5G 環(huán)境下車聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展趨勢探討

李靈瑤，顧全根，王宇葉

（蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

車聯(lián)網(wǎng)與第五代移動通信技術(shù)（5th Generation Mobile Communication Technology，5G）的深度融合，給車聯(lián)網(wǎng)帶來了廣闊的發(fā)展前景，也為汽車智能出行的實現(xiàn)提供了技術(shù)保障。車聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)都要與5G 環(huán)境相適應(yīng)，探索5G 環(huán)境下車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢具有現(xiàn)實意義。

1 車聯(lián)網(wǎng)及其發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 車聯(lián)網(wǎng)含義和特征

車聯(lián)網(wǎng)即車輛物聯(lián)網(wǎng)，是由汽車信息、通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)等構(gòu)成的交互網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。借助車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能提升汽車智能駕駛水平，改善汽車駕乘感受，保障交通安全性，提高汽車運行效率。車聯(lián)網(wǎng)具有以下特征。

（1）提供安全保障。車聯(lián)網(wǎng)能夠完成對自身環(huán)境和狀態(tài)信息的采集，為車輛交通提供安全預(yù)警和保障，降低車輛交通事故的發(fā)生概率。

（2）提高交通效率。車聯(lián)網(wǎng)能為車主提供實時導(dǎo)航，并通過分析網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)信息，選擇最佳行車路線，提高交通運行的效率。

（3）實現(xiàn)智能控制。車聯(lián)網(wǎng)能利用傳感技術(shù)、無線通信技術(shù)與智能處理技術(shù)來實現(xiàn)交通的智能化管理、智能決策和智能化控制［1］。

1.2 車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀

美國聯(lián)邦通信委員會于2019 年12 月為蜂窩車聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)（C-V2X）分配了20 MHz 頻段，用于推進C-V2X 的發(fā)展；日本于2019 年通過《道路運輸車輛法》修正案，開始研究為C-V2X 分配頻率的可行性；歐盟委員會也于2019 年3 月宣布，對車輛、交通標(biāo)識牌和高速公路進行網(wǎng)聯(lián)相關(guān)設(shè)備的安裝。

我國于2018 年確定車聯(lián)網(wǎng)直連通信為5.9 GHz頻段，并于2019 年啟動車聯(lián)網(wǎng)和自動駕駛應(yīng)用試點。2020 年1 月，工信部強調(diào)進一步增強5G 功能，并推進C-V2X 的基礎(chǔ)部署。

2020 年11 月世界智能網(wǎng)聯(lián)汽車大會提出到2035年之前，智能網(wǎng)聯(lián)汽車實現(xiàn)從部分自動駕駛功能到有條件自動駕駛，再到高度自動化駕駛，最后到完全自動駕駛的分階段發(fā)展路線［2］。

2 車聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)

2.1 感知層

車聯(lián)網(wǎng)的感知層是通過車載傳感器、道路基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)等協(xié)同感知，將收集到的車輛運行狀態(tài)、交通狀況和道路環(huán)境狀況等信息參數(shù)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中［3］，系統(tǒng)應(yīng)用相關(guān)芯片完成數(shù)據(jù)的協(xié)同處理和短距離傳輸。實用技術(shù)如車輛防撞緊急制動系統(tǒng)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)層

車聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層主要通過信息傳輸網(wǎng)絡(luò)分析處理感知層收集到的數(shù)據(jù)，將各類信號傳輸?shù)较鄳?yīng)的設(shè)施，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。同時，為終端用戶提供實時的信息及網(wǎng)絡(luò)交互的無縫銜接功能。實用技術(shù)如智能交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

2.3 應(yīng)用層

車聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層根據(jù)用戶的不同需求提供不同的應(yīng)用功能服務(wù)。它依據(jù)車路協(xié)同的數(shù)據(jù)來設(shè)置車輛路面自動駕駛、車載娛樂、遠程監(jiān)控以及緊急救援等功能。實用技術(shù)如車輛自動駕駛系統(tǒng)。

3 5G 環(huán)境下的車聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 感知技術(shù)

車聯(lián)網(wǎng)的感知技術(shù)分為車輛自身狀態(tài)感知和車輛環(huán)境狀態(tài)感知兩個部分。車輛自身狀態(tài)感知主要是對車輛行駛工況狀態(tài)、駕駛員自身狀態(tài)等的感知，它是通過車輛的里程器、電機、攝像頭等來實現(xiàn)相關(guān)狀態(tài)信息的采集。而車輛環(huán)境狀態(tài)感知則是對車輛行駛道路、交通標(biāo)志信號、其他車輛行駛狀態(tài)等的感知，它是通過車載電子設(shè)備、道路及兩側(cè)設(shè)備來實現(xiàn)相關(guān)信息的采集。

在感知技術(shù)中，感知數(shù)據(jù)的融合方法極其關(guān)鍵，關(guān)系到感知結(jié)果的準(zhǔn)確性。由于交通環(huán)境的復(fù)雜多變，必須對收集到的不確定甚至是錯誤信息進行建模處理，以便為車輛操作決策提供數(shù)據(jù)支持，增強車輛的環(huán)境適應(yīng)能力。

