V2X 車(chē)聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用綜述

繆立新，王發(fā)平

（1.清華大學(xué) 深圳研究生院 物流與交通學(xué)部，廣東，深圳 518055；

2.清華大學(xué) 深圳研究院 物流與交通學(xué)部 交通研究所，廣東，深圳 518055）

1 國(guó)內(nèi)外智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)研究和應(yīng)用進(jìn)展

車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在汽車(chē)及交通行業(yè)的一種細(xì)分應(yīng)用，也是綜合利用通信技術(shù)、控制技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)、高精度定位技術(shù)以及信息安全技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車(chē)與車(chē)、車(chē)與人、車(chē)與路以及車(chē)與城市基礎(chǔ)設(shè)施之間智能互聯(lián)的一種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)[1]。

通信技術(shù)的快速發(fā)展和進(jìn)步推動(dòng)了車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，自20 世紀(jì)70 年代第1 代移動(dòng)通信技術(shù)誕生以來(lái)，先后經(jīng)歷了2G、3G、3.5G、3.75G 和4G通信技術(shù)的研究及商業(yè)應(yīng)用，目前，5G 技術(shù)也即將走向商業(yè)應(yīng)用，如圖1 所示。

車(chē)聯(lián)網(wǎng)主要有兩個(gè)技術(shù)發(fā)展方向：（1）車(chē)載通信及網(wǎng)絡(luò)，包含了車(chē)載自組網(wǎng)（Vehicular Ad Hoc Network，VANET）[3]、2G、3G、4G、專(zhuān)用短程通信（Dedicate Short Range Communication，DSRC）、LTE-V 和即將商用的5G 通信技術(shù)，以及車(chē)載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)（Mobile Vehicular Internet）。（2）車(chē)輛智能化技術(shù)，就是依靠車(chē)載通信技術(shù)集成外部環(huán)境、駕駛技術(shù)和車(chē)載智能系統(tǒng)于一體的新型聯(lián)網(wǎng)智能技術(shù)，可以帶來(lái)更加安全、便捷、高效的出行體驗(yàn)[4-6]?；趥鹘y(tǒng)通信技術(shù)，車(chē)聯(lián)網(wǎng)先后實(shí)現(xiàn)了人工呼叫中心、E-Call、 B-Call 和Telematics 遠(yuǎn)程控制的應(yīng)用，此后發(fā)展到車(chē)載無(wú)線熱點(diǎn)作為中繼的VANET，然而VANET 網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍有限，信號(hào)在城市環(huán)境下也存在較大的衰減，沒(méi)有規(guī)模化商用。隨著通信技術(shù)的進(jìn)一步提速，DSRC 技術(shù)在歐美問(wèn)世，20 世紀(jì)90 年代中期美國(guó)便率先在交通領(lǐng)域大力推動(dòng)DSRC技術(shù)商用，并頒布了DSRC 通信的準(zhǔn)用頻譜用于智能交通系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新階段。2013 年以來(lái)，美國(guó)在網(wǎng)聯(lián)化人車(chē)交互技術(shù)、自然語(yǔ)言處理、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、環(huán)境交互等方面取得豐碩成果，英特爾、高通、微軟、亞馬遜、Google、蘋(píng)果等企業(yè)已經(jīng)在智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)方面研究頗深，分別在芯片、算法、控制、通信模組、移動(dòng)計(jì)算、無(wú)人駕駛技術(shù)等方面均有所突破，涌現(xiàn)出以Tesla、Google、Mobileye 為代表的先進(jìn)汽車(chē)智能化技術(shù)，汽車(chē)也能像移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)手持設(shè)備一樣實(shí)現(xiàn)空中下載技術(shù)（Over-the-Air Technology，OTA），推動(dòng)了全球汽車(chē)工業(yè)率先走向聯(lián)網(wǎng)智能時(shí)代。

2004 年歐盟啟動(dòng)了NoW（Network on Wheel）項(xiàng) 目， 涵 蓋CVIS、SAFESPORT、 COOPERS、PReVENT、SeVeCOM 等基于網(wǎng)聯(lián)的智能交通技術(shù)，推動(dòng)了歐洲車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究及應(yīng)用的快速發(fā)展[7]。20世紀(jì)70年代始，日本先后發(fā)展了導(dǎo)航系統(tǒng)智能化、自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)、安全駕駛輔助系統(tǒng)、交通管理最佳化、提高道路管理效率、公共交通輔助、提高商用車(chē)效率、行人等輔助救援、救援車(chē)輛運(yùn)行輔助等聯(lián)網(wǎng)交通應(yīng)用系統(tǒng)[8]。

