5G技術(shù)及其在車聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用淺析

杭州技師學(xué)院 朱紅芳

1 車聯(lián)網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)和困難

近年來，由持續(xù)增長的汽車數(shù)量導(dǎo)致的出行效率、環(huán)境保護(hù)、交通安全等問題日益突出，車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展受到了廣泛的關(guān)注。車聯(lián)網(wǎng)是以車內(nèi)網(wǎng)、車際網(wǎng)和車載移動互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，融合了傳感器、RFID（radio frequency identification）、數(shù)據(jù)挖掘、自動控制等相關(guān)技術(shù)，按照約定的通信協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)，在車與X（X為車、路、行人、互聯(lián)網(wǎng)等）交互過程中，實(shí)現(xiàn)車輛與公眾網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)移動通信，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在交通領(lǐng)域的典型應(yīng)用。隨著互聯(lián)網(wǎng)和可移動網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的不斷發(fā)展，基于智能交通的車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)尚未形成一個(gè)成熟的體系，其主要原因是網(wǎng)絡(luò)支持還不夠完善。隨著4G通訊網(wǎng)絡(luò)的普及，雖然移動互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅速，但在車聯(lián)網(wǎng)中，作為移動通信設(shè)備和用戶的載體是車輛，在以車輛為拓?fù)涔?jié)點(diǎn)的形式組織移動網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾r(shí)，由于其自身的移動性，車載通信具有移動區(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)，雖然4G有著幾倍于3G的速度和低延遲，但尚不足以滿足車聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)行。根據(jù)車聯(lián)網(wǎng)的上述特點(diǎn)，當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)的實(shí)施還存在以下多方面的挑戰(zhàn)和困難。

（1）由于移動互聯(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)變得非常復(fù)雜。在車載移動互聯(lián)網(wǎng)中，路側(cè)單元（RSU， road side unit）作為車輛自組網(wǎng)（VANET，vehicular ad hoc network）無線接入點(diǎn)，將車輛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，vehicle to infrastructure）的協(xié)作通信需要大量的RSU作支撐，致使建設(shè)成本和能源消耗大大增加。

（2）由于車聯(lián)網(wǎng)中存在多種類型的通信網(wǎng)絡(luò)，且這些通信網(wǎng)絡(luò)往往使用不同的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)融合很不完善，從而影響了車聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)行效率。雖然基于IEEE 802.11p標(biāo)準(zhǔn)的車輛自組網(wǎng)通信在高速運(yùn)行環(huán)境下具有傳輸距離遠(yuǎn)、分組丟失率低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但其在極其復(fù)雜的非視距（NLOS，non-line of sight）環(huán)境下的通信質(zhì)量則會受到不同程度的干擾。再加上車輛的高速移動，則需要快速可靠的網(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）由于車聯(lián)網(wǎng)中的用戶信息都連接在網(wǎng)絡(luò)上，會隨時(shí)隨地被感知，從而很容易被干擾和竊取，嚴(yán)重影響車聯(lián)網(wǎng)的安全。在車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中，安全作為一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)一直備受關(guān)注。在當(dāng)前的車聯(lián)網(wǎng)通信中存在著嚴(yán)重的安全問題，如數(shù)據(jù)破壞、數(shù)據(jù)泄露、虛假信息、身份假冒、越權(quán)操作等，因此安全認(rèn)證和隱私保護(hù)是車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的焦點(diǎn)問題。

2 5G

5G（fifth-generation）即第5代移動通信網(wǎng)絡(luò)。三星電子采用64個(gè)天線單元的自適應(yīng)陣列傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了電波的遠(yuǎn)距離輸送（在28 GHz的超高頻段，以1 Gb/s以上的速度，成功實(shí)現(xiàn)了傳送距離在2 km范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸），且能實(shí)時(shí)追蹤使用者終端的位置，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上下載交換，解決了超高頻波長段帶來的數(shù)據(jù)損失大、傳送距離短等難題，不僅保證了更高的數(shù)據(jù)傳輸速度，也有效解決了移動通信波段資源幾近枯竭的問題。

