5G車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)與應(yīng)用分析及前景展望

　　一、引言——為何要研發(fā)5G車聯(lián)網(wǎng)?

　　近年來(lái)，因汽車數(shù)量持續(xù)增長(zhǎng)而引起的交通安全、出行效率、環(huán)境保護(hù)等問題日益突出，車聯(lián)網(wǎng)相關(guān)領(lǐng)域的研究和發(fā)展受到了廣泛關(guān)注。車聯(lián)網(wǎng)是以車內(nèi)網(wǎng)、車際網(wǎng)和車載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，融合了傳感器、RFID、數(shù)據(jù)挖掘、自動(dòng)控制等相關(guān)技術(shù)，按照約定的通信協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)，在車X (X：車、路、行人、互聯(lián)網(wǎng))交互過程中，實(shí)現(xiàn)車輛與公眾網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)移動(dòng)通信，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在交通系統(tǒng)領(lǐng)域的典型應(yīng)用。

　　在車聯(lián)網(wǎng)中，車輛作為移動(dòng)通信設(shè)備和用戶的載體，以拓?fù)涔?jié)點(diǎn)的形式組織移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。由于車輛自身的移動(dòng)性，車載通信具有移動(dòng)區(qū)域受限、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?、網(wǎng)絡(luò)頻繁接入和中斷、節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍大、通信環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)。根據(jù)車聯(lián)網(wǎng)的上述特征，當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)的實(shí)施存在以下多方面挑戰(zhàn)和困難。

　　(1)在體系結(jié)構(gòu)方面，由于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的快速發(fā)展，為滿足用戶的多功能體驗(yàn)，車聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。在車載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)中，路側(cè)單元(RSU)作為車輛自組網(wǎng)(VANET)無(wú)線接入點(diǎn)，將車輛以及道路等信息上傳至互聯(lián)網(wǎng)并發(fā)布相關(guān)交通信息，這種車與基礎(chǔ)設(shè)施(V2I)的協(xié)作通信模型需要大量的RSU支撐，增加了建設(shè)的成本和能源消耗。

　　(2)在通信方面，車聯(lián)網(wǎng)中存在多種類型的通信網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)使用不同的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)的融合不完善，影響車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行效率。雖然IEEE 802.11p標(biāo)準(zhǔn)的車輛自組網(wǎng)通信在高速運(yùn)行環(huán)境下傳輸距離遠(yuǎn)、分組丟失率低、可靠性高，但在極其復(fù)雜的非視距環(huán)境下通信質(zhì)量會(huì)受到不同程度的干擾。另外，由于車輛的高速移動(dòng)，需要快速可靠的網(wǎng)絡(luò)接入與信息交互，時(shí)延受限成為當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)面臨的重要問題。

　　(3)在安全方面，車聯(lián)網(wǎng)中的用戶信息都將連接在該網(wǎng)絡(luò)上，隨時(shí)隨地被感知，很容易被干擾和竊取，嚴(yán)重影響了車聯(lián)網(wǎng)體系的安全。當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)在每一層都存在不同程度的威脅：在感知層，車輛單元(OBU)和RSU節(jié)點(diǎn)的物理安全、感知信息的無(wú)線傳輸;在網(wǎng)絡(luò)層，數(shù)據(jù)破壞、數(shù)據(jù)泄露、虛假信息等安全與隱私問題;在應(yīng)用層，也存在身份假冒、越權(quán)操作等由于技術(shù)方面的不足或因管理不當(dāng)而帶來(lái)的隱形危害。

　　近年來(lái)，車聯(lián)網(wǎng)在體系結(jié)構(gòu)、通信以及安全方面存在的問題成為當(dāng)前學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點(diǎn)，而隨著第5代移動(dòng)通信(5G)的快速發(fā)展，5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將融合大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、終端直通、認(rèn)知無(wú)線電等先進(jìn)技術(shù)，以更加靈活的體系結(jié)構(gòu)解決多樣化應(yīng)用場(chǎng)景中差異化性能指標(biāo)帶來(lái)的挑戰(zhàn)。5G微信公眾平臺(tái)(ID：angmobie)發(fā)現(xiàn)，本文作者認(rèn)為：其中，5G移動(dòng)通信技術(shù)在低時(shí)延、高移動(dòng)性車聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景的應(yīng)用，解決了當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)面臨的多方面問題和挑戰(zhàn)，使OBU在高速移動(dòng)下獲得更好的性能。而且，5G通信技術(shù)讓車聯(lián)網(wǎng)不用單獨(dú)建設(shè)基站和服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施，而是隨著5G通信技術(shù)的應(yīng)用普及而普及，為車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展帶來(lái)歷史性的機(jī)遇。

　　二、5G車聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)

　　未來(lái)5G通信技術(shù)在車聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景的應(yīng)用使車聯(lián)網(wǎng)擁有更加靈活的體系結(jié)構(gòu)和新型的系統(tǒng)元素(5G車載OBU、5G基站、5G移動(dòng)終端、5G云服務(wù)器等)。除了在車內(nèi)網(wǎng)、車際網(wǎng)、車載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)V2X信息交互以外，5G車聯(lián)網(wǎng)還將實(shí)現(xiàn)OBU、基站、移動(dòng)終端、云服務(wù)器的互聯(lián)互通，分別給予它們特殊的功能和通信方式。5G車聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在OBU多網(wǎng)接入與融合、OBU多渠道互聯(lián)網(wǎng)接入、多身份5G基站。

