V2X 車聯網關鍵技術研究及應用綜述

繆立新，王發平

（1.清華大學 深圳研究生院 物流與交通學部，廣東，深圳 518055；

2.清華大學 深圳研究院 物流與交通學部 交通研究所，廣東，深圳 518055）

1 國內外智能網聯汽車研究和應用進展

車聯網技術是物聯網技術在汽車及交通行業的一種細分應用，也是綜合利用通信技術、控制技術、系統工程技術、高精度定位技術以及信息安全技術，實現車與車、車與人、車與路以及車與城市基礎設施之間智能互聯的一種物聯網應用技術[1]。

通信技術的快速發展和進步推動了車聯網技術的進步，自20 世紀70 年代第1 代移動通信技術誕生以來，先后經歷了2G、3G、3.5G、3.75G 和4G通信技術的研究及商業應用，目前，5G 技術也即將走向商業應用，如圖1 所示。

車聯網主要有兩個技術發展方向：（1）車載通信及網絡，包含了車載自組網（Vehicular Ad Hoc Network，VANET）[3]、2G、3G、4G、專用短程通信（Dedicate Short Range Communication，DSRC）、LTE-V 和即將商用的5G 通信技術，以及車載移動互聯網（Mobile Vehicular Internet）。（2）車輛智能化技術，就是依靠車載通信技術集成外部環境、駕駛技術和車載智能系統于一體的新型聯網智能技術，可以帶來更加安全、便捷、高效的出行體驗[4-6]。基于傳統通信技術，車聯網先后實現了人工呼叫中心、E-Call、 B-Call 和Telematics 遠程控制的應用，此后發展到車載無線熱點作為中繼的VANET，然而VANET 網絡覆蓋的范圍有限，信號在城市環境下也存在較大的衰減，沒有規模化商用。隨著通信技術的進一步提速，DSRC 技術在歐美問世，20 世紀90 年代中期美國便率先在交通領域大力推動DSRC技術商用，并頒布了DSRC 通信的準用頻譜用于智能交通系統的聯網應用，車聯網技術進入了一個新階段。2013 年以來，美國在網聯化人車交互技術、自然語言處理、機器學習、深度學習、環境交互等方面取得豐碩成果，英特爾、高通、微軟、亞馬遜、Google、蘋果等企業已經在智能網聯技術方面研究頗深，分別在芯片、算法、控制、通信模組、移動計算、無人駕駛技術等方面均有所突破，涌現出以Tesla、Google、Mobileye 為代表的先進汽車智能化技術，汽車也能像移動互聯網手持設備一樣實現空中下載技術（Over-the-Air Technology，OTA），推動了全球汽車工業率先走向聯網智能時代。

2004 年歐盟啟動了NoW（Network on Wheel）項 目， 涵 蓋CVIS、SAFESPORT、 COOPERS、PReVENT、SeVeCOM 等基于網聯的智能交通技術，推動了歐洲車聯網技術研究及應用的快速發展[7]。20世紀70年代始，日本先后發展了導航系統智能化、自動收費系統、安全駕駛輔助系統、交通管理最佳化、提高道路管理效率、公共交通輔助、提高商用車效率、行人等輔助救援、救援車輛運行輔助等聯網交通應用系統[8]。

2010 年9 月，在中國無錫舉行的世界物聯網大會上，與會者指出“車聯網將形成巨大的新興產業”，這標志著我國車聯網產業的誕生。2018 年底，中華人民共和國工信部正式頒布了5.905 ～5.925 GHz專用頻段用于智能網聯汽車產業化應用，并支持向5G 標準的演進，因此，中國有望真正實現移動設施的超大帶寬及低延時可靠通信，支持移動終端的海量聯接，推動車聯網的研究和規模化應用并向全自動駕駛能力演進[9]。