2014年5月13日，三星電子宣布已率先開發(fā)出首個(gè)基于5G核心技術(shù)的移動傳輸網(wǎng)絡(luò)，并表示將在2020年之前進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)的商業(yè)推廣。2016年8月4日，諾基亞與電信傳媒公司貝爾再次在加拿大完成了5G信號的測試，在測試中諾基亞使用了73 GHz范圍內(nèi)的頻譜，數(shù)據(jù)傳輸速度也達(dá)到了現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)的6倍。2016年9月，電信行業(yè)與汽車行業(yè)的全球跨行業(yè)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟——5GAA（5G AutomoTIve AssociaTIon）成立，其使命在于研發(fā)、實(shí)驗(yàn)和推動智能車聯(lián)、智慧交通等萬物互聯(lián)所需的通信解決方案和應(yīng)用，包括相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化推進(jìn)、商業(yè)機(jī)會挖掘，以及全球市場拓展。5GAA的發(fā)起方包括奧迪、寶馬、戴姆勒和愛立信、華為、英特爾、諾基亞、高通5家電信通訊公司，成立后該組織成員不斷擴(kuò)大，中興、上汽集團(tuán)在2017年1月加入。中國移動作為全球兩家運(yùn)營商之一，打敗了韓國和日本的兩家運(yùn)營商，也加入了5GAA聯(lián)盟。2017年8月22日德國電信聯(lián)合華為在商用網(wǎng)絡(luò)中成功部署基于最新3GPP標(biāo)準(zhǔn)的5G新空口連接，可支持移動性、廣覆蓋及室內(nèi)覆蓋等場景，速率直達(dá)Gb級，時(shí)延低至毫秒級，同時(shí)采用5G新空口與4GLTE非獨(dú)立組網(wǎng)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了無處不在、實(shí)時(shí)在線的用戶體驗(yàn)。2017年12月21日，在國際電信標(biāo)準(zhǔn)組織3GPP RAN第78次全體會議上，5G NR首發(fā)版本正式發(fā)布，這是全球第一個(gè)可商用部署的5G標(biāo)準(zhǔn)。2018年6月14日，3GPP全會批準(zhǔn)了第5代移動通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（5G NR）獨(dú)立組網(wǎng)功能凍結(jié)，這不僅使5G NR具備了獨(dú)立部署的能力，也帶來全新的端到端新架構(gòu)，賦能企業(yè)級客戶和垂直行業(yè)的智慧化發(fā)展，為運(yùn)營商和產(chǎn)業(yè)合作伙伴帶來新的商業(yè)模式，開啟了一個(gè)全連接的新時(shí)代。加之2017年12月完成的非獨(dú)立組網(wǎng)NR標(biāo)準(zhǔn)，5G已經(jīng)完成第一階段全功能標(biāo)準(zhǔn)化工作，進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)全面沖刺新階段。2018年7月6日在瑞典的愛立信實(shí)驗(yàn)室，愛立信攜手英特爾及早期5G服務(wù)供應(yīng)商，完成了3.5 GHz頻段端到端的非獨(dú)立組網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)（NSA）5G數(shù)據(jù)呼叫。

