深挖車聯網新架構：5G與車聯網會擦出怎樣的火花？

汽車網絡對服務質量 (QoS) 的要求體現在延遲、數據傳輸速率、可靠性和通信距離等方面。近年來，諸如車聯網 (V2X) 等新興汽車網絡應用和用例已經取得了一些成就，它們無疑對上述QoS提出了更加嚴格的要求。至于自動駕駛汽車，開發(fā)人員往往會將目光聚焦在攝像頭、雷達和激光雷達 (LiDAR) 這三種傳感器技術上，但車聯網這項業(yè)已存在的無線技術同樣可以為自動駕駛汽車帶來顯著的附加價值。要實現車聯網，就需要在參與交通行為或者與交通行為相關的各種傳感器之間建立起高帶寬、低延遲的可靠通信，而5G移動網絡就能夠為車與車 (V2V) 以及車與基礎設施 (V2I) 通信實現這樣的連接。

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

技術變革呼之欲出

從通信技術的角度來看，未來的智能交通系統 (ITS) 服務已經得到了廣泛接受，這一趨勢最終將指向自動駕駛，并且需要通過5G車聯網等先進通信技術實現車輛高度連接。經過多年研究，并且在學術界和業(yè)界的推動下，成熟的5G技術已經投入使用，于是3GPP從第16版標準開始起草了5G車聯網標準。

接下來，讓我們先從車聯網的定義談起。所謂“車聯網”(V2X)，拆開來看就是“Vehicle to Everything”：車連萬物。這項技術是一種雙向通信方式，可以在汽車或純電動車與周圍任何可能影響到它的實體之間傳輸信息。在實現完全自動駕駛之前，車聯網應用已經能夠對交通安全和便利性產生重要影響。該項技術還有助于減少交通擁堵、減小交通對環(huán)境的影響，并讓車內的駕駛員和乘客更加舒適。

5G聯手車聯網，車輛和行人的安全將更有保障。當執(zhí)行緊急任務的車輛駛近時，或者人行橫道線上有行人正在穿越時，附近的其他車輛會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，交通信號燈的時間能夠加以控制或延長，從而使駕駛員更容易注意到行人，避免行人突然出現在車流中。當發(fā)生交通事故時，附近的車輛會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生時，也可以提示附近車輛小心駕駛或停車避讓，為學生提供更進一步的安全保障。

蜂窩車聯網 (C-V2X) 是車聯網的一個組成部分，可以對攝像頭、雷達和激光雷達等視距 (LoS) 傳感器起到補充作用，這對安全駕駛至關重要。此外，蜂窩車聯網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。2014年，3GPP在第14版標準中啟動了蜂窩車聯網的標準化研究，采用的是以LTE作為底層技術的方案。該項規(guī)范于2017年發(fā)布。

車聯網涉及多種類型的通信，包括車與基礎設施 (V2I)、車與網絡 (V2N)、車與車 (V2V)、車與行人 (V2P) 和騎車人等弱勢交通參與者，以及車與設備 (V2D)，對于電動汽車而言還包括車與電網 (V2G)，如(圖1)所示。

圖1：車聯網的主要通信類型：車與車 (V2V)、車與行人 (V2P)、車與基礎設施 (V2I)以及車與網絡 (V2N)。車聯網傳輸的安全消息在歐洲為協同感知消息 (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，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車聯網的同時維持車價不變或盡可能縮小漲價幅度。

5G與車聯網的邂逅

有5G加持的車聯網，將會變得更加易用、快速、可靠。5G與車聯網架構的區(qū)別可以總結成如下兩點：

• 5G和其他無線電移動服務一樣采用蜂窩基礎設施，也就是將整塊地域劃分成若干個蜂窩小區(qū)，它們之間有較大的重疊區(qū)域，并由稱為“基站”的天線系統來管理。

• 車聯網和其他無線服務一樣采用更加靈活的結構，通過稱為“熱點”的小型天線設備系統，借助強大的合作策略，盡可能地確保連接質量。

DSRC與C-V2X：孰優(yōu)孰劣？

現如今，為提高車輛安全性制定的高速通信協議有DSRC和蜂窩物聯網兩種，它們都具有傳輸速度非?？?、數據交換頻率高和延遲低的特點。DSRC在5850MHz至5925MHz頻段的數據傳輸速率為6Mbps至26Mbps；蜂窩車聯網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和蜂窩車聯網都無需在傳輸數據前先建立連接，但它們始終都在廣播車輛的位置、加速度和速度，同時監(jiān)聽其他車輛發(fā)出的信號。