2 V2X 車聯網核心技術研究綜述

2.1 V2X 通信技術的研究和應用

傳統的V2X 通信主要以歐洲、美國以及日本推行的DSRC 技術為主，該技術基于IEEE802.11 協議擴充的IEEE802.11p 協議，又稱車輛環境中的無線接入（Wireless Access in the Vehicular Environment，WAVE），主要應用于車輛之間的無線通信[10-15]。在 北 美，FCC 授 權5.850 ～5.925 GHz 頻 段 作 為V2X 通信專有頻段，日本分別授權了5.79 ～5.81 GHz 和5.83 ～5.85 GHz 作為V2X 通信專有頻段，而歐洲則采用了5.795 ～5.815 GHz 頻段作為V2X專有通信頻段（圖2），這為全球車聯網產業應用奠定了基礎。由我國大唐電信和華為公司參與擬定的3GPP 標準Release14.0 中明確規定了LTE-V 的應用場景，而且工信部于2018 年8 月5 日首次將5.905 ～5.925 GHz 頻段作為LTE-V2X 車聯網試點應用頻段[14-15]。

圖2 車載專程通信全球頻譜劃分

圖3 LTE-V 通信的網絡架構

由華為公司研發的LTE-V 芯片以及網絡側設備路側單元（Roadside Unit，RSU）已經在全球各地進行了測試研究及應用示范，正走向規模化商用。LTE-V 技術采用廣域蜂窩式（ LTE-V-Cell）通信與短程直通式（LTE-V-Direct ）通信相結合的方式，前者基于現有的4G-LTE 技術，主要承載廣域覆蓋的車聯網業務，后者引入LTE-D2D（Device to Device）實現車對車（Vehicle- to-Vehicle，V2V）、車輛對基礎設施（Vehicle-to-Infrastructure，V2I）的直接通信，底層芯片具備車-車間的直接通信功能，實現了高速移動情況下車輛之間的低延時及安全通信的要求。LTE-V-Cell 和近程通信分別是基于4G-LTE 宏站的集中式網絡架構和基于LTE-V-Direct的分布式網絡架構，從而實現了廣播信息發布功能，如圖3 所示[16]，這樣既節省了專有LTE-V 基站的投資，又充分復用了現有4G-LTE 網絡覆蓋，提升了V2X 規模產業化的可能性。LTE-V 通信制式與其它通信制式的性能比較見表1。

第5 代移動通信技術商用將推動車聯網技術前所未有的突破，因為其具有如下特性：（1）移動超寬帶接入，最高峰值速率可以達到10 GHzbps 以上，用戶可按需接入而不用擔心傳輸帶寬的問題。（2）5G 技術具備更低的傳輸時延，空口延時可以小于1 ms，用戶可以實現無感接入和下載。（3）5G 技術支持海量設備到設備（Device-to-Device，D2D）通信，從而促進物聯網產業飛速發展。（4）支持電信級安全接入，可靠度可達10-10。LTE-V 技術支持向5G 技術的平滑演進，面向5G-V2X 的車聯網將隨著5G 通信技術的商用激發出更多價值場景，推動汽車移動互聯網呈指數級發展[17]。

表1 LTE-V 通信制式與其它通信制式的性能比較

2.2 基于V2X 的網聯智能技術研究及應用

汽車主動安全技術是汽車產業的核心，全世界每年交通事故導致的傷亡人數在125 萬人左右，平均每天高達3 500 人左右[18]。車聯網技術的發展首先在于提升車輛的安全性及主動安全功能，降低交通事故率。在美國、歐洲、日本等汽車發達國家和地區，正在對基于車輛與路側單元（Vehicle to Roadside Unit，V2R）通信和V2V 通信的網聯式駕駛輔助系統進行應用開發和大規模測試。通過示范研究測試表明：V2X 車聯網技術可以減少80%左右的道路交通事故，預計到2040 年美國90%的輕型車輛將安裝基于DSRC 的專用短距離通信系統。近年來，我國的交通安全問題也得到了國家的高度重視，“兩客一危”均按照強制要求安裝車聯網信息終端。2017 年以來，工信部、交通部和公安部在全國相繼批準多個測試區以推動LTE-V2X 車聯網技術的研究和應用示范[19-22]。

LTE-V2X 車聯網技術對解決超視距范圍交通事件探測（V2I），遮擋極惡劣條件下汽車防撞（V2V）等安全問題效果明顯，所以V2X 技術與整車控制技術、信息安全技術以及人工智能技術的融合，將是車聯網發展的主要方向。表2 所示為3GPP 標準中擬定的27 個標準場景，據美國NHTSA 機構預測，這些場景的應用對提升道路安全有著非常明顯的效果，預計可以降低83%左右的道路交通事故死亡率、76%的道路交通事故發生率、27%的闖紅燈安全隱患率[23-24]，具體的統計分析如圖4 所示。