5G的最大優(yōu)勢在于高傳輸速度、高帶寬容量和低時(shí)延性。據(jù)三星和諾基亞的測試，5G的傳輸速度最快可以達(dá)到7.5 Gb/s和10 Gb/s；在去年2月英國薩里大學(xué)的測試中，5G的傳輸速度最快達(dá)到了1 Tb/s。相比之下，當(dāng)前的第4代長期演進(jìn)（4G LTE）服務(wù)的傳輸速度僅為75 Mb/s。如果說4G是通訊娛樂的時(shí)代，那么5G就是互聯(lián)網(wǎng)+物聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代。在未來，5G接入的速度將會和光纖一樣，屆時(shí)，憑借5G對物聯(lián)網(wǎng)的強(qiáng)大支撐能力，讓萬物互聯(lián)可以實(shí)現(xiàn)，不僅實(shí)現(xiàn)物與物聯(lián)網(wǎng)，也將形成人與人、人與物聯(lián)網(wǎng)，將使交通和車輛擁堵的問題得以更好的解決。對于大家熟悉的4G來說，它最快能以100 Mb/s進(jìn)行下載，這樣的速度，移動設(shè)備可以更快捷地接收數(shù)據(jù)和處理工作。而研發(fā)5G的各個(gè)國家和機(jī)構(gòu)則稱，5G的帶寬容量將是4G的100倍～1 000倍。在移動設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入時(shí)，不需要等待時(shí)間，在任何時(shí)候都能快速連接。這種機(jī)制將會非常有利于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)行，特別是在智能交通方面，無人駕駛、車輛檢測、交通路況等都會滿足人們生活的要求，并減少事故發(fā)生，也只有在這樣的通信環(huán)境中，無人交通工具（如無人駕駛汽車）才能真正用于人們的生活。在5G時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)將會更加穩(wěn)定，并且不會斷開。據(jù)愛立信公司在2014年的一項(xiàng)報(bào)告中稱，4G網(wǎng)絡(luò)的接入延遲大約是50 ms，而5G的接入延遲預(yù)估狀態(tài)是1 ms，這說明5G網(wǎng)絡(luò)的信號比較好，且不會存在偶爾延遲及受限的狀況，這對車聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用起了很大的輔助作用。

與3G、4G不同，5G是一個(gè)面向場景化的時(shí)代，5G融合了大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、終端直通、認(rèn)知無線電（CR，cognitive radio，是一個(gè)智能無線通信系統(tǒng)，它能感知外界環(huán)境，并使用人工智能技術(shù)從環(huán)境中學(xué)習(xí)，通過實(shí)時(shí)改變傳輸功率、載波頻率和調(diào)制方式等系統(tǒng)參數(shù)，使系統(tǒng)適應(yīng)外界環(huán)境的變化，從而達(dá)到很高的頻譜利用率和最佳通信性能）等先進(jìn)技術(shù)，能以更加靈活的體系結(jié)構(gòu)解決多樣化應(yīng)用場景中差異化性能指標(biāo)帶來的挑戰(zhàn)。5G網(wǎng)絡(luò)的主要目標(biāo)是讓終端用戶始終處于聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)，在汽車行業(yè)，這對智能網(wǎng)聯(lián)汽車的應(yīng)用將起到關(guān)鍵的支持作用，特別是5G通信技術(shù)在低時(shí)延、高移動性車聯(lián)網(wǎng)場景中的應(yīng)用，能有效解決當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)面臨的多方面問題和挑戰(zhàn)，使5G車載單元（OBU）在高速移動的情況下獲得更好的性能。再加上5G通信技術(shù)讓車聯(lián)網(wǎng)無需單獨(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，這為車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展帶來歷史性的機(jī)遇。

3 5G車聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)

未來5G通信技術(shù)在車聯(lián)網(wǎng)場景的應(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車載單元、5G基站、5G移動終端、5G云服務(wù)器等），除了在車內(nèi)網(wǎng)、車際網(wǎng)、車載移動互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)V2X（X：車、路、行人及互聯(lián)網(wǎng)等）信息交互以外，5G車聯(lián)網(wǎng)還將實(shí)現(xiàn)OBU、基站、移動終端、云服務(wù)器的互聯(lián)互通，并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。

