車聯(lián)網(wǎng)中通感算一體化的應(yīng)用探討＊

張娜

（河北省公安廳交通科研所，河北 石家莊 050050）

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)如今已進(jìn)入到5G 時(shí)代，對(duì)6G 的研究也在如火如荼開展，智慧交通是5G 時(shí)代的重要應(yīng)用場(chǎng)景之一，而車聯(lián)網(wǎng)是智慧交通的核心組成部分，它已經(jīng)與5G 技術(shù)深度融合。本文將在6G 技術(shù)得到不斷研究和發(fā)展的前提下，對(duì)6G 關(guān)鍵技術(shù)通感算一體化與車聯(lián)網(wǎng)的融合進(jìn)行探討。

1 6G 簡(jiǎn)介

隨著時(shí)代的發(fā)展，移動(dòng)通信技術(shù)也在不停地升級(jí)和更新?lián)Q代。20 世紀(jì)80 年代，1G 誕生于美國(guó)芝加哥，當(dāng)時(shí)只能實(shí)現(xiàn)模擬語音通信；1995 年，中國(guó)正式進(jìn)入2G 時(shí)代，此時(shí)數(shù)字傳輸取代了模擬傳輸，應(yīng)用擴(kuò)展至數(shù)字語音和文本；2009-01-07，中國(guó)頒發(fā)了3 張3G 牌照， 分別是中國(guó)移動(dòng)的TD- SCDMA （ Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access）、中國(guó)聯(lián)通的WCDMA （ Wideband Code Division Multiple Access）和中國(guó)電信的WCDMA2000，代表著中國(guó)進(jìn)入了3G 時(shí)代，此時(shí)應(yīng)用擴(kuò)展到了多媒體；2013年12 月，工信部宣布向3 大運(yùn)營(yíng)商頒發(fā)“LTE/第四代數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信業(yè)務(wù)（TD-LTE）”經(jīng)營(yíng)許可，即4G牌照，開啟了中國(guó)的4G 時(shí)代，此時(shí)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)得到廣泛發(fā)展；到現(xiàn)如今，5G 時(shí)代已經(jīng)來臨。5G 的發(fā)展，不僅提高了人與人之間的通信質(zhì)量，還為用戶提供了虛擬現(xiàn)實(shí)、超高清視頻等對(duì)通信水平有更高要求的業(yè)務(wù)服務(wù)，更推動(dòng)了人與物、物與物的通信，滿足了新時(shí)代下智能醫(yī)療、智能家居、智慧交通等多種新型應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不段發(fā)展，5G 終將普及進(jìn)入各個(gè)行業(yè)與領(lǐng)域，成為社會(huì)不斷發(fā)展至數(shù)字化和智能化的重要基石。而在5G 應(yīng)用之初，6G 也開始了相關(guān)研發(fā)。6G 將在5G 的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展，實(shí)現(xiàn)由萬物互聯(lián)到萬物智聯(lián)的躍遷發(fā)展，成為人類世界與虛擬數(shù)字世界的橋梁和基石，促進(jìn)生活質(zhì)量和人類社會(huì)的進(jìn)一步發(fā)展。

6G 即第六代移動(dòng)通信技術(shù)，它相較于5G 性能大幅度提升，能夠?qū)崿F(xiàn)全球全區(qū)域全覆蓋，目標(biāo)是最終實(shí)現(xiàn)萬物智聯(lián)。如果說5G 是實(shí)現(xiàn)全球全域的萬物互聯(lián)的話，那么6G 就是實(shí)現(xiàn)人類世界與虛擬世界的相互關(guān)聯(lián)。6G 作為5G 的下一代，其峰值速度、時(shí)延、流量密度、定位能力等遠(yuǎn)優(yōu)于5G，其預(yù)期性能指標(biāo)與5G的對(duì)比如表1 所示。

