車聯網中通感算一體化的應用探討＊

張娜

（河北省公安廳交通科研所，河北 石家莊 050050）

隨著移動通信技術的不斷發展，現如今已進入到5G 時代，對6G 的研究也在如火如荼開展，智慧交通是5G 時代的重要應用場景之一，而車聯網是智慧交通的核心組成部分，它已經與5G 技術深度融合。本文將在6G 技術得到不斷研究和發展的前提下，對6G 關鍵技術通感算一體化與車聯網的融合進行探討。

1 6G 簡介

隨著時代的發展，移動通信技術也在不停地升級和更新換代。20 世紀80 年代，1G 誕生于美國芝加哥，當時只能實現模擬語音通信；1995 年，中國正式進入2G 時代，此時數字傳輸取代了模擬傳輸，應用擴展至數字語音和文本；2009-01-07，中國頒發了3 張3G 牌照， 分別是中國移動的TD- SCDMA （ Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access）、中國聯通的WCDMA （ Wideband Code Division Multiple Access）和中國電信的WCDMA2000，代表著中國進入了3G 時代，此時應用擴展到了多媒體；2013年12 月，工信部宣布向3 大運營商頒發“LTE/第四代數字蜂窩移動通信業務（TD-LTE）”經營許可，即4G牌照，開啟了中國的4G 時代，此時移動互聯網得到廣泛發展；到現如今，5G 時代已經來臨。5G 的發展，不僅提高了人與人之間的通信質量，還為用戶提供了虛擬現實、超高清視頻等對通信水平有更高要求的業務服務，更推動了人與物、物與物的通信，滿足了新時代下智能醫療、智能家居、智慧交通等多種新型應用場景的需求。

隨著經濟社會的不段發展，5G 終將普及進入各個行業與領域，成為社會不斷發展至數字化和智能化的重要基石。而在5G 應用之初，6G 也開始了相關研發。6G 將在5G 的基礎上進一步發展，實現由萬物互聯到萬物智聯的躍遷發展，成為人類世界與虛擬數字世界的橋梁和基石，促進生活質量和人類社會的進一步發展。

6G 即第六代移動通信技術，它相較于5G 性能大幅度提升，能夠實現全球全區域全覆蓋，目標是最終實現萬物智聯。如果說5G 是實現全球全域的萬物互聯的話，那么6G 就是實現人類世界與虛擬世界的相互關聯。6G 作為5G 的下一代，其峰值速度、時延、流量密度、定位能力等遠優于5G，其預期性能指標與5G的對比如表1 所示。

表1 6G 與5G 的關鍵性能指標對比

中國的IMT-2030（6G）推進組參加“面向2030年及未來IMT 系統”專題研討會上指出，5G 時代的3大應用場景將在6G 時代得到更多增強和深化，進一步提高通信速率、降低時延、增大帶寬，拓展萬物互聯，支持具有更高要求的物聯網應用場景，不僅可以實現以人為中心的交互體驗，還有智能化設備間的信息資源交互，達到全領域全覆蓋的服務。6G 將以可持續發展的方式延伸移動通信能力邊界，創新構建“超級無線寬帶、極其可靠通信、超大規模連接、普惠智能服務、通信感知融合”5 大典型應用場景，全面引領經濟社會數字化智能化綠色化轉型，最終將會實現“萬物智聯、數字孿生”的6G 美好世界。

2 車聯網介紹

作為5G、6G 的重要應用場景之一，智慧交通隨著通信技術的進步也在不斷發展。智慧交通起初是被稱作智能交通，在20 世紀90 年代初，美國提出了該說法并進行了許多研究。而在2009 年，隨著各類高新技術的發展，智能交通得到發展升級，成為了智慧交通。智慧交通是在智能交通的基礎上，融入云邊協同、人工智能、物聯網、大數據等最新技術，匯聚覆蓋區域內的所有交通數據信息，能夠提供更為全面和實時的交通服務。

智慧交通對交通管理、事故預警、公眾出行等各類交通事件進行全過程的監管控制，使得交通系統在所監管區域內具備感知、收集、預測、提示等能力，充分保障監管區域內的交通安全，預防交通事故，更好地發揮交通系統的能力，提升交通系統的效率，為公眾提供便捷和安全的出行服務。5G、6G 的不斷發展部署，智慧交通的系統性、實時性、信息交互性及服務廣泛性將得到進一步提升。