3.1 OBU多網(wǎng)接入與融合

目前，在車聯(lián)網(wǎng)中，多種網(wǎng)絡(luò)（包括基于IEEE 802.11a/b/g/n/p標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的WLAN、2G、3G蜂窩通信、LTE及衛(wèi)星通信等網(wǎng)絡(luò)）共存，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)無縫的信息交互和通信切換。5G移動通信網(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（D2D， deviceto-device）通信是5G移動通信技術(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)基站對資源分配和對起始、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（圖1）。第一類是基站控制鏈路的終端轉(zhuǎn)發(fā)。終端設(shè)備可在信號覆蓋較差的環(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（QoS，quality of service）。第二類是基站控制鏈路的終端直通。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。第三類是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。第四類是終端控制鏈路的終端直通。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。未來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，在車載移動互聯(lián)網(wǎng)中，OBU可直接通過5G基站或中繼（包括鄰近的OBU、用戶移動終端）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，OBU可在網(wǎng)絡(luò)通信邊緣或信號擁塞地帶基于單跳或多跳的D2D建立網(wǎng)絡(luò)，實(shí)施車輛自組網(wǎng)通信。通過以上對5G車聯(lián)網(wǎng)通信方式的分析，如圖2所示，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之間及OBU與車主移動終端、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)接入及車內(nèi)網(wǎng)、車際網(wǎng)、車載移動互聯(lián)網(wǎng)的“三網(wǎng)融合”。

3.2 多身份5G基站

圖2 5G車聯(lián)網(wǎng)“三網(wǎng)融合”結(jié)構(gòu)

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（D2B）、基站與基站（B2B）之間的直接通信。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)用場景，5G基站將擁有以下功能。一是協(xié)作中繼。5G基站具備傳統(tǒng)基站的中繼轉(zhuǎn)發(fā)功能，作為無線接入點(diǎn)，協(xié)助車與互聯(lián)網(wǎng)通信。二是擔(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。三是精確定位。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的信號容易受到天氣影響，導(dǎo)致無法實(shí)施精確定位。未來5G基站的大量部署，使用更高的頻率和信號帶寬，實(shí)施密集網(wǎng)絡(luò)及大規(guī)模的天線陣列，使OBU在非視距（NLOS，Non-Line of Sight）復(fù)雜環(huán)境下減少定位誤差。另外，D2D通信充分利用高密度的終端設(shè)備連接的優(yōu)勢，從以下2個(gè)方面提高定位性能：一方面是大量的D2D鏈路可以為確定車輛之間的偽距（由于衛(wèi)星鐘、接收機(jī)鐘的誤差及無線電信號經(jīng)過電離層和對流層中的延遲，實(shí)際測出的距離與衛(wèi)星到接收機(jī)的幾何距離有一定的差值，因此，一般稱測量出的距離為偽距）提供信號觀測；另一方面是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)間。

3.3 多渠道互聯(lián)網(wǎng)接入

在將來5G移動網(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)并評估多個(gè)信道狀態(tài)信息（CSI，channel state information），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)也提高了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)。如圖3所示，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)。

圖3 5G車聯(lián)網(wǎng)OBU多渠道互聯(lián)網(wǎng)接入結(jié)構(gòu)

4 5G車聯(lián)網(wǎng)的特征

5G移動通信融合CR、毫米波、大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、全雙工通信（FD，wirelessfull-duplex）等關(guān)鍵技術(shù)，顯著提高了通信系統(tǒng)的性能。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。

（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，通信應(yīng)具有嚴(yán)格的時(shí)延限制。車聯(lián)網(wǎng)通信數(shù)據(jù)的密集使用及頻繁交換對實(shí)時(shí)性要求非常高，然而，受無線通信技術(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，不能支持安全互聯(lián)需求。而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（時(shí)延達(dá)到了毫秒級）等相關(guān)問題，滿足了低延時(shí)和高可靠性需求，這成為車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的最大突破口。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)高速增長的信息量并滿足將來多樣性的服務(wù)需求，尤其是對于時(shí)延高度敏感的通信，如車聯(lián)網(wǎng)V2X通信場景，嚴(yán)格要求低時(shí)延和高可靠性，這是5G網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)應(yīng)用的顯著特點(diǎn)。

