張 旸 邵宏軒

1.中通服咨詢設計研究院有限公司；2.同濟大學

0 引言

根據2017年7月公安部交管局公布的汽車統(tǒng)計數據，中國機動車保有量截至2017年6月已達到3.19億輛，規(guī)模僅次于美國，我國已成為世界第二汽車大國。另據《道路交通運輸安全發(fā)展報告（2017）》，我國因交通事故死亡的人數在2016年約為6.3萬。 交通擁堵、道路安全和環(huán)境污染等一系列問題日益嚴重。

有鑒于此，車聯(lián)網領域受到了越來越廣泛的關注。國家將車聯(lián)網的發(fā)展視為實體經濟中“互聯(lián)網+”和人工智能應用的重要方面，并將智能網絡汽車作為汽車行業(yè)轉型的關鍵方向之一?！吨袊圃?025》《關于積極推進“互聯(lián)網+”行動的指導意見》和《關于印發(fā)新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知》等重要政策文件均提出要大力發(fā)展車聯(lián)網。

我國車聯(lián)網市場在國家政策的大力支持下蓬勃發(fā)展。據相關調查顯示，2025年中國車聯(lián)網市場規(guī)模預計將達2162億美元，占全球市場的1/4，年均復合增長率將近45%。

1 車聯(lián)網V2X技術簡介

車聯(lián)網（Vehicle-to-X，簡稱V2X）是以車內網、車際網和車載移動互聯(lián)網為基礎，融合了傳感器、RFID（Radio Frequency Identi fi cation ）、數據挖掘、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）交互過程中，實現(xiàn)車輛與公眾網絡的動態(tài)移動通信，是物聯(lián)網技術在交通系統(tǒng)領域的典型應用。

V2X是包括V2V（Vehicle to Vehicle 汽車對汽車通信）、V2I（Vehicle to Instruction 汽車對基礎設施通信）、V2P（Vehicle to Pedestrian汽車對行人通信）、V2N（Vehicle to Network，車與網絡通信）等應用在內的統(tǒng)稱，通過安裝在車上的通信設備與車、道路設施、人乃至網絡進行實時的數據通信，使信息終端匯集周邊信息，為出行交通提供智能決策依據。V2X 技術不僅可大幅減少交通事故、保障出行安全，而且可為智能交通、自動駕駛和下一代車聯(lián)網提供低成本、易部署的基礎支撐平臺。

圖1 中國智能網聯(lián)汽車2025年目標

圖2 V2X分類示意圖

（1）V2N在目前的車聯(lián)網場景中應用最為廣泛，功能主要為通過移動網絡使車輛和云服務器相連，進而由云服務器向車輛提供導航、娛樂和防盜等應用。

（2）V2V 主要適用于車與車之間的數據雙工傳輸。車輛可通過它實時采集周邊車輛的位置、速度、方向及告警信息等，多應用于車輛安全防撞系統(tǒng)。

（3）V2I是車輛與道路或交通燈等其他基礎設施進行通信，主要應用于車輛行駛監(jiān)控、實時信息服務和電子收費管理等。

（4）V2P是指在車載設備與行人的移動設備之間進行信息交互，主要用于車輛向非機動車、行人發(fā)送安全告警等。

根據3GPP和ETSI定義的V2X車聯(lián)網場景，從應用和時延角度可以劃分為5類業(yè)務。

表1 V2X 五類應用場景業(yè)務劃分

2 車聯(lián)網技術標準比較

目前在V2X技術領域，全球有兩大主要技術陣營，早期以DSRC（dedicated short range communication，專用短距離通信技術）為主，其已在美國開發(fā)測試多年。近年來隨著移動通信技術發(fā)展，又出現(xiàn)了C-V2X（Cellular Based V2X，即以蜂窩通信技術為基礎的V2X）技術。