　　2.1 OB U多網(wǎng)接入與融合

　　目前，在車聯(lián)網(wǎng)中，多種網(wǎng)絡(luò)共存，包括基于IEEE 802.11 a/b/g/n/p標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的WLAN、2 G/3 G蜂窩通信、LTE以及衛(wèi)星通信等網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)在車聯(lián)網(wǎng)通信中使用不同的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，數(shù)據(jù)處理和信息交互不完善。而5G車聯(lián)網(wǎng)將融合多種網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫的信息交互和通信切換。

　　5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)包括宏蜂窩層和設(shè)備層的雙層網(wǎng)絡(luò)，其中，宏蜂窩層與傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)相似，涉及基站和終端設(shè)備之間的直接通信。在設(shè)備層通信中，設(shè)備到設(shè)備通信是5G移動(dòng)通信技術(shù)的重要組成部分，是一種終端與終端之間不借助任何網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施直接進(jìn)行信息交互的通信方式。根據(jù)基站對(duì)資源分配和對(duì)起始、目的、中繼終端節(jié)點(diǎn)的控制情況，D2D終端通信方式可分成4類。

　　(1)基站控制鏈路的終端轉(zhuǎn)發(fā)。終端設(shè)備可以在信號(hào)覆蓋較差的環(huán)境下，通過鄰近終端設(shè)備的信息轉(zhuǎn)發(fā)與基站通信，其中，通信的鏈路建立由基站和中繼設(shè)備控制，在這種通信方式下，終端設(shè)備可實(shí)現(xiàn)較高的服務(wù)質(zhì)量。

　　(2)基站控制鏈路的終端直接通信。終端之間的信息交互與通信沒有基站的協(xié)助，但需要基站控制鏈路的建立。

　　(3)終端控制鏈路的終端轉(zhuǎn)發(fā)?；静粎⑴c通信鏈路的建立和信息交互，源終端與目的終端通過中繼設(shè)備協(xié)調(diào)控制彼此之間的通信。

　　(4)終端控制鏈路的終端直接通信。終端之間的通信沒有基站和終端設(shè)備的協(xié)助，可自行控制鏈路的建立，這種方式有利于減輕設(shè)備之間的干擾。

　　圖1展示了5G移動(dòng)通信網(wǎng)的D2D通信方式在車聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。未來(lái)5G車聯(lián)網(wǎng)D2D通信技術(shù)將為車聯(lián)網(wǎng)提供新的通信模式。其中，在車載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，OBU可直接通過5G基站或中繼(包括鄰近的OBU、用戶移動(dòng)終端)快速接入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)車與云服務(wù)器的信息交互;在車內(nèi)網(wǎng)，為充分實(shí)現(xiàn)用戶與車輛的人機(jī)交互，以O(shè)BU為媒介，與用戶5G移動(dòng)終端之間在沒有基站或其他終端設(shè)備協(xié)助情況下，通過自行控制鏈路，進(jìn)行短距離的車輛數(shù)據(jù)傳輸;在基于D2D的通信網(wǎng)絡(luò)中，5G車載單元可在網(wǎng)絡(luò)通信邊緣或信號(hào)擁塞地帶基于單跳或多跳的D2D建立ad hoc網(wǎng)絡(luò)，實(shí)施車輛自組網(wǎng)通信。

　　圖1 5G車聯(lián)網(wǎng)基于D2D的通信方式

　　通過以上對(duì)5G車聯(lián)網(wǎng)通信方式的分析，5G車聯(lián)網(wǎng)將改變基于IEEE 802.11p標(biāo)準(zhǔn)的車聯(lián)網(wǎng)通信方式，實(shí)施多實(shí)體之間(OBU之間以及OBU與移動(dòng)終端、行人、5G基站、互聯(lián)網(wǎng)之間)的信息交互，實(shí)現(xiàn)OBU的多網(wǎng)接入以及車內(nèi)網(wǎng)、車際網(wǎng)、車載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的“三網(wǎng)融合”。

　　2.2 多身份5G基站

　　傳統(tǒng)的基站作為終端通信的中繼，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和鏈路控制等方面起著重要作用;而5G基站的大量部署，將實(shí)現(xiàn)超密集網(wǎng)絡(luò)，從而給予用戶精確定位、協(xié)助終端通信等功能。在基于5G毫米波的通信網(wǎng)絡(luò)中，D2D技術(shù)涉及終端與基站、基站與基站直接通信。其中，D2B與B2B以自組織方式通信將是一個(gè)重要的突破，這決定了5G基站將以不同的角色發(fā)揮至關(guān)重要的作用。在車聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景，5G基站將擁有以下功能。

　　(1)協(xié)作中繼。5G基站具備傳統(tǒng)基站的中繼轉(zhuǎn)發(fā)功能，作為無(wú)線接入點(diǎn)，協(xié)助車與互聯(lián)網(wǎng)通信。

　　(2)擔(dān)當(dāng)RSU。在高速運(yùn)行的環(huán)境下，車輛自組網(wǎng)通信中的5G基站將取代RSU，與OBU實(shí)時(shí)通信，通過廣播的方式向車輛自組網(wǎng)中的車輛發(fā)布交通信息，并協(xié)助車與車通信以及多個(gè)車輛自組網(wǎng)通信。這不僅節(jié)約了車聯(lián)網(wǎng)體系的構(gòu)建成本，而且解決了V2I協(xié)作通信系統(tǒng)融合面臨的多方面問題。