（2）頻譜和能源高效利用。5G用戶體驗(yàn)的一個(gè)重要的特征是頻譜和能源的高效利用。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)在以下幾個(gè)方面。一是在5G通信中，D2D通信方式通過復(fù)用蜂窩資源實(shí)現(xiàn)了終端直接通信，OBU將基于D2D通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)與鄰近的OBU、5G基站、5G移動終端的車聯(lián)網(wǎng)自組網(wǎng)通信和多渠道互聯(lián)網(wǎng)接入，提高了車聯(lián)網(wǎng)通信的頻譜利用率，且與基于IEEE 802.11p標(biāo)準(zhǔn)的車聯(lián)網(wǎng)V2X通信方式相比，節(jié)約了成本和能源。二是5G移動終端設(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1倍，從而提高了頻譜使用效率。三是由于5G采用CR（認(rèn)知無線電技術(shù)），在車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景中，車載終端通過對無線通信環(huán)境的感知，能獲得當(dāng)前頻譜空洞信息，快速接入空閑頻譜，與其他終端進(jìn)行高效通信。這種動態(tài)頻譜接入的應(yīng)用滿足了更多車載用戶的頻譜需求，提高了頻譜資源的利用率。其次，車載終端利用認(rèn)知無線電技術(shù)可以與其他授權(quán)用戶共享頻譜資源，從而解決無線頻譜資源短缺的問題。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。在車輛自組網(wǎng)中，OBU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減少OBU間通信的能源消耗。

（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)容量且可為每個(gè)用戶提供每秒千兆級的數(shù)據(jù)速率，以滿足QoS的要求。有研究表明，頻段為30 GHz～300 GHz的毫米波通信系統(tǒng)可讓5G終端之間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。5G車聯(lián)網(wǎng)V2V通信的最大距離約為1 km，從而可解決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。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 Gb/s），從而使車與車、車與移動終端之間實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的音視頻通信。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。

5 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)展帶來了重大變革，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。

（1）干擾管理。5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)采用資源復(fù)用和密集化，實(shí)現(xiàn)了有限資源的高效利用，這雖然增加了信號容量和吞吐量，并額外地提高了宏蜂窩與局域網(wǎng)絡(luò)的資源共享，但卻不可避免地產(chǎn)生了同信道干擾問題?；贒2D技術(shù)的基站控制通信鏈路的終端直接通信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，并可通過實(shí)施集中化的管理方法減輕干擾問題。但對于將來的OBU之間的直接通信，在沒有基站作為中繼或管理鏈路的情況下，5G車聯(lián)網(wǎng)通信中的干擾將不可避免。針對車聯(lián)網(wǎng)中基于D2D的V2X通信場景中產(chǎn)生的干擾問題，有文獻(xiàn)提出了一種基于CR的資源配置方案，這種方法能有效使用空白頻譜，不僅能提高頻譜和能源的利用效率，而且不會產(chǎn)生新的干擾。在基于D2D的V2X通信場景中，需要從各個(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：處理由D2D通信鏈路產(chǎn)生的干擾時(shí)，要確保蜂窩用戶能夠滿足自身SINR（Signal to Interference plus Noise Ratio，含義是信號與干擾加噪聲比，是指接收到的有用信號的強(qiáng)度與接收到的干擾信號的強(qiáng)度的比值，可以簡單理解為“信噪比”）的需求；確保由蜂窩用戶產(chǎn)生的干擾對基于D2D的V2X通信鏈路影響盡可能小。