3.2 定位技術(shù)

定位技術(shù)是車聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)技術(shù)，是車聯(lián)網(wǎng)其他功能開發(fā)的基礎(chǔ)，如車輛的導(dǎo)航、遠程控制、輔助駕駛等，都需要車輛的準(zhǔn)確定位。目前，車聯(lián)網(wǎng)主要采用北斗、全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）等全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）進行定位或?qū)Ш剑€可采用其他定位技術(shù)，如激光雷達、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等。

車聯(lián)網(wǎng)的實際應(yīng)用系統(tǒng)往往都采用多種定位技術(shù)，以此實現(xiàn)優(yōu)勢互補，提升定位精度。例如，在無遮擋環(huán)境中，GNSS+實時動態(tài)定位（Real-time Kinematic，RTK）有其絕對的優(yōu)勢；而在有遮擋（高樓區(qū)、地下車庫等）環(huán)境中，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)則能保持其定位精度，所以兩者的融合是必然的。

3.3 通信技術(shù)

車聯(lián)網(wǎng)的主流通信技術(shù)包括專用短程通信（Dedicated Short Range Communication，DSRC）技 術(shù)和基于蜂窩網(wǎng)的V2X 通信（C-V2X）。

DSRC 可實現(xiàn)分布式操作，主要應(yīng)用于點對點（ad-hoc）通信模式場景。例如，當(dāng)前方發(fā)生交通事故，需要緊急告知位于后方的車輛時，就要應(yīng)用DSRC技術(shù)。DSRC 的每個頻段都可以當(dāng)作單個頻道使用，也可以分成多個通道使用［4］。目前DSRC 的產(chǎn)業(yè)鏈已較為成熟。

隨著5G 技術(shù)的發(fā)展，DSRC 技術(shù)逐漸暴露出其局限性，這個問題的解決方案是運用可靠性和穩(wěn)定性更優(yōu)的C-V2X 技術(shù)。C-V2X 技術(shù)包括LTE-V2X 技術(shù)和5G-V2X 技術(shù)。其技術(shù)優(yōu)勢如下：一是網(wǎng)絡(luò)容量高，可以滿足大數(shù)據(jù)量和高帶寬的需求；二是覆蓋范圍大，車輛與基站之間有充裕的連接申請時間，這樣就大大地降低了網(wǎng)絡(luò)切換的頻率；三是設(shè)施部署容易，在對現(xiàn)有基站設(shè)施進行改造后即可投入使用，成本較低。

3.4 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)切片（Network Slice，NS）技術(shù)就是將物理網(wǎng)絡(luò)切分為多個端到端的虛擬網(wǎng)絡(luò)，每個虛擬切片以其性能差異來適應(yīng)不同的場景［5］，以此滿足車聯(lián)網(wǎng)場景中的各種服務(wù)需求。

在5G 網(wǎng)絡(luò)場景下，網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)在自動駕駛、移動寬帶、物聯(lián)網(wǎng)等場景中得到廣泛應(yīng)用，尤其是在需要低時延、高可靠的自動駕駛中有著廣闊的應(yīng)用前景。

3.5 移動邊緣計算技術(shù)

車聯(lián)網(wǎng)為解決數(shù)據(jù)傳輸量大、傳輸時延高的問題，采用移動邊緣計算（Mobile Edge Computing，MEC）技術(shù)。MEC 可以根據(jù)用戶服務(wù)請求的應(yīng)用類型分配處理，把時延要求高的應(yīng)用優(yōu)先分配在本地區(qū)域內(nèi)處理，把時延要求較為寬松的應(yīng)用匯聚至云端處理。

3.6 區(qū)塊鏈技術(shù)

車聯(lián)網(wǎng)為保護車輛的行駛軌跡等隱私信息，引入了區(qū)塊鏈技術(shù)。區(qū)塊鏈技術(shù)（又稱賬本技術(shù)）的數(shù)據(jù)具有難以篡改和去中心化的特點，為車聯(lián)網(wǎng)的通信安全提供了可行的解決方案，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)以其終端設(shè)備和車輛管理中心為節(jié)點組成。車聯(lián)網(wǎng)所有的信息交互數(shù)據(jù)在區(qū)塊鏈賬本中都有完整的記錄，每輛車的車聯(lián)網(wǎng)通信訪問操作都會以新記錄添加到賬本中，形成動態(tài)變化情況，并按時間順序串聯(lián)起來形成整個車聯(lián)網(wǎng)體系的狀態(tài)變化線。區(qū)塊鏈技術(shù)為車聯(lián)網(wǎng)無線通信環(huán)境的信息安全提供了保障，維護智能交通體系的安全。

4 5G 環(huán)境下車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢及其面臨的挑戰(zhàn)

4.1 車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢

隨著5G 技術(shù)在車聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到了快速發(fā)展，車聯(lián)網(wǎng)也具有了廣闊的發(fā)展前景。車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在以下幾方面。