　　(3)精確定位。GPS作為當(dāng)前OBU的定位系統(tǒng)是非常脆弱的，容易受到欺騙、阻塞等多種類型的攻擊。并且，GPS的信號(hào)容易受到天氣影響，導(dǎo)致無(wú)法實(shí)施精確定位。5G微信公眾平臺(tái)(ID：angmobie)發(fā)現(xiàn)，本文作者認(rèn)為：未來(lái)5G基站的大量部署使用更高的頻率和信號(hào)帶寬，實(shí)施密集網(wǎng)絡(luò)以及大規(guī)模的天線陣列，使OBU在NLOS復(fù)雜環(huán)境下減少定位誤差。其次，D2D通信充分利用高密度的終端設(shè)備連接的優(yōu)勢(shì)，從以下兩方面提高定位性能。一方面，大量的D2D鏈路可以為確定車輛之問的偽距提供信號(hào)觀測(cè)，D2D通信不僅使OBU可以接收來(lái)自鄰近車輛和移動(dòng)終端的信息，其同步和信道估計(jì)單元等信號(hào)處理的實(shí)體還可被復(fù)用于信號(hào)傳輸?shù)难訒r(shí)估計(jì)。在車聯(lián)網(wǎng)中，D2D通信模式提供了一個(gè)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，N個(gè)OBU構(gòu)成的最大鏈路數(shù)為N(N-1)。另一方面，OBU的D2D通信鏈路為定位直接交換所需數(shù)據(jù)，可進(jìn)一步加快局部決策，改進(jìn)位置估計(jì)過程的收斂時(shí)問。圖2為基于D2D的協(xié)作定位系統(tǒng)。

　　圖2 5G車聯(lián)網(wǎng)協(xié)作定位系統(tǒng)

　　2.3多渠道互聯(lián)網(wǎng)接入

　　在將來(lái)5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信中，5G終端通過自行控制通信鏈路建立，定期廣播身份信息，其他鄰近的終端及時(shí)發(fā)現(xiàn)并評(píng)估多個(gè)信道狀態(tài)信息，自適應(yīng)地選擇當(dāng)前最優(yōu)的信道，決定建立一個(gè)5G終端之間的直接通信或選擇合適的中繼轉(zhuǎn)發(fā)消息，這種通信方式使5G終端以最優(yōu)的方式實(shí)現(xiàn)信息交互，同時(shí)也提高頻譜和能源的利用率。

　　根據(jù)5G終端高效、多樣化的通信方式，OBU可通過多種渠道接入互聯(lián)網(wǎng)。OBU除了可按照當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)的V2I協(xié)作通信方式外，還可通過鄰近的5G基站、5G車載單元OBU和5G移動(dòng)終端等多種渠道自適應(yīng)地選擇信道質(zhì)量較好的方式接入互聯(lián)網(wǎng)。

　　三、5G車聯(lián)網(wǎng)特征

　　5G移動(dòng)通信融合CR、毫米波、大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、全雙工通信等關(guān)鍵技術(shù)，顯著提高了通信系統(tǒng)的性能。在車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景中，相比IEEE 802.11p標(biāo)準(zhǔn)的通信，5G車聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在低時(shí)延與高可靠性、頻譜和能源高效利用、更加優(yōu)越的通信質(zhì)量。

　　3.1 低時(shí)延與高可靠性

　　作為車聯(lián)網(wǎng)信息的發(fā)送端、接收端和中繼節(jié)點(diǎn)，消息傳遞過程必須保證私密性、安全性和高數(shù)據(jù)傳輸率，通信具有嚴(yán)格的時(shí)延限制。目前，研究的車聯(lián)網(wǎng)通信數(shù)據(jù)的密集使用以及頻繁交換，對(duì)實(shí)時(shí)性要求非常高，然而，受無(wú)線通信技術(shù)的限制(如帶寬、速度和域名等)，通信時(shí)延達(dá)不到毫秒級(jí)，不能支持安全互聯(lián)需求。

　　5G高/超高密集度組網(wǎng)、低的設(shè)備能量消耗大幅地減小信令開銷，解決了帶寬和時(shí)延相關(guān)問題，且5G的時(shí)延達(dá)到了毫秒級(jí)，滿足了低延時(shí)和高可靠性需求，成為車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的最大突破口。在5G車聯(lián)網(wǎng)通信中，為更好地研究與應(yīng)用低時(shí)延和高可靠性的鏈路特征，有文獻(xiàn)分析了適應(yīng)于以300 km/h速度移動(dòng)車輛通信的5G自適應(yīng)天線，提高了OBU與基站的通信質(zhì)量，降低了在信道估計(jì)與數(shù)據(jù)傳輸之間產(chǎn)生的時(shí)延。有文獻(xiàn)提出利用網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化和軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提高5G網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的靈活性，并提出實(shí)現(xiàn)低時(shí)延服務(wù)的解決方案，主要包括服務(wù)預(yù)約和配置、減少IP地址解析的時(shí)延、連續(xù)服務(wù)時(shí)延的優(yōu)化。其中，5G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的優(yōu)化不僅要支持當(dāng)前的應(yīng)用服務(wù)，而且要適應(yīng)高速增長(zhǎng)的信息量并滿足將來(lái)多樣性的服務(wù)需求，尤其是對(duì)于時(shí)延高度敏感的通信，如車聯(lián)網(wǎng)V2X通信場(chǎng)景，嚴(yán)格要求低時(shí)延和高可靠性，是5G網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)應(yīng)用的顯著特點(diǎn)。

