5G車聯網展望

2016-09-23 06:22:04王良民劉曉龍李春曉楊睛楊衛東

網絡與信息安全學報 2016年6期

王良民，劉曉龍，李春曉，楊睛，楊衛東

（1. 江蘇大學計算機科學與通信工程學院，江蘇鎮江 212013；2. 揚州大學信息工程學院，江蘇揚州225009；3. 河南工業大學信息科學與工程學院，河南鄭州 450052）

5G車聯網展望

王良民1，劉曉龍1，李春曉2，楊睛2，楊衛東3

分析了當前結構下車聯網的功能特點，結合新興的 5G通信技術，提出了可多網接入與融合的 5G車聯網體系結構。該結構不同于基于IEEE 802.11p的車聯網VANET結構，而是采用D2D技術實現車聯網靈活的終端通信。對比了5G車聯網和基于IEEE 802.11p的VANET結構中關鍵技術參數，并分析了5G車聯網低時延、頻譜和能源的高效利用等特點以及面臨的干擾管理和安全方面的挑戰。最后，展望了5G車聯網在商業和特定環境下的應用與發展趨勢。

5G；車聯網；D2D；低時延；多網融合

1　引言

近年來，因汽車數量持續增長而引起的交通安全、出行效率、環境保護等問題日益突出，車聯網相關領域的研究和發展受到了廣泛關注。車聯網是以車內網、車際網和車載移動互聯網為基礎，融合了傳感器、RFID（radio frequency identification）、數據挖掘、自動控制等相關技術，按照約定的通信協議和標準，在車X（X：車、路、行人、互聯網）交互過程中，實現車輛與公眾網絡的動態移動通信，是物聯網技術在交通系統領域的典型應用。

在車聯網中，車輛作為移動通信設備和用戶的載體，以拓撲節點的形式組織移動網絡拓撲。由于車輛自身的移動性，車載通信具有移動區域受限、網絡拓撲變化快、網絡頻繁接入和中斷、節點覆蓋范圍大、通信環境復雜等特點［1］。根據車聯網的上述特征，當前車聯網的實施存在以下多方面挑戰和困難。

1）在體系結構方面，由于移動互聯網通信技術的快速發展，為滿足用戶的多功能體驗，車聯網的體系結構變得復雜。在車載移動互聯網中，路側單元（RSU， road side unit）作為車輛自組網（VANET， vehicular ad hoc network）無線接入點，將車輛以及道路等信息上傳至互聯網并發布相關交通信息，這種車與基礎設施（V2I， vehicle to infrastructure）的協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］。

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

3）在安全方面，車聯網中的用戶信息都將連接在該網絡上，隨時隨地被感知，很容易被干擾和竊取，嚴重影響了車聯網體系的安全。當前車聯網在每一層都存在不同程度的威脅：在感知層，車輛單元（OBU， on-board unit）和路側單元RSU節點的物理安全、感知信息的無線傳輸；在網絡層，數據破壞、數據泄露、虛假信息等安全與隱私問題［3］；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，車聯網在體系結構、通信以及安全方面存在的問題成為當前學術界和工業界的研究熱點，而隨著第5代移動通信（5G）的快速發展，5G移動通信網絡將融合大規模天線陣列、超密集組網、終端直通、認知無線電（CR， cognitive radio）等先進技術［4］，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。其中，5G通信技術在低時延、高移動性車聯網場景的應用，解決了當前車聯網面臨的多方面問題和挑戰，使 OBU在高速移動下獲得更好的性能。而且，5G通信技術讓車聯網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，為車聯網的發展帶來歷史性的機遇。

2　5G車聯網的體系結構

未來5G通信技術在車聯網場景的應用使車聯網擁有更加靈活的體系結構和新型的系統元素（5G車載單元OBU、5G基站、5G移動終端、5G云服務器等）。除了在車內網、車際網、車載移動互聯網實現V2X（X：車、路、行人及互聯網等）信息交互以外，5G車聯網還將實現OBU、基站、移動終端、云服務器的互聯互通，分別給予它們特殊的功能和通信方式。5G車聯網體系結構的特點主要體現在OBU多網接入與融合、OBU多渠道互聯網接入、多身份5G基站。

