浅析车联网发展历程及前景

万能 罗雅婷

摘 要：车联网作为物联网时代的重要应用，正在随着计算和通信技术的进步而飞速发展，车联网带来了巨大的研究价值和商业前景，是实现汽车完全自动驾驶的重要途径。文章简要介绍了车联网的演进发展历程，讨论了创建车联网所需的技术，介绍了一些车联网环境下的主要应用，结合5G描述了车联网领域中的主要研究方向，最后阐述了车联网未来和发展趋势。

关键词：车联网;自动驾驶;车载网络通信

中图分类号：TP212  文献标志码：A  文章编号：1671-7988（2020）15-29-04

Abstract： The Internet of Vehicles （IoV） is an important application in the era of Internet of Things， the IoV is developing rapidly with the advancement of computation and communication technologies. The IoV promises huge research value and business prospects， and it is an important way to realize fully autonomous driving of vehicle. This paper briefly introduces the evolution of IoV， discusses the technology required to create IoV， introduces some of the main applications in the IoV environment， describes the main research directions in the field of IoVwith 5G， and finally describes the IoVs future and development trends.

Keywords： Internet of Vehicles; Autonomous driving; Vehicular networking communication

CLC NO.： TP212  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）15-29-04

前言

车联网，通常意义上是指车内和车辆间的信息交互（V2V）。随着基础设施的完善、硬件水平的提高、通信技术的发展、计算机运行能力的提升，车联网的含义逐渐扩展到了车辆与基础设施（V2I）、车辆与人（V2P）、车辆与云（V2C），统称为车辆与X（V2X）。

早在1939年纽约世博会中，就呈现了未来高速公路和城市可能的乌托邦般的景象[1]。之后的几十年，各个国家、尤其是西方发达国家，均以完全的高速公路的自动驾驶为目标，展开了一系列的研究。如今，许多国家都颁发了自动驾驶的汽车牌照，3GPP、ITU等组织和协会等也制定并出台相应的标准。车联网正在为创造真正的智能交通系统做出重要贡献。

1 单车自动驾驶阶段

上世纪六、七十年代，日本的CACS、美国的ERGS、欧洲的ALI城市道路路径引导项目，1986-1995年的欧洲普罗米修斯自动驾驶项目，和1986-1992年美国的PATH协同驾驶项目[2]等虽然在商业上没有达到预期的效果，但以上这些项目都产出了最终的样车，并成功进行了实际运行的试验。

上述项目通常将完全的高速公路的自动驾驶为目标，这意味着被研究车辆以较少依赖基础设施为解决方案，但这一目标在当时那个时代是难以实现的。从20世纪80年代后期开始，研究逐渐转向如驾驶人咨询这样的更近期的目标上，即实现自动驾驶中的某一项功能或某一项前期功能，这同时意味着研究的方向转移到了基础设施辅助的方案[3]。因为研究机构和管理部门等在前期工作中发现，不依赖公共基础设施似乎无法实现真正的自动驾驶。从这以后，自动驾驶逐渐由单车系统的研究转向车与车间通信的研究。

2 早期车联网研究阶段

1989年，日本的科学家们提出了道路-汽车通信系统（Road/Automobile Communication Systems，RACS）[4]，主要提供车辆和路边固定位置设备间的V2I通信，但通信距离较短，其功能在于向行驶车辆提供可靠的导航辅助，信息分发服务和双向通信服务。该系统依然未能解决车-车通信的问题。

1992年，国际标准化组织（International Standards Organi -zation，ISO）为ITS通信系统定义了架构以及相应设施[5]，即专用短程通信（Dedicated Short-Range Communication，DSRC）标准。随后一些国家分配了仅仅用于车辆短程无线通信的DSRC频段，如1999年，美国联邦通信委员会（Federal Communication Commission，FCC）为DSRC通信专门划分了5850至5925MHz频段[6];欧洲电子通信委员会（Electronic Communication Committee，ECC）于2008年将5875至5925频段内的50MHz分配给DSRC用于交通安全应用，另分配额外20MHz用于非安全应用[7]。结合1991年开始商用的2G蜂窩移动通信及之后的3G、4G，使得车辆相互之间的信息交换，实现车辆在道路上的彼此协调成为了可能。也弥补了之前无法同时实现V2V和V2I的情况。尤其是当2011年，业界开始使用基于LTE的设备到设备通信（Device to Device，D2D）协议支持车辆间的V2V通信。

在这个阶段，不少主机厂和供应商纷纷参与车辆间通信（Inter-vehicle Communication，IVC）系统的研发和商业推广，成品数量呈现爆炸式增长。如：安吉星（OnStar，1995），宝马Assist（1999），奔驰FleetBoard（2000），TomTom HD Traffic（2007）等，使得IVC称为现实，且在乘用车和商用车领域均有建树，大大降低了驾驶员的工作强度，是道路运输效率提升，同时降低了油耗，提高了经济性。

