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1 引言
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近年來，隨著汽車保有量持續增長，道路承載容量在許多城市已達到飽和，交通安全、出行效率、環境保護等問題日益突出。在此背景下，汽車的智能化和網聯化作為解決這些問題的重要途徑，受到了業界的高度重視。車聯網的誕生及飛速發展帶動著汽車產業變革，同時改變著人們的生活。車聯網已經成為實現中國智能網聯汽車2025年目標的唯一手段（見圖1）。
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在車聯網發展過程中，無線通信技術對車聯網通信的發展及演進起著基石性的關鍵作用。在車載終端急速增加、車輛通信需求不斷增強的物聯網時代，如何在高密度場景下滿足車輛通信的低時延、高可靠性、高傳輸速率、高容量等需求，是無線通信網絡面臨的關鍵挑戰。
2 車聯網通信的必要性
車聯網是車與一切事物相聯的網絡（V2X：Vehicle to Everything），利用車載電子傳感裝置，通過移動通信技術、汽車導航系統、智能終端設備與信息網絡平臺，使車與路、車與車、車與人、車與互聯網之間實時聯網，實現信息互聯互通，從而對車、人、物、路、位置等進行有效的智能監控、調度、管理的網絡系統。是未來智能汽車、自動駕駛、智能交通運輸系統的基礎和關鍵技術。
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作為車輛智能化的單車智能技術，先進駕駛輔助系統（ADAS：Advanced Driver Assistant System）是車輛智能化的初級階段，屬于提高安全性的主動安全技術。ADAS利用安裝于車上的各種傳感器（攝像頭、雷達、激光和超聲波等），收集車內外的環境數據，進行靜、動態物體的辨識、偵測與追蹤從而能夠讓駕駛者在最快的時間察覺可能發生的危險，從而提高安全性。早期的ADAS技術主要以被動式報警為主，當車輛檢測到潛在危險時，會發出警報提醒駕車者注意異常的車輛或道路情況；而最新的ADAS技術已經實現主動式干預。但是，ADAS技術應用上也存在一定的局限性：
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（1）ADAS以毫米波雷達加攝像頭的感知系統無法做到全天候全路況的準確感知。由于ADAS是單車智能技術，傳感器成本高且作用距離有限，同時受到雨雪霧霾等天氣狀況的影響較大，容易造成系統判斷失誤，從而導致安全事故的發生。
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（2）ADAS技術不能涵蓋智能交通基本應用集合。歐洲電信標準化協會（ETSI：European Telecommunications Standards Institute）在其技術報告TR 102 638中定義了智能交通基本應用集合，包含了54個應用。Telematics車載信息服務可提供25個信息服務應用，ADAS可提供18個預警類駕駛輔助應用，但剩余的11個關鍵駕駛輔助功能ADAS則無法提供服務，如交叉口碰撞預警等。
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車聯網V2X技術能夠將車輛感知范圍擴展到數百米，這與ADAS系統中的雷達、光學攝像頭的探測范圍相比有很大優勢。將車聯網V2X技術與ADAS系統的多種探測手段相結合，借助融合信息處理技術，能夠有效提升行車安全和交通效率問題。單車智能化與車聯網的有機結合最終實現無人駕駛。
3 車聯網通信場景
車聯網主要包括4個應用場景：車與互聯網互連（V2N ：Vehicle to Network）、車車互聯（V2V：Vehicle to Vehicle）、車路互聯（V2I：Vehicle to Infrastructure）以及車人互聯（V2P：Vehicle to Pedestrian），通過人、車、路的有效協同實現智能交通的目的。
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（1）V2N是目前應用最廣泛的車聯網場景，其主要功能是使車輛通過移動網絡連接到云服務器，使用云服務器提供的導航、娛樂和防盜等應用。
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（2）V2V用于車輛之間的雙向數據傳輸。通過V2V，車輛可實時采集周邊車輛的速度、位置、方向以及告警等信息，主要應用于車輛間防碰撞安全系統。此外，也可通過車輛間通信實現圖片、短信、音視頻等信息的實施交換功能。
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（3）V2I是車輛與道路甚至其他基礎設施（如交通信號燈、路障等）進行通信的應用。通過V2I系統，車輛可獲取交通燈信號時序等道路管理信息、基于位置的車輛服務信息，主要應用于實時的信息服務、車輛的運行監控、電子收費的管理等。
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4 現有車聯網通信技術比較
目前，車聯網通信技術分為IEEE 802.11p（DSRC專用短程通信使用的底層無線通信技術）和3GPP C-V2X（基于蜂窩網的V2X無線通信技術）兩個陣營。
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4.1 DSRC/IEEE 802.11p
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專用短程通信（DSRC：Dedicated Short Range Communications）是一種短程無線通信技術，專門用于V2VV2I的通信標準。DSRC可以實現小范圍內圖像、語音和數據的實時、準確和可靠地雙向傳輸。DSRC發展相對成熟，國際上DSRC標準主要有歐、美、日三大陣營，美國的ASTM/IEEE，日本的ARIBSTD-T75和ARIBSTD-T88標準以及歐洲的CEN/TC278。