4.1.1 環(huán)保節(jié)能化

隨著“雙碳”目標(biāo)、生態(tài)環(huán)保要求的深入，全球能源短缺情況的加劇以及車輛尾氣排放量的增加，車聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用應(yīng)該圍繞生態(tài)環(huán)保展開，推廣節(jié)能減排，實現(xiàn)綠色出行。

4.1.2 安全協(xié)同化

5G 環(huán)境下車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展要以保障交通安全為出發(fā)點，在安全駕駛、協(xié)同駕駛以及汽車活動安全等方面協(xié)同架構(gòu)，有效降低交通事故發(fā)生率，保障人員及車輛的安全。

4.1.3 交通智能化

車聯(lián)網(wǎng)要充分利用5G 技術(shù)和人工智能及大數(shù)據(jù)技術(shù)，通過車輛傳感器收集信息，進行智能處理，推動實現(xiàn)交通的智能化管理和控制，提高交通的整體效率。同時，智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施的進一步發(fā)展也將有助于無人駕駛技術(shù)的發(fā)展。

4.1.4 駕駛無人化

充分利用5G 交互式的感知能力，可以為車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的無人駕駛技術(shù)提供有力的技術(shù)支持，自動實現(xiàn)與行駛車輛的互動，如設(shè)置自動超車、車輛編隊等。

4.1.5 集成聯(lián)網(wǎng)化

5G 環(huán)境下車輛的應(yīng)用軟件、操作系統(tǒng)、芯片層、硬件層正逐漸向集中式架構(gòu)體系發(fā)展，車輛軟件控制更高效，并能持續(xù)優(yōu)化控制軟件，實現(xiàn)車輛集成聯(lián)網(wǎng)化，不斷改善硬件性能體驗。

4.1.6 功能多樣化

5G 環(huán)境下車聯(lián)網(wǎng)服務(wù)方式功能多樣化，將不只局限于車輛固有服務(wù)功能，還可以拓展到手機App、微信小程序等交互設(shè)備，這樣能夠延長人車交互的時間。同時，可以通過車聯(lián)網(wǎng)分拆功能，把部分功能分拆至車外，如手機App、智能穿戴設(shè)備等，這樣能降低對車載硬件的要求，從而覆蓋更多的低端車型，以滿足所有用戶的各種信息及娛樂需求。

4.2 車聯(lián)網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)

從5G 環(huán)境下車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的角度來看，車聯(lián)網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)主要有以下幾個方面。

4.2.1 版本兼容問題

目前，車聯(lián)網(wǎng)C-V2X 標(biāo)準(zhǔn)主要有基于LTE-V2X標(biāo)準(zhǔn)的R14、R15 版本和基于5G-V2X 標(biāo)準(zhǔn)的R16 版本［6］。在車聯(lián)網(wǎng)未來發(fā)展的過程中，這兩個標(biāo)準(zhǔn)會同時存在，因此必須考慮兩者兼容的問題，否則不利于車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在采用LTE-V2X 標(biāo)準(zhǔn)時，需要充分考慮以后是否能兼容5G 標(biāo)準(zhǔn)，并對其硬件進行升級；同樣地，在采用5G 標(biāo)準(zhǔn)時，也需要確保其能兼容原來的LTE-V2X 標(biāo)準(zhǔn)，使不同標(biāo)準(zhǔn)的車輛之間實現(xiàn)無阻礙通信。

4.2.2 數(shù)據(jù)處理問題

隨著車聯(lián)網(wǎng)中5G 技術(shù)的融合應(yīng)用，各個終端節(jié)點的數(shù)據(jù)接入量變得更加龐大，數(shù)據(jù)處理問題將成為一大難題。尤其是車聯(lián)網(wǎng)的很多新應(yīng)用功能，如車輛遠程控制、視頻遠程會議等，都對數(shù)據(jù)處理能力提出了很高的要求。同時，車聯(lián)網(wǎng)也必須解決無線資源分配、數(shù)據(jù)優(yōu)先處理、系統(tǒng)性能優(yōu)化等問題。

4.2.3 投資規(guī)模問題

為在2035 年實現(xiàn)智能網(wǎng)聯(lián)汽車完全自動駕駛的目標(biāo)，除了需要在車聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)上進行研發(fā)，還要對車聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施投入大量的資金。據(jù)公安部網(wǎng)站和交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報，2021 年我國機動車保有量達3.95 億輛，四級及以上等級公路里程為506.19萬千米，其中高速公路里程為16.91 萬千米。按我國車聯(lián)網(wǎng)商用技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，車載終端的安裝、路側(cè)單元的部署、傳感設(shè)備的安裝等都需要大量的資金。

5 結(jié)語

隨著車聯(lián)網(wǎng)與5G 技術(shù)的深度融合，車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展前景廣闊，而智能交通的完善離不開車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的創(chuàng)新和突破。車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)正蓄勢待發(fā)，車聯(lián)網(wǎng)相關(guān)行業(yè)要順應(yīng)其發(fā)展趨勢，針對車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中遇到的問題，積極采取應(yīng)對措施，共同推進車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，實現(xiàn)更安全、更智慧、更高效的智能交通。