2010 年9 月，在中國(guó)無(wú)錫舉行的世界物聯(lián)網(wǎng)大會(huì)上，與會(huì)者指出“車(chē)聯(lián)網(wǎng)將形成巨大的新興產(chǎn)業(yè)”，這標(biāo)志著我國(guó)車(chē)聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的誕生。2018 年底，中華人民共和國(guó)工信部正式頒布了5.905 ～5.925 GHz專(zhuān)用頻段用于智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，并支持向5G 標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)，因此，中國(guó)有望真正實(shí)現(xiàn)移動(dòng)設(shè)施的超大帶寬及低延時(shí)可靠通信，支持移動(dòng)終端的海量聯(lián)接，推動(dòng)車(chē)聯(lián)網(wǎng)的研究和規(guī)?；瘧?yīng)用并向全自動(dòng)駕駛能力演進(jìn)[9]。

2 V2X 車(chē)聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)研究綜述

2.1 V2X 通信技術(shù)的研究和應(yīng)用

傳統(tǒng)的V2X 通信主要以歐洲、美國(guó)以及日本推行的DSRC 技術(shù)為主，該技術(shù)基于IEEE802.11 協(xié)議擴(kuò)充的IEEE802.11p 協(xié)議，又稱(chēng)車(chē)輛環(huán)境中的無(wú)線接入（Wireless Access in the Vehicular Environment，WAVE），主要應(yīng)用于車(chē)輛之間的無(wú)線通信[10-15]。在 北 美，F(xiàn)CC 授 權(quán)5.850 ～5.925 GHz 頻 段 作 為V2X 通信專(zhuān)有頻段，日本分別授權(quán)了5.79 ～5.81 GHz 和5.83 ～5.85 GHz 作為V2X 通信專(zhuān)有頻段，而歐洲則采用了5.795 ～5.815 GHz 頻段作為V2X專(zhuān)有通信頻段（圖2），這為全球車(chē)聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。由我國(guó)大唐電信和華為公司參與擬定的3GPP 標(biāo)準(zhǔn)Release14.0 中明確規(guī)定了LTE-V 的應(yīng)用場(chǎng)景，而且工信部于2018 年8 月5 日首次將5.905 ～5.925 GHz 頻段作為L(zhǎng)TE-V2X 車(chē)聯(lián)網(wǎng)試點(diǎn)應(yīng)用頻段[14-15]。

圖2 車(chē)載專(zhuān)程通信全球頻譜劃分

圖3 LTE-V 通信的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

由華為公司研發(fā)的LTE-V 芯片以及網(wǎng)絡(luò)側(cè)設(shè)備路側(cè)單元（Roadside Unit，RSU）已經(jīng)在全球各地進(jìn)行了測(cè)試研究及應(yīng)用示范，正走向規(guī)模化商用。LTE-V 技術(shù)采用廣域蜂窩式（ LTE-V-Cell）通信與短程直通式（LTE-V-Direct ）通信相結(jié)合的方式，前者基于現(xiàn)有的4G-LTE 技術(shù)，主要承載廣域覆蓋的車(chē)聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，后者引入LTE-D2D（Device to Device）實(shí)現(xiàn)車(chē)對(duì)車(chē)（Vehicle- to-Vehicle，V2V）、車(chē)輛對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施（Vehicle-to-Infrastructure，V2I）的直接通信，底層芯片具備車(chē)-車(chē)間的直接通信功能，實(shí)現(xiàn)了高速移動(dòng)情況下車(chē)輛之間的低延時(shí)及安全通信的要求。LTE-V-Cell 和近程通信分別是基于4G-LTE 宏站的集中式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和基于LTE-V-Direct的分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)了廣播信息發(fā)布功能，如圖3 所示[16]，這樣既節(jié)省了專(zhuān)有LTE-V 基站的投資，又充分復(fù)用了現(xiàn)有4G-LTE 網(wǎng)絡(luò)覆蓋，提升了V2X 規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的可能性。LTE-V 通信制式與其它通信制式的性能比較見(jiàn)表1。

第5 代移動(dòng)通信技術(shù)商用將推動(dòng)車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)前所未有的突破，因?yàn)槠渚哂腥缦绿匦裕海?）移動(dòng)超寬帶接入，最高峰值速率可以達(dá)到10 GHzbps 以上，用戶(hù)可按需接入而不用擔(dān)心傳輸帶寬的問(wèn)題。（2）5G 技術(shù)具備更低的傳輸時(shí)延，空口延時(shí)可以小于1 ms，用戶(hù)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)感接入和下載。（3）5G 技術(shù)支持海量設(shè)備到設(shè)備（Device-to-Device，D2D）通信，從而促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展。（4）支持電信級(jí)安全接入，可靠度可達(dá)10-10。LTE-V 技術(shù)支持向5G 技術(shù)的平滑演進(jìn)，面向5G-V2X 的車(chē)聯(lián)網(wǎng)將隨著5G 通信技術(shù)的商用激發(fā)出更多價(jià)值場(chǎng)景，推動(dòng)汽車(chē)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)呈指數(shù)級(jí)發(fā)展[17]。