2.1OBU多網接入與融合

目前，在車聯網中，多種網絡共存，包括基于 IEEE 802.11a/b/g/n/p標準協議的 WLAN、2G/3G蜂窩通信、LTE以及衛星通信等網絡，這些網絡在車聯網通信中使用不同的標準和協議，數據處理和信息交互不完善。而5G車聯網將融合多種網絡，實現無縫的信息交互和通信切換。

5G移動通信網絡是一個包括宏蜂窩層和設備層的雙層網絡［5］，其中，宏蜂窩層與傳統蜂窩網絡相似，涉及基站和終端設備之間的直接通信。在設備層通信中，設備到設備（D2D， device-to-device）通信是5G移動通信技術的重要組成部分，是一種終端與終端之間不借助任何網絡基礎設施直接進行信息交互的通信方式［6］。根據基站對資源分配和對起始、目的、中繼終端節點的控制情況，D2D終端通信方式可分成4類［5］。

1）基站控制鏈路的終端轉發。終端設備可以在信號覆蓋較差的環境下，通過鄰近終端設備的信息轉發與基站通信，其中，通信的鏈路建立由基站和中繼設備控制，在這種通信方式下，終端設備可實現較高的服務質量（QoS， quality of service）。

2）基站控制鏈路的終端直接通信。終端之間的信息交互與通信沒有基站的協助，但需要基站控制鏈路的建立。

3）終端控制鏈路的終端轉發。基站不參與通信鏈路的建立和信息交互，源終端與目的終端通過中繼設備協調控制彼此之間的通信。

4）終端控制鏈路的終端直接通信。終端之間的通信沒有基站和終端設備的協助，可自行控制鏈路的建立，這種方式有利于減輕設備之間的干擾。

圖1展示了5G移動通信網的D2D通信方式在車聯網的應用。未來5G車聯網D2D通信技術將為車聯網提供新的通信模式。其中，在車載移動互聯網，OBU可直接通過5G基站或中繼（包括鄰近的OBU、用戶移動終端）快速接入互聯網，實現車與云服務器的信息交互；在車內網，為充分實現用戶與車輛的人機交互，以OBU為媒介，與用戶5G移動終端之間在沒有基站或其他終端設備協助情況下，通過自行控制鏈路，進行短距離的車輛數據傳輸；在基于D2D的通信網絡中，5G車載單元可在網絡通信邊緣或信號擁塞地帶基于單跳或多跳的D2D建立ad hoc網絡，實施車輛自組網通信［5］。

通過以上對5G車聯網通信方式的分析，如圖2所示，5G車聯網將改變基于IEEE 802.11p標準的車聯網通信方式，實施多實體之間（OBU之間以及OBU與車主移動終端、行人、5G基站、互聯網之間）的信息交互，實現 OBU的多網接入［2］以及車內網、車際網、車載移動互聯網的“三網融合”。

圖2　5G車聯網“三網融合”結構

圖1　5G車聯網基于D2D的通信方式

2.2多身份5G基站

傳統的基站作為終端通信的中繼，在數據轉發和鏈路控制等方面起著重要作用；而5G基站的大量部署，將實現超密集網絡，從而給予用戶精確定位、協助終端通信等功能。在基于5G毫米波的通信網絡中，D2D技術涉及終端與基站（D2B）、基站與基站（B2B）之間的直接通信［7］。其中，D2B與B2B以自組織方式通信將是一個重要的突破，這決定了5G基站將以不同的角色發揮至關重要的作用。在車聯網的應用場景，5G基站將擁有以下功能。

1）協作中繼。5G基站具備傳統基站的中繼轉發功能，作為無線接入點，協助車與互聯網通信。

2）擔當RSU。在高速運行的環境下，車輛自組網通信中的5G基站將取代RSU，與OBU實時通信，通過廣播的方式向車輛自組網中的車輛發布交通信息，并協助車與車通信以及多個車輛自組網通信。這不僅節約了車聯網體系的構建成本，而且解決了V2I協作通信系統［8］融合面臨的多方面問題［9］。

