5G時代車聯網發展的機遇與挑戰

顧文琰

【摘 要】隨著5G網絡商用化進程的加快，5G車聯網的研究和建設已提上日程。本文首先論述了當下車聯網發展中的不足，然后分析和總結了5G車聯網在技術、政策和市場上所面臨的機遇及挑戰。

【關鍵詞】5G車聯網;發展機遇;挑戰

中圖分類號： TN918;TN929.5;U495文獻標識碼： A ? 文章編號： 2095-2457（2019）19-0001-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.19.001

0 引言

隨著城市化進程的推進和生活條件的改善，我國每百戶家庭私家車的擁有量從2017年的36輛提升至2018年的40輛，商務部認為在接下來的幾年，我國私家車的數量仍會繼續增長。而許多城市的道路承載容量已經飽和，擁堵、安全事故等狀況頻發，成為城市發展中亟待解決的重要問題。另外，智能網聯汽車、無人駕駛汽車也越來越受到人們的關注，尤其是無人駕駛汽車需要通過傳感器來感知環境、采集數據，以獲得行駛環境狀況，并及時處理信息。為滿足智慧交通、自動駕駛等應用的發展需求、解決城市交通發展難題，車聯網應運而生。

1 車聯網概念的演進

車聯網是物聯網在交通領域的衍生，隨著AI、邊緣算法、大數據等技術發展和應用，車聯網的概念也隨之改進和完善。傳統車聯網是利用車輛的電子標簽和無線射頻識別技術，通過信息網絡平臺提取車輛的屬性信息和動、靜態信息，并加以有效利用，本質是車輛位置、行駛速度和路線等信息構成的巨大交互網絡[1]。

考慮到車聯網技術和應用需求的變化，中國信息通信研究院在2017年發布的車聯網白皮書中指出，車聯網是由人員、車輛、道路、通信和服務平臺五個要素構成，借助新一代信息和通信技術，可實現車輛與車輛（V2V）、車輛與道路（V2R）、車輛與行人（V2P）、車輛與服務平臺（V2I）的全面網絡連接，提升汽車智能化水平和自動駕駛能力，構建新的汽車和交通服務格局，提高交通效率，改善汽車駕乘體驗，為用戶提供智能、安全、高效的綜合服務。

2 車聯網的體系架構與發展現狀

車聯網的體系架構與物聯網相似，由終端層、網絡層、平臺層和應用層構成。

1）終端層：包括移動終端、感知設備、顯示設備、通信設備和車載終端等。

2）網絡層：包括4G/5G/DSRC/衛星通信/衛星導航等。

3）平臺層：包括安全連接、網絡通信、駕駛輔助、增值服務、車輛協同等。

4）應用層：包括安全駕駛、智能交通、TSP信息服務等[1]。根據構成又可劃分為三類：一是以用戶體驗為中心的信息服務應用;二是基于車輛駕駛的汽車智能化應用;三是以協同為核心的智慧交通應用。

錢志華認為車聯網的發展可以分為三個階段：導航階段、無線通信與GPS結合階段和車-人-網全面互動階段[2]。陳祎根據通信技術的發展，將車聯網的發展分為三個階段：第一階段是基于2G、3G蜂窩通信網絡，提供汽車娛樂和以e-Call為代表的遠程信息處理業務;第二階段是通過LTE-V2X和DSRC等通信系統將汽車互聯，提供智能交通業務;第三階段是借助5G及5G-V2X網絡，將汽車與云端連接，并結合精確位置信息，提供自動駕駛、編隊行駛等業務[3]。陳祎的劃分方式與車聯網發展更加匹配，筆者比較贊同我國當前處于由第二階段向第三階段過渡的說法，并認為車聯網正在從信息服務業務向安全出行和交通效率業務發展，更將逐步向支持實現自動駕駛的協同服務業務演進。

車聯網作為移動通信設備和用戶的載體，車載通信具有移動區域受限、網絡拓撲變化快、網絡頻繁接入和中斷、節點覆蓋范圍大、通信環境復雜等特點[4]。當下車聯網需要投入大量路側單元（RSU）來支撐體系結構，消耗了更多的建設成本和能源，通信干擾和時延性也無法得到妥善的解決，且體系架構的感知層、網絡層和應用層均存在不同程度的安全隱患[4]。而實現自動駕駛汽車和車聯網的通信需要網絡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據到云端或其他車輛終端，需要更高的網絡帶寬和更低的網絡延時，依靠當前的LTE-V2X和DSRC等通信技術無法實現[5]，也無法滿足大規模車輛的數據連接和傳輸要求，因此亟需提升整個車聯網體系的能力。

