商業(yè)模式上還存在諸多挑戰(zhàn)，還沒有得到妥善解決。

4.1 核心技術(shù)有待進(jìn)一步突破

目前5G通信網(wǎng)絡(luò)在國內(nèi)還未正式商用，一些關(guān)鍵產(chǎn)品（如芯片、車載終端、路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施）還在試驗階段，未能達(dá)到商業(yè)化部署要求，且5G車聯(lián)網(wǎng)自身在安全性和干擾管理仍然存在一定的局限性，還需要國家的支持和產(chǎn)學(xué)研單位的深入研究。

4.2 缺乏行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

車聯(lián)網(wǎng)涉及到多方數(shù)據(jù)信息的交換，終端、廠商和電信運營商等企業(yè)之間有不同的信息傳輸標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的不同層面無法進(jìn)行有效的信息溝通，因此需要建立一套適用于5G車聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)體系，來實現(xiàn)整個體系的互聯(lián)互通[13]。

4.3 商業(yè)模式不明確

5G車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，包括汽車制造商、TSP（車載信息服務(wù)提供商）、通信運營商、內(nèi)容和服務(wù)提供商以及設(shè)備提供商等多個對象，各方利益訴求不同，難以協(xié)調(diào)一致，網(wǎng)絡(luò)部署方案未能統(tǒng)一，整個產(chǎn)業(yè)未能形成核心凝聚力，產(chǎn)業(yè)的推動進(jìn)程較為緩慢[1]。

除此之外，由于當(dāng)下車聯(lián)網(wǎng)的功能比較單一，無法滿足用戶的需求，汽車廠商和相關(guān)企業(yè)也未能有效地進(jìn)行市場推廣，用戶量較少。在5G車聯(lián)網(wǎng)落地后，如何發(fā)掘潛在用戶、提高用戶滲透率也是5G車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。

5 結(jié)語

隨著5G網(wǎng)絡(luò)商用化進(jìn)程的加快，國家和相關(guān)企業(yè)也都加快了研究和建設(shè)5G車聯(lián)網(wǎng)的步伐，并取得了一些重要的技術(shù)突破，但在基礎(chǔ)設(shè)施和核心技術(shù)上仍然存在一些難題，需要深入研究和改善。5G車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展之路漫漫，其期可待。

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