3）精確定位。GPS作為當前OBU的定位系統是非常脆弱的，容易受到欺騙、阻塞等多種類型的攻擊。并且，GPS的信號容易受到天氣影響，導致無法實施精確定位［2］。未來5G基站的大量部署使用更高的頻率和信號帶寬，實施密集網絡以及大規模的天線陣列，使OBU在NLOS復雜環境下減少定位誤差。其次，D2D通信充分利用高密度的終端設備連接的優勢，從以下兩方面提高定位性能［10］。一方面，大量的D2D鏈路可以為確定車輛之間的偽距提供信號觀測，如式（3）和式（5）所示，D2D通信不僅使OBU可以接收來自鄰近車輛和移動終端的信息，其同步和信道估計單元等信號處理的實體還可被復用于信號傳輸的延時估計。在車聯網中，D2D通信模式提供了一個網狀網絡，N個OBU構成的最大鏈路數為N（N-1）。另一方面，OBU的D2D通信鏈路為定位直接交換所需數據，可進一步加快局部決策，改進位置估計過程的收斂時間。圖3為基于D2D的協作定位系統，車載終端OBU1從基站2接收的信號為

是用來描述大尺度衰落特性的標量因子，S

為傳輸的基帶信號，c

描述信號傳輸的延遲，T

是車載終端 OBU1的時基與該協同網絡的時間偏移，

為加性高斯白噪聲。車載終端OBU1與基站2之間的偽距為

圖3　5G車聯網協作定位系統

是車載終端OBU1與車載終端OBU2之間的距離，即

則基于D2D的V2V鏈路中車載終端OBU1與OBU2之間的偽距為

2.3多渠道互聯網接入

在將來5G移動網絡通信中，文獻［5］指出5G終端通過自行控制通信鏈路建立，定期廣播身份信息，其他鄰近的終端及時發現并評估多個信道狀態信息（CSI， channel state information），自適應地選擇當前最優的信道［11］，決定建立一個5G終端之間的直接通信或選擇合適的中繼轉發消息，這種通信方式使 5G終端以最優的方式實現信息交互，同時也提高頻譜和能源的利用率。

根據5G終端高效、多樣化的通信方式，OBU可通過多種渠道接入互聯網。如圖4所示，OBU除了可按照當前車聯網的 V2I協作通信方式外，還可通過鄰近的5G基站、5G車載單元OBU和5G移動終端等多種渠道自適應地選擇信道質量較好的方式接入互聯網。

圖4　5G車聯網OBU多渠道互聯網接入結構

3　5G車聯網特征

5G移動通信融合CR、毫米波、大規模天線陣列、超密集組網、全雙工通信（FD， wireless full-duplex）等關鍵技術［4］，顯著提高了通信系統的性能。在車聯網應用場景中，相比IEEE 802.11p標準的通信，5G車聯網的特點主要體現在低時延與高可靠性、頻譜和能源高效利用、更加優越的通信質量。

3.1低時延與高可靠性

作為車聯網信息的發送端、接收端和中繼節點，消息傳遞過程必須保證私密性、安全性和高數據傳輸率，通信具有嚴格的時延限制［12］。目前，研究的車聯網通信數據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，不能支持安全互聯需求。

5G高/超高密集度組網、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，成為車聯網發展的最大突破口。在5G車聯網通信中，為更好地研究與應用低時延和高可靠性的鏈路特征，文獻［13］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據傳輸之間產生的時延。文獻［14］提出利用網絡功能虛擬化（NFV， network function virtualization）和軟件定義網絡（SDN， software defined network）技術提高 5G網絡體系結構的靈活性，并提出實現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、連續服務時延的優化。其中，5G網絡服務的優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［15］，尤其是對于時延高度敏感的通信，如車聯網V2X通信場景，嚴格要求低時延和高可靠性，是5G網絡體系結構應用的顯著特點。

