5G技术及其在车联网中的应用浅析

杭州技师学院 朱红芳

1 车联网面临的挑战和困难

近年来，由持续增长的汽车数量导致的出行效率、环境保护、交通安全等问题日益突出，车联网的发展受到了广泛的关注。车联网是以车内网、车际网和车载移动互联网为基础，融合了传感器、RFID（radio frequency identification）、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，在车与X（X为车、路、行人、互联网等）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领域的典型应用。随着互联网和可移动网络设备的不断发展，基于智能交通的车联网技术尚未形成一个成熟的体系，其主要原因是网络支持还不够完善。随着4G通讯网络的普及，虽然移动互联网发展迅速，但在车联网中，作为移动通信设备和用户的载体是车辆，在以车辆为拓扑节点的形式组织移动网络拓扑时，由于其自身的移动性，车载通信具有移动区域受限、网络拓扑变化快、网络频繁接入和中断、节点覆盖范围大、通信环境复杂等特点，虽然4G有着几倍于3G的速度和低延迟，但尚不足以满足车联网的运行。根据车联网的上述特点，当前车联网的实施还存在以下多方面的挑战和困难。

（1）由于移动互联网通信技术的快速发展，为满足用户的多功能体验，车联网的体系结构变得非常复杂。在车载移动互联网中，路侧单元（RSU， road side unit）作为车辆自组网（VANET，vehicular ad hoc network）无线接入点，将车辆及道路等信息上传至互联网并发布相关交通信息，这种车与基础设施（V2I，vehicle to infrastructure）的协作通信需要大量的RSU作支撑，致使建设成本和能源消耗大大增加。

（2）由于车联网中存在多种类型的通信网络，且这些通信网络往往使用不同的标准和协议，数据处理和网络融合很不完善，从而影响了车联网的运行效率。虽然基于IEEE 802.11p标准的车辆自组网通信在高速运行环境下具有传输距离远、分组丢失率低、可靠性高等优点，但其在极其复杂的非视距（NLOS，non-line of sight）环境下的通信质量则会受到不同程度的干扰。再加上车辆的高速移动，则需要快速可靠的网络接入与信息交互，时延受限成为当前车联网面临的重要问题。

（3）由于车联网中的用户信息都连接在网络上，会随时随地被感知，从而很容易被干扰和窃取，严重影响车联网的安全。在车联网发展过程中，安全作为一项重要挑战一直备受关注。在当前的车联网通信中存在着严重的安全问题，如数据破坏、数据泄露、虚假信息、身份假冒、越权操作等，因此安全认证和隐私保护是车联网技术发展的焦点问题。

2 5G

5G（fifth-generation）即第5代移动通信网络。三星电子采用64个天线单元的自适应阵列传输技术，实现了电波的远距离输送（在28 GHz的超高频段，以1 Gb/s以上的速度，成功实现了传送距离在2 km范围内的数据传输），且能实时追踪使用者终端的位置，实现数据的上下载交换，解决了超高频波长段带来的数据损失大、传送距离短等难题，不仅保证了更高的数据传输速度，也有效解决了移动通信波段资源几近枯竭的问题。

