深挖車聯(lián)網(wǎng)新架構(gòu)：5G與車聯(lián)網(wǎng)會(huì)擦出怎樣的火花？

汽車網(wǎng)絡(luò)對(duì)服務(wù)質(zhì)量（QoS）的要求體現(xiàn)在延遲、數(shù)據(jù)傳輸速率、可靠性和通信距離等方面。近年來，諸如車聯(lián)網(wǎng)（V2X）等新興汽車網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和用例已經(jīng)取得了一些成就，它們無疑對(duì)上述QoS提出了更加嚴(yán)格的要求。至于自動(dòng)駕駛汽車，開發(fā)人員往往會(huì)將目光聚焦在攝像頭、雷達(dá)和激光雷達(dá)（LiDAR）這三種傳感器技術(shù)上，但車聯(lián)網(wǎng)這項(xiàng)業(yè)已存在的無線技術(shù)同樣可以為自動(dòng)駕駛汽車帶來顯著的附加價(jià)值。要實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)，就需要在參與交通行為或者與交通行為相關(guān)的各種傳感器之間建立起高帶寬、低延遲的可靠通信，而5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)就能夠?yàn)檐嚺c車（V2V）以及車與基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）通信實(shí)現(xiàn)這樣的連接。

本文將探討第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）打算如何在車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中采用5G技術(shù)，以及這一方案相較于現(xiàn)有的專用短程通信（DSRC）或其他蜂窩車聯(lián)網(wǎng)（C-V2X）方案所具備的顯著優(yōu)勢(shì)。需要注意的是，“蜂窩車聯(lián)網(wǎng)”中的“蜂窩”一詞其實(shí)存在一定的誤導(dǎo)性，它在這項(xiàng)應(yīng)用中并不是指5G這樣的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，而是指蜂窩無線電中讓雙方能夠直接通信的基礎(chǔ)電子技術(shù)。

技術(shù)變革呼之欲出

從通信技術(shù)的角度來看，未來的智能交通系統(tǒng)（ITS）服務(wù)已經(jīng)得到了廣泛接受，這一趨勢(shì)最終將指向自動(dòng)駕駛，并且需要通過5G車聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)車輛高度連接。經(jīng)過多年研究，并且在學(xué)術(shù)界和業(yè)界的推動(dòng)下，成熟的5G技術(shù)已經(jīng)投入使用，于是3GPP從第16版標(biāo)準(zhǔn)開始起草了5G車聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

接下來，讓我們先從車聯(lián)網(wǎng)的定義談起。所謂“車聯(lián)網(wǎng)”（V2X），拆開來看就是“Vehicle to Everything”：車連萬物。這項(xiàng)技術(shù)是一種雙向通信方式，可以在汽車或純電動(dòng)車與周圍任何可能影響到它的實(shí)體之間傳輸信息。在實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)駕駛之前，車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用已經(jīng)能夠?qū)煌ò踩捅憷援a(chǎn)生重要影響。該項(xiàng)技術(shù)還有助于減少交通擁堵、降低交通對(duì)環(huán)境的影響，并讓車內(nèi)的駕駛員和乘客更加舒適。

5G聯(lián)手車聯(lián)網(wǎng)，車輛和行人的安全將更有保障。當(dāng)執(zhí)行緊急任務(wù)的車輛駛近時(shí)，或者人行橫道線上有行人正在穿越時(shí)，附近的其他車輛會(huì)收到距離和方向信息，并向駕駛員發(fā)出提示或直接介入控制。在出于安全需要或發(fā)生意外事件時(shí)，交通信號(hào)燈的時(shí)間能夠加以控制或延長(zhǎng)，從而使駕駛員更容易注意到行人，避免行人突然出現(xiàn)在車流中。當(dāng)發(fā)生交通事故時(shí)，附近的車輛會(huì)收到事故的位置和距離。此外，校車在行駛中以及停車上下學(xué)生時(shí)，也可以提示附近車輛小心駕駛或停車避讓，為學(xué)生提供更進(jìn)一步的安全保障。