根據表1設置的主要參數實施基于D2D模式的V2V通信時延仿真，得到了如圖5所示的結果。隨著車輛數目的增加，端到端的通信時延基本保持平穩狀態，而5G車聯網基于D2D技術將實現車與車、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［14］，延時性能比IEEE 802.11p標準的通信方式優越，有效地保障了通信的可靠性［2］。3.2頻譜和能源高效利用

表1　基于D2D模式的V2V通信時延仿真參數

圖5　基于D2D模式的V2V通信時延分析

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通信技術在車聯網的應用，將解決當前車聯網資源受限等問題。5G車聯網的頻譜和能源高效利用主要體現在以下幾個方面。

1）D2D通信。在5G通信中，D2D通信方式通過復用蜂窩資源實現終端直接通信。5G車載單元將基于D2D技術實現與鄰近的車載單元、5G基站、5G移動終端的車聯網自組網通信和多渠道互聯網接入。通過這種方式提高車聯網通信的頻譜利用率［16］，與基于 IEEE 802.11p標準的車聯網V2X通信方式相比，減少了成本的支出，節約了能源。

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［17］。

3）認知無線電。認知無線電技術是 5G通信網絡重要的技術之一［18］。在車聯網應用場景中，車載終端通過對無線通信環境的感知，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基站的大規模天線陣列的部署有潛在的節約能源作用［19～21］。其次，在車輛自組網中，5G車載單元及時發現鄰近的終端設備，且與之通信的能力也會減少OBU間通信的能源消耗。

3.3更加優越的通信質量

5G通信網絡被期望擁有更高的網絡容量并且可為每個用戶提供每秒千兆級的數據速率，以滿足QoS的要求。文獻［7］提出頻段為30～300 GHz的毫米波通信系統可為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，可提供非常高的數據傳輸速率，并減少環境的各種干擾，降低終端之間連接中斷的概率。

表2是5G車聯網與基于IEEE 802.11p標準的車聯網在VANET關鍵技術參數方面的比較［2］，結果表明，5G車聯網擁有比當前車聯網更加優越的無線鏈路特征。

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

2）傳輸速率。5G車聯網為V2X通信提供高速的下行和上行鏈路數據速率（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車聯網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。

4　挑戰

5G車聯網將先進的5G通信技術應用在車聯網領域，改善了傳統車聯網的通信方式、通信質量，優化了車聯網的體系結構，為車聯網發展帶來了重大變革，但5G車聯網也面臨著重大的挑戰，主要體現在干擾管理、通信安全和駕駛安全3個方面［5］。

表2　5G車聯網與當前車聯網在VANET關鍵技術參數的比較

4.1干擾管理

對于有限資源的高效利用，資源復用和密集化被應用于5G蜂窩網絡，盡管可以增加信號容量和吞吐量并額外地提高宏蜂窩與局域網絡的資源共享，但這些優點出現的同時卻產生了同信道干擾問題。因此，作為二元體系［5］的5G移動通信網絡，干擾管理是個重要問題。

基于 D2D技術的基站控制通信鏈路的終端直接通信以及終端作為中繼的通信方式，基站可以進行資源分配和鏈路管理，并實施集中化的管理方法減輕干擾問題［22］。但對于將來的5G車載單元之間的直接通信，在沒有基站作為中繼或者管理鏈路的情況下，5G車聯網通信中的干擾不可避免［23］。

表3分析了在5G移動通信網絡與基于D2D通信網絡中的干擾管理方法及其特點。為了處理將來5G移動通信網中的干擾問題，文獻［24］提出了2種技術：先進的接收機技術和聯合調度技術。其中，先進的接收機技術不僅處理了位于小區邊緣的小區之間的干擾，而且在大規模多輸入多輸出（MIMO， multiple-input multiple-output）狀況下，也解決了小區內的干擾。聯合調度技術被廣泛應用于蜂窩系統和鏈路多變網絡的干擾管理。但在多點協作機制中，傳輸速率和多小區的傳輸方案不能自行控制，在實現快速的網絡分布和互聯互通時，利用聯合調度實施先進的干擾管理方案需要5G通信系統嚴格規定。

