5G+V2X：信息通信與汽車產業的“大融合”

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、道路安全和環境污染等一系列問題日益嚴重。

有鑒于此，車聯網領域受到了越來越廣泛的關注。國家將車聯網的發展視為實體經濟中“互聯網+”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轉型的關鍵方向之一。《中國制造2025》《關于積極推進“互聯網+”行動的指導意見》和《關于印發新一代人工智能發展規劃的通知》等重要政策文件均提出要大力發展車聯網。

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

1 車聯網V2X技術簡介

車聯網（Vehicle-to-X，簡稱V2X）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 Identi fi cation ）、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。

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網提供低成本、易部署的基礎支撐平臺。

圖1 中國智能網聯汽車2025年目標

圖2 V2X分類示意圖

（1）V2N在目前的車聯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。

（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、行人發送安全告警等。

根據3GPP和ETSI定義的V2X車聯網場景，從應用和時延角度可以劃分為5類業務。

表1 V2X 五類應用場景業務劃分

2 車聯網技術標準比較

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，其已在美國開發測試多年。近年來隨著移動通信技術發展，又出現了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協議（基于IEEE 802.11p）：美國交通部在2016年底發布的V2X 建議規則制定公告計劃中，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網專有協議。現階段以基于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，實現寬頻域、長距離通信服務，也可以由PC5接口，實現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與車聯網的結合將使車聯網擁有更加優越的系統性能和彈性的體系結構。5G車聯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 車聯網基于D2D的通信模式

圖4羅列了車聯網應用中5G網絡基于D2D的通信模式。D2D通信為車聯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網，實現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助的情況下，可由自控鏈路，進行短距通信，充分實現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域實現車輛自組網通信。

5G移動通信融合大規模天線陣列、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的性能。相比DSRC標準，5G車聯網的特點主要體現在低時延與高可靠性、高頻譜利用率及更加優越的通信質量。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。

從產業角度，采用5G-V2X具有成本優勢且有利于國內企業規避專利風險，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標準統一的情況下，車聯網相關硬件產品的生產有望實現標準化和規模化，更易于形成成熟商業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，可滿足未來車聯網海量接入環境下的通信需求。

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，全面保障關鍵環節的信息和網絡安全。

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

3 5G車聯網發展展望

目前，5G-V2X處于業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業務場景

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

4 結語

表3 5GV2X業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車聯網面臨的挑戰，也是其相關研究的重點。

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

我國應抓住5G與V2X發展的關鍵機遇，充分發揮自身制度優勢，做好頂層設計和總體規劃，加強跨部門協調，合力推動5G-V2X產業的發展，積極促成信息通信與汽車產業的“大融合”。