基于5G網(wǎng)絡的車聯(lián)網(wǎng)通信模式及應用

余曉玫 李文娟 譚 祥

(重慶移通學院，重慶 401520)

0 前言

近年來，隨著汽車數(shù)量持續(xù)增長，城市交通擁堵日趨凸顯，人們出行難度加大，出行效率下降。車輛的增多不僅引發(fā)了交通堵塞、空氣污染等諸多現(xiàn)實問題，并給交通安全帶來了較大影響，嚴重影響到人們的生活質(zhì)量和社會的發(fā)展。車聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，將會改善出行效率，保障駕駛安全，促進實現(xiàn)我國低碳環(huán)保的目標。

1 車聯(lián)網(wǎng)概念

車聯(lián)網(wǎng)概念來源于物聯(lián)網(wǎng)，是將車內(nèi)作為局域網(wǎng)，車與車組成車際網(wǎng)，車際網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)相連，三者基于統(tǒng)一的協(xié)議，實現(xiàn)車與車、人、路、云平臺之間數(shù)據(jù)互通，最終實現(xiàn)智能交通、智能汽車及智能駕駛等功能。基于全面感知的自動駕駛，將給人們帶來更安全、更可靠的出行方式。與激光雷達、視覺攝像頭等其他感知傳感器相比，車聯(lián)網(wǎng)不需要計算和存儲大量的數(shù)據(jù)，是以整體環(huán)境信息作為感知對象，其受天氣、道路障礙物等客觀因素影響較小。因此，車聯(lián)網(wǎng)技術能全面提升車輛整體的智能駕駛水平和社會交通服務的智能化水平。

無線通信傳輸技術按照傳輸距離可分為近距離傳輸和遠距離傳輸2大類。近距離傳輸主要應用于車與車(V2V)的通信和車與路(V2R)的通信；遠距離傳輸主要應用于車與服務平臺(V2I)的通信。移動通信技術主要針對V2I的通信連接，屬于遠距離無線通信傳輸技術。

2 車聯(lián)網(wǎng)通信模式

根據(jù)相關數(shù)據(jù)計算顯示，實現(xiàn)汽車無人駕駛必須保證車輛每小時的信息數(shù)據(jù)處理量達到100 GB以上。目前普及的第四代移動通信(4G)技術還不能滿足車聯(lián)網(wǎng)這一應用要求。此外，4G網(wǎng)絡存在硬件較復雜、功耗較大、可靠性較差等諸多問題。第五代移動通信(5G)網(wǎng)絡技術具有超低時延、超高可靠性、超大帶寬的無線通信保障能力和高性能的計算能力，能夠保證車聯(lián)網(wǎng)的各方面需求。

傳統(tǒng)車聯(lián)網(wǎng)的通信模式將隨著5G網(wǎng)絡技術的應用而發(fā)生變化，整個車聯(lián)網(wǎng)的通信體系結(jié)構(gòu)將朝著智能化、靈活化、多樣化的方向發(fā)展。5G網(wǎng)絡時代的車聯(lián)網(wǎng)通信模式將存在無線局域網(wǎng)(WLAN)、4G移動通信、衛(wèi)星通信等多種形式。因此，5G網(wǎng)絡環(huán)境下的車聯(lián)網(wǎng)將形成一整套大型的、綜合的、互聯(lián)互通的異構(gòu)網(wǎng)絡。5G網(wǎng)絡的車載單元可以通過多種渠道，利用多個網(wǎng)絡接入，并最終達到相互融合的目的。基于蜂窩的車用無線通信技術(V2X)被蜂窩車聯(lián)網(wǎng)國際標準化組織定義為R14標準版本。為區(qū)分專用短程通信技術(DSRC)，5 nm全環(huán)繞柵極技術(5GAA)行業(yè)公司提出了蜂窩車聯(lián)網(wǎng)(C-V2X)技術。該技術包括基于長期演進的車用無線通信技術(LTE-V2X)和基于5G新空口的車用無線通信技術(5G NR-V2X)。C-V2X技術的全球無線部署符合5G演進路線，集成在車載信息處理的無線模塊中，能夠充分發(fā)揮終端和基礎設施層面的規(guī)模效應，并能有效解決汽車制造企業(yè)的增量成本問題。如圖1所示，基于長期演進(LTE)技術的車聯(lián)網(wǎng)LTE-V技術有2種工作模式：① 集中式工作模式(LTE-V-Cell)。該工作模式可以實現(xiàn)大覆蓋、大帶寬的通信，但需要借助基站進行控制。② 分布式工作模式(LTE-V-Direct)。該工作模式能夠直接實現(xiàn)車與車之間、車與周邊環(huán)境節(jié)點的高可靠、低時延通信，不需要借助基站進行控制。這2種模式可分別滿足不同的車輛應用場景和需求。