針對5G終端之間基于D2D通信網絡中產生的干擾，文獻［25］提出了 2種資源分配方法：一種是在D2D與其他終端設備之間分配正交資源，這是一種靜態分配方法；另一種是在D2D與其他終端設備之間分配并行資源，這是一種動態分配方法，可以更高效地使用無線電資源，但它可能會帶來新的干擾問題。針對車聯網中基于D2D的

V2X通信場景中產生的干擾問題，文獻［2］提出一種基于CR的資源配置方案，這種方法有效使用空白頻譜，不僅提高頻譜和能源的利用效率，而且不會產生新的干擾問題。當通過控制功率來處理基于D2D的V2V通信場景中產生的干擾問題時，為了不對車載移動通信網中 OBU或者其他蜂窩用戶通信產生嚴重干擾，基于 D2D通信的OBU需要檢測在每個信道上相應的功率值。當OBU復用蜂窩通信用戶的上行通信鏈路資源時，其發射功率應滿足

總之，在基于D2D的V2X通信場景中，要從各個角度充分考慮干擾管理問題，適當地選擇復用信道并遵守以下原則：1）處理由D2D通信鏈路產生的干擾，要確保蜂窩用戶能夠滿足自身SINR的需求；2）確保由蜂窩用戶產生的干擾對基于D2D的V2X通信鏈路影響盡可能地小［26］。

4.2安全通信和隱私保護

表3　5G通信干擾管理方法分析

在車聯網發展的過程中，安全作為一項重要挑戰一直備受關注。在當前的車聯網通信中存在嚴重的安全問題，例如，在VANET中可能存在惡意的車輛，這些惡意的車輛發送虛假信息欺騙其他車輛，造成車輛信息和車主隱私信息的泄露，另外，一些惡意的車輛還會偷竊多個身份，偽造交通場景，影響交通秩序、破壞網絡正常運行，威脅用戶生命財產安全，因此安全認證和隱私保護是車聯網發展的焦點問題。

為了支持數據流量的不斷增加，5G無線通信網絡需要更高的容量和高效的安全機制。而在5G網絡通信體系中，終端用戶和不同的接入點之間需要更加頻繁的認證以防止假冒終端和中間人的攻擊。5G車聯網的用戶和車輛相關數據的傳輸需要經過其他車載單元、移動終端以及基站，因此，必須采取有效措施保證通信的安全性和數據的完整性。為了解決車聯網通信中所面臨的安全問題，早期提出了一些安全認證方案，包括基于公鑰基礎設施（PKI， public key infrastructure）的認證［27］、基于身份簽名（identity-based signature）的認證［28］、基于群簽名（group signature）的認證［29］、基于保密的訪問控制［30］等。近期，針對5G安全通信問題，文獻［15］提出將SDN技術用于5G移動通信網絡，其中，SDN的主要特點是將網絡控制面與數據面分離，促進5G網絡智能化和可編程性，實現高效的安全管理。文獻［31］研究了用于控制ad hoc D2D網絡并在ad hoc環境下基于群密鑰協商方法管理群密鑰的ad hoc D2D協議。此外，為了在竊聽者存在的場景下提高可靠的傳輸速率，文獻［32］研究了一種用于D2D無線通信中設備自適應地選擇協作通信機制和基于協作架構的最優功率分配的分布式算法。

在 5G車聯網復雜的通信過程中必須實施多方安全認證。如圖6所示，5G車聯網實施的多方安全認證主要包括車內無線局域網中用戶移動終端與5G車載單元OBU的強安全認證，車際網中車與車之間、車與行人之間、車與中繼（5G移動終端或者車載單元）之間以及車與 5G基站之間的安全認證。