2014年5月13日，三星电子宣布已率先开发出首个基于5G核心技术的移动传输网络，并表示将在2020年之前进行5G网络的商业推广。2016年8月4日，诺基亚与电信传媒公司贝尔再次在加拿大完成了5G信号的测试，在测试中诺基亚使用了73 GHz范围内的频谱，数据传输速度也达到了现有4G网络的6倍。2016年9月，电信行业与汽车行业的全球跨行业产业联盟——5GAA（5G AutomoTIve AssociaTIon）成立，其使命在于研发、实验和推动智能车联、智慧交通等万物互联所需的通信解决方案和应用，包括相关的标准化推进、商业机会挖掘，以及全球市场拓展。5GAA的发起方包括奥迪、宝马、戴姆勒和爱立信、华为、英特尔、诺基亚、高通5家电信通讯公司，成立后该组织成员不断扩大，中兴、上汽集团在2017年1月加入。中国移动作为全球两家运营商之一，打败了韩国和日本的两家运营商，也加入了5GAA联盟。2017年8月22日德国电信联合华为在商用网络中成功部署基于最新3GPP标准的5G新空口连接，可支持移动性、广覆盖及室内覆盖等场景，速率直达Gb级，时延低至毫秒级，同时采用5G新空口与4GLTE非独立组网架构，实现了无处不在、实时在线的用户体验。2017年12月21日，在国际电信标准组织3GPP RAN第78次全体会议上，5G NR首发版本正式发布，这是全球第一个可商用部署的5G标准。2018年6月14日，3GPP全会批准了第5代移动通信技术标准（5G NR）独立组网功能冻结，这不仅使5G NR具备了独立部署的能力，也带来全新的端到端新架构，赋能企业级客户和垂直行业的智慧化发展，为运营商和产业合作伙伴带来新的商业模式，开启了一个全连接的新时代。加之2017年12月完成的非独立组网NR标准，5G已经完成第一阶段全功能标准化工作，进入了产业全面冲刺新阶段。2018年7月6日在瑞典的爱立信实验室，爱立信携手英特尔及早期5G服务供应商，完成了3.5 GHz频段端到端的非独立组网标准（NSA）5G数据呼叫。

5G的最大优势在于高传输速度、高带宽容量和低时延性。据三星和诺基亚的测试，5G的传输速度最快可以达到7.5 Gb/s和10 Gb/s；在去年2月英国萨里大学的测试中，5G的传输速度最快达到了1 Tb/s。相比之下，当前的第4代长期演进（4G LTE）服务的传输速度仅为75 Mb/s。如果说4G是通讯娱乐的时代，那么5G就是互联网+物联网的时代。在未来，5G接入的速度将会和光纤一样，届时，凭借5G对物联网的强大支撑能力，让万物互联可以实现，不仅实现物与物联网，也将形成人与人、人与物联网，将使交通和车辆拥堵的问题得以更好的解决。对于大家熟悉的4G来说，它最快能以100 Mb/s进行下载，这样的速度，移动设备可以更快捷地接收数据和处理工作。而研发5G的各个国家和机构则称，5G的带宽容量将是4G的100倍～1 000倍。在移动设备和物联网设备接入时，不需要等待时间，在任何时候都能快速连接。这种机制将会非常有利于物联网设备的运行，特别是在智能交通方面，无人驾驶、车辆检测、交通路况等都会满足人们生活的要求，并减少事故发生，也只有在这样的通信环境中，无人交通工具（如无人驾驶汽车）才能真正用于人们的生活。在5G时代，网络将会更加稳定，并且不会断开。据爱立信公司在2014年的一项报告中称，4G网络的接入延迟大约是50 ms，而5G的接入延迟预估状态是1 ms，这说明5G网络的信号比较好，且不会存在偶尔延迟及受限的状况，这对车联网的应用起了很大的辅助作用。

与3G、4G不同，5G是一个面向场景化的时代，5G融合了大规模天线阵列、超密集组网、终端直通、认知无线电（CR，cognitive radio，是一个智能无线通信系统，它能感知外界环境，并使用人工智能技术从环境中学习，通过实时改变传输功率、载波频率和调制方式等系统参数，使系统适应外界环境的变化，从而达到很高的频谱利用率和最佳通信性能）等先进技术，能以更加灵活的体系结构解决多样化应用场景中差异化性能指标带来的挑战。5G网络的主要目标是让终端用户始终处于联网状态，在汽车行业，这对智能网联汽车的应用将起到关键的支持作用，特别是5G通信技术在低时延、高移动性车联网场景中的应用，能有效解决当前车联网面临的多方面问题和挑战，使5G车载单元（OBU）在高速移动的情况下获得更好的性能。再加上5G通信技术让车联网无需单独建设基站和服务基础设施，而是随着5G通信技术的应用普及而普及，这为车联网的发展带来历史性的机遇。

3 5G车联网的体系结构

未来5G通信技术在车联网场景的应用使车联网拥有更加灵活的体系结构和新型的系统元素（5G车载单元、5G基站、5G移动终端、5G云服务器等），除了在车内网、车际网、车载移动互联网实现V2X（X：车、路、行人及互联网等）信息交互以外，5G车联网还将实现OBU、基站、移动终端、云服务器的互联互通，并分别给予它们特殊的功能和通信方式。5G车联网体系结构的特点主要体现在OBU多网接入与融合、OBU多渠道互联网接入、多身份5G基站。