（2）安全通信和隱私保護(hù)。在當(dāng)前的車聯(lián)網(wǎng)中，存在著嚴(yán)重的通信安全問題，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偷竊多個(gè)身份，偽造交通場景，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。為支持?jǐn)?shù)據(jù)流量的不斷增加，5G無線通信網(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、移動終端及基站，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。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，主要包括車內(nèi)無線局域網(wǎng)中用戶移動終端與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移動終端或OBU）之間及車與5G基站之間的安全認(rèn)證。在保證通信安全過程中，駕駛?cè)烁P(guān)心的是隱私的安全性，這關(guān)系到車聯(lián)網(wǎng)能否被人們接受并廣泛使用。在通信過程中，車輛無線信號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，成為近年來的研究熱點(diǎn)。考慮到5G車聯(lián)網(wǎng)多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的存在，將會出現(xiàn)新型的安全通信與隱私保護(hù)協(xié)議。譬如，有文獻(xiàn)提出在5G終端通信中使用SDN（Software Defined Network，軟件定義網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)，其主要特點(diǎn)是能將網(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，這是因?yàn)镾DN技術(shù)可根據(jù)數(shù)據(jù)流的敏感度級別，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，從而避免隱私在無線接入點(diǎn)泄露。

（3）安全駕駛。車聯(lián)網(wǎng)的重要應(yīng)用之一就是交通安全，而駕駛行為分析和預(yù)測是安全保障的基礎(chǔ)，如何對運(yùn)動軌跡預(yù)測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)動受道路拓?fù)洹⒔煌ㄒ?guī)則和駕駛者意圖的限制，為行為預(yù)測提供了可能性。車聯(lián)社會網(wǎng)絡(luò)（VSN，vehicular social network）中節(jié)點(diǎn)的活動規(guī)律能夠在車聯(lián)網(wǎng)行為預(yù)測中發(fā)揮作用。反之，車聯(lián)網(wǎng)中的移動模型、社會應(yīng)用、感知計(jì)算模型和用戶行為預(yù)測模型也為VSN提供支持和反饋。通過對大規(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)測交通堵塞地段、主動安全等。在對駕駛行為的建模和預(yù)測中，數(shù)據(jù)來源和數(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)獲取的主要來源是基于歷史數(shù)據(jù)的預(yù)測，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)境下的方法無法滿足獲取運(yùn)動軌跡的精度要求（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)測模型中的數(shù)據(jù)來源問題。目前，針對車聯(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)鍵是在對海量數(shù)據(jù)（Tb級）進(jìn)行挖掘時(shí)，要保證當(dāng)前數(shù)據(jù)流（平均數(shù)萬條/秒）的高速可靠寫入，如何快速對讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、建模、預(yù)測，是未來研究的重要方向。

將來，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)展帶來歷史性機(jī)遇。5G車聯(lián)網(wǎng)因不需要單獨(dú)部署路邊基礎(chǔ)設(shè)施、可與移動通信功能共享計(jì)費(fèi)等，因此會得到快速發(fā)展，并應(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)施等的信息交互，還可應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域及自然災(zāi)害等場景。在商業(yè)領(lǐng)域，商店、快餐廳、酒店、加油站、4S店等場所將會部署5G通信終端，當(dāng)車輛接近這些場所的有效通信范圍時(shí)，可根據(jù)車主的需求快速地與這些商業(yè)機(jī)構(gòu)間建立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)量無法保障、干擾無法控制的藍(lán)牙或Wi-Fi 通信方式，也將帶動一個(gè)新的大型商業(yè)運(yùn)營模式的產(chǎn)生與發(fā)展。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場合。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)量的人可能正在車輛上或正準(zhǔn)備駕乘車輛離開，OBU可在沒有基礎(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OBU通信，并且5G車載終端也可作為通信中繼，協(xié)助周邊的5G移動終端進(jìn)行信息交互。

車聯(lián)網(wǎng)正在改變?nèi)祟惤煌ê屯ㄐ欧绞?，促使車輛向網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展。相信5G車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展可促進(jìn)社會的巨大演進(jìn)，使人類社會更加方便、安全、快捷、高效。