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為了促進DSRC的標準化和產業化，IEEE2004年成立了車輛無線接入（WAVE）工作組，負責研究美國ASTM制定的5.9 GHz頻段DSRC標準，并對其進行升級完善，設計制定統一的、全球通用的車聯網通信標準。2010年7月，WAVE工作組正式發布了IEEE 802.11p車聯網通信標準，實現了DSRC標準向802.11p協議和IEEE 1069/WAVE（Wireless Access in the Vehicles Environment）系列標準的融合演進。
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IEEE 802.11p是一個由IEEE 802.11標準擴充的通信協議，能夠支持相鄰車輛之間行車安全數據的相互通信和數據交換，符合智能交通系統的相關應用。從技術上來看，IEEE 802.11p標準對IEEE 802.11進行了多項針對車輛特殊環境的改進，例如增強了熱點間切換、更好地支持移動環境、增強了安全性、加強了身份認證等。
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IEEE 1609系列標準則是為了完善DSRC標準的應用層功能而提出，是以IEEE802.11p標準為基礎的高層系列標準，定義了包括車輛之間以及車輛與路邊基礎設施之間的數據交換格式以及安全等。
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4.2 3GPP C-V2X
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C-V2X（Cellular Based V2X）是基于移動蜂窩網的車聯網通信技術。以LTE蜂窩網絡作為基礎的C-V2X稱為LTE-V2X，3GPP已于2017年3月完成LTE-V2X的標準制定工作。未來基于5G New Radio（新空口）蜂窩網絡的C-V2X稱為NR-V2X。
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LTE-V2X系統的空中接口分為兩種，一種是Uu接口，需要基站作為控制中心，車輛與基礎設施、其他車輛之間需要通過將數據在基站進行中轉來實現通信；另一種是PC5接口，可以實現車輛間數據的直接傳輸（見圖2）。LTE-V2X的工作場景有兩種，一種是基于蜂窩網絡覆蓋的場景，此時即可以由蜂窩網絡的Uu接口提供服務，實現大帶寬、大覆蓋通信，也可以通過PC5接口提供服務，實現車輛與周邊環境節點低時延、高可靠的直接通信；另一種是獨立于蜂窩網絡的工作場景，在無網絡部署的區域通過PC5接口提供車聯網道路服務，滿足行車安全需求。在有蜂窩網絡覆蓋的場景下，數據傳輸可以在Uu接口和PC5接口之間進行靈活的無縫切換。
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LTE-V2X的Uu接口在LTE的Uu接口基礎上進行了針對性的增強，例如優化了LTE廣播多播技術來有效支持車聯網這種廣播范圍小且區域靈活可變的業務，對控制信道進行裁剪以便進一步降低延遲。
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LTE-V2X的PC5接口是在Release 12 LTE-D2D（Device to Device）基礎上進行了多方面的增強設計，從而支持車輛之間的車輛動態信息（例如位置、速度、行駛方向等）的快速交換和高效的無線資源分配機制，此外，還對物理層結構進行了增強以便支持更高的移動速度（500km/h）。
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4.3 802.11p和LTE-V2X的比較
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802.11p具有客觀的先發優勢，技術趨于成熟。而LTE-V2X作為一種基于LTE演進的車聯網技術，則具備諸多后發優勢。
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（1）技術層面
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LTE-V2X在設計過程中充分借鑒了802.11p的經驗和不足，在系統容量、覆蓋范圍等方面具有顯著的性能優勢，LTE-V2X采用集中式控制傳輸與分布式傳輸相結合的方式，將V2N、V2I、V2V以及V2P結合成一個有機整體。LTE-V2X底層具備更好的鏈路預算，借助更加精細的信道設計及資源分配方案來獲得高可靠、廣覆蓋、低時延的傳輸保障。而802.11p是一個純粹的分布式系統，無法實現整體最優。二者在技術層面的具體比較如表1所示。
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（2）終端層面
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一方面，LTE-V2X的Telematics模塊和V2X通信模塊可共用同一塊芯片，有效降低芯片復雜度，從而降低芯片成本；另一方面，LTE-V2X進一步豐富了Telematics車載信息服務，讓用戶更愿意續費Telematics業務；同時，Telematics的滲透率也提升了V2X的滲透率。
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（3）產業層面