　　根據(jù)表1設(shè)置的主要參數(shù)實(shí)施基于D2D模式的V2V通信時(shí)延仿真，得到了如圖3所示的結(jié)果。隨著車輛數(shù)目的增加，端到端的通信時(shí)延基本保持平穩(wěn)狀態(tài)，而5G車聯(lián)網(wǎng)基于D2D技術(shù)將實(shí)現(xiàn)車與車、車與基站以及5G移動(dòng)終端通信，其空口時(shí)延在1 ms左右，端到端時(shí)延控制在毫秒級(jí)延時(shí)性能比IEEE 802.11p標(biāo)準(zhǔn)的通信方式優(yōu)越，有效地保障了通信的可靠性。

　　表1 基于D2D模式的V2V通信時(shí)延仿真參數(shù)

　　圖3 基于D2D模式的V2V通信時(shí)延分析

　　3.2 頻譜和能源高效利用

　　頻譜和能源的高效利用是5G用戶體驗(yàn)的一個(gè)重要的特征。5G通信技術(shù)在車聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，將解決當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)資源受限等問題。5G車聯(lián)網(wǎng)的頻譜和能源高效利用主要體現(xiàn)在以下兒個(gè)方面。

　　1)D2D通信。在5G通信中，D2D通信方式通過復(fù)用蜂窩資源實(shí)現(xiàn)終端直接通信。5G車載單元將基于D2D技術(shù)實(shí)現(xiàn)與鄰近的車載單元、5G基站、5G移動(dòng)終端的車聯(lián)網(wǎng)自組網(wǎng)通信和多渠道互聯(lián)網(wǎng)接入。通過這種方式提高車聯(lián)網(wǎng)通信的頻譜利用率，與基于IEEE 802.11p標(biāo)準(zhǔn)的車聯(lián)網(wǎng)V2X通信方式相比，減少了成本的支出，節(jié)約了能源。

　　2)全雙工通信。5G移動(dòng)終端設(shè)備使用全雙工通信方式，允許不同的終端之間、終端與5G基站之間在相同頻段的信道可同時(shí)發(fā)送并接收信息，使空口頻譜效率提高一倍，從而提高了頻譜使用效率。

　　3)認(rèn)知無(wú)線電。認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)是5G通信網(wǎng)絡(luò)重要的技術(shù)之一。在車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景中，車載終端通過對(duì)無(wú)線通信環(huán)境的感知，獲得當(dāng)前頻譜空洞信息，快速接入空閑頻譜，與其他終端高效通信。這種動(dòng)態(tài)頻譜接入的應(yīng)用滿足了更多車載用戶的頻譜需求，提高頻譜資源的利用率。其次，車載終端利用認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)可以與其他授權(quán)用戶共享頻譜資源，從而解決無(wú)線頻譜資源短缺的問題。

　　除了以上提到的頻譜和能源高效應(yīng)用外，最近的相關(guān)研究表明，在不影響通信性能的情況下，5G基站的大規(guī)模天線陣列的部署有潛在的節(jié)約能源作用。其次，在車輛自組網(wǎng)中，5G車載單元及時(shí)發(fā)現(xiàn)鄰近的終端設(shè)備，且與之通信的能力也會(huì)減少OBU間通信的能源消耗。

　　3.3 更加優(yōu)越的通信質(zhì)量

　　5G通信網(wǎng)絡(luò)被期望擁有更高的網(wǎng)絡(luò)容量并且可為每個(gè)用戶提供每秒千兆級(jí)的數(shù)據(jù)速率，以滿足QoS的要求。有文獻(xiàn)提出頻段為30~300 GHz的毫米波通信系統(tǒng)可為5G終端之間以及終端與基站之間以更好的通信質(zhì)量進(jìn)行信息交互。其中，毫米波擁有極大的帶寬，可提供非常高的數(shù)據(jù)傳輸速率，并減少環(huán)境的各種干擾，降低終端之間連接中斷的概率。

　　表2是5G車聯(lián)網(wǎng)與基于IEEE 802.11p標(biāo)準(zhǔn)的車聯(lián)網(wǎng)在VANET關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)方面的比較。結(jié)果表明，5G車聯(lián)網(wǎng)擁有比當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)更加優(yōu)越的無(wú)線鏈路特征。

　　表2 5G車聯(lián)網(wǎng)與當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)在VANET關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的比較

　　1)通信距離。5G車聯(lián)網(wǎng)V2V通信的最大距離大約為1 000 m，從而可以解決IEEE 802.11p車輛自組網(wǎng)通信中短暫、不連續(xù)的連接問題，尤其是在通信過程中遇到大型物體遮擋的NLOS環(huán)境下。

　　2)傳輸速率。5G車聯(lián)網(wǎng)為V2X通信提供高速的下行和上行鏈路數(shù)據(jù)速率，最大傳輸速率為1 Gbit/s。從而使車與車、車與移動(dòng)終端之間實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的音視頻通信。

　　3)高速移動(dòng)性。與IEEE 802.11p標(biāo)準(zhǔn)通信相比，5G車聯(lián)網(wǎng)支持速度更快的車輛通信，其中，支持車輛最大的行駛速度約為350 km/h。