随着汽车产业的快速发展，汽车保有量的不断增加，以及汽车由奢侈品逐渐向日用品转变过程中人们对汽车观念的改变，车联网作为实现自动驾驶方法之一，也面临了重要挑战。由于车辆间的相对高速移动，只适用于低速场景的LTE-D2D难以较好的支撑V2V通信[8]。再加上自动驾驶直接涉及到车载人员的安全，其传输速率和时延等技术指标决定了车联网情形下汽车执行操作的效率，如制动距离。在当前5G已经商用的情况下，以上问题都将得到很好的解决。5G无线网络的实现，从通信技术的角度，使自动驾驶达到极致安全和99.999%的可靠性成为了可能。

3 车联网通信新阶段

5G时代的到来，给人们生活带来了不一样的体验，同样也影响到了工业与自动化领域。汽车作为人类生活中的重要角色，同样也受到5G带来的影响。3GPP定义了5G的三大应用场景——eMBB（Enhanced Mobile Broadband，移动宽带增强）、mMTC （massive Machine Type of Communication，海量机器类通信，又称为大规模物联网）、uRLLC（Ultra-Relia -ble Low latency Communications，超高可靠低时延通信）。

其中与车联网最为相关的是uRLLC场景，在5G环境下，空口延时小于1ms能完全满足编队行驶5ms和无人驾驶3ms的需要。与4G相比，无人驾驶制动智能控制反应距离可以从1.4米降至2.8cm。这意味着在编队行驶工况下，后车与前车的跟车距离可有效减少，单位时间通过道路截面的车辆数将增加，从而提高通行效率。对于其他两类场景mMTC和eMBB，也与车联网有千丝万缕的联系，汽车作为智慧城市/智能交通系统的重要组成，其车载传感器联网也是物联网的一部分;娱乐应用同样受益与5G+车联网的实现，下载、媒体流、多人游戏将是主要的娱乐应用[9][10]，每辆车每秒的数据将达到1GB，只有5G情形下的大带宽才有可能实现在娱乐的同时，车辆间的通信同时也能得到保障，毕竟驾乘人员的安全才是首要考虑的。

5G通信距离延伸至1km，最高相对车速可以支持500公里，通信可靠性可以做到99.99%。更高级别的自动驾驶需要5G技术提供支撑。同时，车联网的多点传输、移动性管理、巨大的计算量、车联网的通信安全、自动驾驶的道德伦理和法律管理问题等，均是当前车联网快速发展所面临的诸多问题[11]。

针对上述问题，目前车联网的研究方向主要集中在以下几大方面：

（1）无线接入技术（Wireless Access in Vehicular Environ -ment，WAVE）[12]：任何一个依赖于车辆间通信的应用都需要一组特定的网络特性。目前车联网的无线接入包括三个研究方向：①蜂窝网络（C-V2X）;②短程无线电;③空白频段和认知无线电。

（2）信息传递[13]：主要研究车联网网络层协议。目标是V2X的信息交换，以及从一辆车到所有那些对内容感兴趣的单元的信息传播。从路由、信标、基于地理位置的数据/信息传播（Geocasting）、基础设施、延迟/中断容错网络（Delay/disruption – tolerant Network， DTN）与对等网络等几个方面展开研究。

（3）性能评估[14]：大规模的现场试验是复杂甚至不可行的，大多数情况下选择仿真作为性能研究的方法。如何在IVC领域进行仿真、考虑哪些性能指标、怎样真实和准确的对车辆运动进行建模、仿真场景等均是研究对象，此外还包括诸如人类驾驶员的行为影响、无线电传播模型的影响都在考虑范围之内。

（4）安全和隐私[15][16][17]：考虑车联网的特殊性，其通信安全不仅涉及信息安全，更重要的是涉及到驾乘人员的安全。车联网环境下，需要大量的信息传递，且处于相对开放的网络，考虑新的协议来应对车联网风险，但同时保证协议不过与复杂，有较好的运算量和时延。另外，公众对车联网技术接受的程度也是需要考虑的问题，其不仅取决于车联网的技术能力，还取决于安全系统赋予的匿名水平。

4 車联网的未来与展望

根据国际电信联盟预测，到2030年，全球数据流量将达到惊人的5ZB/月。6G肯定是必不可少的发展阶段，对车联网以及自动驾驶也将带来新的契机。按照移动通信网络约10年为一个周期的规律，结合《中国制造2025》对智能网联汽车技术路线的研究，考虑智能网联汽车网联化分级（如表1所示）[18]，到2030年后有望实现最高级的车辆智能化与网联化。从网联化的角度看，即实现V2X的协同决策与控制，并在此基础上，进一步实现全路况条件下的自动驾驶。当然，就目前存在的问题而言主要是两大方面，一是通信网络上需要5G网络达到相当高程度的覆盖水平;二是在汽车网联化方面，需要加快V2X芯片和模组的量产装配以及路侧单元和基站等基础设施的建设改造，此项任务更加艰巨。在未来的车联网研究主要集中在以下四个方面：（1）车联网环境下的人-车网络模型和服务模型;（2）车联网通信能力的增强;（3）人机交互的合作和实现;（4）确保车联网中服务的适用性[19]。

车联网的完全实现尚还有很长的路要走，但对于车联网的研究从未止步，未来的车联网研究既要能够产生一个接近实际生活的有意义的结果，还要能够推动科学技术的创新与发展，同时还要保证系统安全及用户的隐私，由此看来，车联网的发展任重而道远。