基于5G網(wǎng)絡(luò)的車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信模式及應(yīng)用

余曉玫 李文娟 譚 祥

(重慶移通學(xué)院，重慶 401520)

0 前言

近年來(lái)，隨著汽車(chē)數(shù)量持續(xù)增長(zhǎng)，城市交通擁堵日趨凸顯，人們出行難度加大，出行效率下降。車(chē)輛的增多不僅引發(fā)了交通堵塞、空氣污染等諸多現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，并給交通安全帶來(lái)了較大影響，嚴(yán)重影響到人們的生活質(zhì)量和社會(huì)的發(fā)展。車(chē)聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，將會(huì)改善出行效率，保障駕駛安全，促進(jìn)實(shí)現(xiàn)我國(guó)低碳環(huán)保的目標(biāo)。

1 車(chē)聯(lián)網(wǎng)概念

車(chē)聯(lián)網(wǎng)概念來(lái)源于物聯(lián)網(wǎng)，是將車(chē)內(nèi)作為局域網(wǎng)，車(chē)與車(chē)組成車(chē)際網(wǎng)，車(chē)際網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)相連，三者基于統(tǒng)一的協(xié)議，實(shí)現(xiàn)車(chē)與車(chē)、人、路、云平臺(tái)之間數(shù)據(jù)互通，最終實(shí)現(xiàn)智能交通、智能汽車(chē)及智能駕駛等功能?；谌娓兄淖詣?dòng)駕駛，將給人們帶來(lái)更安全、更可靠的出行方式。與激光雷達(dá)、視覺(jué)攝像頭等其他感知傳感器相比，車(chē)聯(lián)網(wǎng)不需要計(jì)算和存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)，是以整體環(huán)境信息作為感知對(duì)象，其受天氣、道路障礙物等客觀因素影響較小。因此，車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能全面提升車(chē)輛整體的智能駕駛水平和社會(huì)交通服務(wù)的智能化水平。

無(wú)線通信傳輸技術(shù)按照傳輸距離可分為近距離傳輸和遠(yuǎn)距離傳輸2大類。近距離傳輸主要應(yīng)用于車(chē)與車(chē)(V2V)的通信和車(chē)與路(V2R)的通信；遠(yuǎn)距離傳輸主要應(yīng)用于車(chē)與服務(wù)平臺(tái)(V2I)的通信。移動(dòng)通信技術(shù)主要針對(duì)V2I的通信連接，屬于遠(yuǎn)距離無(wú)線通信傳輸技術(shù)。

2 車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信模式

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算顯示，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)無(wú)人駕駛必須保證車(chē)輛每小時(shí)的信息數(shù)據(jù)處理量達(dá)到100 GB以上。目前普及的第四代移動(dòng)通信(4G)技術(shù)還不能滿足車(chē)聯(lián)網(wǎng)這一應(yīng)用要求。此外，4G網(wǎng)絡(luò)存在硬件較復(fù)雜、功耗較大、可靠性較差等諸多問(wèn)題。第五代移動(dòng)通信(5G)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有超低時(shí)延、超高可靠性、超大帶寬的無(wú)線通信保障能力和高性能的計(jì)算能力，能夠保證車(chē)聯(lián)網(wǎng)的各方面需求。