3.1 OBU多网接入与融合

目前，在车联网中，多种网络（包括基于IEEE 802.11a/b/g/n/p标准协议的WLAN、2G、3G蜂窝通信、LTE及卫星通信等网络）共存，这些网络在车联网通信中使用不同的标准和协议，数据处理和信息交互不完善。而5G车联网将融合多种网络，实现无缝的信息交互和通信切换。5G移动通信网络是一个包括宏蜂窝层和设备层的双层网络，其中，宏蜂窝层与传统蜂窝网络相似，涉及基站和终端设备之间的直接通信。在设备层通信中，设备到设备（D2D， deviceto-device）通信是5G移动通信技术的重要组成部分，是一种终端与终端之间不借助任何网络基础设施直接进行信息交互的通信方式。根据基站对资源分配和对起始、目的、中继终端节点的控制情况，D2D终端通信方式可分成4类（图1）。第一类是基站控制链路的终端转发。终端设备可在信号覆盖较差的环境下，通过邻近终端设备的信息转发与基站通信，其中，通信的链路建立由基站和中继设备控制，在这种通信方式下，终端设备可实现较高的服务质量（QoS，quality of service）。第二类是基站控制链路的终端直通。终端之间的信息交互与通信没有基站的协助，但需要基站控制链路的建立。第三类是终端控制链路的终端转发。基站不参与通信链路的建立和信息交互，源终端与目的终端通过中继设备协调控制彼此之间的通信。第四类是终端控制链路的终端直通。终端之间的通信没有基站和终端设备的协助，可自行控制链路的建立，这种方式有利于减轻设备之间的干扰。未来5G车联网D2D通信技术将为车联网提供新的通信模式。其中，在车载移动互联网中，OBU可直接通过5G基站或中继（包括邻近的OBU、用户移动终端）快速接入互联网，实现车与云服务器的信息交互；在车内网，为充分实现用户与车辆的人机交互，以OBU为媒介，与用户5G移动终端之间在没有基站或其他终端设备协助情况下，通过自行控制链路，进行短距离的车辆数据传输；在基于D2D的通信网络中，OBU可在网络通信边缘或信号拥塞地带基于单跳或多跳的D2D建立网络，实施车辆自组网通信。通过以上对5G车联网通信方式的分析，如图2所示，5G车联网将改变基于IEEE 802.11p标准的车联网通信方式，实施多实体之间（OBU之间及OBU与车主移动终端、行人、5G基站、互联网之间）的信息交互，实现OBU的多网接入及车内网、车际网、车载移动互联网的“三网融合”。

3.2 多身份5G基站

图2 5G车联网“三网融合”结构

传统的基站作为终端通信的中继，在数据转发和链路控制等方面起着重要作用，而5G基站的大量部署，将实现超密集网络，从而给予用户精确定位、协助终端通信等功能。在基于5G毫米波的通信网络中，D2D技术涉及终端与基站（D2B）、基站与基站（B2B）之间的直接通信。其中，D2B与B2B以自组织方式通信将是一个重要的突破，这决定了5G基站将以不同的角色发挥至关重要的作用。在车联网的应用场景，5G基站将拥有以下功能。一是协作中继。5G基站具备传统基站的中继转发功能，作为无线接入点，协助车与互联网通信。二是担当RSU。在高速运行的环境下，车辆自组网通信中的5G基站将取代RSU，与OBU实时通信，通过广播的方式向车辆自组网中的车辆发布交通信息，并协助车与车通信及多个车辆自组网通信，这不仅节约了车联网体系的构建成本，而且解决了V2I协作通信系统融合面临的多方面问题。三是精确定位。GPS作为当前OBU的定位系统是非常脆弱的，容易受到欺骗、阻塞等多种类型的攻击。并且，GPS的信号容易受到天气影响，导致无法实施精确定位。未来5G基站的大量部署，使用更高的频率和信号带宽，实施密集网络及大规模的天线阵列，使OBU在非视距（NLOS，Non-Line of Sight）复杂环境下减少定位误差。另外，D2D通信充分利用高密度的终端设备连接的优势，从以下2个方面提高定位性能：一方面是大量的D2D链路可以为确定车辆之间的伪距（由于卫星钟、接收机钟的误差及无线电信号经过电离层和对流层中的延迟，实际测出的距离与卫星到接收机的几何距离有一定的差值，因此，一般称测量出的距离为伪距）提供信号观测；另一方面是OBU的D2D通信链路为定位直接交换所需数据，可进一步加快局部决策，改进位置估计过程的收敛时间。