　　四、5G車聯(lián)網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)

　　5G車聯(lián)網(wǎng)將先進(jìn)的5G通信技術(shù)應(yīng)用在車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，改善了傳統(tǒng)車聯(lián)網(wǎng)的通信方式、通信質(zhì)量，優(yōu)化了車聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，為車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展帶來(lái)了重大變革，5G微信公眾平臺(tái)(ID：angmobie)發(fā)現(xiàn)，本文作者認(rèn)為：但5G車聯(lián)網(wǎng)也面臨著重大的挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在干擾管理、通信安全和駕駛安全3個(gè)方面。

　　4.1 干擾管理

　　對(duì)于有限資源的高效利用，資源復(fù)用和密集化被應(yīng)用于5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)，盡管可以增加信號(hào)容量和吞吐量并額外地提高宏蜂窩與局域網(wǎng)絡(luò)的資源共享，但這些優(yōu)點(diǎn)出現(xiàn)的同時(shí)卻產(chǎn)生了同信道干擾問題。因此，作為二元體系的5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，干擾管理是個(gè)重要問題。

　　基于D2D技術(shù)的基站控制通信鏈路的終端直接通信以及終端作為中繼的通信方式，基站可以進(jìn)行資源分配和鏈路管理，并實(shí)施集中化的管理方法減輕干擾問題。但對(duì)于將來(lái)的5G車載單元之間的直接通信，在沒有基站作為中繼或者管理鏈路的情況下，5G車聯(lián)網(wǎng)通信中的干擾不可避免。

　　表3分析了在5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)與基于D2D通信網(wǎng)絡(luò)中的干擾管理方法及其特點(diǎn)。為了處理將來(lái)5G移動(dòng)通信網(wǎng)中的干擾問題，有文獻(xiàn)提出了2種技術(shù)：先進(jìn)的接收機(jī)技術(shù)和聯(lián)合調(diào)度技術(shù)。其中，先進(jìn)的接收機(jī)技術(shù)不僅處理了位于小區(qū)邊緣的小區(qū)之問的干擾，而且在大規(guī)模多輸入多輸出狀況下，也解決了小區(qū)內(nèi)的干擾。聯(lián)合調(diào)度技術(shù)被廣泛應(yīng)用于蜂窩系統(tǒng)和鏈路多變網(wǎng)絡(luò)的干擾管理。但在多點(diǎn)協(xié)作機(jī)制中，傳輸速率和多小區(qū)的傳輸方案不能自行控制，在實(shí)現(xiàn)快速的網(wǎng)絡(luò)分布和互聯(lián)互通時(shí)，利用聯(lián)合調(diào)度實(shí)施先進(jìn)的干擾管理方案需要5G通信系統(tǒng)嚴(yán)格規(guī)定。

　　表3 5G通信干擾管理方法分析

　　針對(duì)5G終端之間基于D2D通信網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生的干擾，有文獻(xiàn)提出了2種資源分配方法：一種是在D2D與其他終端設(shè)備之間分配正交資源，這是一種靜態(tài)分配方法;另一種是在D2D與其他終端設(shè)備之間分配并行資源，這是一種動(dòng)態(tài)分配方法，可以更高效地使用無(wú)線電資源，但它可能會(huì)帶來(lái)新的干擾問題。針對(duì)車聯(lián)網(wǎng)中基于D2D的V2X通信場(chǎng)景中產(chǎn)生的干擾問題，有文獻(xiàn)提出一種基于CR的資源配置方案，這種方法有效使用空白頻譜，不僅提高頻譜和能源的利用效率，而且不會(huì)產(chǎn)生新的干擾問題。當(dāng)通過控制功率來(lái)處理基于D2D的V2V通信場(chǎng)景中產(chǎn)生的干擾問題時(shí)，為了不對(duì)車載移動(dòng)通信網(wǎng)中OBU或者其他蜂窩用戶通信產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，基于D2D通信的OBU需要檢測(cè)在每個(gè)信道上相應(yīng)的功率值。

　　總之，在基于D2D的V2X通信場(chǎng)景中，要從各個(gè)角度充分考慮干擾管理問題，適當(dāng)?shù)剡x擇復(fù)用信道并遵守以下原則：1)處理由D2D通信鏈路產(chǎn)生的干擾，要確保蜂窩用戶能夠滿足自身SINR的需求;2)確保由蜂窩用戶產(chǎn)生的干擾對(duì)基于D2D的V2X通信鏈路影響盡可能地小。

　　4.2 安全通信和隱私保護(hù)

　　在車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的過程中，安全作為一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)一直備受關(guān)注。5G微信公眾平臺(tái)(ID：angmobie)發(fā)現(xiàn)，本文作者認(rèn)為：在當(dāng)前的車聯(lián)網(wǎng)通信中存在嚴(yán)重的安全問題，例如，在VANET中可能存在惡意的車輛，這些惡意的車輛發(fā)送虛假信息欺騙其他車輛，造成車輛信息和車主隱私信息的泄露，另外，一些惡意的車輛還會(huì)偷竊多個(gè)身份，偽造交通場(chǎng)景，影響交通秩序、破壞網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行，威脅用戶生命財(cái)產(chǎn)安全，因此安全認(rèn)證和隱私保護(hù)是車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的焦點(diǎn)問題。

