B5G/6G蜂窩車聯網智能接入與資源管理關鍵技術及展望*

焦欏方，許云霆，張天祺，劉婷婷，周海波

（南京大學電子科學與工程學院，江蘇 南京 210023）

0 用戶為中心的B5G/6G蜂窩車聯網發展背景

截至2021年底，我國汽車保有量高達3.95億輛，其中新能源網聯車保有量達784萬輛。汽車保有量持續高位增長，新能源車輛增長率更是同比增長高達59.25%[1]。如此眾多的汽車帶來的道路安全、交通擁堵等問題愈發嚴峻，車聯網（V2X,Vehicle-to-Everything）成為解決當前交通問題、實現交通智能化的重要技術，也是賦能自動駕駛的關鍵技術之一[2]。當前的車聯網技術主要有兩種：專用短程通信技術（DSRC,Dedicated Short-Range Communication）和蜂窩車聯網技術（C-V2X,Cellular V2X）[3-4]。相較于DSRC技術，蜂窩車聯網技術技術具有更高的傳輸速率、更廣的覆蓋范圍、更高速的移動性等優勢。蜂窩車聯網技術是基于蜂窩網絡的車聯網技術，其發展也與蜂窩網絡的發展密切相關。隨著蜂窩網絡的不斷演進，蜂窩車聯網技術也發展出了LTE-V2X和NR-V2X等技術[5-7]，可以預見，未來的B5G/6G技術也將繼續推動新一代蜂窩車聯網技術的研究。

作為B5G/6G車聯網中的關鍵通信技術，蜂窩車聯網技術以蜂窩通信技術為基礎，具備V2X通信能力，利用已有的移動網絡部署支持信息服務類業務，同時有效解決車聯網應用的低時延、高可靠通信難題[8-9]，為未來無人駕駛、車輛安全、車載影音娛樂等智能交通系統的發展鋪平道路。如圖1所示，其網絡架構由感知層、網絡層與應用層組成。感知層主要用于環境感知，通過車載傳感器對車輛運行狀況和周圍環境信息進行采集。網絡層主要包括接入網和核心網，其中接入網用于連接感知設備與核心網，為V2V（Vehicle-to-Vehicle）和V2I（Vehicle-to-Infrastructure）通信提供接口；核心網為上傳至數據中心或云端的數據提供計算與存儲服務。應用層對感知層與網絡層產生的數據進行分析和處理，為用戶提供如自動駕駛、影音娛樂、遠程遙控、編隊行駛等應用。蜂窩車聯網技術具有部署簡單、傳輸可靠、覆蓋范圍廣、網絡容量大、運營模式靈活、資源分配更合理等優點，與B5G/6G的發展密不可分。伴隨著萬物互聯與大數據時代的到來[10]，蜂窩車聯網通過車、人、路、云之間的全方位連接和高效信息交互，推動自動駕駛技術和智能交通系統的發展與應用，可以滿足未來車聯網通信應用的多樣化服務質量需求[11]。同時，在B5G/6G的技術推動下，如圖1所示，蜂窩車聯網技術將與上下行解耦、無蜂窩網絡、區塊鏈、SDN/NFV、數字孿生、分布式學習等技術相結合，提供更高的通信鏈路安全性，為自動駕駛與蜂窩網的結合提供更多的可能。

圖1 用戶為中心的B5G/6G蜂窩車聯網

1 用戶為中心的B5G/6G蜂窩車聯網核心挑戰

盡管蜂窩車聯網技術有很多政策和技術上的優勢，并成為國家大力推行的車聯網通信技術，但仍然存在許多亟需解決的問題。一方面，B5G/6G通信系統以小蜂窩密集組網為主要特征，車輛在行駛過程中，需要頻繁切換接入基站[12]。另一方面，在B5G/6G通信系統中，存在豐富且具有不同特質的通信、計算、存儲等資源，需要針對不同的車聯網服務，設計彈性資源適配機制，高效協同優化車聯網中的資源，同時保證應用程序的多樣化QoS（Quality of Service）需求是一個非常困難的問題[13]。因此，面向未來B5G/6G蜂窩車聯網超密集接入、超高帶寬、超低時延和超高可靠等業務的要求，以用戶為中心的B5G/6G蜂窩車聯網面臨著如下核心挑戰：