表1 LTE-V 通信制式與其它通信制式的性能比較

2.2 基于V2X 的網(wǎng)聯(lián)智能技術(shù)研究及應(yīng)用

汽車(chē)主動(dòng)安全技術(shù)是汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的核心，全世界每年交通事故導(dǎo)致的傷亡人數(shù)在125 萬(wàn)人左右，平均每天高達(dá)3 500 人左右[18]。車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展首先在于提升車(chē)輛的安全性及主動(dòng)安全功能，降低交通事故率。在美國(guó)、歐洲、日本等汽車(chē)發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)，正在對(duì)基于車(chē)輛與路側(cè)單元（Vehicle to Roadside Unit，V2R）通信和V2V 通信的網(wǎng)聯(lián)式駕駛輔助系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用開(kāi)發(fā)和大規(guī)模測(cè)試。通過(guò)示范研究測(cè)試表明：V2X 車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以減少80%左右的道路交通事故，預(yù)計(jì)到2040 年美國(guó)90%的輕型車(chē)輛將安裝基于DSRC 的專(zhuān)用短距離通信系統(tǒng)。近年來(lái)，我國(guó)的交通安全問(wèn)題也得到了國(guó)家的高度重視，“兩客一?！本凑諒?qiáng)制要求安裝車(chē)聯(lián)網(wǎng)信息終端。2017 年以來(lái)，工信部、交通部和公安部在全國(guó)相繼批準(zhǔn)多個(gè)測(cè)試區(qū)以推動(dòng)LTE-V2X 車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究和應(yīng)用示范[19-22]。

LTE-V2X 車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)解決超視距范圍交通事件探測(cè)（V2I），遮擋極惡劣條件下汽車(chē)防撞（V2V）等安全問(wèn)題效果明顯，所以V2X 技術(shù)與整車(chē)控制技術(shù)、信息安全技術(shù)以及人工智能技術(shù)的融合，將是車(chē)聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的主要方向。表2 所示為3GPP 標(biāo)準(zhǔn)中擬定的27 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)景，據(jù)美國(guó)NHTSA 機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，這些場(chǎng)景的應(yīng)用對(duì)提升道路安全有著非常明顯的效果，預(yù)計(jì)可以降低83%左右的道路交通事故死亡率、76%的道路交通事故發(fā)生率、27%的闖紅燈安全隱患率[23-24]，具體的統(tǒng)計(jì)分析如圖4 所示。

圖4 NHTSA 預(yù)測(cè)V2X 提升道路安全統(tǒng)計(jì)分析

2018 年9 月15 ～18 日，世界物聯(lián)網(wǎng)大會(huì)在中國(guó)無(wú)錫召開(kāi)。在此期間，大會(huì)發(fā)布了由公安部交通科學(xué)研究所、中國(guó)移動(dòng)研究院、華為公司、江蘇天安智聯(lián)科技股份有限公司、無(wú)錫市公安局交通警察支隊(duì)和中國(guó)信息通信研究院等6 家單位發(fā)起的LTE-V2X 車(chē)聯(lián)網(wǎng)示范基地項(xiàng)目的階段性成果。具備雙模功能的LTE-V-Cell 及LTE-V-Direct 通信能力的中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)芯片成功搭載應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了車(chē)-車(chē)雙向1 000 m 以?xún)?nèi)的V2V 廣播通信，用于前向碰撞預(yù)警、盲區(qū)預(yù)警等車(chē)-車(chē)協(xié)同功能，同時(shí)對(duì)無(wú)錫市240 個(gè)交通路口，逾170 km2的道路信號(hào)燈進(jìn)行改造，安裝LTE-V RSU 基站，實(shí)現(xiàn)了交通路口紅綠燈信號(hào)的廣播通信，降低了闖紅燈事故發(fā)生概率，通過(guò)車(chē)輛與信號(hào)燈聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)綠波信號(hào)提示、車(chē)速推薦等功能。該項(xiàng)目對(duì)表2 中3GPP 定義的場(chǎng)景之外進(jìn)行了成功示范，還針對(duì)駕駛過(guò)程中行車(chē)前、行車(chē)中、行車(chē)后進(jìn)行了場(chǎng)景示范和應(yīng)用，是全球首例在城市公共道路上進(jìn)行的LTE-V2X 功能示范。不但有效地提升了交通通行效率、降低了交通事故發(fā)生概率，促進(jìn)了節(jié)能減排及智能交通的產(chǎn)學(xué)研應(yīng)用，而且還是我國(guó)車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向示范區(qū)乃至規(guī)?；逃玫闹匾锍瘫?。