　　為了支持?jǐn)?shù)據(jù)流量的不斷增加，5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)需要更高的容量和高效的安全機(jī)制。而在5G網(wǎng)絡(luò)通信體系中，終端用戶和不同的接入點(diǎn)之間需要更加頻繁的認(rèn)證以防止假冒終端和中間人的攻擊。5G車聯(lián)網(wǎng)的用戶和車輛相關(guān)數(shù)據(jù)的傳輸需要經(jīng)過其他車載單元、移動(dòng)終端以及基站，因此，必須采取有效措施保證通信的安全性和數(shù)據(jù)的完整性。為了解決車聯(lián)網(wǎng)通信中所面臨的安全問題，早期提出了一些安全認(rèn)證方案，包括基于公鑰基礎(chǔ)設(shè)施的認(rèn)證、基于身份簽名的認(rèn)證、基于群簽名的認(rèn)證、基于保密的訪問控制等。近期，針對(duì)5G安全通信問題，有文獻(xiàn)提出將SDN技術(shù)用于5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，其中，SDN的主要特點(diǎn)是將網(wǎng)絡(luò)控制面與數(shù)據(jù)面分離，促進(jìn)5G網(wǎng)絡(luò)智能化和可編程性，實(shí)現(xiàn)高效的安全管理。有文獻(xiàn)研究了用于控制ad hoc D2D網(wǎng)絡(luò)并在ad hoc環(huán)境下基于群密鑰協(xié)商方法管理群密鑰的ad hoc D2D協(xié)議。此外，為了在竊聽者存在的場(chǎng)景下提高可靠的傳輸速率，有文獻(xiàn)研究了一種用于D2D無(wú)線通信中設(shè)備自適應(yīng)地選擇協(xié)作通信機(jī)制和基于協(xié)作架構(gòu)的最優(yōu)功率分配的分布式算法。

　　在5G車聯(lián)網(wǎng)復(fù)雜的通信過程中必須實(shí)施多方安全認(rèn)證。如圖4所示，5G車聯(lián)網(wǎng)實(shí)施的多方安全認(rèn)證主要包括車內(nèi)無(wú)線局域網(wǎng)中用戶移動(dòng)終端與5G車載單元OBU的強(qiáng)安全認(rèn)證，車際網(wǎng)中車與車之間、車與行人之間、車與中繼(5G移動(dòng)終端或者車載單元)之間以及車與5G基站之間的安全認(rèn)證。

　　圖4 5G車聯(lián)網(wǎng)多方安全認(rèn)證

　　在保證通信安全過程中，駕駛?cè)藛T更關(guān)心的是隱私的安全性，這關(guān)系到車聯(lián)網(wǎng)能否被市民接受并廣泛使用。在通信過程中，車輛無(wú)線信號(hào)在開放的空間中傳輸，容易被竊取并暴露車輛和用戶的身份，若車內(nèi)數(shù)據(jù)總線網(wǎng)絡(luò)遭入侵，可能造成不可預(yù)估的災(zāi)難，如何保障用戶和車輛的隱私安全，成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。除了使用近期提到的匿名算法，如采用動(dòng)態(tài)匿名方案，OBU在一定時(shí)間間隔或當(dāng)車輛進(jìn)入不同區(qū)域后都要更換匿名，排除通過對(duì)匿名收集、分析而捕獲車輛真實(shí)身份的攻擊?？紤]到5G車聯(lián)網(wǎng)多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的存在，將會(huì)出現(xiàn)新型的安全通信與隱私保護(hù)協(xié)議。有文獻(xiàn)研究了在5G終端通信中利用SDN技術(shù)，根據(jù)數(shù)據(jù)流的敏感度級(jí)別，為數(shù)據(jù)流選擇多種傳輸路徑，在接收端，只有接收者可以用私人密鑰解密并重組來(lái)自多個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑的數(shù)據(jù)流，從而避免隱私在無(wú)線接入點(diǎn)泄露。

　　隨著計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力不斷突破，尤其是量子技術(shù)的逐漸成熟，傳統(tǒng)基于計(jì)算能力的高層加密技術(shù)變得不牢靠?；谙戕r(nóng)信息論的物理層安全技術(shù)對(duì)計(jì)算復(fù)雜度依賴性低，竊聽者即使擁有較強(qiáng)的計(jì)算能力也不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的安全性能產(chǎn)生巨大的影響。隨著物理層安全研究的不斷深入，較強(qiáng)的抵制竊聽能力使其成為高層加密安全的一種有效補(bǔ)充，進(jìn)一步增強(qiáng)通信系統(tǒng)的安全性。

　　其中，物理層安全技術(shù)在車聯(lián)網(wǎng)安全通信系統(tǒng)中同樣發(fā)揮著重要的作用。車聯(lián)網(wǎng)通信中多個(gè)竊聽者的存在以及車輛節(jié)點(diǎn)在通信網(wǎng)絡(luò)中快速地連通與中斷，使安全密鑰分發(fā)與管理成為亟待解決的問題。針對(duì)該問題，本文認(rèn)為可以采用一種基于物理層安全的密鑰分發(fā)方法，將密鑰分發(fā)和傳輸安全車載數(shù)據(jù)分離。在密鑰分發(fā)階段，采用相應(yīng)的物理層安全方案來(lái)最大程度確保密鑰分發(fā)信道的安全性。當(dāng)密鑰分發(fā)完成后，利用分配的密鑰對(duì)車載數(shù)據(jù)進(jìn)行加密后傳輸，該方案可以保證密鑰分發(fā)過程的安全性。