3.3 多渠道互联网接入

在将来5G移动网络通信中，5G终端通过自行控制通信链路建立，定期广播身份信息，其他邻近的终端及时发现并评估多个信道状态信息（CSI，channel state information），自适应地选择当前最优的信道，决定建立一个5G终端之间的直接通信或选择合适的中继转发消息，这种通信方式使5G终端以最优的方式实现信息交互，同时也提高了频谱和能源的利用率。根据5G终端高效、多样化的通信方式，OBU可通过多种渠道接入互联网。如图3所示，OBU除了可按照当前车联网的V2I协作通信方式外，还可通过邻近的5G基站、5G车载单元（OBU）和5G移动终端等多种渠道自适应地选择信道质量较好的方式接入互联网。

图3 5G车联网OBU多渠道互联网接入结构

4 5G车联网的特征

5G移动通信融合CR、毫米波、大规模天线阵列、超密集组网、全双工通信（FD，wirelessfull-duplex）等关键技术，显著提高了通信系统的性能。相比IEEE 802.11p标准的通信，5G车联网的特点主要体现在低时延与高可靠性、频谱和能源高效利用、更加优越的通信质量。

（1）低时延与高可靠性。作为车联网信息的发送端、接收端和中继节点，消息传递过程必须保证私密性、安全性和高数据传输率，通信应具有严格的时延限制。车联网通信数据的密集使用及频繁交换对实时性要求非常高，然而，受无线通信技术的限制（如带宽、速度和域名等），通信时延达不到毫秒级，不能支持安全互联需求。而5G高/超高密集度组网、低的设备能量消耗大幅地减小信令开销，解决了带宽和时延（时延达到了毫秒级）等相关问题，满足了低延时和高可靠性需求，这成为车联网发展的最大突破口。5G网络服务的优化不仅要支持当前的应用服务，而且要适应高速增长的信息量并满足将来多样性的服务需求，尤其是对于时延高度敏感的通信，如车联网V2X通信场景，严格要求低时延和高可靠性，这是5G网络体系结构应用的显著特点。

（2）频谱和能源高效利用。5G用户体验的一个重要的特征是频谱和能源的高效利用。5G通信技术在车联网的应用将解决当前车联网资源受限等问题。5G车联网的频谱和能源高效利用主要体现在以下几个方面。一是在5G通信中，D2D通信方式通过复用蜂窝资源实现了终端直接通信，OBU将基于D2D通信技术实现与邻近的OBU、5G基站、5G移动终端的车联网自组网通信和多渠道互联网接入，提高了车联网通信的频谱利用率，且与基于IEEE 802.11p标准的车联网V2X通信方式相比，节约了成本和能源。二是5G移动终端设备使用全双工通信方式，允许不同的终端之间、终端与5G基站之间在相同频段的信道可同时发送并接收信息，使空口频谱效率提高1倍，从而提高了频谱使用效率。三是由于5G采用CR（认知无线电技术），在车联网应用场景中，车载终端通过对无线通信环境的感知，能获得当前频谱空洞信息，快速接入空闲频谱，与其他终端进行高效通信。这种动态频谱接入的应用满足了更多车载用户的频谱需求，提高了频谱资源的利用率。其次，车载终端利用认知无线电技术可以与其他授权用户共享频谱资源，从而解决无线频谱资源短缺的问题。最近的相关研究表明，在不影响通信性能的情况下，5G基站的大规模天线阵列的部署有潜在的节约能源作用。在车辆自组网中，OBU及时发现邻近的终端设备，且与之通信的能力也会减少OBU间通信的能源消耗。