這兩項技術采用了不同的無線標準。DSRC采用的是WAVE IEEE (802.11p)，蜂窩車聯網則采用和手機一樣的長期演進 (LTE) 技術。美國FCC已于2020年11月將5.9GHz頻段分配給Wi-Fi和C-V2X。

DSRC和蜂窩車聯網之間無法互通，它們在各個方面也表現出了不同的特性。DSRC的傳輸距離大約為300m，而蜂窩物聯網的延遲更低，傳輸距離比前者長20%至30%，在有障礙物的情況下，性能也明顯好于DSRC，因而蜂窩物聯網的整體性能顯著優(yōu)于DSRC，但對于關鍵性的安全應用而言，DSRC的傳輸距離和可靠性依然是足夠的。

蜂窩車聯網側鏈路

3GPP第16版標準通過5G NR在蜂窩車聯網中引入了側鏈路，促成了跟車行駛、高級駕駛、擴展傳感器和遠程駕駛等蜂窩車聯網新應用。在危急的駕駛場景中，緊急制動和碰撞避讓是家常便飯，此時必須嚴格保證車聯網的低延遲和高可靠性，而蜂窩車聯網的最小傳輸延遲不大于4ms，在具體實現中還可以做到更低?？煽啃詣t是一個很難量化的特性，但在3GPP過往的每一個新版標準中，都會新增一批性能和安全方面的改進，從而提升可靠性，日后的新版標準依然會在改善安全性和可靠性的路上繼續(xù)走下去。

車聯網得到部署后，車輛會定期通過廣播消息傳達其狀態(tài)和移動情況，屆時這類消息將占據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飽和，導致數據包丟失的情況增多，這會對駕駛員和乘客的安全構成威脅。對此，研究人員需要研究并制定擁塞控制算法，以便在某些條件達到臨界水平之前修改這些參數。不過，他們并沒有直接從特定的算法出發(fā)，而是先對比了Wi-Fi標準方法 (IEEE 802.11p) 與蜂窩標準方法（3GPP第14版標準中作為蜂窩車聯網的一部分定義的側鏈路LTE車聯網）。

蜂窩車聯網通信技術由3GPP開發(fā)，可以實現車輛用戶設備 (VUE) 之間通過側鏈路（也叫PC5接口）直接通信。蜂窩車聯網側鏈路是第一個在物理層引入距離作為維度的無線系統，可以讓視距設備和非視距設備在差異很大的無線電環(huán)境中實現統一的通信范圍。

蜂窩車聯網從第14版標準開始包含兩種通信模式：直接模式(PC5)，可用于最直接以及對延遲最敏感的通信；以及網絡模式（稱為Uu），也就是將用戶設備連接到UMTS地面無線接入網，通過現有的蜂窩網絡進行廣播式通信。

PC5模式支持兩種方式：

• 在Mode-3（調度）方式下，側鏈路資源分配是在eNodeB的監(jiān)督下進行的，需要蜂窩基礎設施支持無線電資源管理。

• 在Mode-4（自主）方式下，車輛自行進行分布式的資源分配和干擾處置，不涉及蜂窩基礎設施（自然也可以在沒有蜂窩網絡覆蓋的區(qū)域中正常使用）。

車聯網通信中的安全和隱私問題

基于LTE的車聯網通信采用高容量、大蜂窩覆蓋范圍和廣泛部署的基礎設施，以支持安全相關和非安全相關應用的各類車輛通信服務。3GPP和高通等技術組織已經制定了基于5G的車聯網服務路線圖。

3GPP所定義的“安全”主要包括保密性、完整性、真實性和抗重放攻擊。

面對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性管理、可靠的協同駕駛、高效并且注重隱私保護的車輛大數據共享和處理等，我們還需要在5G車輛網絡中進行更多的研究。

在汽車安全性和安全保障的可能解決方案中，針對任何網絡攻擊，全面采用雙密鑰密碼系統是一種可行的方案。

車聯網應用依賴于連續(xù)、詳細的位置信息，這可能會導致隱私問題。對私家車而言，位置痕跡將揭示駕駛員的行動和活動軌跡，況且駕駛員還未必就是車輛的所有者。簡而言之，發(fā)送和傳播車聯網用戶的位置信息，可能會對車主和司機產生隱私問題。