蜂窩車聯(lián)網(wǎng)（C-V2X）是車聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)組成部分，可以對(duì)攝像頭、雷達(dá)和激光雷達(dá)等視距（LoS）傳感器起到補(bǔ)充作用，這對(duì)安全駕駛至關(guān)重要。此外，蜂窩車聯(lián)網(wǎng)的傳感覆蓋范圍大于視距傳感器，并且為車輛與周圍一切事物相互通信建立了基礎(chǔ)。2014年，3GPP在第14版標(biāo)準(zhǔn)中啟動(dòng)了蜂窩車聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化研究，采用的是以LTE作為底層技術(shù)的方案。該項(xiàng)規(guī)范于2017年發(fā)布。

車聯(lián)網(wǎng)涉及多種類型的通信，包括車與基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）、車與網(wǎng)絡(luò)（V2N）、車與車（V2V）、車與行人（V2P）和騎車人等弱勢(shì)交通參與者，以及車與設(shè)備（V2D），對(duì)于電動(dòng)汽車而言還包括車與電網(wǎng)（V2G），如（圖1）所示。

圖1：車聯(lián)網(wǎng)的主要通信類型：車與車（V2V）、車與行人（V2P）、車與基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）以及車與網(wǎng)絡(luò)（V2N）。車聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)陌踩⒃跉W洲為協(xié)同感知消息（CAM）與分布式環(huán)境通知消息（DENM），在美國為基本安全消息（BSM）（圖源：IEEE）

與此同時(shí)，汽車行業(yè)也在尋求可行的方法降低車載單元（OBU）的成本，從而在支持5G車聯(lián)網(wǎng)的同時(shí)維持車價(jià)不變或盡可能縮小漲價(jià)幅度。

5G與車聯(lián)網(wǎng)的邂逅

有5G加持的車聯(lián)網(wǎng)，將會(huì)變得更加易用、快速、可靠。5G與車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的區(qū)別可以總結(jié)成如下兩點(diǎn)：

蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施：5G和其他無線電移動(dòng)服務(wù)一樣采用蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施，也就是將整塊地域劃分成若干個(gè)蜂窩小區(qū)，它們之間有較大的重疊區(qū)域，并由被稱為“基站”的天線系統(tǒng)來管理。

結(jié)構(gòu)更加靈活：車聯(lián)網(wǎng)和其他無線服務(wù)一樣采用更加靈活的結(jié)構(gòu)，通過被稱為“熱點(diǎn)”的小型天線設(shè)備系統(tǒng)，借助強(qiáng)大的合作策略，盡可能地確保連接質(zhì)量。

DSRC與C-V2X：孰優(yōu)孰劣？

現(xiàn)如今，為提高車輛安全性而制定的高速通信協(xié)議有DSRC和蜂窩物聯(lián)網(wǎng)兩種，它們都具有傳輸速度非常快、數(shù)據(jù)交換頻率高和延遲低的特點(diǎn)。

DSRC在5850MHz至5925MHz頻段的數(shù)據(jù)傳輸速率為6Mbps至26Mbps；蜂窩車聯(lián)網(wǎng)的接收速率和最大發(fā)送速率為26Mbps。兩者都工作在5.9GHz頻段，都采用相同的用例和相同的消息集（SAE J2735和J2945），也都使用數(shù)字簽名來確保消息提供者的安全性和可信度。DSRC和蜂窩車聯(lián)網(wǎng)都無需在傳輸數(shù)據(jù)前先建立連接，但它們始終都在廣播車輛的位置、加速度和速度，同時(shí)監(jiān)聽其他車輛發(fā)出的信號(hào)。

這兩項(xiàng)技術(shù)采用了不同的無線標(biāo)準(zhǔn)。DSRC采用的是WAVE IEEE（802.11p），蜂窩車聯(lián)網(wǎng)則采用和手機(jī)一樣的長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）技術(shù)。美國FCC已于2020年11月將5.9GHz頻段分配給Wi-Fi和C-V2X。

