車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信中蜂窩網(wǎng)絡(luò )的應用

1 引言

近年來(lái)，隨著(zhù)汽車(chē)保有量持續增長(cháng)，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(wèn)題日益突出。在此背景下，汽車(chē)的智能化和網(wǎng)聯(lián)化作為解決這些問(wèn)題的重要途徑，受到了業(yè)界的高度重視。車(chē)聯(lián)網(wǎng)的誕生及飛速發(fā)展帶動(dòng)著(zhù)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)變革，同時(shí)改變著(zhù)人們的生活。車(chē)聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為實(shí)現中國智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)2025年目標的唯一手段(見(jiàn)圖1)。

在車(chē)聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過(guò)程中，無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)對車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信的發(fā)展及演進(jìn)起著(zhù)基石性的關(guān)鍵作用。在車(chē)載終端急速增加、車(chē)輛通信需求不斷增強的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，如何在高密度場(chǎng)景下滿(mǎn)足車(chē)輛通信的低時(shí)延、高可靠性、高傳輸速率、高容量等需求，是無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )面臨的關(guān)鍵挑戰。

2 車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信的必要性

車(chē)聯(lián)網(wǎng)是車(chē)與一切事物相聯(lián)的網(wǎng)絡(luò )(V2X：Vehicle to Everything)，利用車(chē)載電子傳感裝置，通過(guò)移動(dòng)通信技術(shù)、汽車(chē)導航系統、智能終端設備與信息網(wǎng)絡(luò )平臺，使車(chē)與路、車(chē)與車(chē)、車(chē)與人、車(chē)與互聯(lián)網(wǎng)之間實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現信息互聯(lián)互通，從而對車(chē)、人、物、路、位置等進(jìn)行有效的智能監控、調度、管理的網(wǎng)絡(luò )系統。是未來(lái)智能汽車(chē)、自動(dòng)駕駛、智能交通運輸系統的基礎和關(guān)鍵技術(shù)。

作為車(chē)輛智能化的單車(chē)智能技術(shù)，先進(jìn)駕駛輔助系統(ADAS：Advanced Driver Assistant System)是車(chē)輛智能化的初級階段，屬于提高安全性的主動(dòng)安全技術(shù)。ADAS利用安裝于車(chē)上的各種傳感器(攝像頭、雷達、激光和超聲波等)，收集車(chē)內外的環(huán)境數據，進(jìn)行靜、動(dòng)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(shí)間察覺(jué)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(dòng)式報警為主，當車(chē)輛檢測到潛在危險時(shí)，會(huì )發(fā)出警報提醒駕車(chē)者注意異常的車(chē)輛或道路情況;而最新的ADAS技術(shù)已經(jīng)實(shí)現主動(dòng)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無(wú)法做到全天候全路況的準確感知。由于A(yíng)DAS是單車(chē)智能技術(shù)，傳感器成本高且作用距離有限，同時(shí)受到雨雪霧霾等天氣狀況的影響較大，容易造成系統判斷失誤，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(huì )(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(gè)應用。TelemaTIcs車(chē)載信息服務(wù)可提供25個(gè)信息服務(wù)應用，ADAS可提供18個(gè)預警類(lèi)駕駛輔助應用，但剩余的11個(gè)關(guān)鍵駕駛輔助功能ADAS則無(wú)法提供服務(wù)，如交叉口碰撞預警等。

車(chē)聯(lián)網(wǎng)V2X技術(shù)能夠將車(chē)輛感知范圍擴展到數百米，這與ADAS系統中的雷達、光學(xué)攝像頭的探測范圍相比有很大優(yōu)勢。將車(chē)聯(lián)網(wǎng)V2X技術(shù)與ADAS系統的多種探測手段相結合，借助融合信息處理技術(shù)，能夠有效提升行車(chē)安全和交通效率問(wèn)題。單車(chē)智能化與車(chē)聯(lián)網(wǎng)的有機結合最終實(shí)現無(wú)人駕駛。