3 5G時代車聯網發展的重大機遇

5G為第五代移動通信技術，具備eMBB（超大帶寬）、uRLLC（超高可靠性，超低時延）和mMTC（超大連接）等特征。將5G引入車聯網領域，不僅可以解決當下車聯網存在的問題，而且能夠充分發揮5G網絡能夠融合2/3G、LTE、LTE-A、WIFI、M2M等多種技術的優勢，使車聯網網絡性能和能效得到較大提升，有助于真正開啟車聯網時代。

結合相關學者的觀點，筆者認為5G車聯網是基于車內網、車際網和車載移動互聯網，集成傳感器、RFID、數據挖掘、自動控制、邊緣計算、AI等相關技術，按照5G通信協議和標準，采用基于設備到設備（D2D）的終端直接通信方式，通過車X（X：車輛、道路、行人和互聯網）交互，實現車輛與公眾網絡的動態移動通信[4][6]。5G車聯網具備較強的技術優勢和市場潛力，也得到國家政策的大力扶持。

3.1 車聯網在5G時代的技術機遇

5G車聯網與當下車聯網的主要區別在于，通過在連通體系中部署5G網絡，可大幅提升網絡連通性，拓展應用范圍[4][6][7]。其技術優勢主要表現在以下方面。

首先，在連通性方面。由于5G網絡融合了認知無線電、全雙工通信、大規模MIMO等一系列新興技術，具備數據傳輸速率快、網絡覆蓋廣的優勢，因而5G車聯網可以實現多實體間的信息交互、車載單元（OBU）的多網接入以及車內網、車際網和車載移動互聯網的“三網融合”[6]。另外，5G網絡將時延降低至毫秒級，減輕了車聯網節點之間相互切換的壓力，節點與節點間能夠進行高質量的無縫切換，連接性能更好[6][8]，可滿足自動駕駛的技術要求。

其次，在網絡承載能力方面。5G網絡具備超大帶寬和超大連接的能力，能夠承載爆炸式車流量增長所帶來的壓力，通過采取適當的流量分載算法，5G車聯網可實現負載均衡，使用戶獲得適宜的頻譜，提高用戶體驗水平[6]。而超大帶寬可以為用戶提供高質量通信，減少環境干擾，降低應通信距離過長而導致終端間連接中斷的可能性，并能夠適應速度更快的車輛通信。

再次，在精準性方面。5G車聯網可利用5G基站實現與互聯網的連接，并借助5G基站的中繼功能和大規模的天線陣列及部署范圍，可為用戶提供比GPS更加精準的車輛定位，克服了GPS系統易受天氣影響、網絡脆弱等缺點[6]。另外，基于多車信息匯總的決策可靠性比基于單車信息基礎的決策要高3個數量級。

此外，5G車聯網可進一步提升自動駕駛的性能，減低單車部署傳感器的成本，減少對高精度傳感器的依賴，提高自動駕駛的安全性。若將多接入邊緣計算（MEC）引入5G車聯網，還可豐富和擴展車聯網業務的應用場景，滿足闖紅燈預警、行人碰撞預警、基于信號燈的車速引導等場景對時延性的要求，將應用場景擴展至車輛感知共享、十字路口的路況識別與綜合分析、高精度地圖的實時分享以及大規模車輛協同等方面，有助于未來解決低抖動、低時延的可靠傳輸、數據與業務安全性等相關技術難題[3][9]。

為了更好地發揮5G車聯網的技術優勢，把握市場發展機遇，需要進一步解決其在干擾管理和安全性上存在的不足。雖然5G車聯網采用的D2D終端直接通信方式能夠通過集中化管理方式減輕一定的信道干擾，但當沒有基站作為中繼或管理鏈路時，干擾問題仍不能妥善解決[6]?？紤]到5G車聯網在結構、部署和架構方面的特性，用戶信息存在被惡意盜取的危險，Sybil攻擊是車聯網身份認證系統中最普遍的一種威脅[10]。

3.2 車聯網在5G時代的政策機遇

國家通過發布相關標準和計劃，引導車聯網健康發展。2018年6月，工業和信息化部和國家標準化管理委員會印發了《國家車聯網產業標準體系建設指南（總體要求）》、《國家車聯網產業標準體系建設指南（信息通信）》和《國家車聯網產業標準體系建設指南（電子產品與服務）》等系列文件，以規范、引導車聯網產業生態環境構建中的頂層設計，推動相關產業轉型升級。2018年12月25日，工業和信息化部印發了《車聯網（智能網聯汽車）產業發展行動計劃》，提出計劃2020年后，全面建成技術創新、標準體系、基礎設施、應用服務和安全報障體系，高級別自動駕駛功能的智能網聯汽車和5G-V2X逐步實現規模化商業應用，實現“人-車-路-云”的高度協同，同時從組織、政策、產業體系、發展環境、人才培養以及國際合作等6個方面提出了具體的報障措施。中國信息通信研究院在2017年和2018年分別發布了《車聯網白皮書》，對車聯網的概念和行業發展做出解讀，以期推動車聯網的發展。

