新一輪汽車產(chǎn)業(yè)變革已經(jīng)來臨。根據(jù)預測到2025年中國汽車互聯(lián)網(wǎng)總的產(chǎn)值有望上升到2162億美元，占全球車聯(lián)網(wǎng)總規(guī)模26%?？梢钥闯龌ヂ?lián)網(wǎng)規(guī)模相當可觀，不僅隱含了無法估量的汽車，移動互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)更是汽車智能網(wǎng)聯(lián)升級過程中實實在在的機遇，汽車網(wǎng)聯(lián)時代已經(jīng)到來。

5G時代的車聯(lián)網(wǎng)運營

車聯(lián)網(wǎng)是以車內(nèi)網(wǎng)、車際網(wǎng)和車載移動互聯(lián)網(wǎng)為基礎，融合了傳感器、RFID、數(shù)據(jù)挖掘、自動控制等相關技術，按照約定的通信協(xié)議和標準，在車X （X：車、路、行人、互聯(lián)網(wǎng)）交互過程中，實現(xiàn)車輛與公眾網(wǎng)絡的動態(tài)移動通信，是物聯(lián)網(wǎng)技術在交通系統(tǒng)領域的典型應用。

在車聯(lián)網(wǎng)中，車輛作為移動通信設備和用戶的載體，以拓撲節(jié)點的形式組織移動網(wǎng)絡拓撲。由于車輛自身的移動性，車載通信具有移動區(qū)域受限、網(wǎng)絡拓撲變化快、網(wǎng)絡頻繁接入和中斷、節(jié)點覆蓋范圍大、通信環(huán)境復雜等特點。根據(jù)車聯(lián)網(wǎng)的上述特征，當前車聯(lián)網(wǎng)的實施存在以下多方面挑戰(zhàn)和困難。

（1）在體系結構方面，由于移動互聯(lián)網(wǎng)通信技術的快速發(fā)展，為滿足用戶的多功能體驗，車聯(lián)網(wǎng)的體系結構變得復雜。在車載移動互聯(lián)網(wǎng)中，路側單元（RSU）作為車輛自組網(wǎng)（VANET）無線接入點，將車輛以及道路等信息上傳至互聯(lián)網(wǎng)并發(fā)布相關交通信息，這種車與基礎設施（V2I）的協(xié)作通信模型需要大量的RSU支撐，增加了建設的成本和能源消耗。

（2）在通信方面，車聯(lián)網(wǎng)中存在多種類型的通信網(wǎng)絡，這些網(wǎng)絡使用不同的標準和協(xié)議，數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡的融合不完善，影響車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)運行效率。雖然IEEE 802.11p標準的車輛自組網(wǎng)通信在高速運行環(huán)境下傳輸距離遠、分組丟失率低、可靠性高，但在極其復雜的非視距環(huán)境下通信質量會受到不同程度的干擾。另外，由于車輛的高速移動，需要快速可靠的網(wǎng)絡接入與信息交互，時延受限成為當前車聯(lián)網(wǎng)面臨的重要問題。

（3）在安全方面，車聯(lián)網(wǎng)中的用戶信息都將連接在該網(wǎng)絡上，隨時隨地被感知，很容易被干擾和竊取，嚴重影響了車聯(lián)網(wǎng)體系的安全。當前車聯(lián)網(wǎng)在每一層都存在不同程度的威脅：在感知層，車輛單元（OBU）和RSU節(jié)點的物理安全、感知信息的無線傳輸;在網(wǎng)絡層，數(shù)據(jù)破壞、數(shù)據(jù)泄露、虛假信息等安全與隱私問題;在應用層，也存在身份假冒、越權操作等由于技術方面的不足或因管理不當而帶來的隱形危害。

近年來，車聯(lián)網(wǎng)在體系結構、通信以及安全方面存在的問題成為當前學術界和工業(yè)界的研究熱點，而隨著第5代移動通信（5G）的快速發(fā)展，5G移動通信網(wǎng)絡將融合大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、終端直通、認知無線電等先進技術，以更加靈活的體系結構解決多樣化應用場景中差異化性能指標帶來的挑戰(zhàn)。

5G移動通信技術在低時延、高移動性車聯(lián)網(wǎng)場景的應用，解決了當前車聯(lián)網(wǎng)面臨的多方面問題和挑戰(zhàn)，使OBU在高速移動下獲得更好的性能。而且，5G通信技術讓車聯(lián)網(wǎng)不用單獨建設基站和服務基礎設施，而是隨著5G通信技術的應用普及而普及，為車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展帶來歷史性的機遇。