　　在5G車聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)中，物理層安全通過融合5G先進(jìn)技術(shù)保證數(shù)據(jù)的機(jī)密性和可靠性，其中異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、大規(guī)模多輸入多輸出、毫米波通信技術(shù)在物理層安全有巨大的應(yīng)用前景。

　　1)5G車聯(lián)網(wǎng)中，車輛作為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備層的節(jié)點(diǎn)可通過D2D通信鏈路與其他設(shè)備直接通信或通過中繼節(jié)點(diǎn)實(shí)施多跳通信。在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備層通信模式下，鄰近的車輛以及其他終端節(jié)點(diǎn)都可能是潛在的竊聽者，為保證通信數(shù)據(jù)的安全性，一方面要充分考慮非目的車輛和設(shè)備節(jié)點(diǎn)的相關(guān)物理層特性，另一方面需要確立D2D通信最優(yōu)的中繼選擇方案，充分考慮可靠的安全通信機(jī)制。其中，可以使用基于可信設(shè)備列表的封閉式接入方法來(lái)保證車輛和設(shè)備節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)在交換過程中的安全性，但由于高速運(yùn)行的車輛節(jié)點(diǎn)需要在有效的通信范圍內(nèi)快速建立連接并進(jìn)行大文件傳輸，還要充分考慮通信時(shí)延和中斷概率。此外，在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，基站作為車聯(lián)網(wǎng)重要的路邊基礎(chǔ)設(shè)施，其適當(dāng)?shù)牟渴鹈芏瓤蓛?yōu)化保密速率。

　　2)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)可通過以下兩方面保證車聯(lián)網(wǎng)物理層安全性能：一方面通過降低傳輸功率，進(jìn)一步降低竊聽車輛和設(shè)備節(jié)點(diǎn)的SINR，從而減少竊聽節(jié)點(diǎn)的信道容量;另一方面，根據(jù)車輛節(jié)點(diǎn)物理層特性，適當(dāng)?shù)卦黾尤斯ぴ肼暩蓴_竊聽節(jié)點(diǎn)的信號(hào)接收，從而提高物理層安全性能。

　　3)毫米波通信技術(shù)應(yīng)用于車聯(lián)網(wǎng)短距離通信場(chǎng)景，可給予車聯(lián)網(wǎng)較大的帶寬，由于毫米波的短距離傳輸，利用窄波速的定向通信抑制相鄰車輛和設(shè)備節(jié)點(diǎn)的干擾，鄰近竊聽節(jié)點(diǎn)的SINR可能會(huì)降低。

　　正是由于多異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合以及靈活的終端通信，使5G車聯(lián)網(wǎng)在安全通信方面的保障不同于當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)。5G車聯(lián)網(wǎng)不僅通過技術(shù)的創(chuàng)新解決OBU多功能實(shí)施帶來(lái)的安全隱患，并且在出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)異?；蛘呷肭謺r(shí)，利用網(wǎng)絡(luò)隔離原理及時(shí)地在車載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)與VANET之問切換，從而切斷OBU的互聯(lián)網(wǎng)連接，阻止網(wǎng)絡(luò)的入侵，并通過VANET中鄰近的OBU或者5G移動(dòng)終端等其他渠道接入互聯(lián)網(wǎng)，維持與互聯(lián)網(wǎng)的通信。通過這種車輛自組網(wǎng)和車載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)無(wú)縫的切換，實(shí)現(xiàn)了OBU與互聯(lián)網(wǎng)安全通信和信息交互。

　　4.3 安全駕駛

　　車聯(lián)網(wǎng)重要應(yīng)用之一就是交通安全，而駕駛行為分析和預(yù)測(cè)是安全保障的基礎(chǔ)，如何對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡預(yù)測(cè)并建模是提高交通安全的關(guān)鍵問題。雖然車聯(lián)網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕l繁變化，數(shù)據(jù)海量遞增，但車輛運(yùn)動(dòng)受道路拓?fù)?、交通?guī)則和駕駛者意圖的限制，為行為預(yù)測(cè)提供了可能性。有文獻(xiàn)研究了VANET中存在的社會(huì)特性，發(fā)現(xiàn)VAN ET是擁有小型世界現(xiàn)象和高聚集效應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)，處于同一個(gè)社會(huì)網(wǎng)絡(luò)中的任意節(jié)點(diǎn)可以通過不超過3跳的最短路徑達(dá)到另一節(jié)點(diǎn)。而5G會(huì)推動(dòng)車聯(lián)網(wǎng)規(guī)模的發(fā)展，加劇了車聯(lián)網(wǎng)的這種社會(huì)效應(yīng)。

　　車聯(lián)社會(huì)網(wǎng)絡(luò)VSN中節(jié)點(diǎn)的活動(dòng)規(guī)律能夠在車聯(lián)網(wǎng)行為預(yù)測(cè)中發(fā)揮作用。反之，車聯(lián)網(wǎng)中的移動(dòng)模型、社會(huì)應(yīng)用、感知計(jì)算模型和用戶行為預(yù)測(cè)模型也為VSN提供支持和反饋。通過對(duì)大規(guī)模OBU數(shù)據(jù)的挖掘和分析，提取有應(yīng)用價(jià)值的社群交互特征信息，VSN能夠?qū)σ恍┙煌▎栴}和車輛安全問題提供有力的支持，如預(yù)計(jì)道路車流量、預(yù)測(cè)交通堵塞地段、主動(dòng)安全等。

