5G 環(huán)境下車聯網關鍵技術及其發(fā)展趨勢探討

李靈瑤，顧全根，王宇葉

（蘇州經貿職業(yè)技術學院，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

車聯網與第五代移動通信技術（5th Generation Mobile Communication Technology，5G）的深度融合，給車聯網帶來了廣闊的發(fā)展前景，也為汽車智能出行的實現提供了技術保障。車聯網的體系結構和關鍵技術都要與5G 環(huán)境相適應，探索5G 環(huán)境下車聯網的發(fā)展趨勢具有現實意義。

1 車聯網及其發(fā)展現狀

1.1 車聯網含義和特征

車聯網即車輛物聯網，是由汽車信息、通信技術、互聯網等構成的交互網絡系統(tǒng)。借助車聯網技術能提升汽車智能駕駛水平，改善汽車駕乘感受，保障交通安全性，提高汽車運行效率。車聯網具有以下特征。

（1）提供安全保障。車聯網能夠完成對自身環(huán)境和狀態(tài)信息的采集，為車輛交通提供安全預警和保障，降低車輛交通事故的發(fā)生概率。

（2）提高交通效率。車聯網能為車主提供實時導航，并通過分析網絡系統(tǒng)信息，選擇最佳行車路線，提高交通運行的效率。

（3）實現智能控制。車聯網能利用傳感技術、無線通信技術與智能處理技術來實現交通的智能化管理、智能決策和智能化控制［1］。

1.2 車聯網的發(fā)展現狀

美國聯邦通信委員會于2019 年12 月為蜂窩車聯網通信技術（C-V2X）分配了20 MHz 頻段，用于推進C-V2X 的發(fā)展；日本于2019 年通過《道路運輸車輛法》修正案，開始研究為C-V2X 分配頻率的可行性；歐盟委員會也于2019 年3 月宣布，對車輛、交通標識牌和高速公路進行網聯相關設備的安裝。

我國于2018 年確定車聯網直連通信為5.9 GHz頻段，并于2019 年啟動車聯網和自動駕駛應用試點。2020 年1 月，工信部強調進一步增強5G 功能，并推進C-V2X 的基礎部署。

2020 年11 月世界智能網聯汽車大會提出到2035年之前，智能網聯汽車實現從部分自動駕駛功能到有條件自動駕駛，再到高度自動化駕駛，最后到完全自動駕駛的分階段發(fā)展路線［2］。

2 車聯網的體系結構

2.1 感知層

車聯網的感知層是通過車載傳感器、道路基礎設施、網絡通信系統(tǒng)等協(xié)同感知，將收集到的車輛運行狀態(tài)、交通狀況和道路環(huán)境狀況等信息參數傳輸到控制系統(tǒng)中［3］，系統(tǒng)應用相關芯片完成數據的協(xié)同處理和短距離傳輸。實用技術如車輛防撞緊急制動系統(tǒng)。

2.2 網絡層

車聯網的網絡層主要通過信息傳輸網絡分析處理感知層收集到的數據，將各類信號傳輸到相應的設施，實現數據傳輸服務。同時，為終端用戶提供實時的信息及網絡交互的無縫銜接功能。實用技術如智能交通網絡系統(tǒng)。

2.3 應用層

車聯網的應用層根據用戶的不同需求提供不同的應用功能服務。它依據車路協(xié)同的數據來設置車輛路面自動駕駛、車載娛樂、遠程監(jiān)控以及緊急救援等功能。實用技術如車輛自動駕駛系統(tǒng)。

3 5G 環(huán)境下的車聯網關鍵技術

3.1 感知技術

車聯網的感知技術分為車輛自身狀態(tài)感知和車輛環(huán)境狀態(tài)感知兩個部分。車輛自身狀態(tài)感知主要是對車輛行駛工況狀態(tài)、駕駛員自身狀態(tài)等的感知，它是通過車輛的里程器、電機、攝像頭等來實現相關狀態(tài)信息的采集。而車輛環(huán)境狀態(tài)感知則是對車輛行駛道路、交通標志信號、其他車輛行駛狀態(tài)等的感知，它是通過車載電子設備、道路及兩側設備來實現相關信息的采集。

