車聯(lián)網(wǎng)通信中蜂窩網(wǎng)絡(luò)的應用

1 引言

近年來，隨著汽車保有量持續(xù)增長，道路承載容量在許多城市已達到飽和，交通安全、出行效率、環(huán)境保護等問題日益突出。在此背景下，汽車的智能化和網(wǎng)聯(lián)化作為解決這些問題的重要途徑，受到了業(yè)界的高度重視。車聯(lián)網(wǎng)的誕生及飛速發(fā)展帶動著汽車產(chǎn)業(yè)變革，同時改變著人們的生活。車聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為實現(xiàn)中國智能網(wǎng)聯(lián)汽車2025年目標的唯一手段(見圖1)。

在車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中，無線通信技術(shù)對車聯(lián)網(wǎng)通信的發(fā)展及演進起著基石性的關(guān)鍵作用。在車載終端急速增加、車輛通信需求不斷增強的物聯(lián)網(wǎng)時代，如何在高密度場景下滿足車輛通信的低時延、高可靠性、高傳輸速率、高容量等需求，是無線通信網(wǎng)絡(luò)面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

2 車聯(lián)網(wǎng)通信的必要性

車聯(lián)網(wǎng)是車與一切事物相聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)(V2X：Vehicle to Everything)，利用車載電子傳感裝置，通過移動通信技術(shù)、汽車導航系統(tǒng)、智能終端設(shè)備與信息網(wǎng)絡(luò)平臺，使車與路、車與車、車與人、車與互聯(lián)網(wǎng)之間實時聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)信息互聯(lián)互通，從而對車、人、物、路、位置等進行有效的智能監(jiān)控、調(diào)度、管理的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。是未來智能汽車、自動駕駛、智能交通運輸系統(tǒng)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)。

作為車輛智能化的單車智能技術(shù)，先進駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS：Advanced Driver Assistant System)是車輛智能化的初級階段，屬于提高安全性的主動安全技術(shù)。ADAS利用安裝于車上的各種傳感器(攝像頭、雷達、激光和超聲波等)，收集車內(nèi)外的環(huán)境數(shù)據(jù)，進行靜、動態(tài)物體的辨識、偵測與追蹤從而能夠讓駕駛者在最快的時間察覺可能發(fā)生的危險，從而提高安全性。早期的ADAS技術(shù)主要以被動式報警為主，當車輛檢測到潛在危險時，會發(fā)出警報提醒駕車者注意異常的車輛或道路情況;而最新的ADAS技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)主動式干預。但是，ADAS技術(shù)應用上也存在一定的局限性：

(1)ADAS以毫米波雷達加攝像頭的感知系統(tǒng)無法做到全天候全路況的準確感知。由于ADAS是單車智能技術(shù)，傳感器成本高且作用距離有限，同時受到雨雪霧霾等天氣狀況的影響較大，容易造成系統(tǒng)判斷失誤，從而導致安全事故的發(fā)生。

(2)ADAS技術(shù)不能涵蓋智能交通基本應用集合。歐洲電信標準化協(xié)會(ETSI：European TelecommunicaTIons Standards InsTItute)在其技術(shù)報告TR 102 638中定義了智能交通基本應用集合，包含了54個應用。TelemaTIcs車載信息服務(wù)可提供25個信息服務(wù)應用，ADAS可提供18個預警類駕駛輔助應用，但剩余的11個關(guān)鍵駕駛輔助功能ADAS則無法提供服務(wù)，如交叉口碰撞預警等。

車聯(lián)網(wǎng)V2X技術(shù)能夠?qū)④囕v感知范圍擴展到數(shù)百米，這與ADAS系統(tǒng)中的雷達、光學攝像頭的探測范圍相比有很大優(yōu)勢。將車聯(lián)網(wǎng)V2X技術(shù)與ADAS系統(tǒng)的多種探測手段相結(jié)合，借助融合信息處理技術(shù)，能夠有效提升行車安全和交通效率問題。單車智能化與車聯(lián)網(wǎng)的有機結(jié)合最終實現(xiàn)無人駕駛。

3 車聯(lián)網(wǎng)通信場景

車聯(lián)網(wǎng)主要包括4個應用場景：車與互聯(lián)網(wǎng)互連(V2N ：Vehicle to Network)、車車互聯(lián)(V2V：Vehicle to Vehicle)、車路互聯(lián)(V2I：Vehicle to Infrastructure)以及車人互聯(lián)(V2P：Vehicle to Pedestrian)，通過人、車、路的有效協(xié)同實現(xiàn)智能交通的目的。

