基于5G網(wǎng)絡(luò)的車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)與性能優(yōu)化研究

中圖分類號：U463.67 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-8639（2025）07-0036-03

ResearchontheArchitectureand Performance Optimizationof Internetof VehiclesSystem Basedon5GNetwork

Li Ting

（Collge of Optoelectronics and Information Engineering， Wuhan Vocational and TechnicalUniversity，Wuhan 43oo74 China）

【Abstract】 With the in-depth development of intellgent transportation systems towardsnetworking， 5G communicationtechnologyprovidesanewtechnical modelfortheInternetof Vehicles.Thisarticleaimsatthe performancebotteneckofthe traditional Internetof Vehiclesarchitecture inscenarioswith high concurrencyand low latency，andproposesan Internet of Vehiclessystemarchitecture that deeplyintegratesthecharacteristicsof 5G networks.Byconstructingafour-layercollaborative modelofthe terminalperception layer，network transmisionlayer， edgecomputing layerand cloud platform layer，itrealizes the integratedresourceschedulingof vehicles，roadsand clouds.Andbyintegrating keytechnologiessuchasedgecomputingtaskofloading，multi-connection transmission enhancement，andintellgentresourceallocation，itisexpectedtoeffectivelyimprovetheend-to-enddelaycontrol accuracy and communication reliability.

【Key words】5G communication technology；internet of vehicles；system architecture；performance optimization; highlyreliable communication

0 引言

隨著全球城市化加速，智能交通系統(tǒng)向全域網(wǎng)聯(lián)化轉(zhuǎn)型。車聯(lián)網(wǎng)融合新一代信息通信與交通運(yùn)輸技術(shù)，重構(gòu)人車路云協(xié)同關(guān)系。傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)因時(shí)延和連接密度限制，難以滿足自動駕駛等場景的毫秒級響應(yīng)與海量設(shè)備接入需求。5G憑借其原生支持超高可靠低時(shí)延通信（Ultra-ReliableLow-LatencyCommunication，URLLC）、增強(qiáng)移動寬帶（EnhancedMobileBroadband，eMBB）與大規(guī)模機(jī)器類通信（MassiveMachine-TypeCommunication，mMTC）的技術(shù)特性，為車路協(xié)同等業(yè)務(wù)提供新技術(shù)范式，推動車聯(lián)網(wǎng)向全域感知、協(xié)同決策發(fā)展。但城市高密度車輛接入、高速拓?fù)渥兓皹I(yè)務(wù)差異化需求，使傳統(tǒng)架構(gòu)資源調(diào)度低效，引發(fā)邊緣節(jié)點(diǎn)負(fù)載失衡等問題，需通過架構(gòu)革新與跨層優(yōu)化構(gòu)建新型體系。本文探討基于5G的車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)與性能優(yōu)化，為系統(tǒng)優(yōu)化提供參考。

15G通信技術(shù)與車聯(lián)網(wǎng)的契合性

5G與車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)深度耦合，為智能交通轉(zhuǎn)型提供支撐。其超高可靠低時(shí)延通信（URLLC）突破傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)局限，毫秒級傳輸滿足車輛編隊(duì)控制、緊急制動預(yù)警等實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)需求，構(gòu)建動態(tài)場景協(xié)同決策通道。在連接層面，5G大規(guī)模設(shè)備接入能力與車聯(lián)網(wǎng)海量終端、路側(cè)單元等泛在接入需求共振，為交通流量優(yōu)化等復(fù)雜應(yīng)用提供底層保障。網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可按需構(gòu)建獨(dú)立邏輯網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)自動駕駛與信息娛樂等業(yè)務(wù)的資源隔離與質(zhì)量保障，顯著提升系統(tǒng)資源利用率。

2車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體架構(gòu)

基于5G網(wǎng)絡(luò)的車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)采用分層解耦與跨域協(xié)同架構(gòu)，構(gòu)建4層融合體系（圖1）。終端感知層集成車載單元與路側(cè)設(shè)備，通過毫米波雷達(dá)、視覺傳感器與C-V2X通信模組融合，實(shí)現(xiàn)車輛狀態(tài)與環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集2。網(wǎng)絡(luò)傳輸層采用5GNR與LTE-V2X混合組網(wǎng)，依托網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)構(gòu)建邏輯隔離通道，為不同優(yōu)先級業(yè)務(wù)提供差異化傳輸保障。邊緣計(jì)算層部署分布式MEC節(jié)點(diǎn)形成算力池，通過任務(wù)動態(tài)卸載與緩存預(yù)置實(shí)現(xiàn)近端響應(yīng)，降低云端時(shí)延。云平臺層構(gòu)建中心云與邊緣云協(xié)同架構(gòu)，運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)建立交通虛擬映射，支撐全局資源調(diào)度。各層級通過標(biāo)準(zhǔn)化接口貫通數(shù)據(jù)，車輛軌跡預(yù)測與網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)感知形成閉環(huán)，驅(qū)動傳輸路徑與計(jì)算資源動態(tài)優(yōu)化。