在感知技術中，感知數據的融合方法極其關鍵，關系到感知結果的準確性。由于交通環(huán)境的復雜多變，必須對收集到的不確定甚至是錯誤信息進行建模處理，以便為車輛操作決策提供數據支持，增強車輛的環(huán)境適應能力。

3.2 定位技術

定位技術是車聯網的基礎技術，是車聯網其他功能開發(fā)的基礎，如車輛的導航、遠程控制、輔助駕駛等，都需要車輛的準確定位。目前，車聯網主要采用北斗、全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）等全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）進行定位或導航，還可采用其他定位技術，如激光雷達、慣性導航系統(tǒng)等。

車聯網的實際應用系統(tǒng)往往都采用多種定位技術，以此實現優(yōu)勢互補，提升定位精度。例如，在無遮擋環(huán)境中，GNSS+實時動態(tài)定位（Real-time Kinematic，RTK）有其絕對的優(yōu)勢；而在有遮擋（高樓區(qū)、地下車庫等）環(huán)境中，慣性導航系統(tǒng)則能保持其定位精度，所以兩者的融合是必然的。

3.3 通信技術

車聯網的主流通信技術包括專用短程通信（Dedicated Short Range Communication，DSRC）技 術和基于蜂窩網的V2X 通信（C-V2X）。

DSRC 可實現分布式操作，主要應用于點對點（ad-hoc）通信模式場景。例如，當前方發(fā)生交通事故，需要緊急告知位于后方的車輛時，就要應用DSRC技術。DSRC 的每個頻段都可以當作單個頻道使用，也可以分成多個通道使用［4］。目前DSRC 的產業(yè)鏈已較為成熟。

隨著5G 技術的發(fā)展，DSRC 技術逐漸暴露出其局限性，這個問題的解決方案是運用可靠性和穩(wěn)定性更優(yōu)的C-V2X 技術。C-V2X 技術包括LTE-V2X 技術和5G-V2X 技術。其技術優(yōu)勢如下：一是網絡容量高，可以滿足大數據量和高帶寬的需求；二是覆蓋范圍大，車輛與基站之間有充裕的連接申請時間，這樣就大大地降低了網絡切換的頻率；三是設施部署容易，在對現有基站設施進行改造后即可投入使用，成本較低。

3.4 網絡切片技術

網絡切片（Network Slice，NS）技術就是將物理網絡切分為多個端到端的虛擬網絡，每個虛擬切片以其性能差異來適應不同的場景［5］，以此滿足車聯網場景中的各種服務需求。

在5G 網絡場景下，網絡切片技術在自動駕駛、移動寬帶、物聯網等場景中得到廣泛應用，尤其是在需要低時延、高可靠的自動駕駛中有著廣闊的應用前景。

3.5 移動邊緣計算技術

車聯網為解決數據傳輸量大、傳輸時延高的問題，采用移動邊緣計算（Mobile Edge Computing，MEC）技術。MEC 可以根據用戶服務請求的應用類型分配處理，把時延要求高的應用優(yōu)先分配在本地區(qū)域內處理，把時延要求較為寬松的應用匯聚至云端處理。

3.6 區(qū)塊鏈技術

車聯網為保護車輛的行駛軌跡等隱私信息，引入了區(qū)塊鏈技術。區(qū)塊鏈技術（又稱賬本技術）的數據具有難以篡改和去中心化的特點，為車聯網的通信安全提供了可行的解決方案，區(qū)塊鏈網絡以其終端設備和車輛管理中心為節(jié)點組成。車聯網所有的信息交互數據在區(qū)塊鏈賬本中都有完整的記錄，每輛車的車聯網通信訪問操作都會以新記錄添加到賬本中，形成動態(tài)變化情況，并按時間順序串聯起來形成整個車聯網體系的狀態(tài)變化線。區(qū)塊鏈技術為車聯網無線通信環(huán)境的信息安全提供了保障，維護智能交通體系的安全。

4 5G 環(huán)境下車聯網的發(fā)展趨勢及其面臨的挑戰(zhàn)

4.1 車聯網的發(fā)展趨勢

隨著5G 技術在車聯網中的應用，車聯網技術得到了快速發(fā)展，車聯網也具有了廣闊的發(fā)展前景。車聯網的發(fā)展趨勢主要表現在以下幾方面。

4.1.1 環(huán)保節(jié)能化

隨著“雙碳”目標、生態(tài)環(huán)保要求的深入，全球能源短缺情況的加劇以及車輛尾氣排放量的增加，車聯網的應用應該圍繞生態(tài)環(huán)保展開，推廣節(jié)能減排，實現綠色出行。