（1）面向業務保障的車輛用戶、服務基站分簇多連接問題：在B5G/6G的蜂窩網絡中，具有廣覆蓋范圍的宏基站和多種類型的微基站構成了多層異構接入網絡。同時，車聯網中的用戶具有高動態、高安全性需求和高時延敏感度的特性。如何設計新的通信架構，保障車輛在高動態特性下的基站接入，以及如何在面對未來演進的復雜接入網絡環境，實現柔性接入管理，是B5G/6G的蜂窩網實現的理論基礎。

（2）多元化車聯網業務的資源靈活調度問題：面對網絡資源在時空上的不均勻性以及異構車聯網絡的業務需求時變性，如何運用“資源-服務-網絡”虛擬化、自適應網絡切片和彈性資源適配，實現多基站多連接服務的接入管理和業務保障，同時保證傳輸和訪問安全是未來B5G/6G蜂窩車聯網需要非常重視的問題。

（3）基于數字孿生的按需業務服務問題：如何針對不同業務需求，保障資源和用戶的按需服務和全網資源的高效共享，為車聯網中計算密集型、通信密集型和延遲敏感型等差異化的業務需求提供服務。

2 用戶為中心的B5G/6G蜂窩車聯網技術方法

面對用戶為中心的B5G/6G蜂窩車聯網所面臨的核心挑戰，如圖2所示，本節介紹了用戶為中心的B5G/6G蜂窩車聯網智能接入與動態資源管理的代表性前沿技術方法。

圖2 用戶為中心的B5G/6G蜂窩車聯網關鍵技術

（1）上下行解耦架構與去蜂窩的多輸入多輸出技術

為滿足日益增長的網絡密度和多樣化的車聯網服務需求，如自動駕駛服務對車載通信的高速率、低時延和高可靠性的要求，現有蜂窩車聯網的網絡架構必須加以創新。傳統蜂窩網絡架構是以網絡為中心的設計理念，采用宏基站集中控制的模式，網絡接入節點數量較少，單個基站覆蓋范圍廣，網絡部署通常由運營商中心式地運行。相較于傳統蜂窩網絡，B5G/6G將構建以用戶為中心的新型無線接入架構。在這種新型網絡架構中，單個基站覆蓋范圍小、功耗低且部署靈活的優勢將能夠體現。各個接入節點在本地服務中心控制下，智能地識別用戶的無線通信環境，靈活地組織多個接入節點和通信資源，相互協作共同為用戶提供服務。

近年來，無線接入網（RAN,Radio Access Network）中的一種開創性的上下行解耦接入模式（Uplink/Downlink Decoupled Access）正在興起，如圖2所示，該技術允許用戶的上行和下行鏈路分別連接最優的基站，打破了傳統蜂窩網絡中上下行通信鏈路必須耦合接入同一個基站的限制[14]。與耦合接入方案相比，上下行解耦可以以極低的成本在上行吞吐量、上行發射功率和負載均衡等方面帶來顯著收益[15]。去蜂窩的大規模多輸入多輸出（Cell-free Massive MIMO）被認為是可以滿足未來B5G/6G網絡日益增長的用戶數量和高預期速率等要求的突破性技術。其關鍵思想是通過聯合相干信號處理，使多個分布式接入點與網絡中的所有用戶進行通信，在同一時頻資源上為所有用戶提供一致的服務。

上下行解耦接入技術和去蜂窩架構技術可為車聯網提供較高的上行傳輸可靠性、較低的上行通信時延、改善的上行通信干擾以及較好的上下行負載均衡；去蜂窩的大規模多輸入多輸出技術可大大提升車聯網中每個車輛用戶的吞吐量。在B5G/6G車聯網中應用上下行解耦接入技術和無蜂窩化的網絡架構，能夠更好地滿足未來自動駕駛技術對車聯網的嚴格QoS要求。