表1 6G 與5G 的關(guān)鍵性能指標(biāo)對(duì)比

中國(guó)的IMT-2030（6G）推進(jìn)組參加“面向2030年及未來IMT 系統(tǒng)”專題研討會(huì)上指出，5G 時(shí)代的3大應(yīng)用場(chǎng)景將在6G 時(shí)代得到更多增強(qiáng)和深化，進(jìn)一步提高通信速率、降低時(shí)延、增大帶寬，拓展萬物互聯(lián)，支持具有更高要求的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景，不僅可以實(shí)現(xiàn)以人為中心的交互體驗(yàn)，還有智能化設(shè)備間的信息資源交互，達(dá)到全領(lǐng)域全覆蓋的服務(wù)。6G 將以可持續(xù)發(fā)展的方式延伸移動(dòng)通信能力邊界，創(chuàng)新構(gòu)建“超級(jí)無線寬帶、極其可靠通信、超大規(guī)模連接、普惠智能服務(wù)、通信感知融合”5 大典型應(yīng)用場(chǎng)景，全面引領(lǐng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)數(shù)字化智能化綠色化轉(zhuǎn)型，最終將會(huì)實(shí)現(xiàn)“萬物智聯(lián)、數(shù)字孿生”的6G 美好世界。

2 車聯(lián)網(wǎng)介紹

作為5G、6G 的重要應(yīng)用場(chǎng)景之一，智慧交通隨著通信技術(shù)的進(jìn)步也在不斷發(fā)展。智慧交通起初是被稱作智能交通，在20 世紀(jì)90 年代初，美國(guó)提出了該說法并進(jìn)行了許多研究。而在2009 年，隨著各類高新技術(shù)的發(fā)展，智能交通得到發(fā)展升級(jí)，成為了智慧交通。智慧交通是在智能交通的基礎(chǔ)上，融入云邊協(xié)同、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等最新技術(shù)，匯聚覆蓋區(qū)域內(nèi)的所有交通數(shù)據(jù)信息，能夠提供更為全面和實(shí)時(shí)的交通服務(wù)。

智慧交通對(duì)交通管理、事故預(yù)警、公眾出行等各類交通事件進(jìn)行全過程的監(jiān)管控制，使得交通系統(tǒng)在所監(jiān)管區(qū)域內(nèi)具備感知、收集、預(yù)測(cè)、提示等能力，充分保障監(jiān)管區(qū)域內(nèi)的交通安全，預(yù)防交通事故，更好地發(fā)揮交通系統(tǒng)的能力，提升交通系統(tǒng)的效率，為公眾提供便捷和安全的出行服務(wù)。5G、6G 的不斷發(fā)展部署，智慧交通的系統(tǒng)性、實(shí)時(shí)性、信息交互性及服務(wù)廣泛性將得到進(jìn)一步提升。

車聯(lián)網(wǎng)（Internet of vehicles，IoV）是智慧交通中頗有研究和得到廣泛關(guān)注的應(yīng)用之一，是極具發(fā)展前景和價(jià)值的一項(xiàng)應(yīng)用，它是指通過車內(nèi)網(wǎng)、車載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和車際網(wǎng)，以車輛端為信息感知對(duì)象，利用最新的感知技術(shù)和移動(dòng)通信技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)車與車、車與人、車與路、車與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)之間的實(shí)時(shí)信息收集獲取和處理，使得車輛出行服務(wù)更加智能化，為公眾提供全面、智能、高效、安全的出行體驗(yàn)與交通服務(wù)，同時(shí)還可以提高交通系統(tǒng)的效率和服務(wù)水平[1]。典型的車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)主要包括3 層，分別是感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層，如圖1 所示。

圖1 典型的車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

感知層類似于整個(gè)架構(gòu)的眼睛，負(fù)責(zé)收集大量的數(shù)據(jù)資源信息；網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)海量信息數(shù)據(jù)的精確和實(shí)時(shí)傳遞；應(yīng)用層相當(dāng)于整個(gè)架構(gòu)的大腦，它以車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)服務(wù)平臺(tái)為核心，通過擁有最強(qiáng)算力的服務(wù)器，對(duì)收集上來的海量數(shù)據(jù)資源進(jìn)行分析、處理和判決，實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，如道路交通狀況監(jiān)測(cè)、交通事故應(yīng)急處理、事故預(yù)警等。而到了6G 時(shí)代，憑借于各類高新技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，車聯(lián)網(wǎng)也將會(huì)得到更全面的發(fā)展。