3 車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信場(chǎng)景

車(chē)聯(lián)網(wǎng)主要包括4個(gè)應用場(chǎng)景：車(chē)與互聯(lián)網(wǎng)互連(V2N ：Vehicle to Network)、車(chē)車(chē)互聯(lián)(V2V：Vehicle to Vehicle)、車(chē)路互聯(lián)(V2I：Vehicle to Infrastructure)以及車(chē)人互聯(lián)(V2P：Vehicle to Pedestrian)，通過(guò)人、車(chē)、路的有效協(xié)同實(shí)現智能交通的目的。

(1)V2N是目前應用最廣泛的車(chē)聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景，其主要功能是使車(chē)輛通過(guò)移動(dòng)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(lè )和防盜等應用。

(2)V2V用于車(chē)輛之間的雙向數據傳輸。通過(guò)V2V，車(chē)輛可實(shí)時(shí)采集周邊車(chē)輛的速度、位置、方向以及告警等信息，主要應用于車(chē)輛間防碰撞安全系統。此外，也可通過(guò)車(chē)輛間通信實(shí)現圖片、短信、音視頻等信息的實(shí)施交換功能。

(3)V2I是車(chē)輛與道路甚至其他基礎設施(如交通信號燈、路障等)進(jìn)行通信的應用。通過(guò)V2I系統，車(chē)輛可獲取交通燈信號時(shí)序等道路管理信息、基于位置的車(chē)輛服務(wù)信息，主要應用于實(shí)時(shí)的信息服務(wù)、車(chē)輛的運行監控、電子收費的管理等。

(4)V2P是指行人使用移動(dòng)電子設備，如便攜式電腦、智能手機或其他手持設備與車(chē)載電子設備之間進(jìn)行的通信，重要應用場(chǎng)景是車(chē)輛給道路上行人或非機動(dòng)車(chē)發(fā)送安全警告。

4 現有車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)比較

目前，車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)分為IEEE 802.11p(DSRC專(zhuān)用短程通信使用的底層無(wú)線(xiàn)通信技術(shù))和3GPP C-V2X(基于蜂窩網(wǎng)的V2X無(wú)線(xiàn)通信技術(shù))兩個(gè)陣營(yíng)。

4.1 DSRC/IEEE 802.11p

專(zhuān)用短程通信(DSRC：Dedicated Short Range CommunicaTIons)是一種短程無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，專(zhuān)門(mén)用于V2VV2I的通信標準。DSRC可以實(shí)現小范圍內圖像、語(yǔ)音和數據的實(shí)時(shí)、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(yíng)，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(jìn)DSRC的標準化和產(chǎn)業(yè)化，IEEE2004年成立了車(chē)輛無(wú)線(xiàn)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(jìn)行升級完善，設計制定統一的、全球通用的車(chē)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(chē)聯(lián)網(wǎng)通信標準，實(shí)現了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(jìn)。

IEEE 802.11p是一個(gè)由IEEE 802.11標準擴充的通信協(xié)議，能夠支持相鄰車(chē)輛之間行車(chē)安全數據的相互通信和數據交換，符合智能交通系統的相關(guān)應用。從技術(shù)上來(lái)看，IEEE 802.11p標準對IEEE 802.11進(jìn)行了多項針對車(chē)輛特殊環(huán)境的改進(jìn)，例如增強了熱點(diǎn)間切換、更好地支持移動(dòng)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標準為基礎的高層系列標準，定義了包括車(chē)輛之間以及車(chē)輛與路邊基礎設施之間的數據交換格式以及安全等。

4.2 3GPP C-V2X

C-V2X(Cellular Based V2X)是基于移動(dòng)蜂窩網(wǎng)的車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)。以L(fǎng)TE蜂窩網(wǎng)絡(luò )作為基礎的C-V2X稱(chēng)為L(cháng)TE-V2X，3GPP已于2017年3月完成LTE-V2X的標準制定工作。未來(lái)基于5G New Radio(新空口)蜂窩網(wǎng)絡(luò )的C-V2X稱(chēng)為NR-V2X。