（2）網絡切片、網絡虛擬化、區塊鏈和孿生技術

網絡切片技術（Network Slicing）是5G網絡資源管理的創新性技術，也將在未來的B5G/6G網絡中得到繼承[16]。通過將同一物理網絡分割成多個相互獨立的專用虛擬網絡，網絡切片技術可以根據特定業務的網絡需求，如吞吐量、端到端時延、丟包率等方面，提供差異化的網絡服務，提升網絡運行性能以及用戶的業務體驗。網絡功能虛擬化主要實現傳統電信設備的軟硬件解耦，運用虛擬化技術將物理網絡資源抽象化，形成可供上層應用的虛擬資源，是實現網絡切片的關鍵技術支撐。

區塊鏈（Blockchain）近年來已經成為一個非常熱門的研究課題[17]。區塊鏈是一種由多節點共同維護，使用密碼學保證傳輸和訪問安全的記賬技術，因其有助于實現分布式系統的數據一致存儲，維護難以篡改、防止抵賴的賬本，也被稱為分布式賬本技術。目前該技術由于其可信賴性、可追溯性和不可變性，已經應用到包括物聯網和車聯網在內的許多領域，例如為多運營商之間的網絡資源共享提供公共性和可信性的保障。

如圖2所示，將物理空間通過孿生技術映射到孿生空間，進而通過通信手段可達到對物理空間進行優化決策的目的。作為一種新興的智能計算技術，數字孿生（Digital Twin）融合了人工智能、機器學習、高級建模等技術，可以在實時數據的連接下，將物理實體動態映射到虛擬世界，創建可視化的虛擬孿生身體[18]。數字孿生不僅能準確反映物理實體的真實情況和實時變化，還能為物理實體提供行為分析、運營優化、狀態預測和決策反饋等一系列服務。隨著數字孿生研究的興起，網絡孿生（Cybertwin）也受到了學術界的廣泛關注[19]。同數字孿生類似，網絡孿生也是虛擬網絡空間中人類或設備的數字表示，但可以在網絡邊緣提供一些基本的服務支持，如通信助手、數據記錄器和移動代理。網絡孿生位于靠近用戶終端的網絡邊緣上，具有低延遲、高可擴展性和高可靠性的特點，因此它比通常部署在遠程中心云的數字孿生更適合延遲敏感的應用。

綜合使用網絡切片和網絡虛擬化技術將能為蜂窩車聯網資源彈性適配提供保障；區塊鏈技術將能為蜂窩車聯網解決多基站、跨運營商服務中的信任、安全和協作效率問題；數字孿生和網絡孿生技術將為蜂窩車聯網網絡態勢分析、基本服務支持提供保障。

3 用戶為中心的B5G/6G蜂窩車聯網重要研究方向

為解決用戶為中心的B5G/6G蜂窩車聯網所面臨的切換頻繁、無線接入資源管理與業務服務保障等核心挑戰，本節探討了用戶為中心的B5G/6G蜂窩車聯網新型網絡架構、柔性接入管理、彈性資源適配和按需業務服務等重要研究方向。

3.1 用戶為中心的B5G/6G蜂窩車聯網新型網絡架構

針對現有的快速演進的異構蜂窩網絡帶來的復雜網絡環境和異構通信、計算、存儲等資源合理配置的難題，如圖3所示，需要首先設計解耦的蜂窩車聯網架構模型，并在此基礎上拓展為以車輛用戶為中心的靈活多連接模型；再者，由于車聯網復雜且動態的連接關系給無線資源分配帶來了嚴峻的挑戰，根據網絡中的信息構建車聯網孿生空間，其中包括用戶需求、車輛用戶、虛擬化的網絡資源三大要素，實現物理空間的快速感知與映射；此外，根據孿生空間的豐富信息，設計合適的接入管理辦法、資源適配機制、業務服務等方法并且快速應用于物理空間資源分配中，通過物理信息、孿生空間、決策算法三者有效協同實現以車輛用戶為中心的靈活、高效的網絡資源調度和QoS保障。