除了政策上的支持外，國家還建立試點和示范區，以驗證5G車聯網的可行性。我國基于在汽車制造、通信與信息以及道路基礎設施建設等領域的完善和發展，已初步形成覆蓋LTE-V2X系統、芯片、終端的產業鏈，工信部、交通部從車聯網、車路協同方面積極推進國家示范區建設。懷柔建立了現階段最大的5G車聯網試點，可滿足LTE-V商用車聯網終端[12]。另外國家積極參與制定5G通信標準，在國內擴大寬帶網絡和高速公路網的規模，借助北斗導航衛星為全國提供高精確的時空服務，具備了推動5G-V2X的發展實力。

3.3 車聯網在5G時代的市場機遇

互聯網、大數據、云計算以及機器學習對社會發展帶來的革命性影響不斷深化，人類已互聯網時代逐步邁進萬物互聯時代，車聯網作為高速場景中最具明確發展方向和國家政策扶持行業，5G車聯網具有極大的市場空間。

根據公安部統計數據，2018年全國汽車保有量為2.4億輛，比2017年增加2285萬輛，增長10.51%，參照發達國家汽車保有量增速水平，以10%增速計算，預測2020年我國汽車保有量將達2.9億輛。按照15.0%的車聯網用戶滲透率估算，具備聯網能力的車輛將達4350萬輛左右。以每輛車需要配置3000元的硬件車聯網產品價格來估算，2020年我國車聯網行業的市場容量將達1305億元。隨著5G車聯網能力的提升和多樣化服務的加入，車聯網用戶的滲透比例也將明顯提高，有數據表明，未來5年車聯網行業用戶規模的年均復合增長率在30.0%左右。車聯網的市場規模將爆炸式增長。

此外，5G車聯網的運作不僅需要硬件提供商的支持，還需要軟件、通信和平臺等眾多企業的配合，產業鏈也隨著時代的發展不斷延伸、升級，汽車廠商、電信運營商以及互聯網企業可通過硬件、平臺、通信網絡等來獲得較高的利潤回報，整個產業鏈的價值得到提升。

4 5G時代車聯網發展面臨的挑戰

國內外大型汽車廠商、互聯網公司，包括奔馳、通用、大眾、上汽、百度、谷歌等，敏銳地察覺到5G車聯網的巨大商機，紛紛加大對自動駕駛技術的研發投入，加緊市場布局。羅德與施瓦茨、華為在慕尼黑和上海分別測試了5G-V2X在遠程自動駕駛控制和車輛編隊的高效管理上的性能，測試結果表明5G車聯網可以實現毫秒級別的延遲[11]。

國內各電信運營商已著手5G車聯網的部署。中國移動在2019年首屆5G自動駕駛峰會上，發布成立第一條5G自動駕駛車輛測試道路、5G自動駕駛聯盟及領先計劃、中國移動“和路通”智能ETC;中國電信重慶公司、大唐移動和中國汽研三家企業三方共同推進5G車聯網產業的發展，計劃在2019年內實現基于5G網絡的自動駕駛落地示范應用。

雖然在龍頭企業的積極參與下，5G車聯網試驗已經取得了一些可人的成果，但由于5G車聯網體系結構和產業鏈的復雜性，在技術、行業標準以及商業模式上還存在諸多挑戰，還沒有得到妥善解決。

4.1 核心技術有待進一步突破

目前5G通信網絡在國內還未正式商用，一些關鍵產品（如芯片、車載終端、路側基礎設施）還在試驗階段，未能達到商業化部署要求，且5G車聯網自身在安全性和干擾管理仍然存在一定的局限性，還需要國家的支持和產學研單位的深入研究。

4.2 缺乏行業技術標準

車聯網涉及到多方數據信息的交換，終端、廠商和電信運營商等企業之間有不同的信息傳輸標準，導致車聯網架構的不同層面無法進行有效的信息溝通，因此需要建立一套適用于5G車聯網的標準體系，來實現整個體系的互聯互通[13]。

4.3 商業模式不明確

5G車聯網產業鏈的結構比較復雜，包括汽車制造商、TSP（車載信息服務提供商）、通信運營商、內容和服務提供商以及設備提供商等多個對象，各方利益訴求不同，難以協調一致，網絡部署方案未能統一，整個產業未能形成核心凝聚力，產業的推動進程較為緩慢[1]。

除此之外，由于當下車聯網的功能比較單一，無法滿足用戶的需求，汽車廠商和相關企業也未能有效地進行市場推廣，用戶量較少。在5G車聯網落地后，如何發掘潛在用戶、提高用戶滲透率也是5G車聯網產業發展的關鍵。

5 結語

隨著5G網絡商用化進程的加快，國家和相關企業也都加快了研究和建設5G車聯網的步伐，并取得了一些重要的技術突破，但在基礎設施和核心技術上仍然存在一些難題，需要深入研究和改善。5G車聯網發展之路漫漫，其期可待。

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