浅谈无线通信技术在车联网中的应用

戴慧玲，王治夏，杨士坤，程 功

（国家无线电监测中心，北京 100037）

0 引言

如今，随着现代城市发展，交通问题日益严重，为了改善出行、确保人员安全等问题，对于车联网如何在智能交通方面的应用研究应运而生。在车联网技术的研究发展中，选择高效、安全、便捷、实时的无线通信技术并投入运用成为车联网技术研究中的热点问题。基于上述，本文从车联网概述、无线通信技术、5G 在车联网中应用现状等方面进行探讨。

1 车联网概述

1.1 基本定义

车联网是物联网在智能交通领域的应用，主要通过车载传感器、GNSS、智能控制等技术手段，收集车辆属性和动态信息，实现车与人（V2P）、车与车（V2V）、车与基础设施（V2I）、车与服务终端（V2N）的智能协同，进而改善交通问题[1]。车联网主要有3个特点：一是安全性，车联网当中接入多个通信节点，实时交互数据量庞大，数据必须真实可靠；二是移动性，车联网的联结点和信息源是车辆；三是实时性，信息数据实时传输速率应具备低时延。图1为车联网示意图。

图1 车联网示意图

1.2 车联网架构

车联网体系结构按照功能划分分为感知层、网络层、应用层。感知层主要由传感器（车载传感器、路侧传感器）、雷达以及定位系统等设备构成，并通过射频识别（RFID）、车辆定位（GNSS）等技术，将采集的车辆行驶状态、道路交通环境等信息数据反馈并作出下一步行驶策略；网络层主要由车载网络、无线通信网络和互联网构成，负责分析处理感知层传递的数据，实现车辆与外部互联互通等功能；应用层主要是各项系统应用集成，车辆数据在此分析反馈，实现对车辆的动态管理，为用户提供不同的服务。例如车载娱乐、远程监控等功能。

2 无线通信技术

如果车辆没有对外通信的能力，那么车辆在本质上就是一个孤岛。未来车联网应用场景的特点，决定了使用多种无线通信技术配合协调使用。传统车联网技术在车联网功能应用中分为两方面：短距离移动通信，如RFID、Wi-Fi，以及远距离移动通信技术，如4G、5G。无线通信技术演进发展的方向主要是如何高效服务车联网领域的智能应用。无线通信技术的发展趋势是高频率、高速率、强安全性、高稳定性。

2.1 RFID 技术

RFID（Radio Frequency Identification，射频识别）即电子标签，是一种非接触式的自动识别技术，通过电讯号实时、准确地对高速移动目标快速识别。射频识别系统包括应答器（可供识别标签），阅读器（读取标签信息）和软件系统（处理反馈数据）。RFID 在很多实际情况中都有良好的应用。RFID 加强车辆之间的互联通信，保证了信息数据的安全性和准确性，为车联网系统的运作提供支持。在商业应用上，该项技术应用于停车自助收费系统等方面，成本低廉、效果显著。在车联网中RFID 处于感知层。

2.2 GNSS 技术

GNSS 的全称是全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System），它是泛指所有的卫星导航系统，包括全球的、区域的和增强的，如美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的Galileo、中国的北斗卫星导航系统，以及相关的增强系统，如美国的WAAS（广域增强系统）、欧洲的EGNOS（欧洲静地导航重叠系统）和日本的MSAS（多功能运输卫星增强系统）等，还涵盖在建和以后要建设的其他卫星导航系统。GNSS 系统由星座（空间部分）、地面监控系统（地面控制部分）和信号接收机（用户设备部分）构成。目前车载GNSS 定位系统是通过手机信号传输到网络系统实现定位、导航、授时等功能，可将车辆信息及时反馈，提供导航服务。

2.3 Zigbee 技术

ZigBee 基于IEEE 802.15.4 标准的低功耗局域网协议，是一种近距离、低复杂度、低速率、低成本的双向无线通信技术，主要适用于工业控制、汽车自动化等领域，可以嵌入各种设备。ZigBee 低成本、安全可靠。在现阶段，对于投入车联网使用的Zigbee 而言，最大的瓶颈在于多跳实现的延时会随着投入节点的增多而增加，造成带宽资源浪费[2]。

2.4 DSRC 技术

专用短程通信（Dedicated Short Range Communication，DSRC）基于IEEE 802.11p 通信标准，是一种高效的短距离，应用于V2X 的无线通信技术，有效覆盖区域为3～30米，主要对车辆和道路有机连接识别和双向传输，实时传递语音、图像等数字信息。DSRC 具有传输速度快、受干扰程度小、安全性好等优点，实现了小区域内车辆识别、驾驶员识别、出入管理、ETC 等方面，极大改善人们的出行效率。DSRC 系统由车载单元、路测单元以及短程通信协议构成，主要缺点在于通信覆盖距离短，需要针对基础设施进行大规模改造和投入，成本较大。

2.5 Wi-Fi 技术

Wi-Fi（Wireless-Fidelity）基于IEEE 802.11 协议，是无线局域网（WLAN）中的一个标准，覆盖范围广，信息传输速率快，可实现局部区域内的高速无线连接。2016年最新公布的802.11ah WiFi 标准——WiFi HaLow，HaLow 的覆盖范围可达到1千米，信号更强，且不容易被干扰，使得Wi-Fi 在理论上可以被运用车辆网的发展。