DSRC技術包括三套標準：第一為IEEE 1609，即“車載環(huán)境無線接入標準系列（WAVE）”，其定義了網絡的架構和流程。第二為SAE J2735和SAE J2945，它們定義了消息包中攜帶的信息。該數據將包括來自汽車上的傳感器的信息，例如位置、行進方向、速度和剎車信息。第三為IEEE 802.11p，其工作在5.9GHz頻段，定義了汽車相關的“專用短距離通信”（DSRC）的物理標準。該標準主要由兩類設備組成：RSU（Road Side Unit，路邊設備）和OBU（On-Board Unit，車載設備）。

DSRC得到美國NHSTA（National Highway Traf fi c Safety Administration，國家高速交通安全管理局）的支持。根據NHSTA基于730萬起交通事故的統(tǒng)計和分析，通過V2X中V2V功能，可提高30%交通效率，避免近81%車輛間碰撞事故。目前多國政府已表示支持DSRC協(xié)議（基于IEEE 802.11p）：美國交通部在2016年底發(fā)布的V2X 建議規(guī)則制定公告計劃中，要求100%的新汽車在2023年底前須采用DSRC；在亞洲，日本、韓國、新加坡政府也均采用DSRC技術，并推出了相關汽車計劃時間表。中國正在對DSRC進行評估，但尚未確定統(tǒng)一的V2X標準。

C-V2X（Cellular Based V2X）是由3GPP主導的基于移動蜂窩網的車聯(lián)網專有協(xié)議。現(xiàn)階段以基于LTE網絡的C-V2X被稱為LTE-V2X，其標準已于2017年3月完成制定。

C-V2X系統(tǒng)包括2種空中接口：Uu和PC5（見圖3）。其工作場景也相應分為兩種，場景一基于蜂窩網絡覆蓋，既可以通過蜂窩網絡的Uu接口，實現(xiàn)寬頻域、長距離通信服務，也可以由PC5接口，實現(xiàn)車輛直接與周邊基礎設施進行低時延、高可靠信息交互；場景二可獨立于蜂窩網絡，在網絡未覆蓋地區(qū)借助PC5接口提供的V2X服務保證行車安全。在蜂窩網絡部署的場景中，數據通信可以靈活的在PC5接口和Uu接口之間無縫切換。

圖3 C-V2X系統(tǒng)架構

在不久的將來，LTE-V2X技術可以平滑演進到5G-V2X。5G與車聯(lián)網的結合將使車聯(lián)網擁有更加優(yōu)越的系統(tǒng)性能和彈性的體系結構。5G車聯(lián)網采用雙層網絡結構，包含宏蜂窩層和設備層。宏蜂窩層類似傳統(tǒng)蜂窩網絡，主要為基站和終端設備之間進行通訊。而設備層通信主要涉及設備到設備（D2D，device-to-device）通信，即終端之間可不借助其他網絡節(jié)點而直接交互信息，這也是5G網絡的關鍵組成部分。

圖4 5G 車聯(lián)網基于D2D的通信模式

圖4羅列了車聯(lián)網應用中5G網絡基于D2D的通信模式。D2D通信為車聯(lián)網提供了新的通信方式。在車輛移動網絡中，OBU可通過5G基站或鄰近的OBU、用戶移動終端等直接快速訪問互聯(lián)網，實現(xiàn)汽車與云服務器之間的通信；在車內網中，通過OBU，汽車與5G終端之間在沒有基站等中繼設備協(xié)助的情況下，可由自控鏈路，進行短距通信，充分實現(xiàn)用戶與車輛之間的人機交互；在D2D通信網絡中，基于單跳或多跳D2D建立的Ad-Hoc（點對點）網絡，5G車載單元可在移動網絡邊緣或信號擁塞區(qū)域實現(xiàn)車輛自組網通信。

5G移動通信融合大規(guī)模天線陣列、超密集組網、新型多址、全頻譜接入和新型網絡架構等關鍵技術，顯著提高了通信系統(tǒng)的性能。相比DSRC標準，5G車聯(lián)網的特點主要體現(xiàn)在低時延與高可靠性、高頻譜利用率及更加優(yōu)越的通信質量。表2列舉了2種技術標準關鍵參數的對比情況。