圖3 用戶中心的B5G/6G蜂窩車聯網場景

這就要求構建物理空間和孿生空間的信息交互方式，研究基于網絡孿生的資源需求高效匹配方法，設計滿足車輛業務QoS和QoE（Quality of Experience）需求的連接技術和資源分配算法，包括柔性接入管理辦法、彈性資源匹配機制與按需業務服務方法等，為蜂窩車聯網的共同演進提供理論支撐。同時，基于所提出的通用網絡分析框架，對傳統耦合的蜂窩車聯網和新型的上下行解耦的蜂窩車聯網網絡進行具體的性能分析。具體要求分析網絡的上下行聯合關聯概率、相對于服務基站的距離分布、基站的覆蓋概率、上下行鏈路的頻譜效率以及速度影響進行具體的推導和分析驗證。在此基礎上，證明上下行解耦技術在蜂窩車聯網中的可行性和相較于傳統耦合網絡的優越性，從而為新型網絡架構在蜂窩車聯網中的應用奠定理論基礎。

3.2 用戶為中心的B5G/6G蜂窩車聯網柔性接入管理

未來的蜂窩車聯網中車輛將作為蜂窩用戶中的一個重要組成部分隨著新的網絡架構和新的接入技術共同演進。由于通信頻點分散，頻帶之間的衰落特性差異巨大，未來的網絡將呈現出異構化組網的趨勢，即具有廣覆蓋范圍的宏基站和多種類型的微基站構建多層異構接入網絡。車聯網作為接入網絡中的特殊用戶，具有高動態、高安全性需求、高時延敏感度的特性。因此，在面對未來演進的復雜接入網絡環境，要克服業務連續性保障和算法復雜度較高問題。

（1）為了克服車輛高動態特性帶來的基站頻繁切換帶來的業務連續性保障問題，需要提出靈活的接入方法。傳統的用戶上行和下行的接入基站依賴于下行信號接收功率，這種簡單的接入規則在復雜的網絡環境中會限制網絡資源的靈活配置，特別是對于車輛用戶，因此要考慮以車輛用戶為中心的上下行解耦接入方式，能夠靈活選擇上行下行接入節點。

（2）車輛用戶的特殊性使得對無線接入調度算法的復雜度非常敏感。傳統基于匹配、優化的接入調度算法雖然取得了良好的性能提升，但是實際部署會存在復雜度過高的問題，因此需要考慮基于在線學習的動態接入算法，用較低復雜度取得良好的接入調度效果。

3.3 用戶為中心的B5G/6G蜂窩車聯網彈性資源適配

用戶為中心的B5G/6G蜂窩車聯網可以實現“資源-服務-網絡”虛擬化、自適應網絡切片和彈性資源適配，同時采用區塊鏈技術，實現高效安全的多基站、多連接服務的接入管理。通過對B5G/6G蜂窩車聯網絡資源矢量空間的資源進行分割，針對不同的車載業務構造特定的切片服務，形成互相獨立、互不干擾的網絡切片，同時針對每個網絡切片進行細顆粒度的彈性資源配置，在滿足多元化的車聯網絡業務需求同時對B5G/6G蜂窩車聯網絡資源分配優化。

（1）針對不同的B5G/6G蜂窩車聯網車載業務，考慮其網絡資源在時空上的不均勻性以及車聯網業務需求的時變性，收集統計并預測車輛用戶服務業務及信道統計特征，構造完全獨立的網絡切片，將全網共享的網絡資源按需分配至各網絡切片當中，實現面向不同的業務需求進行分配及能力釋放，并針對切片內網絡資源分配提出多維度異質資源動態調度與優化方案。

（2）針對B5G/6G蜂窩車聯網跨基站多連接服務，考慮其具有多用戶多基站參與和跨運營商實時協作等特征，利用區塊鏈技術解決該網絡環境中的信任、網絡安全和協作效率等問題，提出跨運營商聯盟區塊鏈機制來實現多用戶-多基站的多連接接入協作，實現高效的跨運營商多基站多連接服務管理。