表2 3GPP 定義的車(chē)聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用場(chǎng)景

2.3 面向5G-V2X 車(chē)聯(lián)網(wǎng)芯片技術(shù)

汽車(chē)高性能芯片是智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，當(dāng)前汽車(chē)普遍搭載微控制單元（MCU）用于車(chē)身電子、底盤(pán)電子以及智能座艙的子系統(tǒng)運(yùn)算控制，汽車(chē)行駛中的安全控制等。未來(lái)面向汽車(chē)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景下，高安全、實(shí)時(shí)性、高并發(fā)、多線程、超大運(yùn)算能力的移動(dòng)車(chē)載芯片是智能控制的核心。如圖5 所示的NXP S32 平臺(tái)具備超強(qiáng)計(jì)算能力，可以支持毫米波雷達(dá)、單/雙目攝像頭、激光雷達(dá)（8線/16線/64線）、紅外夜視系統(tǒng)等多種主動(dòng)安全系統(tǒng)，以及具有感知探測(cè)和計(jì)算能力，且能在較短時(shí)間內(nèi)（約50 ms）完成計(jì)算并輸出系統(tǒng)決策指令，在用于智能網(wǎng)聯(lián)駕駛的同時(shí)可向無(wú)人駕駛技術(shù)演進(jìn)[23-24]。

圖5 NXP S32 汽車(chē)計(jì)算平臺(tái)

根據(jù)咨詢(xún)公司Strategy Analysis 的研究可知，芯片在汽車(chē)中的價(jià)值從2000 年的250 美元飆升至2017年的350 美元，近三年全球車(chē)用芯片市場(chǎng)正以超過(guò)年復(fù)合率30%的速度增長(zhǎng)，智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)是車(chē)載芯片的重要應(yīng)用領(lǐng)域。英特爾、高通、博通、英偉達(dá)、NXP 等國(guó)際芯片廠商均已開(kāi)展核心技術(shù)研究[25]，并占據(jù)了市場(chǎng)的核心地位。當(dāng)前全球汽車(chē)芯片市場(chǎng)占有率情況見(jiàn)表3。

表3 網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)芯片市場(chǎng)

車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究和應(yīng)用成為全球汽車(chē)工業(yè)界競(jìng)相投入的領(lǐng)域，全球十大車(chē)企中有9 家發(fā)展了基于車(chē)載芯片技術(shù)的車(chē)聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，從傳統(tǒng)的Telematics領(lǐng)域擴(kuò)展到智能座艙，再到以人的體驗(yàn)為主的車(chē)載信息娛樂(lè)（In-Vehicle Infotainment，IVI）和移動(dòng)助理服務(wù)，以增強(qiáng)車(chē)企與用戶(hù)之間的聯(lián)系。奧迪、奔馳、福特、豐田已連續(xù)數(shù)年推出了相關(guān)產(chǎn)品與應(yīng)用。隨著LTE 技術(shù)的發(fā)展，并逐漸向5G 演進(jìn)，將激發(fā)車(chē)聯(lián)網(wǎng)研究和應(yīng)用煥發(fā)新的活力[26-27]。

未來(lái)，汽車(chē)芯片將在通信、控制、定位、運(yùn)算等功能的基礎(chǔ)上，逐漸向人工智能領(lǐng)域推進(jìn)。國(guó)內(nèi)以華為為代表的ICT 廠商已設(shè)計(jì)出7 nm 的具備人工智能的汽車(chē)芯片，并將以人工智能技術(shù)為基礎(chǔ)逐漸向認(rèn)知化發(fā)展，使汽車(chē)可以像人一樣具備記憶、偏好、認(rèn)知、決策、思想等能力，在滿(mǎn)足車(chē)規(guī)及更高的環(huán)境服役性要求下，達(dá)到融合功能安全、網(wǎng)絡(luò)安全和隱私保護(hù)的能力，構(gòu)筑分布式車(chē)載超大規(guī)模運(yùn)算的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，促進(jìn)汽車(chē)向人類(lèi)的伙伴加速邁進(jìn)。

2.4 車(chē)聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)技術(shù)研究及應(yīng)用