DSRC和蜂窩車聯(lián)網(wǎng)之間無法互通，它們?cè)诟鱾€(gè)方面也表現(xiàn)出了不同的特性。DSRC的傳輸距離大約為300m，而蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的延遲更低，傳輸距離比前者長(zhǎng)20%至30%，在有障礙物的情況下，性能也明顯好于DSRC，因而蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的整體性能顯著優(yōu)于DSRC，但對(duì)于關(guān)鍵性的安全應(yīng)用而言，DSRC的傳輸距離和可靠性依然是足夠的。

蜂窩車聯(lián)網(wǎng)側(cè)鏈路

3GPP第16版標(biāo)準(zhǔn)通過5G NR在蜂窩車聯(lián)網(wǎng)中引入了側(cè)鏈路，促成了跟車行駛、高級(jí)駕駛、擴(kuò)展傳感器和遠(yuǎn)程駕駛等蜂窩車聯(lián)網(wǎng)新應(yīng)用。在危急的駕駛場(chǎng)景中，緊急制動(dòng)和碰撞避讓是家常便飯，此時(shí)必須嚴(yán)格保證車聯(lián)網(wǎng)的低延遲和高可靠性，而蜂窩車聯(lián)網(wǎng)的最小傳輸延遲不大于4ms，在具體實(shí)現(xiàn)中還可以做到更低。可靠性則是一個(gè)很難量化的特性，但在3GPP過往的每一個(gè)新版標(biāo)準(zhǔn)中，都會(huì)新增一批性能和安全方面的改進(jìn)，從而提升可靠性。日后的新版標(biāo)準(zhǔn)依然會(huì)在改善安全性和可靠性的路上繼續(xù)走下去。

車聯(lián)網(wǎng)得到部署后，車輛會(huì)定期通過廣播消息傳達(dá)其狀態(tài)和移動(dòng)情況，屆時(shí)這類消息將占據(jù)短程通信中的絕大部分，尤其是在部署的第一階段。

在交通流量非常大的區(qū)域，可用信道資源可能會(huì)飽和，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失的情況增多，這會(huì)對(duì)駕駛員和乘客的安全構(gòu)成威脅。對(duì)此，研究人員需要研究并制定擁塞控制算法，以便在某些條件達(dá)到臨界水平之前修改這些參數(shù)。不過，他們并沒有直接從特定的算法出發(fā)，而是先對(duì)比了Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)方法（IEEE 802.11p）與蜂窩標(biāo)準(zhǔn)方法（3GPP第14版標(biāo)準(zhǔn)中作為蜂窩車聯(lián)網(wǎng)的一部分定義的側(cè)鏈路LTE車聯(lián)網(wǎng)）。

蜂窩車聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)由3GPP開發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)車輛用戶設(shè)備（VUE）之間通過側(cè)鏈路（也叫PC5接口）直接通信。蜂窩車聯(lián)網(wǎng)側(cè)鏈路是第一個(gè)在物理層引入距離作為維度的無線系統(tǒng)，可以讓視距設(shè)備和非視距設(shè)備在差異很大的無線電環(huán)境中實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的通信范圍。

蜂窩車聯(lián)網(wǎng)從第14版標(biāo)準(zhǔn)開始包含兩種通信模式：直接模式（PC5），可用于最直接以及對(duì)延遲最敏感的通信；以及網(wǎng)絡(luò)模式（稱為Uu），也就是將用戶設(shè)備連接到UMTS地面無線接入網(wǎng)，通過現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行廣播式通信。
PC5模式支持兩種方式：

在Mode-3（調(diào)度）方式下：側(cè)鏈路資源分配是在eNodeB的監(jiān)督下進(jìn)行的，需要蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施支持無線電資源管理。

在Mode-4（自主）方式下：車輛自行進(jìn)行分布式的資源分配和干擾處置，不涉及蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施（自然也可以在沒有蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域中正常使用）。

車聯(lián)網(wǎng)通信中的安全和隱私問題

基于LTE的車聯(lián)網(wǎng)通信采用高容量、大蜂窩覆蓋范圍和廣泛部署的基礎(chǔ)設(shè)施，以支持安全相關(guān)和非安全相關(guān)應(yīng)用的各類車輛通信服務(wù)。3GPP和高通等技術(shù)組織已經(jīng)制定了基于5G的車聯(lián)網(wǎng)服務(wù)路線圖。