圖4 NHTSA 預測V2X 提升道路安全統計分析

2018 年9 月15 ～18 日，世界物聯網大會在中國無錫召開。在此期間，大會發布了由公安部交通科學研究所、中國移動研究院、華為公司、江蘇天安智聯科技股份有限公司、無錫市公安局交通警察支隊和中國信息通信研究院等6 家單位發起的LTE-V2X 車聯網示范基地項目的階段性成果。具備雙模功能的LTE-V-Cell 及LTE-V-Direct 通信能力的中國自主知識產權芯片成功搭載應用，實現了車-車雙向1 000 m 以內的V2V 廣播通信，用于前向碰撞預警、盲區預警等車-車協同功能，同時對無錫市240 個交通路口，逾170 km2的道路信號燈進行改造，安裝LTE-V RSU 基站，實現了交通路口紅綠燈信號的廣播通信，降低了闖紅燈事故發生概率，通過車輛與信號燈聯動，實現綠波信號提示、車速推薦等功能。該項目對表2 中3GPP 定義的場景之外進行了成功示范，還針對駕駛過程中行車前、行車中、行車后進行了場景示范和應用，是全球首例在城市公共道路上進行的LTE-V2X 功能示范。不但有效地提升了交通通行效率、降低了交通事故發生概率，促進了節能減排及智能交通的產學研應用，而且還是我國車聯網技術從實驗室走向示范區乃至規模化商用的重要里程碑。

表2 3GPP 定義的車聯網標準應用場景

2.3 面向5G-V2X 車聯網芯片技術

汽車高性能芯片是智能網聯汽車的中樞神經系統，當前汽車普遍搭載微控制單元（MCU）用于車身電子、底盤電子以及智能座艙的子系統運算控制，汽車行駛中的安全控制等。未來面向汽車移動互聯網應用場景下，高安全、實時性、高并發、多線程、超大運算能力的移動車載芯片是智能控制的核心。如圖5 所示的NXP S32 平臺具備超強計算能力，可以支持毫米波雷達、單/雙目攝像頭、激光雷達（8線/16線/64線）、紅外夜視系統等多種主動安全系統，以及具有感知探測和計算能力，且能在較短時間內（約50 ms）完成計算并輸出系統決策指令，在用于智能網聯駕駛的同時可向無人駕駛技術演進[23-24]。

圖5 NXP S32 汽車計算平臺

根據咨詢公司Strategy Analysis 的研究可知，芯片在汽車中的價值從2000 年的250 美元飆升至2017年的350 美元，近三年全球車用芯片市場正以超過年復合率30%的速度增長，智能網聯技術是車載芯片的重要應用領域。英特爾、高通、博通、英偉達、NXP 等國際芯片廠商均已開展核心技術研究[25]，并占據了市場的核心地位。當前全球汽車芯片市場占有率情況見表3。

表3 網聯汽車芯片市場

車聯網技術研究和應用成為全球汽車工業界競相投入的領域，全球十大車企中有9 家發展了基于車載芯片技術的車聯網業務，從傳統的Telematics領域擴展到智能座艙，再到以人的體驗為主的車載信息娛樂（In-Vehicle Infotainment，IVI）和移動助理服務，以增強車企與用戶之間的聯系。奧迪、奔馳、福特、豐田已連續數年推出了相關產品與應用。隨著LTE 技術的發展，并逐漸向5G 演進，將激發車聯網研究和應用煥發新的活力[26-27]。

未來，汽車芯片將在通信、控制、定位、運算等功能的基礎上，逐漸向人工智能領域推進。國內以華為為代表的ICT 廠商已設計出7 nm 的具備人工智能的汽車芯片，并將以人工智能技術為基礎逐漸向認知化發展，使汽車可以像人一樣具備記憶、偏好、認知、決策、思想等能力，在滿足車規及更高的環境服役性要求下，達到融合功能安全、網絡安全和隱私保護的能力，構筑分布式車載超大規模運算的神經網絡，促進汽車向人類的伙伴加速邁進。