(1)V2N是目前應用最廣泛的車聯(lián)網(wǎng)場景，其主要功能是使車輛通過移動網(wǎng)絡(luò)連接到云服務(wù)器，使用云服務(wù)器提供的導航、娛樂和防盜等應用。

(2)V2V用于車輛之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸。通過V2V，車輛可實時采集周邊車輛的速度、位置、方向以及告警等信息，主要應用于車輛間防碰撞安全系統(tǒng)。此外，也可通過車輛間通信實現(xiàn)圖片、短信、音視頻等信息的實施交換功能。

(3)V2I是車輛與道路甚至其他基礎(chǔ)設(shè)施(如交通信號燈、路障等)進行通信的應用。通過V2I系統(tǒng)，車輛可獲取交通燈信號時序等道路管理信息、基于位置的車輛服務(wù)信息，主要應用于實時的信息服務(wù)、車輛的運行監(jiān)控、電子收費的管理等。

(4)V2P是指行人使用移動電子設(shè)備，如便攜式電腦、智能手機或其他手持設(shè)備與車載電子設(shè)備之間進行的通信，重要應用場景是車輛給道路上行人或非機動車發(fā)送安全警告。

4 現(xiàn)有車聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)比較

目前，車聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)分為IEEE 802.11p(DSRC專用短程通信使用的底層無線通信技術(shù))和3GPP C-V2X(基于蜂窩網(wǎng)的V2X無線通信技術(shù))兩個陣營。

4.1 DSRC/IEEE 802.11p

專用短程通信(DSRC：Dedicated Short Range CommunicaTIons)是一種短程無線通信技術(shù)，專門用于V2VV2I的通信標準。DSRC可以實現(xiàn)小范圍內(nèi)圖像、語音和數(shù)據(jù)的實時、準確和可靠地雙向傳輸。DSRC發(fā)展相對成熟，國際上DSRC標準主要有歐、美、日三大陣營，美國的ASTM/IEEE，日本的ARIBSTD-T75和ARIBSTD-T88標準以及歐洲的CEN/TC278。

為了促進DSRC的標準化和產(chǎn)業(yè)化，IEEE2004年成立了車輛無線接入(WAVE)工作組，負責研究美國ASTM制定的5.9 GHz頻段DSRC標準，并對其進行升級完善，設(shè)計制定統(tǒng)一的、全球通用的車聯(lián)網(wǎng)通信標準。2010年7月，WAVE工作組正式發(fā)布了IEEE 802.11p車聯(lián)網(wǎng)通信標準，實現(xiàn)了DSRC標準向802.11p協(xié)議和IEEE 1069/WAVE(Wireless Access in the Vehicles Environment)系列標準的融合演進。

IEEE 802.11p是一個由IEEE 802.11標準擴充的通信協(xié)議，能夠支持相鄰車輛之間行車安全數(shù)據(jù)的相互通信和數(shù)據(jù)交換，符合智能交通系統(tǒng)的相關(guān)應用。從技術(shù)上來看，IEEE 802.11p標準對IEEE 802.11進行了多項針對車輛特殊環(huán)境的改進，例如增強了熱點間切換、更好地支持移動環(huán)境、增強了安全性、加強了身份認證等。

IEEE 1609系列標準則是為了完善DSRC標準的應用層功能而提出，是以IEEE802.11p標準為基礎(chǔ)的高層系列標準，定義了包括車輛之間以及車輛與路邊基礎(chǔ)設(shè)施之間的數(shù)據(jù)交換格式以及安全等。

4.2 3GPP C-V2X

C-V2X(Cellular Based V2X)是基于移動蜂窩網(wǎng)的車聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)。以LTE蜂窩網(wǎng)絡(luò)作為基礎(chǔ)的C-V2X稱為LTE-V2X，3GPP已于2017年3月完成LTE-V2X的標準制定工作。未來基于5G New Radio(新空口)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的C-V2X稱為NR-V2X。

LTE-V2X系統(tǒng)的空中接口分為兩種，一種是Uu接口，需要基站作為控制中心，車輛與基礎(chǔ)設(shè)施、其他車輛之間需要通過將數(shù)據(jù)在基站進行中轉(zhuǎn)來實現(xiàn)通信;另一種是PC5接口，可以實現(xiàn)車輛間數(shù)據(jù)的直接傳輸(見圖2)。LTE-V2X的工作場景有兩種，一種是基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋的場景，此時即可以由蜂窩網(wǎng)絡(luò)的Uu接口提供服務(wù)，實現(xiàn)大帶寬、大覆蓋通信，也可以通過PC5接口提供服務(wù)，實現(xiàn)車輛與周邊環(huán)境節(jié)點低時延、高可靠的直接通信;另一種是獨立于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的工作場景，在無網(wǎng)絡(luò)部署的區(qū)域通過PC5接口提供車聯(lián)網(wǎng)道路服務(wù)，滿足行車安全需求。在有蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋的場景下，數(shù)據(jù)傳輸可以在Uu接口和PC5接口之間進行靈活的無縫切換。