操作系統(tǒng)一直是智能設(shè)備運(yùn)行的核心，微軟曾經(jīng)以Windows 系統(tǒng)引領(lǐng)了整個(gè)PC 互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的發(fā)展，全球90%以上的PC 終端搭載微軟操作系統(tǒng)。如果說(shuō)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是PC，傳輸通道靠以太網(wǎng)，那么移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的節(jié)點(diǎn)就是智能手機(jī)，傳輸通道變成了移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。蘋(píng)果IOS 系統(tǒng)開(kāi)創(chuàng)了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，Android 又以其開(kāi)源生態(tài)和便捷開(kāi)發(fā)迅速占領(lǐng)了80%以上的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)。對(duì)于車(chē)聯(lián)網(wǎng)來(lái)說(shuō)，只是把網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)從傳統(tǒng)的PC、智能手機(jī)轉(zhuǎn)移到了電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU），車(chē)載自動(dòng)診斷系統(tǒng) （On-Board Diagnostics，OBD），平視顯示器（Head Up Display，HUD）這些車(chē)載電子設(shè)備，車(chē)聯(lián)網(wǎng)依賴(lài)于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接各種互聯(lián)應(yīng)用。因此，從本質(zhì)上看，車(chē)聯(lián)網(wǎng)是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的延伸，區(qū)別在于車(chē)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用須去APP 化，以提升人機(jī)交互過(guò)程中的安全性。這需要依賴(lài)先進(jìn)的自然語(yǔ)言處理、姿態(tài)感知等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)以安全駕駛為前提的互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)，從而代替人的手工操作。

汽車(chē)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的核心是安全。首先，車(chē)輛正在從傳統(tǒng)的交通工具向移動(dòng)“伴侶”和“助理”轉(zhuǎn)變，由國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究可知，釋放人手，減少或摒棄手工操作才能使APP 應(yīng)用有效地提升駕駛安全。其次，網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)要成為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的另外一個(gè)應(yīng)用引擎，那么汽車(chē)產(chǎn)業(yè)鏈的全生命周期服務(wù)須從傳統(tǒng)的門(mén)店服務(wù)向在線的數(shù)字化服務(wù)轉(zhuǎn)型，這將激發(fā)大量的在線應(yīng)用程序誕生，操作系統(tǒng)是互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)的基石。由此可見(jiàn)，實(shí)時(shí)車(chē)載操作系統(tǒng)是呼之欲出的技術(shù)，直接決定著汽車(chē)是否能夠真正邁入移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，汽車(chē)操作系統(tǒng)須滿(mǎn)足以下幾個(gè)特性。

2.4.1 實(shí)時(shí)性

汽車(chē)高速行駛狀態(tài)下的控制策略一旦出現(xiàn)100 ms以上的延時(shí)，將帶來(lái)巨大的安全隱患。

2.4.2 安全性

車(chē)聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，汽車(chē)是一個(gè)移動(dòng)的傳感網(wǎng)，通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)用不同的應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)了人、車(chē)、路高效協(xié)同，而操作系統(tǒng)是建立在芯片之上的又一重安全保障。

2.4.3 友好的人機(jī)交互性

所謂釋放人手，就是保障安全，在自動(dòng)駕駛技術(shù)沒(méi)有產(chǎn)業(yè)化之前，人是駕駛安全的主體，所以支持高可靠性的自然語(yǔ)言交互的人機(jī)交互和控制技術(shù)，是網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)操作系統(tǒng)的根本特性。

2.4.4 生態(tài)匯聚性

汽車(chē)互聯(lián)網(wǎng)衍生的生態(tài)鏈要比手機(jī)帶動(dòng)的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)更具價(jià)值性和多樣性。操作系統(tǒng)需要具備充分的開(kāi)源性，方便廣大的汽車(chē)愛(ài)好者和發(fā)明者加入到創(chuàng)新應(yīng)用開(kāi)發(fā)中，從而促進(jìn)汽車(chē)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，激發(fā)生態(tài)活力。

上述分析可知，車(chē)聯(lián)網(wǎng)的操作系統(tǒng)以及瀏覽器技術(shù)的發(fā)展將成為車(chē)聯(lián)網(wǎng)行業(yè)快速發(fā)展的關(guān)鍵，目前全球車(chē)聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)比較分析見(jiàn)表4[28-33]。

表4 車(chē)聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)比較

2.5 面向5G-V2X 車(chē)聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)容服務(wù)及其應(yīng)用

車(chē)聯(lián)網(wǎng)汽車(chē)遠(yuǎn)程服務(wù)提供商（Telematics Service Provider，TSP）是直接面向用戶(hù)為其提供車(chē)載導(dǎo)航、娛樂(lè)項(xiàng)目、交通出行道路信息、遠(yuǎn)程診斷與控制、經(jīng)銷(xiāo)商活動(dòng)等服務(wù)。TSP 在整個(gè)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)鏈中處于關(guān)鍵位置，向前整合并管理服務(wù)生態(tài)，向后提供兩種內(nèi)容服務(wù)，一種是為汽車(chē)廠商提供原始設(shè)備制造商（Original Equipment Manufacturer，OEM）服務(wù)，另一種則是由TSP 向用戶(hù)提供遠(yuǎn)程服務(wù)。除了整合資源、提供服務(wù)之外，TSP 還承擔(dān)收取費(fèi)用、分配利潤(rùn)的功能，如圖6 所示[35-36]。