許多其他車聯網應用都涉及車輛之間的通信，可以對現有的轉彎輔助和緊急制動警告起到補充作用，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)驅動的導航App）提出的概念加以擴展，可以實現對速度的控制或建議以便緩解交通擁堵，以及在GPS地圖上實時更新車道關閉和公路建設等活動?，F今不少車輛還支持通過OTA軟件更新，涵蓋從地圖更新、錯誤修復、安全更新等各類軟件驅動系統，這一功能也必須依賴某種形式的車聯網。

車聯網安全消息中可以包含美國標準定義的基本安全消息 (BSM)，或者歐洲標準定義的協同感知消息 (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。該消息系統還使車輛接收單元能夠預測碰撞并警告駕駛員。

車聯網消息保護和安全性

V2X和V2I通信需要強大的安全性，以保護消息不被欺詐或誤導使用，否則可能會導致安全和隱私問題。另一種安全方法是使用公鑰證書對消息進行簽名，用于防止未經授權方干擾數據交換，并安全地對通信進行匿名化。

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

5G NR意圖分享

意圖或軌跡分享可通過在高級路徑規(guī)劃中提供更高水平的可預測性和交通效率來使自動駕駛得到進一步增強。

5G NR將通過以下方面來實現意圖分享：

• 高吞吐量：5G可以提供所需的高數據速率，如在1公里范圍內高于100Mbps。

• 高可靠性：5G可以確保軌跡信息準確、及時地分享。

• 低延遲：借助5G的低延遲能力，軌跡信息可以在數毫秒內實現分享。

蜂窩車聯網在擁擠公路場景中的表現

5G汽車協會 (5GAA) 在《車聯網功能和性能測試報告》(V2X Functional and Performance Test Report) 中對車聯網的性能和功能進行了測試，其中對蜂窩車聯網技術在實驗室環(huán)境下進行了高度擁堵場景的測試。即使在如此擁堵的場景下，蜂窩車聯網的延遲依然未超出為這一場景設置的100ms容許延遲量，表現非常出色。

在一系列實驗室和現場測試中，研究人員發(fā)現：

• 20MHz CH183上的蜂窩車聯網通信與10MHz CH184上相同的BSM類信息具有同等的可靠性（數據包接收率與距離之比）。

• 在1.4公里以內的視距 (LoS) 條件下，CH183上的高負荷蜂窩車聯網傳輸對CH172上的DSRC基本安全傳輸的影響可以忽略不計。

• 在1.4公里以內的LoS條件下，CH183上的高負荷蜂窩車聯網傳輸對CH178上的V2I和I2V傳輸的影響可以忽略不計。

• 在1公里以內的LoS條件下，CH183上的高負荷蜂窩車聯網傳輸對CH180上的V2I和I2V傳輸的影響可以忽略不計。

為支持5GAA為蜂窩車聯網部署向美國聯邦通信委員會 (FCC) 新提出的豁免申請，福特和高通兩家公司還進行了額外的現場測試，表明了蜂窩車聯網可以實現完全可接受的性能，尤其是在LoS條件下。

根據5GAA網站所述，蜂窩車聯網已經做好在商用芯片組上部署的準備，可以在2020年或2021年內開始在全球范圍內進行車載部署。他們將與相關的標準制定組織 (SDO) 合作，推動5G車聯網的需求落地，從而打造成功的車聯網生態(tài)系統。

結論

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

汽車行業(yè)必須在狹窄的頻譜上開拓前進方向，因而需要采用蜂窩車聯網技術，而非已經廣泛運用的專用短程通信 (DSRC) 技術。這項變化為車聯網的發(fā)展鋪平了道路，消除了互相競爭的技術帶來的不確定性。

車聯網和5G正迅速成為汽車制造商不可或缺的技術，因為這項技術正努力使完全自主汽車技術在未來幾年內實現商業(yè)化。福特將于2021年在中國推出蜂窩車聯網汽車，并且預計從2022年開始將該技術應用到其在美國銷售的所有汽車上。5GAA將與相關的SDO合作，推動5G車聯網的需求落地，從而打造成功的車聯網生態(tài)系統。

金融服務公司IHS Markit于2021年1月在其網站上發(fā)布了關于2021年5G、蜂窩車聯網和汽車互聯的分析報告。

根據Market Watch發(fā)布的關于C-V2X研究的新聞報道：

“隨著智能交通基礎設施得到越來越多的應用，V2I通信領域預計在預測期內將以超過12%的復合年增長率增長。智能交通基礎設施涉及智能交通信號燈和智能監(jiān)控攝像頭，它們與車輛通信，以提供有關交通和道路狀況的信息?！?/p>

還有更多激動人心的汽車新技術正在趕來的路上，它們將為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。