（3）更加优越的通信质量。5G通信网络被期望拥有更高的网络容量且可为每个用户提供每秒千兆级的数据速率，以满足QoS的要求。有研究表明，频段为30 GHz～300 GHz的毫米波通信系统可让5G终端之间及终端与基站之间以更好的通信质量进行信息交互。其中，毫米波拥有极大的带宽，可提供非常高的数据传输速率，并减少环境的各种干扰，降低终端之间连接中断的概率。5G车联网V2V通信的最大距离约为1 km，从而可解决IEEE 802.11p车辆自组网通信中短暂、不连续的连接问题，尤其是在通信过程中遇到大型物体遮挡的NLOS环境下。5G车联网为V2X通信提供高速的下行和上行链路数据速率（最大传输速率为1 Gb/s），从而使车与车、车与移动终端之间实现高质量的音视频通信。与IEEE 802.11p标准通信相比，5G车联网支持速度更快的车辆通信，其中，支持车辆最大的行驶速度约为350 km/h。

5 5G车联网面临的挑战

5G车联网将先进的5G通信技术应用在车联网领域，改善了传统车联网的通信方式、通信质量，优化了车联网的体系结构，为车联网发展带来了重大变革，但5G车联网也面临着重大的挑战，主要体现在干扰管理、通信安全和驾驶安全3个方面。

（1）干扰管理。5G蜂窝网络采用资源复用和密集化，实现了有限资源的高效利用，这虽然增加了信号容量和吞吐量，并额外地提高了宏蜂窝与局域网络的资源共享，但却不可避免地产生了同信道干扰问题。基于D2D技术的基站控制通信链路的终端直接通信及终端作为中继的通信方式，基站可以进行资源分配和链路管理，并可通过实施集中化的管理方法减轻干扰问题。但对于将来的OBU之间的直接通信，在没有基站作为中继或管理链路的情况下，5G车联网通信中的干扰将不可避免。针对车联网中基于D2D的V2X通信场景中产生的干扰问题，有文献提出了一种基于CR的资源配置方案，这种方法能有效使用空白频谱，不仅能提高频谱和能源的利用效率，而且不会产生新的干扰。在基于D2D的V2X通信场景中，需要从各个角度充分考虑干扰管理问题，适当地选择复用信道并遵守以下原则：处理由D2D通信链路产生的干扰时，要确保蜂窝用户能够满足自身SINR（Signal to Interference plus Noise Ratio，含义是信号与干扰加噪声比，是指接收到的有用信号的强度与接收到的干扰信号的强度的比值，可以简单理解为“信噪比”）的需求；确保由蜂窝用户产生的干扰对基于D2D的V2X通信链路影响尽可能小。

（2）安全通信和隐私保护。在当前的车联网中，存在着严重的通信安全问题，例如，在VANET中可能存在恶意的车辆，这些恶意的车辆发送虚假信息欺骗其他车辆，造成车辆信息和车主隐私信息的泄露，另外，一些恶意的车辆还会偷窃多个身份，伪造交通场景，影响交通秩序、破坏网络正常运行，威胁用户生命财产安全，因此安全认证和隐私保护是车联网发展的焦点问题。为支持数据流量的不断增加，5G无线通信网络需要更高的容量和高效的安全机制。而在5G网络通信体系中，终端用户和不同的接入点之间需要更加频繁的认证以防止假冒终端和中间人的攻击。5G车联网的用户和车辆相关数据的传输需要经过其他车载单元、移动终端及基站，因此，必须采取有效措施保证通信的安全性和数据的完整性。在5G车联网复杂的通信过程中必须实施多方安全认证，主要包括车内无线局域网中用户移动终端与OBU的强安全认证，车际网中车与车之间、车与行人之间、车与中继（5G移动终端或OBU）之间及车与5G基站之间的安全认证。在保证通信安全过程中，驾驶人更关心的是隐私的安全性，这关系到车联网能否被人们接受并广泛使用。在通信过程中，车辆无线信号在开放的空间中传输，容易被窃取并暴露车辆和用户的身份，若车内数据总线网络遭入侵，可能造成不可预估的灾难，如何保障用户和车辆的隐私安全，成为近年来的研究热点。考虑到5G车联网多种异构网络的存在，将会出现新型的安全通信与隐私保护协议。譬如，有文献提出在5G终端通信中使用SDN（Software Defined Network，软件定义网络）技术，其主要特点是能将网络控制面与数据面分离，促进5G网络智能化和可编程性，实现高效的安全管理，这是因为SDN技术可根据数据流的敏感度级别，为数据流选择多种传输路径，在接收端，只有接收者可以用私人密钥解密并重组来自多个网络传输路径的数据流，从而避免隐私在无线接入点泄露。