在保證通信安全過程中，駕駛人員更關心的是隱私的安全性，這關系到車聯網能否被市民接受并廣泛使用。在通信過程中，車輛無線信號在開放的空間中傳輸，容易被竊取并暴露車輛和用戶的身份，若車內數據總線網絡遭入侵，可能造成不可預估的災難，如何保障用戶和車輛的隱私安全，成為近年來的研究熱點。除了使用近期提到的匿名算法，如采用動態匿名方案［33］，OBU在一定時間間隔或當車輛進入不同區域后都要更換匿名，排除通過對匿名收集、分析而捕獲車輛真實身份的攻擊。考慮到5G車聯網多種異構網絡的存在，將會出現新型的安全通信與隱私保護協議［2］。文獻［15］研究了在5G終端通信中利用SDN技術，根據數據流的敏感度級別，為數據流選擇多種傳輸路徑，在接收端，只有接收者可以用私人密鑰解密并重組來自多個網絡傳輸路徑的數據流，從而避免隱私在無線接入點泄露。

隨著計算機的計算能力不斷突破，尤其是量子技術的逐漸成熟，傳統基于計算能力的高層加密技術變得不牢靠。基于香農信息論的物理層安全技術對計算復雜度依賴性低，竊聽者即使擁有較強的計算能力也不會對系統的安全性能產生巨大的影響。隨著物理層安全研究的不斷深入，較強的抵制竊聽能力使其成為高層加密安全的一種有效補充，進一步增強通信系統的安全性。系統的保密容量 CS可以表示為用戶信道容量與竊聽用戶信道容量之差

圖6　5G車聯網多方安全認證

其中，物理層安全技術在車聯網安全通信系統中同樣發揮著重要的作用。車聯網通信中多個竊聽者的存在以及車輛節點在通信網絡中快速地連通與中斷，使安全密鑰分發與管理成為亟待解決的問題。針對該問題，本文認為可以采用一種基于物理層安全的密鑰分發方法，將密鑰分發和傳輸安全車載數據分離。在密鑰分發階段，采用相應的物理層安全方案來最大程度確保密鑰分發信道的安全性。當密鑰分發完成后，利用分配的密鑰對車載數據進行加密后傳輸，該方案可以保證密鑰分發過程的安全性。

在 5G車聯網通信系統中，物理層安全通過融合5G先進技術保證數據的機密性和可靠性，其中異構網絡、大規模多輸入多輸出（MIMO，multiple-input multiple-output）、毫米波通信技術在物理層安全有巨大的應用前景。

1）5G車聯網中，車輛作為異構網絡中設備層的節點可通過 D2D通信鏈路與其他設備直接通信或通過中繼節點實施多跳通信。在異構網絡設備層通信模式下，鄰近的車輛以及其他終端節點都可能是潛在的竊聽者，為保證通信數據的安全性，一方面要充分考慮非目的車輛和設備節點的相關物理層特性，另一方面需要確立D2D通信最優的中繼選擇方案，充分考慮可靠的安全通信機制。其中，可以使用基于可信設備列表的封閉式接入方法來保證車輛和設備節點數據在交換過程中的安全性，但由于高速運行的車輛節點需要在有效的通信范圍內快速建立連接并進行大文件傳輸，還要充分考慮通信時延和中斷概率。此外，在異構網絡中，基站作為車聯網重要的路邊基礎設施，其適當的部署密度可優化保密速率。

對于車聯網物理層安全的評估，本文考慮如圖7所示的基于D2D的V2V通信異構網絡物理層安全系統模型，該模型所示的車聯網場景中N個蜂窩用戶（主要包括手機移動終端和車載終端）集合為它們利用不同的信道通信，其中，基于D2D的V2V通信鏈路被竊聽者（惡意的車輛或者個人）竊聽。是V2V通信鏈路的發射功率，是由V2V通信鏈路的發送端到接收端的信道增益，為基于D2D的V2V通信鏈路的發送端到竊聽者的信道增益，是基站發到竊聽者的信道增益，為從基站到基于D2D的V2V通信接收端的信道增益，竊聽者接收的信號為