LTE-V2X系統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(chē)輛與基礎設施、其他車(chē)輛之間需要通過(guò)將數據在基站進(jìn)行中轉來(lái)實(shí)現通信;另一種是PC5接口，可以實(shí)現車(chē)輛間數據的直接傳輸(見(jiàn)圖2)。LTE-V2X的工作場(chǎng)景有兩種，一種是基于蜂窩網(wǎng)絡(luò )覆蓋的場(chǎng)景，此時(shí)即可以由蜂窩網(wǎng)絡(luò )的Uu接口提供服務(wù)，實(shí)現大帶寬、大覆蓋通信，也可以通過(guò)PC5接口提供服務(wù)，實(shí)現車(chē)輛與周邊環(huán)境節點(diǎn)低時(shí)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(chǎng)景，在無(wú)網(wǎng)絡(luò )部署的區域通過(guò)PC5接口提供車(chē)聯(lián)網(wǎng)道路服務(wù)，滿(mǎn)足行車(chē)安全需求。在有蜂窩網(wǎng)絡(luò )覆蓋的場(chǎng)景下，數據傳輸可以在Uu接口和PC5接口之間進(jìn)行靈活的無(wú)縫切換。

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

LTE-V2X的PC5接口是在Release 12 LTE-D2D(Device to Device)基礎上進(jìn)行了多方面的增強設計，從而支持車(chē)輛之間的車(chē)輛動(dòng)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(wú)線(xiàn)資源分配機制，此外，還對物理層結構進(jìn)行了增強以便支持更高的移動(dòng)速度(500km/h)。

4.3 802.11p和LTE-V2X的比較

802.11p具有客觀(guān)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(jìn)的車(chē)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在設計過(guò)程中充分借鑒了802.11p的經(jīng)驗和不足，在系統容量、覆蓋范圍等方面具有顯著(zhù)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合的方式，將V2N、V2I、V2V以及V2P結合成一個(gè)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計及資源分配方案來(lái)獲得高可靠、廣覆蓋、低時(shí)延的傳輸保障。而802.11p是一個(gè)純粹的分布式系統，無(wú)法實(shí)現整體最優(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(jìn)一步豐富了Telematics車(chē)載信息服務(wù)，讓用戶(hù)更愿意續費Telematics業(yè)務(wù);同時(shí)，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(guò)對現有的LTE網(wǎng)絡(luò )基站設備進(jìn)行升級就可以實(shí)現部署，不需要再鋪設大量的基礎設施通信模塊，產(chǎn)業(yè)更容易快速發(fā)展起來(lái)。來(lái)自GSA的最新報告顯示[6]，截至2017年1月末，全球運營(yíng)商已經(jīng)簽署764張LTE網(wǎng)絡(luò )合同，覆蓋196個(gè)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)系統吸引電信運營(yíng)商，通信設備制造商和汽車(chē)企業(yè)基于現有的LTE網(wǎng)絡(luò )和技術(shù)支持車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信，從而LTE-V2X成為自然的選擇。其次，LTE-V2X是運營(yíng)商增加新連接(車(chē)、自行車(chē)、摩托、行人等)的重要卡位?；贚TE-V2X，運營(yíng)商可以自然地參與到車(chē)聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)中來(lái)，提供車(chē)連網(wǎng)相關(guān)業(yè)務(wù)，如具有最核心的競爭力的連接、數據、服務(wù)等業(yè)務(wù)。此外，LTE-V2X是中國主導的車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，有利于國內企業(yè)規避專(zhuān)利風(fēng)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(chē)車(chē)、車(chē)路之間的直接通信，從智能交通長(cháng)遠發(fā)展的角度來(lái)看，以L(fǎng)TE-V2X為代表的C-V2X技術(shù)實(shí)現了直通和蜂窩模式的融合，未來(lái)可以平滑演進(jìn)到5G，應用前景更加光明。