2.6 C-V2X 技术

C-V2X 技术（Cellular-V2X，蜂窝车联网）是指基于蜂窝网络的V2X 技术，该技术在DSRC 技术之后推出，都具备车辆之间进行直接无线通信，包括LTE-V2X 以及正在发展的5G-V2X 技术，提供两种接口-Uu（蜂窝网络-车载终端通信）接口和PC5（短距离直接通信）接口。LTE-V2X 主要承载基本交通安全业务；5G-V2X 主要面向承载自动驾驶业务。

LTE-V2X 包括蜂窝通信和直接通信两种工作模式。蜂窝通信借助已有的LTE 蜂窝网络，支持网络覆盖范围广、带宽需求大的通信连接；直接通信则不经过基站，两个用户节点直接进行通信，即D2D（device to device）通信模式。相比DSRC 技术，C-V2X 技术在通信覆盖范围、高容量、抗干扰性等方面的性能，全面优于DSRC。C-V2X 不必重新部署网关基础设施，对现有基站设施进行改造即可使用，节约了经济成本[3]。从2018年11月，根据工业和信息化部发布《车联网（智能网联汽车）直连通信使用5905-5925 MHz 频段管理规定（暂行）》明确5.9G 频段作为基于LTE 的C-V2X 技术的车联网（智能网联汽车）直连通信的工作频段，到2020年11月，国务院办公厅发布《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》中“加快基于蜂窝通信技术的车辆与车外其他设备间的无线通信（C-V2X）标准制定和技术升级”，表明我国正在快速推进C-V2X 车联网通信技术的产业化发展和应用推广。

2.7 UWB

UWB（ultra wide band，超带宽）是一种无线载波技术，以极低功率在短距离内高速传输数据。UBW 技术，基于IEEE 802.15.4协议，具有系统复杂度底，对信道衰落不敏感，安全性高，精确定位等优点，适用于密集场所的高速无线接入，相比RFID 定位技术在安全性上具有明显优势，相比蓝牙技术、Wi-Fi，UWB 具有强大的抗多径干扰能力。UWB 技术应用按照通信距离可以分为短距离高速应用和中长距离（几十米以上）低速率应用这两类。UWB 技术车联网领域中具有广泛的应用场景和发展潜力。

3 5G 无线通信技术车联网应用现状

无线通信技术在车联网的应用用：RFID 用于对特定目标进行识别，DSRC、Wi-Fi 主要用于提供车辆实时变化数据，GNSS 主要用于精确定位；3G/4G 主要用于实现网络内信息的传输以及共享，等等。每种技术都不能完全体现车联网所需的全部功能，以及未来智能交通需求，只能体现车联网发展的前景趋势。当前阶段，如何实现5G 无线通信技术与其他技术融合，使不同技术的作用最大化，是车联网发展的新方向。

随着无线通信技术和自动驾驶技术的快速发展，车联网技术正在迈向新阶段，其在智能交通领域的应用发展分为三个阶段，如图2所示[4]：

图2 车联网技术的三个发展阶段

无线移动网络与智慧交通的发展是互驯的过程。在1G、2G 时代，无线通信主要用于车载紧急呼叫；3G、4G 网络加快推进了车联网技术通过感器收集处理车辆运行参数，还能够提供其他智能服务；随着5G 技术的发展，5G 技术一旦投入使用便会成为车联网应用当中的关键技术应用，车联网可以依靠5G 网络弥补传统移动通信网络存在的传输带宽不足、网络时延较大的缺陷，高速率、低时延、大联接的技术特性连接处理网络中的数据，并将分析结果快速反馈给信息需求用户，降低系统响应时间，提高信息传输的精准性，降低对高精度传感器的依赖，从而降低成本，催生更多的车联网应用场景，实现更加舒适的智能生活体系。

目前，V2X 的技术方向分为DSRC、LTE-V2X、5G-V2X等。随着DSRC逐渐退出舞台，LTE-V2X后来居上。DSRC相比于LTE-V2X，在技术层面，LTE-V2X具备蜂窝通信功能，在覆盖范围、感知距离、承接数量、时延等方面具有明显优势；在终端层面，LTE-V2X的蜂窝通信模块和V2X通信模块可共用一块芯片，有效降低了芯片复杂度及生产成本；在产业层面，LTE-V2X可以通过现有的LTE网络基站设备进行升级部署，DSRC则需要安装新的路测设备，生产成本大；在车辆网嵌用方面，LTEV2X能被应用于V2X的所有领域，而DSRC只能被应用于V2V以及V2I[5]。5G-V2X是5G通信的V2X标准，V2X将是5G网络的一部分，5G-V2X有融合LTEV2X及DSRC的可能，为车辆提供更安全、更高效、更便捷的服务能力。

4 结束语

人类文明进步的本质是消除信息熵（打破信息不对称）的效率加快，车联网技术提升了人类在交通场景所获得关于交通信息的能力，提高了数据交互处理效率。车联网系统通过软件定义网络技术、移动边缘技术、网络切片等5G 关键技术与车联网技术深度融合，把车、路、人、云等有机互联，将车联网体系发展成高度协同统一的智能生态体系。但同时，现有车联网也面临着诸多瓶颈和挑战，主要体现在通信信息传递安全、公众普及、同信道干扰、相关法律法规有待完善等方面。智能交通产业正蓄势待发，无线通信技术的应用前景在看到机遇的同时也要积极主动解决困难。