圖7　V2V通信異構網絡物理層安全系統模型

竊聽信道的信道容量為

基于D2D的V2V通信鏈路的保密容量為

當系統中不存在基于D2D的V2V通信用戶對時，蜂窩用戶不會與其他的用戶共享信道資源，則蜂窩用戶的保密容量為

圖7中異構網絡系統的保密容量為

通過構造Stackelberg博弈框架，考慮對基于D2D的V2V通信的物理層安全需求和干擾支出，可對V2V通信進行優化［34］。V2V通信用戶的效應函數表示為

其中，α是價格因子。

針對圖7的異構網絡安全評估模型和不存在基于D2D的V2V通信鏈路的系統模型的保密容量進行仿真，其中，本文只考慮路徑損耗，忽略小尺度的衰落，竊聽者與基站之間的距離設置為60 m，仿真結果如圖8和圖9所示。從結果可以看出，在沒有基于D2D的V2V的通信鏈路狀況下，隨著蜂窩用戶（包括車載終端和移動終端用戶）的增加，系統的保密容量也增大。而對于圖7所示的存在蜂窩用戶和基于D2D的V2V通信鏈路的異構網絡系統模型，假設存在蜂窩用戶數量為30，仿真結果表明，系統的保密容量隨V2V用戶對數量的增加而增長，當V2V用戶對數量增長到一定程度時，系統的保密容量將達到最大值。從圖8和圖9仿真結果的對比可以得出，D2D通信鏈路對于增加系統的保密容量發揮重要作用。本文通過參照圖中保密容量最大值對應的用戶數量部署車聯網系統，盡可能增加系統的保密容量。

圖8　對不存在基于D2D的V2V通信鏈路的系統保密容量仿真結果

圖9　基于異構網絡系統的保密容量仿真結果

2）大規模 MIMO系統可通過以下兩方面保證車聯網物理層安全性能：一方面通過降低傳輸功率，進一步降低竊聽車輛和設備節點的 SINR，從而減少竊聽節點的信道容量［35］；另一方面，根據車輛節點物理層特性，適當地增加人工噪聲干擾竊聽節點的信號接收，從而提高物理層安全性能。

3）毫米波通信技術應用于車聯網短距離通信場景，可給予車聯網較大的帶寬［36］，由于毫米波的短距離傳輸，利用窄波速的定向通信抑制相鄰車輛和設備節點的干擾，鄰近竊聽節點的SINR可能會降低。

正是由于多異構網絡融合以及靈活的終端通信，使5G車聯網在安全通信方面的保障不同于當前車聯網。5G車聯網不僅通過技術的創新解決OBU多功能實施帶來的安全隱患，并且在出現網絡異常或者入侵時，利用網絡隔離原理及時地在車載移動互聯網與VANET之間切換，從而切斷OBU的互聯網連接，阻止網絡的入侵，并通過VANET中鄰近的OBU或者5G移動終端等其他渠道接入互聯網，維持與互聯網的通信。通過這種車輛自組網和車載移動互聯網無縫的切換，實現了OBU與互聯網安全通信和信息交互。

4.3安全駕駛

車聯網重要應用之一就是交通安全，而駕駛行為分析和預測是安全保障的基礎，如何對運動軌跡預測并建模是提高交通安全的關鍵問題。雖然車聯網中網絡拓撲頻繁變化，數據海量遞增，但車輛運動受道路拓撲、交通規則和駕駛者意圖的限制，為行為預測提供了可能性。文獻［37］研究了VANET中存在的社會特性，發現VANET是擁有小型世界現象和高聚集效應的網絡，處于同一個社會網絡中的任意節點可以通過不超過 3跳的最短路徑達到另一節點。而5G會推動車聯網規模的發展，加劇了車聯網的這種社會效應。

車聯社會網絡（VSN， vehicular social network）中節點的活動規律能夠在車聯網行為預測中發揮作用。反之，車聯網中的移動模型、社會應用、感知計算模型和用戶行為預測模型也為VSN提供支持和反饋。通過對大規模OBU數據的挖掘和分析，提取有應用價值的社群交互特征信息，VSN能夠對一些交通問題和車輛安全問題提供有力的支持，如預計道路車流量、預測交通堵塞地段、主動安全等［38］。