5G車聯(lián)網(wǎng)特征

5G移動通信融合CR、毫米波、大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、全雙工通信等關鍵技術，顯著提高了通信系統(tǒng)的性能。在車聯(lián)網(wǎng)應用場景中，相比IEEE 802.11p標準的通信，5G車聯(lián)網(wǎng)的特點主要體現(xiàn)在低時延與高可靠性、頻譜和能源高效利用、更加優(yōu)越的通信質量。

1 、低時延與高可靠性

作為車聯(lián)網(wǎng)信息的發(fā)送端、接收端和中繼節(jié)點，消息傳遞過程必須保證私密性、安全性和高數(shù)據(jù)傳輸率，通信具有嚴格的時延限制。目前，研究的車聯(lián)網(wǎng)通信數(shù)據(jù)的密集使用以及頻繁交換，對實時性要求非常高，然而，受無線通信技術的限制（如帶寬、速度和域名等），通信時延達不到毫秒級，不能支持安全互聯(lián)需求。

5G高/超高密集度組網(wǎng)、低的設備能量消耗大幅地減小信令開銷，解決了帶寬和時延相關問題，且5G的時延達到了毫秒級，滿足了低延時和高可靠性需求，成為車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的最大突破口。在5G車聯(lián)網(wǎng)通信中，為更好地研究與應用低時延和高可靠性的鏈路特征，有文獻分析了適應于以300 km/h速度移動車輛通信的5G自適應天線，提高了OBU與基站的通信質量，降低了在信道估計與數(shù)據(jù)傳輸之間產(chǎn)生的時延。有文獻提出利用網(wǎng)絡功能虛擬化和軟件定義網(wǎng)絡技術提高5G網(wǎng)絡體系結構的靈活性，并提出實現(xiàn)低時延服務的解決方案，主要包括服務預約和配置、減少IP地址解析的時延、連續(xù)服務時延的優(yōu)化。其中，5G網(wǎng)絡服務的優(yōu)化不僅要支持當前的應用服務，而且要適應高速增長的信息量并滿足將來多樣性的服務需求，尤其是對于時延高度敏感的通信，如車聯(lián)網(wǎng)V2X通信場景，嚴格要求低時延和高可靠性，是5G網(wǎng)絡體系結構應用的顯著特點。

根據(jù)表1設置的主要參數(shù)實施基于D2D模式的V2V通信時延仿真，得到了如圖1所示的結果。隨著車輛數(shù)目的增加，端到端的通信時延基本保持平穩(wěn)狀態(tài)，而5G車聯(lián)網(wǎng)基于D2D技術將實現(xiàn)車與車、車與基站以及5G移動終端通信，其空口時延在1 ms左右，端到端時延控制在毫秒級延時性能比IEEE 802.11p標準的通信方式優(yōu)越，有效地保障了通信的可靠性。

表1 基于D2D模式的V2V通信時延仿真參數(shù)

圖1 基于D2D模式的V2V通信時延分析

2、頻譜和能源高效利用

頻譜和能源的高效利用是5G用戶體驗的一個重要的特征。5G通信技術在車聯(lián)網(wǎng)的應用，將解決當前車聯(lián)網(wǎng)資源受限等問題。5G車聯(lián)網(wǎng)的頻譜和能源高效利用主要體現(xiàn)在以下兒個方面。

1）D2D通信。在5G通信中，D2D通信方式通過復用蜂窩資源實現(xiàn)終端直接通信。5G車載單元將基于D2D技術實現(xiàn)與鄰近的車載單元、5G基站、5G移動終端的車聯(lián)網(wǎng)自組網(wǎng)通信和多渠道互聯(lián)網(wǎng)接入。通過這種方式提高車聯(lián)網(wǎng)通信的頻譜利用率，與基于IEEE 802.11p標準的車聯(lián)網(wǎng)V2X通信方式相比，減少了成本的支出，節(jié)約了能源。

2）全雙工通信。5G移動終端設備使用全雙工通信方式，允許不同的終端之間、終端與5G基站之間在相同頻段的信道可同時發(fā)送并接收信息，使空口頻譜效率提高一倍，從而提高了頻譜使用效率。

3）認知無線電。認知無線電技術是5G通信網(wǎng)絡重要的技術之一。在車聯(lián)網(wǎng)應用場景中，車載終端通過對無線通信環(huán)境的感知，獲得當前頻譜空洞信息，快速接入空閑頻譜，與其他終端高效通信。這種動態(tài)頻譜接入的應用滿足了更多車載用戶的頻譜需求，提高頻譜資源的利用率。其次，車載終端利用認知無線電技術可以與其他授權用戶共享頻譜資源，從而解決無線頻譜資源短缺的問題。