2.4 車聯網實時操作系統技術研究及應用

操作系統一直是智能設備運行的核心，微軟曾經以Windows 系統引領了整個PC 互聯網時代的發展，全球90%以上的PC 終端搭載微軟操作系統。如果說互聯網時代的網絡節點是PC，傳輸通道靠以太網，那么移動互聯網時代的節點就是智能手機，傳輸通道變成了移動通信網絡。蘋果IOS 系統開創了移動互聯網時代，Android 又以其開源生態和便捷開發迅速占領了80%以上的移動互聯網市場。對于車聯網來說，只是把網絡節點從傳統的PC、智能手機轉移到了電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU），車載自動診斷系統 （On-Board Diagnostics，OBD），平視顯示器（Head Up Display，HUD）這些車載電子設備，車聯網依賴于移動通信網絡聯接各種互聯應用。因此，從本質上看，車聯網是移動互聯網的延伸，區別在于車聯網應用須去APP 化，以提升人機交互過程中的安全性。這需要依賴先進的自然語言處理、姿態感知等技術來實現以安全駕駛為前提的互聯網接入服務，從而代替人的手工操作。

汽車移動互聯網應用的核心是安全。首先，車輛正在從傳統的交通工具向移動“伴侶”和“助理”轉變，由國內外相關研究可知，釋放人手，減少或摒棄手工操作才能使APP 應用有效地提升駕駛安全。其次，網聯汽車要成為移動互聯網的另外一個應用引擎，那么汽車產業鏈的全生命周期服務須從傳統的門店服務向在線的數字化服務轉型，這將激發大量的在線應用程序誕生，操作系統是互聯網生態的基石。由此可見，實時車載操作系統是呼之欲出的技術，直接決定著汽車是否能夠真正邁入移動互聯網時代，汽車操作系統須滿足以下幾個特性。

2.4.1 實時性

汽車高速行駛狀態下的控制策略一旦出現100 ms以上的延時，將帶來巨大的安全隱患。

2.4.2 安全性

車聯網時代，汽車是一個移動的傳感網，通過實時調用不同的應用程序實現了人、車、路高效協同，而操作系統是建立在芯片之上的又一重安全保障。

2.4.3 友好的人機交互性

所謂釋放人手，就是保障安全，在自動駕駛技術沒有產業化之前，人是駕駛安全的主體，所以支持高可靠性的自然語言交互的人機交互和控制技術，是網聯汽車操作系統的根本特性。

2.4.4 生態匯聚性

汽車互聯網衍生的生態鏈要比手機帶動的移動互聯網生態更具價值性和多樣性。操作系統需要具備充分的開源性，方便廣大的汽車愛好者和發明者加入到創新應用開發中，從而促進汽車移動互聯網技術的持續進步，激發生態活力。

上述分析可知，車聯網的操作系統以及瀏覽器技術的發展將成為車聯網行業快速發展的關鍵，目前全球車聯網操作系統比較分析見表4[28-33]。

表4 車聯網操作系統比較

2.5 面向5G-V2X 車聯網的內容服務及其應用

車聯網汽車遠程服務提供商（Telematics Service Provider，TSP）是直接面向用戶為其提供車載導航、娛樂項目、交通出行道路信息、遠程診斷與控制、經銷商活動等服務。TSP 在整個汽車產業鏈中處于關鍵位置，向前整合并管理服務生態，向后提供兩種內容服務，一種是為汽車廠商提供原始設備制造商（Original Equipment Manufacturer，OEM）服務，另一種則是由TSP 向用戶提供遠程服務。除了整合資源、提供服務之外，TSP 還承擔收取費用、分配利潤的功能，如圖6 所示[35-36]。

目前國際上主流的TSP 服務主要由汽車廠商主導，比如通用Onstar、福特SYNC、奔馳Mbrace、豐田Entune，此外較為熟知的TSP 服務商還有G-BOOK、CARWINGS 和INTERNAVI。在韓國，汽車廠商主導前裝TSP 集成應用，運營商主導后裝市場形成TSP 服務產業鏈。在我國，國際品牌汽車廠商主導引入了TSP 服務，也出現了一批獨立的TSP 服務商，以百度、阿里巴巴、騰訊（BAT）為代表的互聯網巨頭正在加速進入汽車移動出行服務領域。