5 5G車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信

作為智能駕駛的最終形式，自動(dòng)駕駛汽車(chē)技術(shù)依靠通信、人工智能、視覺(jué)計算、雷達、監控裝置和全球定位系統協(xié)同合作，讓電腦可以在沒(méi)有任何人類(lèi)主動(dòng)的操作下，自動(dòng)安全地操作車(chē)輛。未來(lái)車(chē)輛在進(jìn)行自動(dòng)駕駛與車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信的過(guò)程中，需要進(jìn)行海量、實(shí)時(shí)的數據交互。自動(dòng)駕駛汽車(chē)和車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信的實(shí)現還需要網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)傳輸汽車(chē)導航信息、位置信息以及汽車(chē)各個(gè)傳感器的數據到云端或其他車(chē)輛終端，需要更高的網(wǎng)絡(luò )帶寬和更低的網(wǎng)絡(luò )延時(shí)，而這僅靠LTE-V2X和DSRC等通信技術(shù)還無(wú)法實(shí)現。

相對于目前的車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，5G系統的關(guān)鍵能力指標都有極大提升。5G網(wǎng)絡(luò )傳輸時(shí)延可達毫秒級，滿(mǎn)足車(chē)聯(lián)網(wǎng)的嚴苛要求，保證車(chē)輛在高速行駛中的安全;5G峰值速率可達以10~20Gbit/s，連接數密度可達100萬(wàn)個(gè)/km2，可滿(mǎn)足未來(lái)車(chē)聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的車(chē)輛與人、交通基礎設施之間的通信需求。

目前，5G V2X正處于業(yè)務(wù)場(chǎng)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(chǎng)景及需求的討論，并在技術(shù)報告TR 22.886中將25個(gè)5G V2X業(yè)務(wù)場(chǎng)景分成了4組(見(jiàn)圖3)，具體包括：

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

●擴展傳感器(Extended Sensors)：擴展傳感器使車(chē)輛之間、車(chē)和路邊單元之間、車(chē)和行人之間以及車(chē)和V2X服務(wù)器之間可以交互本地傳感器信息和實(shí)時(shí)視頻圖像信息等，車(chē)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(jìn)駕駛(Advanced Driving)：先進(jìn)駕駛用于支持半自動(dòng)或全自動(dòng)駕駛。每個(gè)車(chē)輛把通過(guò)自身傳感器獲得的感知數據以及自身的駕駛意圖分享給周?chē)?chē)輛，從而支持多個(gè)車(chē)輛之間同步和協(xié)調他們的行駛軌跡。

●遠程駕駛(Remote Driving)：遠程駕駛使遠程司機或車(chē)聯(lián)網(wǎng)應用服務(wù)器遙控車(chē)輛的行駛，適用于乘客不能自己駕車(chē)或遠程車(chē)輛處于危險環(huán)境中等特殊場(chǎng)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(wú)線(xiàn)通信角度為5G V2X業(yè)務(wù)場(chǎng)景定義了相應的需求，具體如表2所示。

如何在高密度車(chē)輛場(chǎng)景下滿(mǎn)足5G V2X通信的低時(shí)延、高可靠性、高傳輸速率、高容量等需求，是5G車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò )面臨的挑戰，也是5G車(chē)聯(lián)網(wǎng)的重點(diǎn)研究工作。3GPP RAN在2017年3月的第75次全會(huì )確定，將從2017年第三季度開(kāi)始研究5G V2X的可用頻譜、信道模型以及評估假設并有望于2018年啟動(dòng)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(chē)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(wú)論是北美、歐盟以及日本這些發(fā)達國家還是我國，車(chē)聯(lián)網(wǎng)尚處于測試推廣階段，還未實(shí)現大規模的商用。隨著(zhù)汽車(chē)工業(yè)的不斷發(fā)展，無(wú)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(chē)聯(lián)網(wǎng)通信實(shí)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(chē)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(shí)現商用部署。未來(lái)，LTE-V2X技術(shù)將逐漸升級到5G V2X技術(shù)并長(cháng)期保持后向兼容，為實(shí)現中國智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)2025目標提供有力支撐。