4.1.2 安全協(xié)同化

5G 環(huán)境下車聯網的發(fā)展要以保障交通安全為出發(fā)點，在安全駕駛、協(xié)同駕駛以及汽車活動安全等方面協(xié)同架構，有效降低交通事故發(fā)生率，保障人員及車輛的安全。

4.1.3 交通智能化

車聯網要充分利用5G 技術和人工智能及大數據技術，通過車輛傳感器收集信息，進行智能處理，推動實現交通的智能化管理和控制，提高交通的整體效率。同時，智慧城市基礎設施的進一步發(fā)展也將有助于無人駕駛技術的發(fā)展。

4.1.4 駕駛無人化

充分利用5G 交互式的感知能力，可以為車聯網應用中的無人駕駛技術提供有力的技術支持，自動實現與行駛車輛的互動，如設置自動超車、車輛編隊等。

4.1.5 集成聯網化

5G 環(huán)境下車輛的應用軟件、操作系統(tǒng)、芯片層、硬件層正逐漸向集中式架構體系發(fā)展，車輛軟件控制更高效，并能持續(xù)優(yōu)化控制軟件，實現車輛集成聯網化，不斷改善硬件性能體驗。

4.1.6 功能多樣化

5G 環(huán)境下車聯網服務方式功能多樣化，將不只局限于車輛固有服務功能，還可以拓展到手機App、微信小程序等交互設備，這樣能夠延長人車交互的時間。同時，可以通過車聯網分拆功能，把部分功能分拆至車外，如手機App、智能穿戴設備等，這樣能降低對車載硬件的要求，從而覆蓋更多的低端車型，以滿足所有用戶的各種信息及娛樂需求。

4.2 車聯網面臨的挑戰(zhàn)

從5G 環(huán)境下車聯網發(fā)展的角度來看，車聯網面臨的挑戰(zhàn)主要有以下幾個方面。

4.2.1 版本兼容問題

目前，車聯網C-V2X 標準主要有基于LTE-V2X標準的R14、R15 版本和基于5G-V2X 標準的R16 版本［6］。在車聯網未來發(fā)展的過程中，這兩個標準會同時存在，因此必須考慮兩者兼容的問題，否則不利于車聯網產業(yè)的發(fā)展。在采用LTE-V2X 標準時，需要充分考慮以后是否能兼容5G 標準，并對其硬件進行升級；同樣地，在采用5G 標準時，也需要確保其能兼容原來的LTE-V2X 標準，使不同標準的車輛之間實現無阻礙通信。

4.2.2 數據處理問題

隨著車聯網中5G 技術的融合應用，各個終端節(jié)點的數據接入量變得更加龐大，數據處理問題將成為一大難題。尤其是車聯網的很多新應用功能，如車輛遠程控制、視頻遠程會議等，都對數據處理能力提出了很高的要求。同時，車聯網也必須解決無線資源分配、數據優(yōu)先處理、系統(tǒng)性能優(yōu)化等問題。

4.2.3 投資規(guī)模問題

為在2035 年實現智能網聯汽車完全自動駕駛的目標，除了需要在車聯網關鍵技術上進行研發(fā)，還要對車聯網的基礎設施投入大量的資金。據公安部網站和交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報，2021 年我國機動車保有量達3.95 億輛，四級及以上等級公路里程為506.19萬千米，其中高速公路里程為16.91 萬千米。按我國車聯網商用技術的標準，車載終端的安裝、路側單元的部署、傳感設備的安裝等都需要大量的資金。

5 結語

隨著車聯網與5G 技術的深度融合，車聯網的發(fā)展前景廣闊，而智能交通的完善離不開車聯網技術的創(chuàng)新和突破。車聯網產業(yè)正蓄勢待發(fā)，車聯網相關行業(yè)要順應其發(fā)展趨勢，針對車聯網發(fā)展中遇到的問題，積極采取應對措施，共同推進車聯網的發(fā)展，實現更安全、更智慧、更高效的智能交通。