表2 5G 車聯(lián)網與DSRC 關鍵技術參數的比較

展望未來全球V2X市場，2種主流技術各有千秋。各地具體采用何種技術，受政府、通信運營商、設備商、汽車廠商等多種因素影響，就我國而言，筆者更傾向于認為將以5G-V2X技術為主導。

從產業(yè)角度，采用5G-V2X具有成本優(yōu)勢且有利于國內企業(yè)規(guī)避專利風險，DSRC網絡需要新建大量RSU（路側單元），硬件新建成本較大。5G-V2X依靠我國全球最大移動商用網絡，直接利用5G基站和頻段，組網成本明顯降低，且和手機使用相同類型的單一通信芯片組，能大大降低整合成本。在未來5G標準統(tǒng)一的情況下，車聯(lián)網相關硬件產品的生產有望實現(xiàn)標準化和規(guī)?；子谛纬沙墒焐虡I(yè)模式且成為擁有自主知識產權的通訊技術。

就技術性能而言，5G系統(tǒng)的關鍵性能指標相比DSRC技術均有較大提升。其網絡傳輸時延達到毫秒級，完全可滿足車聯(lián)網的苛刻要求，保證車輛在高速（500km/h）行駛中的安全；峰值速率可達1Gbit/s以上，連接數密度可達100萬個/km2，可滿足未來車聯(lián)網海量接入環(huán)境下的通信需求。

就國家安全而言，為確保道路交通安全和事故責任認定，當V2X信息交互時，應執(zhí)行完備的消息合法性/完整性驗證。5G-V2X可直接借助移動通信網絡定期更新設備證書，全面保障關鍵環(huán)節(jié)的信息和網絡安全。

雖然DSRC技術和產業(yè)相對成熟，具備先發(fā)優(yōu)勢，但從智能交通長遠發(fā)展角度考慮，C-V2X技術（未來平滑演進至5G-V2X）憑借多維度明顯優(yōu)勢，擁有更加光明的應用前景。

3 5G車聯(lián)網發(fā)展展望

目前，5G-V2X處于業(yè)務需求和場景確定階段。3GPP的需求組（SA1）已基本完成對5G-V2X的相關討論，并在TR22.886報告中將25個5G-V2X業(yè)務場景分成4組：車輛編隊、先進駕駛、擴展傳感器、遠程駕駛（見圖5）。

圖5 5G-V2X業(yè)務場景

3GPP需求組基于無線通信角度定義了5G-V2X業(yè)務場景的相應需求，具體如表3所示。

4 結語

表3 5GV2X業(yè)務場景對通信的需求

如何在高密度車輛場景下滿足低時延、高可靠、高速率、大容量、高安全性等需求，是5G車聯(lián)網面臨的挑戰(zhàn)，也是其相關研究的重點。

盡管車聯(lián)網有著諸多便利，車聯(lián)網通信的標準化工作也已基本完成，但是受限于現(xiàn)階段基礎通信技術瓶頸，且涉及面廣、影響面大，無論是歐美、日本等發(fā)達國家還是我國，車聯(lián)網尚處于推廣和測試階段，尚未實現(xiàn)大規(guī)模商用。而隨著通信技術與汽車工業(yè)的不斷進步，具備高速率，低延遲，高穩(wěn)定性等優(yōu)點的5G技術作為車聯(lián)網的基礎通信網絡，將使車聯(lián)網朝向更方便、快捷、安全的方向快速發(fā)展，為實現(xiàn)“中國智能網聯(lián)汽車2025”目標提供強有力的支撐。

我國應抓住5G與V2X發(fā)展的關鍵機遇，充分發(fā)揮自身制度優(yōu)勢，做好頂層設計和總體規(guī)劃，加強跨部門協(xié)調，合力推動5G-V2X產業(yè)的發(fā)展，積極促成信息通信與汽車產業(yè)的“大融合”。