　　在對(duì)駕駛行為的建模和預(yù)測(cè)中，數(shù)據(jù)來(lái)源和數(shù)據(jù)挖掘是首要問題，也是安全系統(tǒng)應(yīng)用的瓶頸。目前，車輛行駛軌跡數(shù)據(jù)獲取的主要來(lái)源是基于歷史數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)，而歷史數(shù)據(jù)必須準(zhǔn)確且具有時(shí)效性。但現(xiàn)有VANET環(huán)境下的方法無(wú)法滿足獲取運(yùn)動(dòng)軌跡的精度要求(包括位置精度和時(shí)間精度)，5G車聯(lián)網(wǎng)中采用D2D通信方式，可為每個(gè)用戶提供每秒千兆級(jí)的數(shù)據(jù)速率以滿足QoS的要求，空口時(shí)延在1 ms左右、端到端時(shí)延限制在毫秒級(jí)的實(shí)現(xiàn)，極大程度上保證了時(shí)間精度，同時(shí)，基于5G基站的精確定位將位置精度控制在允許范圍內(nèi)，解決了預(yù)測(cè)模型中的數(shù)據(jù)來(lái)源問題。目前，針對(duì)車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)挖掘，并沒有太多的算法和技術(shù)提出，車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵是在對(duì)海量數(shù)據(jù)(TB級(jí))進(jìn)行挖掘時(shí)，要保證當(dāng)前數(shù)據(jù)流(平均數(shù)萬(wàn)條/秒)的高速可靠寫入，如何快速對(duì)讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、建模、預(yù)測(cè)，是未來(lái)研究的重要方向。

　　五、5G車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)與應(yīng)用

　　將來(lái)，在5G通信網(wǎng)絡(luò)大量部署的時(shí)代，5G車聯(lián)網(wǎng)所構(gòu)建的可多網(wǎng)接入與融合、多渠道互聯(lián)網(wǎng)接入的體系結(jié)構(gòu)，基于D2D技術(shù)實(shí)現(xiàn)的新型V2X的通信方式以及低時(shí)延與高可靠性、頻譜與能源高效利用、優(yōu)越的通信質(zhì)量等特點(diǎn)為車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展帶來(lái)歷史性的機(jī)遇。5G車聯(lián)網(wǎng)因?yàn)椴恍枰獑为?dú)部署路邊基礎(chǔ)設(shè)施、可以和移動(dòng)通信功能共享計(jì)費(fèi)等，會(huì)得到快速發(fā)展，應(yīng)用于高速公路、城市街區(qū)等多種環(huán)境。5G車聯(lián)網(wǎng)不僅局限于車與車、車與交通基礎(chǔ)設(shè)施等信息交互，還可應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域以及自然災(zāi)害等場(chǎng)景。

　　在商業(yè)領(lǐng)域，商店、快餐廳、酒店、加油站、4S店等場(chǎng)所將會(huì)部署5G通信終端，當(dāng)車輛接近這些場(chǎng)所的有效通信范圍時(shí)，可以根據(jù)車主的需求快速地與這些商業(yè)機(jī)構(gòu)問建立ad hoc網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)終端之間高效快捷的通信，從而可以快速訂餐、訂房、選擇性地接收優(yōu)惠信息等，且在通信過程中不需要連接互聯(lián)網(wǎng)。這將取代目前商業(yè)機(jī)構(gòu)中工作在不授權(quán)頻段、通信不安全、通信質(zhì)量無(wú)法保障、干擾無(wú)法控制的藍(lán)牙或者Wi-Fi通信方式，也將帶動(dòng)一個(gè)新的大型商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式的產(chǎn)生與發(fā)展。

　　毫無(wú)疑問，隨著車輛的大量普及，車輛已經(jīng)成為人在家、辦公室之外最重要的活動(dòng)場(chǎng)合。然而，在地震、泥石流等自然災(zāi)害發(fā)生地區(qū)，當(dāng)通信基礎(chǔ)設(shè)施被破壞、無(wú)法為車載單元提供通信服務(wù)時(shí)，有相當(dāng)數(shù)量的人可能是正在車輛上或正準(zhǔn)備駕乘車輛離開，5G車載單元可以在沒有基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)助的情況下，通過基于單跳或多跳的D2D方式與其他5G車載單元通信。另外，5G車載終端也可以作為通信中繼，協(xié)助周邊的5G移動(dòng)終端進(jìn)行信息交互。

　　六、結(jié)束語(yǔ)

　　車聯(lián)網(wǎng)正在改變?nèi)祟惤煌ê屯ㄐ欧绞剑偈管囕v向網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展。本文分析了當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)面臨的問題，將5G通信技術(shù)應(yīng)用于車聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景，提出了新型5G車聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)介紹了5G車聯(lián)網(wǎng)獨(dú)有的特點(diǎn)，并客觀分析了5G車聯(lián)網(wǎng)中仍需解決的問題，力圖展示5G車聯(lián)網(wǎng)的未來(lái)趨勢(shì)，為車聯(lián)網(wǎng)研究提供方向。相信5G車聯(lián)網(wǎng)的研究可以促進(jìn)社會(huì)的巨大演進(jìn)，使人類社會(huì)更加方便、安全、快捷、高效。