傳統(tǒng)車(chē)聯(lián)網(wǎng)的通信模式將隨著5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用而發(fā)生變化，整個(gè)車(chē)聯(lián)網(wǎng)的通信體系結(jié)構(gòu)將朝著智能化、靈活化、多樣化的方向發(fā)展。5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信模式將存在無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)、4G移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信等多種形式。因此，5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的車(chē)聯(lián)網(wǎng)將形成一整套大型的、綜合的、互聯(lián)互通的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。5G網(wǎng)絡(luò)的車(chē)載單元可以通過(guò)多種渠道，利用多個(gè)網(wǎng)絡(luò)接入，并最終達(dá)到相互融合的目的?；诜涓C的車(chē)用無(wú)線通信技術(shù)(V2X)被蜂窩車(chē)聯(lián)網(wǎng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織定義為R14標(biāo)準(zhǔn)版本。為區(qū)分專用短程通信技術(shù)(DSRC)，5 nm全環(huán)繞柵極技術(shù)(5GAA)行業(yè)公司提出了蜂窩車(chē)聯(lián)網(wǎng)(C-V2X)技術(shù)。該技術(shù)包括基于長(zhǎng)期演進(jìn)的車(chē)用無(wú)線通信技術(shù)(LTE-V2X)和基于5G新空口的車(chē)用無(wú)線通信技術(shù)(5G NR-V2X)。C-V2X技術(shù)的全球無(wú)線部署符合5G演進(jìn)路線，集成在車(chē)載信息處理的無(wú)線模塊中，能夠充分發(fā)揮終端和基礎(chǔ)設(shè)施層面的規(guī)模效應(yīng)，并能有效解決汽車(chē)制造企業(yè)的增量成本問(wèn)題。如圖1所示，基于長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)技術(shù)的車(chē)聯(lián)網(wǎng)LTE-V技術(shù)有2種工作模式：① 集中式工作模式(LTE-V-Cell)。該工作模式可以實(shí)現(xiàn)大覆蓋、大帶寬的通信，但需要借助基站進(jìn)行控制。② 分布式工作模式(LTE-V-Direct)。該工作模式能夠直接實(shí)現(xiàn)車(chē)與車(chē)之間、車(chē)與周邊環(huán)境節(jié)點(diǎn)的高可靠、低時(shí)延通信，不需要借助基站進(jìn)行控制。這2種模式可分別滿足不同的車(chē)輛應(yīng)用場(chǎng)景和需求。

圖1 LTE-V技術(shù)的2種工作模式

5G網(wǎng)絡(luò)作為全新的移動(dòng)通信系統(tǒng)，其技術(shù)路線如圖2所示。就LTE-V技術(shù)而言，5G技術(shù)是最關(guān)鍵的一步。5G技術(shù)作為L(zhǎng)TE技術(shù)的演進(jìn)，其時(shí)延可低至1 ms，因此LTE技術(shù)能演進(jìn)到5G技術(shù)，LTE-V2X技術(shù)也隨之演進(jìn)到5G NR-V2X技術(shù)，如圖3所示。其中，終端直通(D2D)技術(shù)是5G 移動(dòng)通信技術(shù)重要的組成部分，該技術(shù)能夠使一定距離范圍內(nèi)的用戶設(shè)備直接通信。根據(jù)基站對(duì)通信資源的分配方式及起始節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)的具體控制情況來(lái)劃分，D2D通信方式可分為終端直通、基站協(xié)助終端、基站協(xié)助中繼和基站協(xié)助車(chē)隊(duì)等通信方式。5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使車(chē)聯(lián)網(wǎng)向車(chē)內(nèi)網(wǎng)、車(chē)際網(wǎng)、車(chē)載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)三網(wǎng)融合的方向發(fā)展。在車(chē)內(nèi)網(wǎng)環(huán)境下，5G車(chē)載單元可自動(dòng)與車(chē)輛建立通信連接，實(shí)現(xiàn)近距離信息傳輸，有效解決通信延遲的問(wèn)題；在車(chē)際網(wǎng)環(huán)境下，行駛中的車(chē)輛可通過(guò)D2D終端直通方式有效解決通信網(wǎng)絡(luò)阻塞及車(chē)輛終端之間通信聯(lián)系難以維持的問(wèn)題；在車(chē)載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，行駛中的車(chē)輛可通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)基站或中繼快速地接入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)車(chē)與網(wǎng)絡(luò)之間信息交互。