目前國(guó)際上主流的TSP 服務(wù)主要由汽車(chē)廠商主導(dǎo)，比如通用Onstar、福特SYNC、奔馳Mbrace、豐田Entune，此外較為熟知的TSP 服務(wù)商還有G-BOOK、CARWINGS 和INTERNAVI。在韓國(guó)，汽車(chē)廠商主導(dǎo)前裝TSP 集成應(yīng)用，運(yùn)營(yíng)商主導(dǎo)后裝市場(chǎng)形成TSP 服務(wù)產(chǎn)業(yè)鏈。在我國(guó)，國(guó)際品牌汽車(chē)廠商主導(dǎo)引入了TSP 服務(wù)，也出現(xiàn)了一批獨(dú)立的TSP 服務(wù)商，以百度、阿里巴巴、騰訊（BAT）為代表的互聯(lián)網(wǎng)巨頭正在加速進(jìn)入汽車(chē)移動(dòng)出行服務(wù)領(lǐng)域。

圖6 TSP 服務(wù)商商業(yè)模式

總之，TSP 廠商主要應(yīng)用集成技術(shù)，以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，專(zhuān)注于場(chǎng)景智能及消費(fèi)者體驗(yàn)，為用戶(hù)提供出行全程的智能服務(wù)。

3 面向5G-V2X 的車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究及應(yīng)用

3.1 端云協(xié)同面向無(wú)人駕駛的網(wǎng)聯(lián)技術(shù)研究和應(yīng)用

智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)包含單車(chē)智能技術(shù)和網(wǎng)聯(lián)化智能技術(shù)。單車(chē)智能技術(shù)近年來(lái)在學(xué)術(shù)研究和應(yīng)用方面都發(fā)展較快，但是安全作用距離有限。單車(chē)智能技術(shù)依賴(lài)于汽車(chē)搭載多種融合感知的傳感器，以實(shí)現(xiàn)整車(chē)行駛過(guò)程中對(duì)環(huán)境的準(zhǔn)確感知和障礙物的精確識(shí)別。目前，學(xué)術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用較常見(jiàn)的關(guān)鍵技術(shù)有車(chē)載單/雙目攝像頭、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、汽車(chē)夜視系統(tǒng)、360°影像系統(tǒng)、高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（Advanced Driving Assistant System，ADAS）、車(chē)載安全計(jì)算機(jī)等，搭載諸如此類(lèi)傳感器的汽車(chē)最高可以實(shí)現(xiàn)L4 級(jí)的無(wú)人駕駛，但是最大的問(wèn)題在于單車(chē)智能傳感器價(jià)格極其昂貴，短期內(nèi)無(wú)法規(guī)?；瘧?yīng)用（表5 和表6），難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的安全感知及信息交互，導(dǎo)致產(chǎn)品的安全性和可用性受限，無(wú)人駕駛便無(wú)法走上商用化軌道[37-40]。

表5 ADAS 各模塊價(jià)格分析

表6 激光雷達(dá)規(guī)格及市場(chǎng)參考價(jià)格

汽車(chē)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，整車(chē)廠商已經(jīng)從傳統(tǒng)的資產(chǎn)銷(xiāo)售型企業(yè)向出行服務(wù)商在轉(zhuǎn)變，消費(fèi)者更期望汽車(chē)個(gè)性化網(wǎng)聯(lián)功能可以定制和定期更新，即通過(guò)OTA 進(jìn)行固件在線升級(jí)（Firmware Over-the-Air，F(xiàn)OTA）和軟件在線升級(jí)（Software-Over-the-Air，SOTA）持續(xù)更新，單車(chē)智能是無(wú)法實(shí)現(xiàn)這類(lèi)功能的。此外，車(chē)載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，人、車(chē)、路、網(wǎng)的數(shù)據(jù)在云端匯聚、存儲(chǔ)、計(jì)算，可以提供出行全場(chǎng)景智能服務(wù)。端側(cè)具備配置合理、成本可控的傳感器，移動(dòng)計(jì)算平臺(tái)，云端配備遠(yuǎn)程環(huán)境感知以及面向互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)的多樣化應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、挖掘、計(jì)算以及低延時(shí)的反饋控制，通過(guò)端云協(xié)同實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的智能網(wǎng)聯(lián)功能，乃至最終實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛。端云協(xié)同的車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)邏輯架構(gòu)建議如圖7 所示。

3.2 數(shù)據(jù)融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)全生命周期的數(shù)字化轉(zhuǎn)型