LTE-V2X的Uu接口在LTE的Uu接口基礎(chǔ)上進行了針對性的增強，例如優(yōu)化了LTE廣播多播技術(shù)來有效支持車聯(lián)網(wǎng)這種廣播范圍小且區(qū)域靈活可變的業(yè)務(wù)，對控制信道進行裁剪以便進一步降低延遲。

LTE-V2X的PC5接口是在Release 12 LTE-D2D(Device to Device)基礎(chǔ)上進行了多方面的增強設(shè)計，從而支持車輛之間的車輛動態(tài)信息(例如位置、速度、行駛方向等)的快速交換和高效的無線資源分配機制，此外，還對物理層結(jié)構(gòu)進行了增強以便支持更高的移動速度(500km/h)。

4.3 802.11p和LTE-V2X的比較

802.11p具有客觀的先發(fā)優(yōu)勢，技術(shù)趨于成熟。而LTE-V2X作為一種基于LTE演進的車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，則具備諸多后發(fā)優(yōu)勢。

(1)技術(shù)層面

LTE-V2X在設(shè)計過程中充分借鑒了802.11p的經(jīng)驗和不足，在系統(tǒng)容量、覆蓋范圍等方面具有顯著的性能優(yōu)勢，LTE-V2X采用集中式控制傳輸與分布式傳輸相結(jié)合的方式，將V2N、V2I、V2V以及V2P結(jié)合成一個有機整體。LTE-V2X底層具備更好的鏈路預算，借助更加精細的信道設(shè)計及資源分配方案來獲得高可靠、廣覆蓋、低時延的傳輸保障。而802.11p是一個純粹的分布式系統(tǒng)，無法實現(xiàn)整體最優(yōu)。二者在技術(shù)層面的具體比較如表1所示。

(2)終端層面

一方面，LTE-V2X的Telematics模塊和V2X通信模塊可共用同一塊芯片，有效降低芯片復雜度，從而降低芯片成本;另一方面，LTE-V2X進一步豐富了Telematics車載信息服務(wù)，讓用戶更愿意續(xù)費Telematics業(yè)務(wù);同時，Telematics的滲透率也提升了V2X的滲透率。

(3)產(chǎn)業(yè)層面

首先，LTE-V2X借助成熟的LTE網(wǎng)絡(luò)及產(chǎn)業(yè)鏈，通過對現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡(luò)基站設(shè)備進行升級就可以實現(xiàn)部署，不需要再鋪設(shè)大量的基礎(chǔ)設(shè)施通信模塊，產(chǎn)業(yè)更容易快速發(fā)展起來。來自GSA的最新報告顯示[6]，截至2017年1月末，全球運營商已經(jīng)簽署764張LTE網(wǎng)絡(luò)合同，覆蓋196個國家，其中，已經(jīng)商用部署的網(wǎng)絡(luò)達到581張。LTE成熟的生態(tài)系統(tǒng)吸引電信運營商，通信設(shè)備制造商和汽車企業(yè)基于現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡(luò)和技術(shù)支持車聯(lián)網(wǎng)通信，從而LTE-V2X成為自然的選擇。其次，LTE-V2X是運營商增加新連接(車、自行車、摩托、行人等)的重要卡位?；贚TE-V2X，運營商可以自然地參與到車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)中來，提供車連網(wǎng)相關(guān)業(yè)務(wù)，如具有最核心的競爭力的連接、數(shù)據(jù)、服務(wù)等業(yè)務(wù)。此外，LTE-V2X是中國主導的車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，有利于國內(nèi)企業(yè)規(guī)避專利風險，有利于發(fā)揮中國影響力并擴展到其他國家。

綜上所述，盡管802.11p具備先發(fā)優(yōu)勢，技術(shù)和產(chǎn)業(yè)相對成熟，但其僅支持車車、車路之間的直接通信，從智能交通長遠發(fā)展的角度來看，以LTE-V2X為代表的C-V2X技術(shù)實現(xiàn)了直通和蜂窩模式的融合，未來可以平滑演進到5G，應用前景更加光明。