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首先，LTE-V2X借助成熟的LTE網絡及產業鏈，通過對現有的LTE網絡基站設備進行升級就可以實現部署，不需要再鋪設大量的基礎設施通信模塊，產業更容易快速發展起來。來自GSA的最新報告顯示［6］，截至2017年1月末，全球運營商已經簽署764張LTE網絡合同，覆蓋196個國家，其中，已經商用部署的網絡達到581張。LTE成熟的生態系統吸引電信運營商，通信設備制造商和汽車企業基于現有的LTE網絡和技術支持車聯網通信，從而LTE-V2X成為自然的選擇。其次，LTE-V2X是運營商增加新連接（車、自行車、摩托、行人等）的重要卡位。基于LTE-V2X，運營商可以自然地參與到車聯網產業中來，提供車連網相關業務，如具有最核心的競爭力的連接、數據、服務等業務。此外，LTE-V2X是中國主導的車聯網技術，有利于國內企業規避專利風險，有利于發揮中國影響力并擴展到其他國家。
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綜上所述，盡管802.11p具備先發優勢，技術和產業相對成熟，但其僅支持車車、車路之間的直接通信，從智能交通長遠發展的角度來看，以LTE-V2X為代表的C-V2X技術實現了直通和蜂窩模式的融合，未來可以平滑演進到5G，應用前景更加光明。
5 5G車聯網通信
作為智能駕駛的最終形式，自動駕駛汽車技術依靠通信、人工智能、視覺計算、雷達、監控裝置和全球定位系統協同合作，讓電腦可以在沒有任何人類主動的操作下，自動安全地操作車輛。未來車輛在進行自動駕駛與車聯網通信的過程中，需要進行海量、實時的數據交互。自動駕駛汽車和車聯網通信的實現還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，而這僅靠LTE-V2X和DSRC等通信技術還無法實現。
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相對于目前的車聯網通信技術，5G系統的關鍵能力指標都有極大提升。5G網絡傳輸時延可達毫秒級，滿足車聯網的嚴苛要求，保證車輛在高速行駛中的安全；5G峰值速率可達以10~20Gbit/s，連接數密度可達100萬個/km2，可滿足未來車聯網環境的車輛與人、交通基礎設施之間的通信需求。
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目前，5G V2X正處于業務場景和需求確定階段。3GPP的需求組（SA1）已經基本完成5G V2X的業務場景及需求的討論，并在技術報告TR 22.886中將25個5G V2X業務場景分成了4組（見圖3），具體包括：
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●車輛編隊（Vehicles Platoonning）：車輛編隊使車輛動態形成編隊一起行駛。編隊中的所有車輛從編隊頭車獲取信息來管理這個編隊，這些管理信息使車輛能夠以比正常行駛更接近（編隊車輛之間間隔僅2~5m）更協調的方式同向行駛。
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●擴展傳感器（Extended Sensors）：擴展傳感器使車輛之間、車和路邊單元之間、車和行人之間以及車和V2X服務器之間可以交互本地傳感器信息和實時視頻圖像信息等，車輛可以獲得額外的環境感知能力，更全面地了解周邊環境。
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●先進駕駛（Advanced Driving）：先進駕駛用于支持半自動或全自動駕駛。每個車輛把通過自身傳感器獲得的感知數據以及自身的駕駛意圖分享給周圍車輛，從而支持多個車輛之間同步和協調他們的行駛軌跡。
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●遠程駕駛（Remote Driving）：遠程駕駛使遠程司機或車聯網應用服務器遙控車輛的行駛，適用于乘客不能自己駕車或遠程車輛處于危險環境中等特殊場景。高可靠性和低延遲通信是遠程駕駛的主要要求。
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3GPP需求組從無線通信角度為5G V2X業務場景定義了相應的需求，具體如表2所示。
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如何在高密度車輛場景下滿足5G V2X通信的低時延、高可靠性、高傳輸速率、高容量等需求，是5G車聯網通信網絡面臨的挑戰，也是5G車聯網的重點研究工作。3GPP RAN在2017年3月的第75次全會確定，將從2017年第三季度開始研究5G V2X的可用頻譜、信道模型以及評估假設并有望于2018年啟動基于5G新空口的V2X通信技術的研究，預計在2020年左右完成標準工作。
6 展望
盡管車聯網通信的標準化工作已經基本完成，但由于涉及領域多、影響面大，無論是北美、歐盟以及日本這些發達國家還是我國，車聯網尚處于測試推廣階段，還未實現大規模的商用。隨著汽車工業的不斷發展，無論是從道路交通安全、道路擁堵、尾氣排放等角度，還是從消費者的需求角度，車聯網通信實際商用需盡早提上日程。
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整體而言，目前在中國，基于蜂窩網的車聯網通信在政府的大力支持下發展態勢很好，LTE-V2X技術有望于2018—2019年在中國率先實現商用部署。未來，LTE-V2X技術將逐漸升級到5G V2X技術并長期保持后向兼容，為實現中國智能網聯汽車2025目標提供有力支撐。
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工商網監
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