車(chē)聯(lián)網(wǎng)推動(dòng)了人、車(chē)、路的數(shù)據(jù)在云端協(xié)同與交互，單車(chē)智能的傳感器數(shù)量在不斷增加，隨著技術(shù)的發(fā)展，單車(chē)傳感器數(shù)量將超過(guò)2 000 個(gè)，這些海量數(shù)據(jù)的挖掘、分析、預(yù)測(cè)可以實(shí)現(xiàn)車(chē)輛數(shù)字畫(huà)像，用于汽車(chē)全系統(tǒng)功能的實(shí)時(shí)可視、預(yù)測(cè)性維護(hù)以及汽車(chē)作為移動(dòng)傳感平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)能力開(kāi)放[41-42]。目前，“兩客一?！钡穆?lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分析，“滴滴打車(chē)”等出行公司的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集已經(jīng)為行業(yè)積累了海量的高價(jià)值數(shù)據(jù)，對(duì)于導(dǎo)航眾籌、駕駛安全分析、違法監(jiān)管以及道路環(huán)境監(jiān)測(cè)、橋梁維護(hù)等方面均有著重要的意義。

圖7 端云協(xié)同的車(chē)聯(lián)網(wǎng)邏輯架構(gòu)

車(chē)聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)技術(shù)目前主要分為兩類(lèi)，一類(lèi)是車(chē)內(nèi)CAN 總線聯(lián)接各子系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，這部分?jǐn)?shù)據(jù)因其結(jié)構(gòu)化較強(qiáng)、狀態(tài)穩(wěn)定和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)清晰而被稱(chēng)為“小數(shù)據(jù)”，通過(guò)統(tǒng)計(jì)及預(yù)測(cè)建模分析進(jìn)行結(jié)構(gòu)化建模。與時(shí)窗、位置和人的偏好關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)被稱(chēng)為車(chē)輛運(yùn)行大數(shù)據(jù)，這部分?jǐn)?shù)據(jù)依賴(lài)先進(jìn)的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)和管理，并基于深度學(xué)習(xí)等人工智能的算法實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)挖掘分析，同時(shí)向社會(huì)開(kāi)放，推動(dòng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的行業(yè)應(yīng)用生態(tài)的形成。

3.3 融合功能安全、網(wǎng)絡(luò)安全的汽車(chē)全生命周期安全控制及隱私保護(hù)

國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對(duì)汽車(chē)功能安全進(jìn)行了廣泛研究并取得了一定成果，也在汽車(chē)全生命周期的安全控制中得到了充分應(yīng)用。ISO/TS 16949 質(zhì)量管理體系的強(qiáng)制性認(rèn)證已成為汽車(chē)行業(yè)準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)整車(chē)及零部件進(jìn)行全面的體系化控制和管理，確保故障被充分地識(shí)別和控制?；贗EC 61508標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展起來(lái)的ISO 26262 汽車(chē)功能安全體系標(biāo)準(zhǔn)，建立了以風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和危害控制為導(dǎo)向的汽車(chē)安全完整性等級(jí)（ASIL）要求[43-47]。

然而，隨著智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的迅速發(fā)展，單純功能安全已無(wú)法滿(mǎn)足網(wǎng)聯(lián)車(chē)的安全需求，一旦汽車(chē)聯(lián)網(wǎng)后，黑客的攻擊、篡改，以及個(gè)人數(shù)據(jù)和隱私信息的盜取將成為風(fēng)險(xiǎn)，因此，在汽車(chē)功能安全的基礎(chǔ)上須強(qiáng)調(diào)網(wǎng)絡(luò)安全及隱私保護(hù)技術(shù)的研究。目前，汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)安全主要從以下幾個(gè)方面開(kāi)展相關(guān)研究[48-51]。

3.3.1 身份認(rèn)證及鑒權(quán)（Authentication）

在車(chē)聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，駕駛員、車(chē)輛、各種服務(wù)提供者之間進(jìn)行充分交互，此時(shí)，如果僅僅考慮車(chē)輛內(nèi)部硬件，那么軟件以及駕駛之間的交互安全是不全面的，這種開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接將給外來(lái)入侵者提供可乘之機(jī)，從而達(dá)到其攻擊、盜取、篡改等目的，因此，各種通信接入者必須經(jīng)過(guò)身份認(rèn)證及鑒權(quán)以確保聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的安全。

3.3.2 保密（Confidentiality）

車(chē)聯(lián)網(wǎng)的宗旨是提供車(chē)與外界環(huán)境的充分聯(lián)系和信息交互，所以交互信息之間必須確保敏感信息得到保護(hù)不被泄露。

3.3.3 完整性（Integrity）

在車(chē)聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，任何存儲(chǔ)、交互數(shù)據(jù)被黑客攻擊、篡改或非法入侵均應(yīng)可探測(cè)和識(shí)別，以確保數(shù)據(jù)的安全性和完整性。