3.4 用戶為中心的B5G/6G蜂窩車聯網按需業務服務

面向B5G/6G的蜂窩車聯網中存在不同業務需求，為了保障按需服務和全網資源的高效共享，針對B5G/6G蜂窩車聯網研究以用戶為中心按需業務服務方法，基于上下行解耦、數字孿生、邊緣智能技術和分布式機器學習等技術，利用數字孿生技術為車聯網中計算密集型、通信密集型和延遲敏感型等差異化的業務需求提供服務。

（1）引入數字孿生技術，設計層次型分布式計算架構，在異步分布式學習過程中協調車輛用戶和云服務器之間的單次模型聚合。

（2）為了靈活有效地利用通信計算資源進行邊緣計算，使用數字孿生平臺作為智能代理，聯合考慮車輛的差異化計算能力和上行鏈路傳輸限制，研究車輛的計算和通信資源聯合優化問題，并將系統能量消耗作為優化目標。

4 用戶為中心的B5G/6G蜂窩車聯網技術演進展望

用戶為中心的B5G/6G的蜂窩車聯網關鍵技術的應用為未來解決車輛智能接入、資源彈性管理、業務個性服務三大主要挑戰提供了解決方向。未來蜂窩車聯網還可以在以下幾方面進一步演進發展。

4.1 全解耦無線接入網絡架構

目前車輛接入過程中的接入選擇仍由控制基站控制，這對車輛高速移動過程的頻繁接入帶來了極大的延遲影響，同時也對未來車輛自動駕駛超高可靠、超低延時通信帶來了極大挑戰。伴隨B5G/6G網絡的發展，基站部署將面向超密集組網、個性化服務發展，上下行鏈路集合到同一基站將不再適應未來發展，這勢必需要通信網絡進一步解耦。全解耦網絡技術（FD-RAN,Fully-Decoupled RAN）是將數據基站的上下行鏈路進行物理解耦，同時將控制與業務解耦設立單獨的控制基站。這種網絡架構將對未來用戶為中心的B5G/6G蜂窩車聯網技術演進提供更低切換時延、更高通信效率的網絡服務。

4.2 用戶為中心的網絡孿生服務

未來車輛將從工具屬性向生活屬性轉變，車輛用戶的富媒體交互將成為必然趨勢。當前以多點控制單元（MCU,Multipoint Control Unit）的反饋機制面臨上下行傳輸速率相差較大同步困難的問題，建立以用戶為中心的網絡孿生作為通信代理，并由其網絡孿生提供網絡服務，自適應的購買3C（Communication,Computation and Caching）資源和調整上下行富媒體流質量，將為未來高速車輛用戶為中心的蜂窩車聯網發展提供保障。

4.3 面向全維度資源的跨層調度

未來碎片化的頻譜被池化到邊緣云上、用戶現有單純的點對點傳輸以及固化的接入方式將會演變為以協作方式為主導、靈活的接入方式為核心的通信模型，依賴傳統網絡架構的通信、計算、存儲聯合優化算法將不能滿足需求。設計面向全維度資源的跨層調度將成為必然趨勢，這將為未來全維度資源調度效率進一步提高提供可能。

5 結束語

本文針對用戶為中心的B5G/6G蜂窩車聯網智能接入與動態資源管理所面臨的切換頻繁、無線接入資源管理與業務服務保障等核心挑戰進行了詳細分析，介紹了面向用戶為中心的B5G/6G蜂窩車聯網的代表性前沿關鍵技術，探討了用戶為中心的B5G/6G蜂窩車聯網新型網絡架構、柔性接入管理、彈性資源適配和按需業務服務等重要研究方向，最后對以用戶為中心的B5G/6G蜂窩車聯網智能接入與資源管理未來發展方向進行了從網絡架構到面向全維度資源的跨層調度的展望。該研究旨在促進蜂窩車聯網技術的應用與推廣，拓展和豐富現有蜂窩車聯網的理論框架，對我國車聯網行業的戰略部署具有借鑒意義。