2.2 核心功能模塊

2.2.1 動態(tài)資源編排系統(tǒng)

動態(tài)資源編排系統(tǒng)基于網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)構(gòu)建虛擬化資源池，依據(jù)車輛密度與業(yè)務(wù)類型動態(tài)劃分無線資源，保障高優(yōu)先級安全業(yè)務(wù)帶寬并提升頻譜利用率。通過智能預(yù)測算法分析歷史流量與實(shí)時(shí)態(tài)勢，預(yù)判計(jì)算任務(wù)分布以調(diào)整邊緣節(jié)點(diǎn)算力配比。時(shí)間維度采用滑動窗口機(jī)制進(jìn)行微秒級調(diào)度，優(yōu)化時(shí)隙分配與功率控制參數(shù)，平衡不同車速下的信號穩(wěn)定性；空間維度實(shí)施小區(qū)協(xié)同管理，基于車輛軌跡預(yù)測預(yù)準(zhǔn)備越區(qū)切換，降低傳輸中斷概率。

2.2.2 服務(wù)品質(zhì)管理模塊

服務(wù)品質(zhì)管理模塊構(gòu)建3層業(yè)務(wù)分類模型，按安全等級、時(shí)延容忍度及帶寬需求，將車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流分為關(guān)鍵控制、協(xié)同感知與信息服務(wù)3類，配置專屬傳輸通道和冗余策略。智能流量整形引擎實(shí)時(shí)解析數(shù)據(jù)包特征，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)擁塞動態(tài)調(diào)整隊(duì)列權(quán)重，保障緊急制動信號等生命安全業(yè)務(wù)時(shí)效。自適應(yīng)編碼調(diào)制機(jī)制依信道品質(zhì)動態(tài)選擇調(diào)制階數(shù)與編碼速率，最大化頻譜效率同時(shí)維持目標(biāo)誤碼率。故障自愈子系統(tǒng)通過雙重檢測定位異常，自動啟動鏈路切換等恢復(fù)措施，形成服務(wù)品質(zhì)持續(xù)改進(jìn)閉環(huán)。

2.3 協(xié)議棧優(yōu)化

協(xié)議棧優(yōu)化設(shè)計(jì)旨在提升5G車聯(lián)網(wǎng)傳輸效能與可靠性，通過跨層協(xié)同重構(gòu)協(xié)議邏輯：物理層以新型波形增強(qiáng)多普勒補(bǔ)償，結(jié)合自適應(yīng)調(diào)制編碼優(yōu)化高速場景信號解調(diào)魯棒性；媒體接人控制層設(shè)計(jì)混合多址機(jī)制，融合調(diào)度授權(quán)與競爭接人，兼顧高優(yōu)先級業(yè)務(wù)時(shí)延與信道利用率；網(wǎng)絡(luò)層構(gòu)建位置感知智能路由，結(jié)合拓?fù)漕A(yù)測實(shí)現(xiàn)蜂窩/直通鏈路協(xié)同；傳輸層引人業(yè)務(wù)感知擁塞控制，依據(jù)安全等級動態(tài)調(diào)整窗口與重傳策略；應(yīng)用層重構(gòu)消息格式降低開銷，集成輕量級校驗(yàn)保障完整性?？鐚咏换C(jī)制實(shí)現(xiàn)信道狀態(tài)與服務(wù)品質(zhì)控制的實(shí)時(shí)聯(lián)動，驅(qū)動傳輸參數(shù)動態(tài)調(diào)諧。

3系統(tǒng)性能優(yōu)化技術(shù)

3.1 低時(shí)延保障

低時(shí)延保障技術(shù)構(gòu)建端邊云協(xié)同體系，壓縮傳輸時(shí)延。邊緣節(jié)點(diǎn)部署任務(wù)卸載引擎，依據(jù)車輛狀態(tài)與業(yè)務(wù)時(shí)延動態(tài)選擇處理策略，通過計(jì)算遷移規(guī)避云端時(shí)延。網(wǎng)絡(luò)側(cè)采用控制面與用戶面分離架構(gòu)，下沉用戶面功能縮短鏈路距離。時(shí)延敏感業(yè)務(wù)預(yù)設(shè)配置資源預(yù)留機(jī)制，開辟專屬通道并結(jié)合快速路由實(shí)現(xiàn)微秒級轉(zhuǎn)發(fā)。協(xié)議棧重構(gòu)分層流程，設(shè)計(jì)跨層框架實(shí)現(xiàn)信道與業(yè)務(wù)需求交互，動態(tài)調(diào)整參數(shù)。另通過車輛軌跡預(yù)測預(yù)加載數(shù)據(jù)至邊緣節(jié)點(diǎn)，降低響應(yīng)時(shí)延，形成全棧優(yōu)化體系實(shí)現(xiàn)端到端時(shí)延可控。