3.3.4 接入控制（Access Control）

在車(chē)聯(lián)網(wǎng)條件下，只有相關(guān)授權(quán)的零部件才可以接入到整車(chē)系統(tǒng)安全運(yùn)行，維修保養(yǎng)過(guò)程中也必須在授權(quán)的經(jīng)銷(xiāo)商或合作伙伴處完成，避免非授權(quán)子系統(tǒng)或者零部件接入系統(tǒng)帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.3.5 加密（Encryption）

車(chē)聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)倪h(yuǎn)程控制信息涉及汽車(chē)功能安全和駕駛員生命安全的信息，必須進(jìn)行加密處理，抵達(dá)執(zhí)行控制器后再進(jìn)行解碼處理。

3.3.6 安全傳輸層協(xié)議（TLS）

車(chē)聯(lián)網(wǎng)的任何兩個(gè)通信應(yīng)用程序之間須提供保密性和數(shù)據(jù)完整性，通過(guò)TLS 記錄協(xié)議和握手協(xié)議實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序之間的安全邏輯。

3.3.7 隱私保護(hù)（Privacy）

歐盟專(zhuān)門(mén)頒布了通用隱私保護(hù)管理?xiàng)l例（GDPR），并在歐洲強(qiáng)制推行，這一定程度上為全球個(gè)人隱私保護(hù)提供了重要的法律依據(jù)，對(duì)車(chē)聯(lián)網(wǎng)的安全也起到了積極的促進(jìn)作用。

4 結(jié)論及展望

綜上研究表明，面向第5 代移動(dòng)通信技術(shù)的車(chē)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用正在推動(dòng)汽車(chē)從傳統(tǒng)交通工具向移動(dòng)智能座艙轉(zhuǎn)變，汽車(chē)從單車(chē)智能向端云協(xié)同、車(chē)路協(xié)同的網(wǎng)聯(lián)智能轉(zhuǎn)變，汽車(chē)駕駛方式從傳統(tǒng)人工駕駛向自動(dòng)駕駛乃至無(wú)人駕駛轉(zhuǎn)變。因此，未來(lái)車(chē)聯(lián)網(wǎng)的研究和應(yīng)用技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)將主要集中在以下幾個(gè)方面：（1）基于5G 的車(chē)-車(chē)通信技術(shù)（5G-V2X）的人、車(chē)、路、網(wǎng)協(xié)作式智能交通系統(tǒng)的研究和應(yīng)用。（2）形成聯(lián)接車(chē)（Connected Car）、聯(lián)接路（Connected Road）、聯(lián) 接 人（Connected People）、聯(lián) 接 服 務(wù)（Connected Services）、聯(lián)接生態(tài)（Connected Ecosystem）的全方位車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用架構(gòu)，真正實(shí)現(xiàn)以汽車(chē)為節(jié)點(diǎn)的新型移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)態(tài)，構(gòu)建安全、高效、順暢、貼心的移動(dòng)出行服務(wù)。（3）融合單車(chē)智能與網(wǎng)聯(lián)智能于一體的協(xié)同自動(dòng)駕駛技術(shù)的研究和應(yīng)用，在城市封閉園區(qū)、高速公路、港口、物流配送等領(lǐng)域率先實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛商用，提升作業(yè)效率和運(yùn)作安全。（4）面向車(chē)聯(lián)網(wǎng)規(guī)模應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)安全和隱私保護(hù)技術(shù)的研究和應(yīng)用。（5）基于人工智能算法的汽車(chē)認(rèn)知學(xué)習(xí)技術(shù)研究及應(yīng)用，促進(jìn)汽車(chē)向更高智能水平的移動(dòng)機(jī)器人的方向發(fā)展。（6）基于端云協(xié)同、邊云協(xié)同的低延時(shí)云計(jì)算與遠(yuǎn)程控制技術(shù)的研究和應(yīng)用。（7）基于分布式可信計(jì)算的汽車(chē)信息交互技術(shù)研究和應(yīng)用。（8）基于時(shí)空維度的人、車(chē)、路、網(wǎng)數(shù)據(jù)匯聚和實(shí)時(shí)分析處理技術(shù)的研究和應(yīng)用。（9）基于端云協(xié)同安全機(jī)制的OTA 及其應(yīng)用技術(shù)的研究和應(yīng)用。

總之，隨著5G 技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，對(duì)車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究和應(yīng)用將更加深入，以此不斷推動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)全生命周期的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)像智能手機(jī)一樣可以“隨身攜帶”，功能實(shí)時(shí)可視，應(yīng)用隨需更新，真正推動(dòng)我國(guó)成為汽車(chē)產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國(guó)。