5G+V2X：信息通信与汽车产业的“大融合”

张 旸 邵宏轩

1.中通服咨询设计研究院有限公司；2.同济大学

0 引言

根据2017年7月公安部交管局公布的汽车统计数据，中国机动车保有量截至2017年6月已达到3.19亿辆，规模仅次于美国，我国已成为世界第二汽车大国。另据《道路交通运输安全发展报告（2017）》，我国因交通事故死亡的人数在2016年约为6.3万。 交通拥堵、道路安全和环境污染等一系列问题日益严重。

有鉴于此，车联网领域受到了越来越广泛的关注。国家将车联网的发展视为实体经济中“互联网+”和人工智能应用的重要方面，并将智能网络汽车作为汽车行业转型的关键方向之一。《中国制造2025》《关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》和《关于印发新一代人工智能发展规划的通知》等重要政策文件均提出要大力发展车联网。

我国车联网市场在国家政策的大力支持下蓬勃发展。据相关调查显示，2025年中国车联网市场规模预计将达2162亿美元，占全球市场的1/4，年均复合增长率将近45%。

1 车联网V2X技术简介

车联网（Vehicle-to-X，简称V2X）是以车内网、车际网和车载移动互联网为基础，融合了传感器、RFID（Radio Frequency Identi fi cation ）、数据挖掘、自动控制等相关技术，按照约定的通信协议和标准，在车X（X：车、路、行人、互联网）交互过程中，实现车辆与公众网络的动态移动通信，是物联网技术在交通系统领域的典型应用。

V2X是包括V2V（Vehicle to Vehicle 汽车对汽车通信）、V2I（Vehicle to Instruction 汽车对基础设施通信）、V2P（Vehicle to Pedestrian汽车对行人通信）、V2N（Vehicle to Network，车与网络通信）等应用在内的统称，通过安装在车上的通信设备与车、道路设施、人乃至网络进行实时的数据通信，使信息终端汇集周边信息，为出行交通提供智能决策依据。V2X 技术不仅可大幅减少交通事故、保障出行安全，而且可为智能交通、自动驾驶和下一代车联网提供低成本、易部署的基础支撑平台。

图1 中国智能网联汽车2025年目标

图2 V2X分类示意图

（1）V2N在目前的车联网场景中应用最为广泛，功能主要为通过移动网络使车辆和云服务器相连，进而由云服务器向车辆提供导航、娱乐和防盗等应用。

（2）V2V 主要适用于车与车之间的数据双工传输。车辆可通过它实时采集周边车辆的位置、速度、方向及告警信息等，多应用于车辆安全防撞系统。

（3）V2I是车辆与道路或交通灯等其他基础设施进行通信，主要应用于车辆行驶监控、实时信息服务和电子收费管理等。

（4）V2P是指在车载设备与行人的移动设备之间进行信息交互，主要用于车辆向非机动车、行人发送安全告警等。

根据3GPP和ETSI定义的V2X车联网场景，从应用和时延角度可以划分为5类业务。

表1 V2X 五类应用场景业务划分

2 车联网技术标准比较

目前在V2X技术领域，全球有两大主要技术阵营，早期以DSRC（dedicated short range communication，专用短距离通信技术）为主，其已在美国开发测试多年。近年来随着移动通信技术发展，又出现了C-V2X（Cellular Based V2X，即以蜂窝通信技术为基础的V2X）技术。

DSRC技术包括三套标准：第一为IEEE 1609，即“车载环境无线接入标准系列（WAVE）”，其定义了网络的架构和流程。第二为SAE J2735和SAE J2945，它们定义了消息包中携带的信息。该数据将包括来自汽车上的传感器的信息，例如位置、行进方向、速度和刹车信息。第三为IEEE 802.11p，其工作在5.9GHz频段，定义了汽车相关的“专用短距离通信”（DSRC）的物理标准。该标准主要由两类设备组成：RSU（Road Side Unit，路边设备）和OBU（On-Board Unit，车载设备）。

DSRC得到美国NHSTA（National Highway Traf fi c Safety Administration，国家高速交通安全管理局）的支持。根据NHSTA基于730万起交通事故的统计和分析，通过V2X中V2V功能，可提高30%交通效率，避免近81%车辆间碰撞事故。目前多国政府已表示支持DSRC协议（基于IEEE 802.11p）：美国交通部在2016年底发布的V2X 建议规则制定公告计划中，要求100%的新汽车在2023年底前须采用DSRC；在亚洲，日本、韩国、新加坡政府也均采用DSRC技术，并推出了相关汽车计划时间表。中国正在对DSRC进行评估，但尚未确定统一的V2X标准。

C-V2X（Cellular Based V2X）是由3GPP主导的基于移动蜂窝网的车联网专有协议。现阶段以基于LTE网络的C-V2X被称为LTE-V2X，其标准已于2017年3月完成制定。