除了以上提到的頻譜和能源高效應用外，最近的相關研究表明，在不影響通信性能的情況下，5G基站的大規(guī)模天線陣列的部署有潛在的節(jié)約能源作用。其次，在車輛自組網(wǎng)中，5G車載單元及時發(fā)現(xiàn)鄰近的終端設備，且與之通信的能力也會減少OBU間通信的能源消耗。

3、更加優(yōu)越的通信質量

5G通信網(wǎng)絡被期望擁有更高的網(wǎng)絡容量并且可為每個用戶提供每秒千兆級的數(shù)據(jù)速率，以滿足QoS的要求。有文獻提出頻段為30~300 GHz的毫米波通信系統(tǒng)可為5G終端之間以及終端與基站之間以更好的通信質量進行信息交互。其中，毫米波擁有極大的帶寬，可提供非常高的數(shù)據(jù)傳輸速率，并減少環(huán)境的各種干擾，降低終端之間連接中斷的概率。

5G車聯(lián)網(wǎng)擁有比當前車聯(lián)網(wǎng)更加優(yōu)越的無線鏈路特征。

1）通信距離。5G車聯(lián)網(wǎng)V2V通信的最大距離大約為1 000 m，從而可以解決IEEE 802.11p車輛自組網(wǎng)通信中短暫、不連續(xù)的連接問題，尤其是在通信過程中遇到大型物體遮擋的NLOS環(huán)境下。

2）傳輸速率。5G車聯(lián)網(wǎng)為V2X通信提供高速的下行和上行鏈路數(shù)據(jù)速率，最大傳輸速率為1 Gbit/s。從而使車與車、車與移動終端之間實現(xiàn)高質量的音視頻通信。

3）高速移動性。與IEEE 802.11p標準通信相比，5G車聯(lián)網(wǎng)支持速度更快的車輛通信，其中，支持車輛最大的行駛速度約為350 km/h。

5G車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢與應用

將來，在5G通信網(wǎng)絡大量部署的時代，5G車聯(lián)網(wǎng)所構建的可多網(wǎng)接入與融合、多渠道互聯(lián)網(wǎng)接入的體系結構，基于D2D技術實現(xiàn)的新型V2X的通信方式以及低時延與高可靠性、頻譜與能源高效利用、優(yōu)越的通信質量等特點為車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展帶來歷史性的機遇。5G車聯(lián)網(wǎng)因為不需要單獨部署路邊基礎設施、可以和移動通信功能共享計費等，會得到快速發(fā)展，應用于高速公路、城市街區(qū)等多種環(huán)境。5G車聯(lián)網(wǎng)不僅局限于車與車、車與交通基礎設施等信息交互，還可應用于商業(yè)領域以及自然災害等場景。

在商業(yè)領域，商店、快餐廳、酒店、加油站、4S店等場所將會部署5G通信終端，當車輛接近這些場所的有效通信范圍時，可以根據(jù)車主的需求快速地與這些商業(yè)機構問建立ad hoc網(wǎng)絡，實現(xiàn)終端之間高效快捷的通信，從而可以快速訂餐、訂房、選擇性地接收優(yōu)惠信息等，且在通信過程中不需要連接互聯(lián)網(wǎng)。這將取代目前商業(yè)機構中工作在不授權頻段、通信不安全、通信質量無法保障、干擾無法控制的藍牙或者Wi-Fi通信方式，也將帶動一個新的大型商業(yè)運營模式的產(chǎn)生與發(fā)展。

毫無疑問，隨著車輛的大量普及，車輛已經(jīng)成為人在家、辦公室之外最重要的活動場合。然而，在地震、泥石流等自然災害發(fā)生地區(qū)，當通信基礎設施被破壞、無法為車載單元提供通信服務時，有相當數(shù)量的人可能是正在車輛上或正準備駕乘車輛離開，5G車載單元可以在沒有基礎設施協(xié)助的情況下，通過基于單跳或多跳的D2D方式與其他5G車載單元通信。另外，5G車載終端也可以作為通信中繼，協(xié)助周邊的5G移動終端進行信息交互。

車聯(lián)網(wǎng)正在改變?nèi)祟惤煌ê屯ㄐ欧绞?，促使車輛向網(wǎng)絡化、智能化發(fā)展。
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