車聯網（Internet of vehicles，IoV）是智慧交通中頗有研究和得到廣泛關注的應用之一，是極具發展前景和價值的一項應用，它是指通過車內網、車載移動互聯網和車際網，以車輛端為信息感知對象，利用最新的感知技術和移動通信技術等，實現車與車、車與人、車與路、車與網絡服務平臺之間的實時信息收集獲取和處理，使得車輛出行服務更加智能化，為公眾提供全面、智能、高效、安全的出行體驗與交通服務，同時還可以提高交通系統的效率和服務水平[1]。典型的車聯網系統架構主要包括3 層，分別是感知層、網絡層、應用層，如圖1 所示。

圖1 典型的車聯網系統架構

感知層類似于整個架構的眼睛，負責收集大量的數據資源信息；網絡層負責實現海量信息數據的精確和實時傳遞；應用層相當于整個架構的大腦，它以車聯網系統服務平臺為核心，通過擁有最強算力的服務器，對收集上來的海量數據資源進行分析、處理和判決，實現車聯網系統的各項功能，如道路交通狀況監測、交通事故應急處理、事故預警等。而到了6G 時代，憑借于各類高新技術的進一步發展，車聯網也將會得到更全面的發展。

3 通感算一體化在車聯網中的應用探索

現有的5G 網絡已無法支撐各類新興應用場景在感知與通信等方面的極致性能需求，因此，在6G 網絡中，已經從一開始的通信感知融合，發展到了現如今的通感算一體化融合網絡。通感算一體化網絡是指同時具備高標準的感知能力、通信能力與計算能力的網絡。在該網絡內，各個網元設備之間通過信息數據資源的協同共享，實現多維感知、智能通信、極強計算能力的深度融合，使網絡內實現信息數據資源的智能感應、傳輸、交互和處理的能力，為6G 網絡下的智能應用場景提供服務。

作為6G 中的核心技術，通感算一體化包括通信、感知和計算3 部分，3 部分的結合使得它們相輔相成。通信是6G 網絡的核心，并實現終端與服務器之間數據實時傳輸，使計算資源得到合理的利用和分配，是實現多維感知信息共享、智能資源信息交互、各部分之間智能協作的重要基礎；感知是6G 網絡的基礎，它如同人體的感官，可為系統提供大量的數據信息，助力系統做出實時與合理的決策，優化系統性能；計算是指對獲得的數據信息進行處理、分配和調用的分布式泛在智能計算，計算水平直接體現系統的能力和決定系統的發展。

3.1 通信感知融合應用

在車聯網應用場景內，通信和感知的融合很早就有人研究，其發展十分迅速，基本架構如圖2 所示。隨著通信技術的不斷發展，實現了全方位、全方面的數據資源交互和網絡連接， 包括車與車（ Vehicle-to-Vehicle ， V2V ） 、 車 與 人（Vehicle-to-Pedestrian，V2P）、車與基礎設施（ Vehicle-to-Infrastructure ， V2I） 、 車與網絡（Vehicle-to-Network，V2N）等各類型的通信。而且隨著感知技術的不斷發展，傳感器變得種類多樣且性能愈加強大，車輛可以持續不斷地對附近環境及事物進行感知，獲得附近車輛、路邊單元（Road Side Unit，RSU）、行人等感知到的信息，對于智能化車輛的危險預警、障礙物躲避、導航路線挑選等功能的實現發揮極為關鍵的作用。車聯網場景內除了對高精度高準確性的感知能力的需求，還有對場景內完成不同對象間的實時通信的需求，包括低時延需求、可靠性需求和吞吐量需求等。利用通感融合，首先擴展了感知的范圍，為系統收集更多數據信息，提高系統的準確性；系統網絡通過下發通信模塊到感知節點，有效節約數據傳輸到中心服務器的時間，提升系統的效率；通過感知通信融合來減少傳感器的數量，可以降低感知和通信的成本[2]。

圖2 車聯網內通感融合基本架構

隨著車聯網及移動通信技術的不斷發展，高質量的通信與高精確的感知功能在車聯網中變得越來越重要。現如今，智能化車輛端具有更精確的傳感器、更多的計算資源及更優異的通信技術，使得車輛端的傳感器收集環境信息數據的能力不斷增強，實現不同車輛間的感知信息的交互融合。在6G 網絡下，利用AI訓練、深度學習、多傳感器融合等方法和極高能力的通信技術，可在車聯網內形成全場景全方位的通感融合體系，能夠完成協同化車路終端的數據處理，提高車聯網場景內用戶的出行服務，提高交通系統的效率。