圖1 LTE-V技術的2種工作模式

5G網(wǎng)絡作為全新的移動通信系統(tǒng)，其技術路線如圖2所示。就LTE-V技術而言，5G技術是最關鍵的一步。5G技術作為LTE技術的演進，其時延可低至1 ms，因此LTE技術能演進到5G技術，LTE-V2X技術也隨之演進到5G NR-V2X技術，如圖3所示。其中，終端直通(D2D)技術是5G 移動通信技術重要的組成部分，該技術能夠使一定距離范圍內(nèi)的用戶設備直接通信。根據(jù)基站對通信資源的分配方式及起始節(jié)點、中繼節(jié)點、目的節(jié)點的具體控制情況來劃分，D2D通信方式可分為終端直通、基站協(xié)助終端、基站協(xié)助中繼和基站協(xié)助車隊等通信方式。5G網(wǎng)絡技術的廣泛應用，使車聯(lián)網(wǎng)向車內(nèi)網(wǎng)、車際網(wǎng)、車載移動互聯(lián)網(wǎng)三網(wǎng)融合的方向發(fā)展。在車內(nèi)網(wǎng)環(huán)境下，5G車載單元可自動與車輛建立通信連接，實現(xiàn)近距離信息傳輸，有效解決通信延遲的問題；在車際網(wǎng)環(huán)境下，行駛中的車輛可通過D2D終端直通方式有效解決通信網(wǎng)絡阻塞及車輛終端之間通信聯(lián)系難以維持的問題；在車載移動互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，行駛中的車輛可通過5G網(wǎng)絡基站或中繼快速地接入互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)車與網(wǎng)絡之間信息交互。

圖2 5G技術路線圖

圖3 C-V2X技術演進路線圖

3 應用方向

5G網(wǎng)絡比LTE網(wǎng)絡擁有更高的帶寬，可支持更大數(shù)量的連接和更高的傳輸速度。目前，5G技術已進入快速發(fā)展期，車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)也進入了快速增長期。車輛聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的實現(xiàn)需要依靠強大的通信能力支持，5G技術將使車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和應用更加可靠和迅速。5G網(wǎng)絡在車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)中的應用包括以下4個方面。

3.1 低速無人駕駛技術

車輛在非高速公路行駛時，無人駕駛技術可極大降低交通事故發(fā)生的概率，具有顯著優(yōu)勢。無人駕駛的場景模擬如圖4所示。首先，5G網(wǎng)絡的交互式感知提升了用戶的體驗感，降低了通信時延及道路路況的不確定性，使車輛可進行軌跡交互和狀態(tài)交互；其次，5G網(wǎng)絡不受距離和環(huán)境約束，能夠滿足車內(nèi)乘客對移動辦公、電影、游戲等各種車載信息娛樂及高精度地圖的需求；再次，5G網(wǎng)絡增強了無人駕駛的可能性，能夠協(xié)助城市固定路線的車輛實現(xiàn)部分智能云控制；最后，5G邊緣計算和切片技術可為自動駕駛提供安全保障。

圖4 無人駕駛的場景模擬

3.2 道路交通管理

在道路交通管理中，可充分利用5G網(wǎng)絡傳輸速率快的優(yōu)勢，對路況進行實時報告，道路上的監(jiān)控設備、收費站等設備都可以進行智能化運作。車與車也可實現(xiàn)信息的實時交互，及時了解道路狀況，幫助車輛智能選擇最佳行駛路段，緩解城市交通擁堵問題。

3.3 智能化車載系統(tǒng)

借助5G網(wǎng)絡技術，可開發(fā)出多種智能化的車載系統(tǒng)，使用戶的車載生活更加豐富，滿足用戶的實際需求。利用5G網(wǎng)絡時延小、帶寬容量大的特性，可為用戶提供高度精準的行駛地圖，提升導航的精準度，同時也可以滿足用戶移動辦公、各種車載娛樂信息的需求。

3.4 應急救援系統(tǒng)

當車輛遭遇突發(fā)緊急情況時，可利用車輛上安裝的操作系統(tǒng)和定位系統(tǒng)，借助5G網(wǎng)絡技術，通過車聯(lián)網(wǎng)設備及時進行信息互傳。救援中心在接受到救援信息后，可以快速對周邊路況進行分析，對車輛快速定位，使得救援工作更加及時和精準，有效降低事故損失。

4 結(jié)語

智能車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展既融合了5G網(wǎng)絡技術，也融合了大數(shù)據(jù)和人工智能等新興技術。充分運用這些新興技術，并充分發(fā)揮科技人員的創(chuàng)新性，將不斷促進社會基礎設施、道路交通和人工智能等方面的深度協(xié)作，實現(xiàn)更大范圍的高效化、智能化、自動化的5G車聯(lián)網(wǎng)場景應用。未來在車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的智能交通環(huán)境也將更加安全與高效。