3.2 高可靠通信

高可靠通信技術(shù)通過多維度冗余傳輸與智能容錯機(jī)制，提升車聯(lián)網(wǎng)在復(fù)雜信道環(huán)境的生存性。多連接聚合傳輸融合蜂窩與直通鏈路，并行發(fā)送數(shù)據(jù)并智能合并，降低單一鏈路中斷風(fēng)險(xiǎn)。自適應(yīng)冗余編碼依業(yè)務(wù)等級動態(tài)配置參數(shù)，注入最優(yōu)冗余度平衡效率與可靠性。信道狀態(tài)預(yù)測算法分析頻移和損耗趨勢，協(xié)同調(diào)整調(diào)制編碼與發(fā)射功率，維持最大傳輸速率。分布式冗余中繼網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建動態(tài)協(xié)作簇，并行激活多條路徑并智能切換，規(guī)避遮擋衰減。物理層安全結(jié)合波束賦形與人工噪聲，增強(qiáng)合法鏈路優(yōu)勢。邊緣節(jié)點(diǎn)通過聯(lián)盟鏈校驗(yàn)數(shù)據(jù)一致性，確保指令完整可追溯。全棧技術(shù)體系通過智能適配冗余度與增強(qiáng)故障自愈，保障高動態(tài)環(huán)境下通信服務(wù)的穩(wěn)定與恢復(fù)。

3.3 資源分配優(yōu)化

資源分配優(yōu)化聚焦核心資源智能協(xié)同管理，構(gòu)建業(yè)務(wù)驅(qū)動的動態(tài)配置體系。頻譜資源維度，基于業(yè)務(wù)優(yōu)先級設(shè)計(jì)動態(tài)共享機(jī)制，通過頻譜池化與混合調(diào)度策略實(shí)現(xiàn)時(shí)空復(fù)用優(yōu)化，保障安全業(yè)務(wù)供給。計(jì)算資源管理層面，構(gòu)建邊緣算力協(xié)同網(wǎng)絡(luò)，依托軌跡預(yù)測預(yù)遷移任務(wù)，借助容器化部署實(shí)現(xiàn)彈性伸縮。網(wǎng)絡(luò)切片維度創(chuàng)新編排機(jī)制，根據(jù)流量波動調(diào)整資源配比，形成全域協(xié)同框架，通過精準(zhǔn)調(diào)控提升系統(tǒng)效能。

3.4安全與隱私保護(hù)

安全與隱私保護(hù)聚焦體系化防御，構(gòu)建可信通信閉環(huán)。分布式身份認(rèn)證引入輕量級區(qū)塊鏈，通過車與路側(cè)單元共識機(jī)制保障設(shè)備身份可驗(yàn)證與不可篡改，解決傳統(tǒng)中心化認(rèn)證瓶頸。數(shù)據(jù)隱私保護(hù)設(shè)計(jì)動態(tài)匿名標(biāo)識機(jī)制，結(jié)合軌跡與時(shí)空信息調(diào)整匿名度，兼顧數(shù)據(jù)可用性與身份隱藏。傳輸安全采用物理層安全與上層加密跨層策略，通過波束賦形約束信號輻射，配合國密算法加密通道，形成覆蓋身份認(rèn)證、隱私保護(hù)與傳輸?shù)娜轿话踩軜?gòu)。

4結(jié)論

本文基于5G通信技術(shù)特征與車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的契合性，提出了分層協(xié)同架構(gòu)設(shè)計(jì)，通過終端感知、網(wǎng)絡(luò)傳輸、邊緣計(jì)算與云端管理的垂直整合，并通過動態(tài)資源編排系統(tǒng)、服務(wù)品質(zhì)管理模塊形成跨層次優(yōu)化閉環(huán)，并集成低時(shí)延保障技術(shù)、高可靠通信技術(shù)、資源分配優(yōu)化與安全與隱私保護(hù)等優(yōu)化技術(shù)，以優(yōu)化車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)性能，推動車聯(lián)網(wǎng)智能發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]王超英.車聯(lián)網(wǎng)中時(shí)延敏感型任務(wù)的卸載決策和功率分配研究[D].長春：吉林大學(xué)，2024.

[2]李強(qiáng).C-V2X車聯(lián)網(wǎng)安全認(rèn)證關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2023.

[3]葉忠.基于通感一體化技術(shù)的多基站車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)與車輛預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]杭州：浙江工商大學(xué)，2023.

[4]劉琪，洪高風(fēng)，梁鵬，等.基于5G智慧園區(qū)的車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用示范[J].移動通信，2022，46（1）：72-77.

（編輯林子衿）