C-V2X系统包括2种空中接口：Uu和PC5（见图3）。其工作场景也相应分为两种，场景一基于蜂窝网络覆盖，既可以通过蜂窝网络的Uu接口，实现宽频域、长距离通信服务，也可以由PC5接口，实现车辆直接与周边基础设施进行低时延、高可靠信息交互；场景二可独立于蜂窝网络，在网络未覆盖地区借助PC5接口提供的V2X服务保证行车安全。在蜂窝网络部署的场景中，数据通信可以灵活的在PC5接口和Uu接口之间无缝切换。

图3 C-V2X系统架构

在不久的将来，LTE-V2X技术可以平滑演进到5G-V2X。5G与车联网的结合将使车联网拥有更加优越的系统性能和弹性的体系结构。5G车联网采用双层网络结构，包含宏蜂窝层和设备层。宏蜂窝层类似传统蜂窝网络，主要为基站和终端设备之间进行通讯。而设备层通信主要涉及设备到设备（D2D，device-to-device）通信，即终端之间可不借助其他网络节点而直接交互信息，这也是5G网络的关键组成部分。

图4 5G 车联网基于D2D的通信模式

图4罗列了车联网应用中5G网络基于D2D的通信模式。D2D通信为车联网提供了新的通信方式。在车辆移动网络中，OBU可通过5G基站或邻近的OBU、用户移动终端等直接快速访问互联网，实现汽车与云服务器之间的通信；在车内网中，通过OBU，汽车与5G终端之间在没有基站等中继设备协助的情况下，可由自控链路，进行短距通信，充分实现用户与车辆之间的人机交互；在D2D通信网络中，基于单跳或多跳D2D建立的Ad-Hoc（点对点）网络，5G车载单元可在移动网络边缘或信号拥塞区域实现车辆自组网通信。

5G移动通信融合大规模天线阵列、超密集组网、新型多址、全频谱接入和新型网络架构等关键技术，显著提高了通信系统的性能。相比DSRC标准，5G车联网的特点主要体现在低时延与高可靠性、高频谱利用率及更加优越的通信质量。表2列举了2种技术标准关键参数的对比情况。

表2 5G 车联网与DSRC 关键技术参数的比较

展望未来全球V2X市场，2种主流技术各有千秋。各地具体采用何种技术，受政府、通信运营商、设备商、汽车厂商等多种因素影响，就我国而言，笔者更倾向于认为将以5G-V2X技术为主导。

从产业角度，采用5G-V2X具有成本优势且有利于国内企业规避专利风险，DSRC网络需要新建大量RSU（路侧单元），硬件新建成本较大。5G-V2X依靠我国全球最大移动商用网络，直接利用5G基站和频段，组网成本明显降低，且和手机使用相同类型的单一通信芯片组，能大大降低整合成本。在未来5G标准统一的情况下，车联网相关硬件产品的生产有望实现标准化和规模化，更易于形成成熟商业模式且成为拥有自主知识产权的通讯技术。

就技术性能而言，5G系统的关键性能指标相比DSRC技术均有较大提升。其网络传输时延达到毫秒级，完全可满足车联网的苛刻要求，保证车辆在高速（500km/h）行驶中的安全；峰值速率可达1Gbit/s以上，连接数密度可达100万个/km2，可满足未来车联网海量接入环境下的通信需求。

就国家安全而言，为确保道路交通安全和事故责任认定，当V2X信息交互时，应执行完备的消息合法性/完整性验证。5G-V2X可直接借助移动通信网络定期更新设备证书，全面保障关键环节的信息和网络安全。

虽然DSRC技术和产业相对成熟，具备先发优势，但从智能交通长远发展角度考虑，C-V2X技术（未来平滑演进至5G-V2X）凭借多维度明显优势，拥有更加光明的应用前景。

3 5G车联网发展展望

目前，5G-V2X处于业务需求和场景确定阶段。3GPP的需求组（SA1）已基本完成对5G-V2X的相关讨论，并在TR22.886报告中将25个5G-V2X业务场景分成4组：车辆编队、先进驾驶、扩展传感器、远程驾驶（见图5）。

图5 5G-V2X业务场景

3GPP需求组基于无线通信角度定义了5G-V2X业务场景的相应需求，具体如表3所示。

4 结语

表3 5GV2X业务场景对通信的需求

如何在高密度车辆场景下满足低时延、高可靠、高速率、大容量、高安全性等需求，是5G车联网面临的挑战，也是其相关研究的重点。

尽管车联网有着诸多便利，车联网通信的标准化工作也已基本完成，但是受限于现阶段基础通信技术瓶颈，且涉及面广、影响面大，无论是欧美、日本等发达国家还是我国，车联网尚处于推广和测试阶段，尚未实现大规模商用。而随着通信技术与汽车工业的不断进步，具备高速率，低延迟，高稳定性等优点的5G技术作为车联网的基础通信网络，将使车联网朝向更方便、快捷、安全的方向快速发展，为实现“中国智能网联汽车2025”目标提供强有力的支撑。

我国应抓住5G与V2X发展的关键机遇，充分发挥自身制度优势，做好顶层设计和总体规划，加强跨部门协调，合力推动5G-V2X产业的发展，积极促成信息通信与汽车产业的“大融合”。