3.2 通感算一體化應用

隨著社會向著數字化和智能化不斷發展，產生了大量的6G 業務和應用場景，數據資源處理變得越來越重要，對于計算能力的要求急劇增加，中心化的云計算已經無法滿足一部分應用場景的要求，包括高實時性、超低時延等。隨著分布式計算、邊緣計算等新型計算技術的出現，數據中心的資源部署方式不斷從傳統的中心化的云計算方式，向云計算、邊緣計算和終端側計算三者間的協同調度方式發展改進，計算向著泛在連接和泛在計算的趨勢演進，網絡也從孤立的中心化云資源向分布式計算網絡演進。云側負責大量復雜的計算和算法訓練，邊緣側負責便捷接入和簡單的本地計算，終端側負責感知交互的泛在計算模式[3]。

目前，在研究的不斷開展和相關政策的鼓勵下，車聯網系統內各類車路智能化設備正不斷部署，不僅僅是道路監測設備，還有各類傳感設備、車內智能設施，甚至有自動駕駛車輛等。因此，在未來，車聯網的車路終端將不斷產生大量的實時數據，由于車路終端的數據處理能力不足，而云端會產生通信延遲較高、信息數據實時性低等問題。針對上述問題，提出一種6G 網絡下車聯網的通感算一體化架構。該架構主要由車路終端、邊緣網絡、中心云網3 部分構成，如圖3所示。

圖3 通感算一體化架構

車路終端主要由各類智能設備組成。車路終端可采用分布式智能計算技術，融合多維感知技術進行智能感知，實現信息數據協同共享，輔助通信系統自主決策。在分布式智能計算的助力下，通信網絡的資源分配和路由優化更為智能，從而提高通感算一體化網絡的整體性能。

邊緣網絡主要由基站和移動邊緣計算服務器組成。基站通過通感一體化技術實現與車路終端間的通信，移動邊緣計算服務器以基站為中介，實現與車路終端的交互，也可接收基站覆蓋范圍內的所有車路終端的感知數據信息資源，進行局部感知信息的處理和融合，進而通過邊緣計算技術執行局部決策和判斷。

中心云網主要由具備最強大的計算與存儲能力的中心云服務器組成。中心云服務器可以綜合各類由車路終端和邊緣網絡收集上傳的所有區域的感知信息。在高新技術的支持下，中心云服務器可以智能分析處理區域內的所有感知信息數據，構建覆蓋全區域的云智能計算庫，進而實現全局感知、決策和任務調配。

從整體架構中可以看出，云計算與邊緣計算是互幫互助、相輔相成的，整體將形成一種“邊緣-終端-中心”體系。其中，邊緣計算保證了收集到信息數據資源時可以及時地進行預處理，對數據進行簡易的分析和決策，在終端的協同下實現信息的傳輸和處理，最終在云計算的支持下實現數據分析處理、交通狀況判斷和交通信息傳遞，滿足新時代車聯網的各類要求。此外，6G 的AI技術也可以進一步與邊緣計算技術相結合，形成多層級的邊緣智能計算技術，邊緣端可對數據進行預處理訓練、模型訓練等，提高邊緣端的計算能力，更進一步支撐車路終端的信息感知服務，助力全天候的交通信息數據協同和處理[4]。

4 結束語

隨著移動通信技術的不斷發展，產生了許多不斷提高要求的應用場景，作為5G、6G 的重要應用場景之一，車聯網的應用和建設推動了中國智慧交通的創新發展，助力發展和推動出行智能化、交通管控全局化、交通服務實時化等。本文在以往研究的通感融合的基礎上，將感知、通信、計算進行交叉融合，提出一種車聯網內通感算一體化架構，以期實現6G 時代物聯網場景的極低時延、超大容量、極高精度、極強算力的愿景和目標。6G 的發展將為云網技術、邊緣計算帶來更多與時俱進的技術發展，也將為車聯網內的云端、邊緣端、終端相互之間的數據信息處理、傳遞和調配帶來更低時延和更快響應，還將進一步提升城市交通的智能化水平，推動交通系統與新一代技術的深層次融合，使城市交通系統的服務功能更加優異和全面，使智慧交通的愿景越來越早實現。