5 5G車聯(lián)網(wǎng)通信

作為智能駕駛的最終形式，自動駕駛汽車技術(shù)依靠通信、人工智能、視覺計算、雷達、監(jiān)控裝置和全球定位系統(tǒng)協(xié)同合作，讓電腦可以在沒有任何人類主動的操作下，自動安全地操作車輛。未來車輛在進行自動駕駛與車聯(lián)網(wǎng)通信的過程中，需要進行海量、實時的數(shù)據(jù)交互。自動駕駛汽車和車聯(lián)網(wǎng)通信的實現(xiàn)還需要網(wǎng)絡(luò)實時傳輸汽車導航信息、位置信息以及汽車各個傳感器的數(shù)據(jù)到云端或其他車輛終端，需要更高的網(wǎng)絡(luò)帶寬和更低的網(wǎng)絡(luò)延時，而這僅靠LTE-V2X和DSRC等通信技術(shù)還無法實現(xiàn)。

相對于目前的車聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，5G系統(tǒng)的關(guān)鍵能力指標都有極大提升。5G網(wǎng)絡(luò)傳輸時延可達毫秒級，滿足車聯(lián)網(wǎng)的嚴苛要求，保證車輛在高速行駛中的安全;5G峰值速率可達以10~20Gbit/s，連接數(shù)密度可達100萬個/km2，可滿足未來車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的車輛與人、交通基礎(chǔ)設(shè)施之間的通信需求。

目前，5G V2X正處于業(yè)務(wù)場景和需求確定階段。3GPP的需求組(SA1)已經(jīng)基本完成5G V2X的業(yè)務(wù)場景及需求的討論，并在技術(shù)報告TR 22.886中將25個5G V2X業(yè)務(wù)場景分成了4組(見圖3)，具體包括：

●車輛編隊(Vehicles Platoonning)：車輛編隊使車輛動態(tài)形成編隊一起行駛。編隊中的所有車輛從編隊頭車獲取信息來管理這個編隊，這些管理信息使車輛能夠以比正常行駛更接近(編隊車輛之間間隔僅2~5m)更協(xié)調(diào)的方式同向行駛。

●擴展傳感器(Extended Sensors)：擴展傳感器使車輛之間、車和路邊單元之間、車和行人之間以及車和V2X服務(wù)器之間可以交互本地傳感器信息和實時視頻圖像信息等，車輛可以獲得額外的環(huán)境感知能力，更全面地了解周邊環(huán)境。

●先進駕駛(Advanced Driving)：先進駕駛用于支持半自動或全自動駕駛。每個車輛把通過自身傳感器獲得的感知數(shù)據(jù)以及自身的駕駛意圖分享給周圍車輛，從而支持多個車輛之間同步和協(xié)調(diào)他們的行駛軌跡。

●遠程駕駛(Remote Driving)：遠程駕駛使遠程司機或車聯(lián)網(wǎng)應用服務(wù)器遙控車輛的行駛，適用于乘客不能自己駕車或遠程車輛處于危險環(huán)境中等特殊場景。高可靠性和低延遲通信是遠程駕駛的主要要求。

3GPP需求組從無線通信角度為5G V2X業(yè)務(wù)場景定義了相應的需求，具體如表2所示。

如何在高密度車輛場景下滿足5G V2X通信的低時延、高可靠性、高傳輸速率、高容量等需求，是5G車聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)，也是5G車聯(lián)網(wǎng)的重點研究工作。3GPP RAN在2017年3月的第75次全會確定，將從2017年第三季度開始研究5G V2X的可用頻譜、信道模型以及評估假設(shè)并有望于2018年啟動基于5G新空口的V2X通信技術(shù)的研究，預計在2020年左右完成標準工作。

6 展望

盡管車聯(lián)網(wǎng)通信的標準化工作已經(jīng)基本完成，但由于涉及領(lǐng)域多、影響面大，無論是北美、歐盟以及日本這些發(fā)達國家還是我國，車聯(lián)網(wǎng)尚處于測試推廣階段，還未實現(xiàn)大規(guī)模的商用。隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，無論是從道路交通安全、道路擁堵、尾氣排放等角度，還是從消費者的需求角度，車聯(lián)網(wǎng)通信實際商用需盡早提上日程。

整體而言，目前在中國，基于蜂窩網(wǎng)的車聯(lián)網(wǎng)通信在政府的大力支持下發(fā)展態(tài)勢很好，LTE-V2X技術(shù)有望于2018—2019年在中國率先實現(xiàn)商用部署。未來，LTE-V2X技術(shù)將逐漸升級到5G V2X技術(shù)并長期保持后向兼容，為實現(xiàn)中國智能網(wǎng)聯(lián)汽車2025目標提供有力支撐。