圖6 TSP 服務商商業模式

總之，TSP 廠商主要應用集成技術，以互聯網技術為核心，專注于場景智能及消費者體驗，為用戶提供出行全程的智能服務。

3 面向5G-V2X 的車聯網技術研究及應用

3.1 端云協同面向無人駕駛的網聯技術研究和應用

智能網聯技術包含單車智能技術和網聯化智能技術。單車智能技術近年來在學術研究和應用方面都發展較快，但是安全作用距離有限。單車智能技術依賴于汽車搭載多種融合感知的傳感器，以實現整車行駛過程中對環境的準確感知和障礙物的精確識別。目前，學術研究和產業應用較常見的關鍵技術有車載單/雙目攝像頭、激光雷達、毫米波雷達、汽車夜視系統、360°影像系統、高級駕駛輔助系統（Advanced Driving Assistant System，ADAS）、車載安全計算機等，搭載諸如此類傳感器的汽車最高可以實現L4 級的無人駕駛，但是最大的問題在于單車智能傳感器價格極其昂貴，短期內無法規模化應用（表5 和表6），難以實現遠距離的安全感知及信息交互，導致產品的安全性和可用性受限，無人駕駛便無法走上商用化軌道[37-40]。

表5 ADAS 各模塊價格分析

表6 激光雷達規格及市場參考價格

汽車移動互聯網時代，整車廠商已經從傳統的資產銷售型企業向出行服務商在轉變，消費者更期望汽車個性化網聯功能可以定制和定期更新，即通過OTA 進行固件在線升級（Firmware Over-the-Air，FOTA）和軟件在線升級（Software-Over-the-Air，SOTA）持續更新，單車智能是無法實現這類功能的。此外，車載移動互聯網時代，人、車、路、網的數據在云端匯聚、存儲、計算，可以提供出行全場景智能服務。端側具備配置合理、成本可控的傳感器，移動計算平臺，云端配備遠程環境感知以及面向互聯網生態的多樣化應用，可以實現大規模的數據存儲、挖掘、計算以及低延時的反饋控制，通過端云協同實現更高級別的智能網聯功能，乃至最終實現無人駕駛。端云協同的車聯網技術邏輯架構建議如圖7 所示。

3.2 數據融合技術實現智能網聯汽車全生命周期的數字化轉型

車聯網推動了人、車、路的數據在云端協同與交互，單車智能的傳感器數量在不斷增加，隨著技術的發展，單車傳感器數量將超過2 000 個，這些海量數據的挖掘、分析、預測可以實現車輛數字畫像，用于汽車全系統功能的實時可視、預測性維護以及汽車作為移動傳感平臺實現數據能力開放[41-42]。目前，“兩客一危”的聯網數據分析，“滴滴打車”等出行公司的實時數據采集已經為行業積累了海量的高價值數據，對于導航眾籌、駕駛安全分析、違法監管以及道路環境監測、橋梁維護等方面均有著重要的意義。

圖7 端云協同的車聯網邏輯架構

車聯網數據技術目前主要分為兩類，一類是車內CAN 總線聯接各子系統運行數據，這部分數據因其結構化較強、狀態穩定和數據結構清晰而被稱為“小數據”，通過統計及預測建模分析進行結構化建模。與時窗、位置和人的偏好關聯的數據被稱為車輛運行大數據，這部分數據依賴先進的數據庫技術進行統一存儲和管理，并基于深度學習等人工智能的算法實現大數據挖掘分析，同時向社會開放，推動數據驅動的行業應用生態的形成。

3.3 融合功能安全、網絡安全的汽車全生命周期安全控制及隱私保護

國內外學術界和工業界對汽車功能安全進行了廣泛研究并取得了一定成果，也在汽車全生命周期的安全控制中得到了充分應用。ISO/TS 16949 質量管理體系的強制性認證已成為汽車行業準入標準。該標準對整車及零部件進行全面的體系化控制和管理，確保故障被充分地識別和控制。基于IEC 61508標準發展起來的ISO 26262 汽車功能安全體系標準，建立了以風險識別和危害控制為導向的汽車安全完整性等級（ASIL）要求[43-47]。