圖2 5G技術(shù)路線圖

圖3 C-V2X技術(shù)演進(jìn)路線圖

3 應(yīng)用方向

5G網(wǎng)絡(luò)比LTE網(wǎng)絡(luò)擁有更高的帶寬，可支持更大數(shù)量的連接和更高的傳輸速度。目前，5G技術(shù)已進(jìn)入快速發(fā)展期，車(chē)聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)也進(jìn)入了快速增長(zhǎng)期。車(chē)輛聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需要依靠強(qiáng)大的通信能力支持，5G技術(shù)將使車(chē)聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和應(yīng)用更加可靠和迅速。5G網(wǎng)絡(luò)在車(chē)聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用包括以下4個(gè)方面。

3.1 低速無(wú)人駕駛技術(shù)

車(chē)輛在非高速公路行駛時(shí)，無(wú)人駕駛技術(shù)可極大降低交通事故發(fā)生的概率，具有顯著優(yōu)勢(shì)。無(wú)人駕駛的場(chǎng)景模擬如圖4所示。首先，5G網(wǎng)絡(luò)的交互式感知提升了用戶的體驗(yàn)感，降低了通信時(shí)延及道路路況的不確定性，使車(chē)輛可進(jìn)行軌跡交互和狀態(tài)交互；其次，5G網(wǎng)絡(luò)不受距離和環(huán)境約束，能夠滿足車(chē)內(nèi)乘客對(duì)移動(dòng)辦公、電影、游戲等各種車(chē)載信息娛樂(lè)及高精度地圖的需求；再次，5G網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)了無(wú)人駕駛的可能性，能夠協(xié)助城市固定路線的車(chē)輛實(shí)現(xiàn)部分智能云控制；最后，5G邊緣計(jì)算和切片技術(shù)可為自動(dòng)駕駛提供安全保障。

圖4 無(wú)人駕駛的場(chǎng)景模擬

3.2 道路交通管理

在道路交通管理中，可充分利用5G網(wǎng)絡(luò)傳輸速率快的優(yōu)勢(shì)，對(duì)路況進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)告，道路上的監(jiān)控設(shè)備、收費(fèi)站等設(shè)備都可以進(jìn)行智能化運(yùn)作。車(chē)與車(chē)也可實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)交互，及時(shí)了解道路狀況，幫助車(chē)輛智能選擇最佳行駛路段，緩解城市交通擁堵問(wèn)題。

3.3 智能化車(chē)載系統(tǒng)

借助5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可開(kāi)發(fā)出多種智能化的車(chē)載系統(tǒng)，使用戶的車(chē)載生活更加豐富，滿足用戶的實(shí)際需求。利用5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)延小、帶寬容量大的特性，可為用戶提供高度精準(zhǔn)的行駛地圖，提升導(dǎo)航的精準(zhǔn)度，同時(shí)也可以滿足用戶移動(dòng)辦公、各種車(chē)載娛樂(lè)信息的需求。

3.4 應(yīng)急救援系統(tǒng)

當(dāng)車(chē)輛遭遇突發(fā)緊急情況時(shí)，可利用車(chē)輛上安裝的操作系統(tǒng)和定位系統(tǒng)，借助5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過(guò)車(chē)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備及時(shí)進(jìn)行信息互傳。救援中心在接受到救援信息后，可以快速對(duì)周邊路況進(jìn)行分析，對(duì)車(chē)輛快速定位，使得救援工作更加及時(shí)和精準(zhǔn)，有效降低事故損失。

4 結(jié)語(yǔ)

智能車(chē)聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展既融合了5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，也融合了大數(shù)據(jù)和人工智能等新興技術(shù)。充分運(yùn)用這些新興技術(shù)，并充分發(fā)揮科技人員的創(chuàng)新性，將不斷促進(jìn)社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施、道路交通和人工智能等方面的深度協(xié)作，實(shí)現(xiàn)更大范圍的高效化、智能化、自動(dòng)化的5G車(chē)聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景應(yīng)用。未來(lái)在車(chē)聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的智能交通環(huán)境也將更加安全與高效。