（3）安全驾驶。车联网的重要应用之一就是交通安全，而驾驶行为分析和预测是安全保障的基础，如何对运动轨迹预测并建模是提高交通安全的关键问题。虽然车联网中网络拓扑频繁变化，数据海量递增，但车辆运动受道路拓扑、交通规则和驾驶者意图的限制，为行为预测提供了可能性。车联社会网络（VSN，vehicular social network）中节点的活动规律能够在车联网行为预测中发挥作用。反之，车联网中的移动模型、社会应用、感知计算模型和用户行为预测模型也为VSN提供支持和反馈。通过对大规模OBU数据的挖掘和分析，提取有应用价值的社群交互特征信息，VSN能够对一些交通问题和车辆安全问题提供有力的支持，如预计道路车流量、预测交通堵塞地段、主动安全等。在对驾驶行为的建模和预测中，数据来源和数据挖掘是首要问题，也是安全系统应用的瓶颈。目前，车辆行驶轨迹数据获取的主要来源是基于历史数据的预测，而历史数据必须准确且具有时效性。但现有VANET环境下的方法无法满足获取运动轨迹的精度要求（包括位置精度和时间精度），5G车联网中采用D2D通信方式，可为每个用户提供每秒千兆级的数据速率以满足QoS的要求，空口时延在1 ms左右、端到端时延限制在毫秒级的实现，极大程度上保证了时间精度，同时，基于5G基站的精确定位将位置精度控制在允许范围内，解决了预测模型中的数据来源问题。目前，针对车联网数据挖掘，并没有太多的算法和技术提出，车联网数据处理的关键是在对海量数据（Tb级）进行挖掘时，要保证当前数据流（平均数万条/秒）的高速可靠写入，如何快速对读取的数据进行分析、建模、预测，是未来研究的重要方向。

将来，在5G通信网络大量部署的时代，5G车联网所构建的可多网接入与融合、多渠道互联网接入的体系结构，基于D2D技术实现的新型V2X的通信方式及低时延与高可靠性、频谱与能源高效利用、优越的通信质量等特点，为车联网的发展带来历史性机遇。5G车联网因不需要单独部署路边基础设施、可与移动通信功能共享计费等，因此会得到快速发展，并应用于高速公路、城市街区等多种环境。5G车联网不仅局限于车与车、车与交通基础设施等的信息交互，还可应用于商业领域及自然灾害等场景。在商业领域，商店、快餐厅、酒店、加油站、4S店等场所将会部署5G通信终端，当车辆接近这些场所的有效通信范围时，可根据车主的需求快速地与这些商业机构间建立Ad Hoc网络，实现终端之间高效快捷的通信，从而可快速订餐、订房、选择性地接收优惠信息等，且在通信过程中不需要连接互联网，这将取代目前商业机构中工作在不授权频段、通信不安全、通信质量无法保障、干扰无法控制的蓝牙或Wi-Fi 通信方式，也将带动一个新的大型商业运营模式的产生与发展。随着车辆的大量普及，车辆已经成为人在家、办公室之外最重要的活动场合。然而，在地震、泥石流等自然灾害发生地区，当通信基础设施被破坏，无法为车载单元提供通信服务时，有相当数量的人可能正在车辆上或正准备驾乘车辆离开，OBU可在没有基础设施协助的情况下，通过基于单跳或多跳的D2D方式与其他OBU通信，并且5G车载终端也可作为通信中继，协助周边的5G移动终端进行信息交互。

车联网正在改变人类交通和通信方式，促使车辆向网络化、智能化发展。相信5G车联网的发展可促进社会的巨大演进，使人类社会更加方便、安全、快捷、高效。