3GPP所定義的“安全”主要包括保密性、完整性、真實(shí)性和抗重放攻擊。

面對(duì)新的隱私和安全挑戰(zhàn)，包括面向群體的自主跟車行駛的安全移動(dòng)性管理、可靠的協(xié)同駕駛、高效并且注重隱私保護(hù)的車輛大數(shù)據(jù)共享和處理等，我們還需要在5G車輛網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行更多的研究。

在汽車安全性和安全保障的可能解決方案中，針對(duì)任何網(wǎng)絡(luò)攻擊，全面采用雙密鑰密碼系統(tǒng)是一種可行的方案。

車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用依賴于連續(xù)、詳細(xì)的位置信息，這可能會(huì)導(dǎo)致隱私問題。對(duì)私家車而言，位置痕跡將揭示駕駛員的行動(dòng)和活動(dòng)軌跡，況且駕駛員還未必就是車輛的所有者。簡(jiǎn)而言之，發(fā)送和傳播車聯(lián)網(wǎng)用戶的位置信息，可能會(huì)對(duì)車主和司機(jī)產(chǎn)生隱私問題。

許多其他車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用都涉及車輛之間的通信，可以對(duì)現(xiàn)有的轉(zhuǎn)彎輔助和緊急制動(dòng)警告起到補(bǔ)充作用，并且有助于更全面地得知交叉路口的具體情況。通過將Waze（一款用戶社區(qū)驅(qū)動(dòng)的導(dǎo)航App）提出的概念加以擴(kuò)展，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的控制或建議以便緩解交通擁堵，以及在GPS地圖上實(shí)時(shí)更新車道關(guān)閉和公路建設(shè)等活動(dòng)?，F(xiàn)今不少車輛還支持通過OTA進(jìn)行的軟件更新，涵蓋從地圖更新、錯(cuò)誤修復(fù)、安全更新等，這一功能也必須依賴某種形式的車聯(lián)網(wǎng)。

車聯(lián)網(wǎng)安全消息中可以包含美國標(biāo)準(zhǔn)定義的基本安全消息（BSM），或者歐洲標(biāo)準(zhǔn)定義的協(xié)同感知消息（CAM）和分布式環(huán)境通知消息（DENM）。

BSM包含位置、速度和加速度信息，每秒最多傳輸10次。該消息系統(tǒng)還使車輛接收單元能夠預(yù)測(cè)碰撞并警告駕駛員。

車聯(lián)網(wǎng)消息保護(hù)和安全性

V2X和V2I通信需要強(qiáng)大的安全性，以保護(hù)消息不被欺詐或誤導(dǎo)使用，否則可能會(huì)導(dǎo)致安全和隱私問題。另一種安全方法是使用公鑰證書對(duì)消息進(jìn)行簽名，用于防止未經(jīng)授權(quán)方干擾數(shù)據(jù)交換，并安全地對(duì)通信進(jìn)行匿名化。

公鑰基礎(chǔ)設(shè)施（PKI）包含用于創(chuàng)建、管理、使用、保存和撤銷數(shù)字安全證書的策略和過程，可用于安全地傳輸電子信息。與僅通過密碼進(jìn)行身份驗(yàn)證相比，PKI采用了更加嚴(yán)格的身份確認(rèn)。

5G NR意圖分享

意圖或軌跡分享可通過在高級(jí)路徑規(guī)劃中提供更高水平的可預(yù)測(cè)性和交通效率來使自動(dòng)駕駛得到進(jìn)一步增強(qiáng)。
5G NR將通過以下方面來實(shí)現(xiàn)意圖分享：

高吞吐量：5G可以提供所需的高數(shù)據(jù)速率，如在1公里范圍內(nèi)高于100Mbps。

高可靠性：5G可以確保軌跡信息準(zhǔn)確、及時(shí)地分享。

低延遲：借助5G的低延遲能力，軌跡信息可以在數(shù)毫秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)分享。

蜂窩車聯(lián)網(wǎng)在擁擠公路場(chǎng)景中的表現(xiàn)