在對駕駛行為的建模和預測中，數據來源和數據挖掘是首要問題，也是安全系統應用的瓶頸。目前，車輛行駛軌跡數據獲取的主要來源是基于歷史數據的預測，而歷史數據必須準確且具有時效性。但現有VANET環境下的方法無法滿足獲取運動軌跡的精度要求（包括位置精度和時間精度），5G車聯網中采用D2D通信方式，可為每個用戶提供每秒千兆級的數據速率以滿足QoS的要求，空口時延在1 ms 左右、端到端時延限制在毫秒級的實現，極大程度上保證了時間精度，同時，基于5G基站的精確定位將位置精度控制在允許范圍內，解決了預測模型中的數據來源問題。目前，針對車聯網數據挖掘，并沒有太多的算法和技術提出，車聯網數據處理的關鍵是在對海量數據（TB級）進行挖掘時，要保證當前數據流（平均數萬條/秒）的高速可靠寫入，如何快速對讀取的數據進行分析、建模、預測，是未來研究的重要方向。

5　5G車聯網發展趨勢與應用

將來，在5G通信網絡大量部署的時代，5G車聯網所構建的可多網接入與融合、多渠道互聯網接入的體系結構，基于 D2D技術實現的新型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、優越的通信質量等特點為車聯網的發展帶來歷史性的機遇。5G車聯網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，會得到快速發展，應用于高速公路、城市街區等多種環境。5G車聯網不僅局限于車與車、車與交通基礎設施等信息交互，還可應用于商業領域以及自然災害等場景。

在商業領域，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，可以根據車主的需求快速地與這些商業機構間建立ad hoc網絡，實現終端之間高效快捷的通信，從而可以快速訂餐、訂房、選擇性地接收優惠信息等，且在通信過程中不需要連接互聯網。這將取代目前商業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運營模式的產生與發展。

毫無疑問，隨著車輛的大量普及，車輛已經成為人在家、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生地區，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，協助周邊的5G移動終端進行信息交互。

6　結束語

車聯網正在改變人類交通和通信方式，促使車輛向網絡化、智能化發展。本文分析了當前車聯網面臨的問題，將5G通信技術應用于車聯網場景，提出了新型5G車聯網體系結構。系統介紹了5G車聯網獨有的特點，并客觀分析了5G車聯網中仍需解決的問題，力圖展示 5G車聯網的未來趨勢，為車聯網研究提供方向。相信5G車聯網的研究可以促進社會的巨大演進，使人類社會更加方便、安全、快捷、高效。

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Overview of Internet of vehicles for 5G

WANG Liang-min1， LIU Xiao-long1， LI Chun-xiao2， YANG Jing2， YANG Wei-dong3

（1. School of Computer Science and Communication Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang 212013， China；2. School of Information Engineering， Yangzhou University， Yangzhou 225009， China；3. School of Information Science and Engineering， Henan University of Technology， Zhengzhou 450052， China）

The functions and characteristics of current IOV（Internet of vehicles）Internet of vehicles were analyzed. Moreover， combined with 5G communication technology， the architecture of IOV for 5G was proposed to implement access and integration of multi-network. Different from the IEEE 802.11p based architecture of VANET， device-to-device （D2D）technology was introduced to achieve flexible terminals communication of IOV. In comparing with VANET based on IEEE 802.11p in terms of key technology parameters， the IOV for 5G possesses the better characteristics in terms of low latency and efficient spectrum utilization， and also need to face new interference management and security challenges. At the end， the application and development trends of IOV for 5G in the business and the specific environment were prospected.

5G ， Internet of vehicles， D2D， low latency， integration of multi-network

TP393

10.11959/j.issn.2096-109x.2016.00064

2016-05-14；

2016-06-04。通信作者：王良民，wanglm@ujs.edu.cn

國家自然科學基金資助項目（No.61472001， No.U1405255）；江蘇省重點研發計劃基金資助項目（No.BE2015136）

Foundation Items： The National Natural Science Foundation of China（No.61472001， No.U1405255）， The Key Research and Development Plan project of Jiangsu Province （No.BE2015136）