然而，隨著智能網聯汽車的迅速發展，單純功能安全已無法滿足網聯車的安全需求，一旦汽車聯網后，黑客的攻擊、篡改，以及個人數據和隱私信息的盜取將成為風險，因此，在汽車功能安全的基礎上須強調網絡安全及隱私保護技術的研究。目前，汽車網絡安全主要從以下幾個方面開展相關研究[48-51]。

3.3.1 身份認證及鑒權（Authentication）

在車聯網環境下，駕駛員、車輛、各種服務提供者之間進行充分交互，此時，如果僅僅考慮車輛內部硬件，那么軟件以及駕駛之間的交互安全是不全面的，這種開放式網絡聯接將給外來入侵者提供可乘之機，從而達到其攻擊、盜取、篡改等目的，因此，各種通信接入者必須經過身份認證及鑒權以確保聯網系統的安全。

3.3.2 保密（Confidentiality）

車聯網的宗旨是提供車與外界環境的充分聯系和信息交互，所以交互信息之間必須確保敏感信息得到保護不被泄露。

3.3.3 完整性（Integrity）

在車聯網環境下，任何存儲、交互數據被黑客攻擊、篡改或非法入侵均應可探測和識別，以確保數據的安全性和完整性。

3.3.4 接入控制（Access Control）

在車聯網條件下，只有相關授權的零部件才可以接入到整車系統安全運行，維修保養過程中也必須在授權的經銷商或合作伙伴處完成，避免非授權子系統或者零部件接入系統帶來的安全風險。

3.3.5 加密（Encryption）

車聯網傳輸的遠程控制信息涉及汽車功能安全和駕駛員生命安全的信息，必須進行加密處理，抵達執行控制器后再進行解碼處理。

3.3.6 安全傳輸層協議（TLS）

車聯網的任何兩個通信應用程序之間須提供保密性和數據完整性，通過TLS 記錄協議和握手協議實現應用程序之間的安全邏輯。

3.3.7 隱私保護（Privacy）

歐盟專門頒布了通用隱私保護管理條例（GDPR），并在歐洲強制推行，這一定程度上為全球個人隱私保護提供了重要的法律依據，對車聯網的安全也起到了積極的促進作用。

4 結論及展望

綜上研究表明，面向第5 代移動通信技術的車聯網應用正在推動汽車從傳統交通工具向移動智能座艙轉變，汽車從單車智能向端云協同、車路協同的網聯智能轉變，汽車駕駛方式從傳統人工駕駛向自動駕駛乃至無人駕駛轉變。因此，未來車聯網的研究和應用技術發展趨勢將主要集中在以下幾個方面：（1）基于5G 的車-車通信技術（5G-V2X）的人、車、路、網協作式智能交通系統的研究和應用。（2）形成聯接車（Connected Car）、聯接路（Connected Road）、聯 接 人（Connected People）、聯 接 服 務（Connected Services）、聯接生態（Connected Ecosystem）的全方位車聯網技術及應用架構，真正實現以汽車為節點的新型移動互聯網業態，構建安全、高效、順暢、貼心的移動出行服務。（3）融合單車智能與網聯智能于一體的協同自動駕駛技術的研究和應用，在城市封閉園區、高速公路、港口、物流配送等領域率先實現自動駕駛商用，提升作業效率和運作安全。（4）面向車聯網規模應用的網絡安全和隱私保護技術的研究和應用。（5）基于人工智能算法的汽車認知學習技術研究及應用，促進汽車向更高智能水平的移動機器人的方向發展。（6）基于端云協同、邊云協同的低延時云計算與遠程控制技術的研究和應用。（7）基于分布式可信計算的汽車信息交互技術研究和應用。（8）基于時空維度的人、車、路、網數據匯聚和實時分析處理技術的研究和應用。（9）基于端云協同安全機制的OTA 及其應用技術的研究和應用。

總之，隨著5G 技術的持續發展，對車聯網技術的研究和應用將更加深入，以此不斷推動汽車產業全生命周期的數字化轉型，實現汽車像智能手機一樣可以“隨身攜帶”，功能實時可視，應用隨需更新，真正推動我國成為汽車產業強國。