5G汽車協(xié)會(huì)（5GAA）在《車聯(lián)網(wǎng)功能和性能測(cè)試報(bào)告》（V2X Functional and Performance Test Report）中對(duì)車聯(lián)網(wǎng)的性能和功能進(jìn)行了測(cè)試，其中對(duì)蜂窩車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行了高度擁堵場(chǎng)景的測(cè)試。即使在如此擁堵的場(chǎng)景下，蜂窩車聯(lián)網(wǎng)的延遲依然未超出為這一場(chǎng)景設(shè)置的100ms容許延遲量，表現(xiàn)非常出色。

在一系列實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，研究人員發(fā)現(xiàn)：

20MHz CH183上：

蜂窩車聯(lián)網(wǎng)通信與10MHz CH184上相同的BSM類信息具有同等的可靠性（數(shù)據(jù)包接收率與距離之比）。

在1.4公里以內(nèi)：

視距（LoS）條件下，CH183上的高負(fù)荷蜂窩車聯(lián)網(wǎng)傳輸對(duì)CH172上的DSRC基本安全傳輸?shù)挠绊懣梢院雎圆挥?jì)。

在1公里以內(nèi)：

LoS條件下，CH183上的高負(fù)荷蜂窩車聯(lián)網(wǎng)傳輸對(duì)CH180上的V2I和I2V傳輸?shù)挠绊懣梢院雎圆挥?jì)。

為支持5GAA為蜂窩車聯(lián)網(wǎng)部署向美國聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）新提出的豁免申請(qǐng)，福特和高通兩家公司還進(jìn)行了額外的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，表明了蜂窩車聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)完全可接受的性能，尤其是在LoS條件下。

根據(jù)5GAA網(wǎng)站所述，蜂窩車聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)做好在商用芯片組上部署的準(zhǔn)備，可以在2020年或2021年內(nèi)開始在全球范圍內(nèi)進(jìn)行車載部署。他們將與相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)制訂組織（SDO）合作，推動(dòng)5G車聯(lián)網(wǎng)的需求落地，從而打造成功的車聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)。

結(jié)論

FCC通過對(duì)5.9GHz頻段的調(diào)整，完全改變了美國的車輛通信協(xié)同式智能交通系統(tǒng) （C-ITS）市場(chǎng)。

汽車行業(yè)必須在狹窄的頻譜上開拓前進(jìn)方向，因而需要采用蜂窩車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，而非已經(jīng)廣泛運(yùn)用的專用短程通信（DSRC）技術(shù)。這項(xiàng)變化為車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展鋪平了道路，消除了互相競(jìng)爭(zhēng)的技術(shù)帶來的不確定性。

車聯(lián)網(wǎng)和5G正迅速成為汽車制造商不可或缺的技術(shù)，因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)正努力使完全自主汽車技術(shù)在未來幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。福特將于2021年在中國推出蜂窩車聯(lián)網(wǎng)汽車，并且預(yù)計(jì)從2022年開始將該技術(shù)應(yīng)用到其在美國銷售的所有汽車上。5GAA將與相關(guān)的SDO合作，推動(dòng)5G車聯(lián)網(wǎng)的需求落地，從而打造成功的車聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)。

金融服務(wù)公司IHS Markit于2021年1月在其網(wǎng)站上發(fā)布了關(guān)于2021年5G、蜂窩車聯(lián)網(wǎng)和汽車互聯(lián)的分析報(bào)告。

根據(jù)Market Watch發(fā)布的：關(guān)于C-V2X研究的新聞報(bào)道

“隨著智能交通基礎(chǔ)設(shè)施得到越來越多的應(yīng)用，V2I通信領(lǐng)域預(yù)計(jì)在預(yù)測(cè)期內(nèi)將以超過12%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。智能交通基礎(chǔ)設(shè)施涉及智能交通信號(hào)燈和智能監(jiān)控?cái)z像頭，它們與車輛通信，以提供有關(guān)交通和道路狀況的信息。”

還有更多激動(dòng)人心的汽車新技術(shù)正在趕來的路上，它們將極大地改變我們駕駛汽車的方式，讓開車成為一件更美好的事情。