3 通感算一體化在車聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用探索

現(xiàn)有的5G 網(wǎng)絡(luò)已無法支撐各類新興應(yīng)用場(chǎng)景在感知與通信等方面的極致性能需求，因此，在6G 網(wǎng)絡(luò)中，已經(jīng)從一開始的通信感知融合，發(fā)展到了現(xiàn)如今的通感算一體化融合網(wǎng)絡(luò)。通感算一體化網(wǎng)絡(luò)是指同時(shí)具備高標(biāo)準(zhǔn)的感知能力、通信能力與計(jì)算能力的網(wǎng)絡(luò)。在該網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，各個(gè)網(wǎng)元設(shè)備之間通過信息數(shù)據(jù)資源的協(xié)同共享，實(shí)現(xiàn)多維感知、智能通信、極強(qiáng)計(jì)算能力的深度融合，使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)資源的智能感應(yīng)、傳輸、交互和處理的能力，為6G 網(wǎng)絡(luò)下的智能應(yīng)用場(chǎng)景提供服務(wù)。

作為6G 中的核心技術(shù)，通感算一體化包括通信、感知和計(jì)算3 部分，3 部分的結(jié)合使得它們相輔相成。通信是6G 網(wǎng)絡(luò)的核心，并實(shí)現(xiàn)終端與服務(wù)器之間數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，使計(jì)算資源得到合理的利用和分配，是實(shí)現(xiàn)多維感知信息共享、智能資源信息交互、各部分之間智能協(xié)作的重要基礎(chǔ)；感知是6G 網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，它如同人體的感官，可為系統(tǒng)提供大量的數(shù)據(jù)信息，助力系統(tǒng)做出實(shí)時(shí)與合理的決策，優(yōu)化系統(tǒng)性能；計(jì)算是指對(duì)獲得的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理、分配和調(diào)用的分布式泛在智能計(jì)算，計(jì)算水平直接體現(xiàn)系統(tǒng)的能力和決定系統(tǒng)的發(fā)展。

3.1 通信感知融合應(yīng)用

在車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景內(nèi)，通信和感知的融合很早就有人研究，其發(fā)展十分迅速，基本架構(gòu)如圖2 所示。隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了全方位、全方面的數(shù)據(jù)資源交互和網(wǎng)絡(luò)連接， 包括車與車（ Vehicle-to-Vehicle ， V2V ） 、 車 與 人（Vehicle-to-Pedestrian，V2P）、車與基礎(chǔ)設(shè)施（ Vehicle-to-Infrastructure ， V2I） 、 車與網(wǎng)絡(luò)（Vehicle-to-Network，V2N）等各類型的通信。而且隨著感知技術(shù)的不斷發(fā)展，傳感器變得種類多樣且性能愈加強(qiáng)大，車輛可以持續(xù)不斷地對(duì)附近環(huán)境及事物進(jìn)行感知，獲得附近車輛、路邊單元（Road Side Unit，RSU）、行人等感知到的信息，對(duì)于智能化車輛的危險(xiǎn)預(yù)警、障礙物躲避、導(dǎo)航路線挑選等功能的實(shí)現(xiàn)發(fā)揮極為關(guān)鍵的作用。車聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景內(nèi)除了對(duì)高精度高準(zhǔn)確性的感知能力的需求，還有對(duì)場(chǎng)景內(nèi)完成不同對(duì)象間的實(shí)時(shí)通信的需求，包括低時(shí)延需求、可靠性需求和吞吐量需求等。利用通感融合，首先擴(kuò)展了感知的范圍，為系統(tǒng)收集更多數(shù)據(jù)信息，提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性；系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通過下發(fā)通信模塊到感知節(jié)點(diǎn)，有效節(jié)約數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行姆?wù)器的時(shí)間，提升系統(tǒng)的效率；通過感知通信融合來減少傳感器的數(shù)量，可以降低感知和通信的成本[2]。

圖2 車聯(lián)網(wǎng)內(nèi)通感融合基本架構(gòu)

隨著車聯(lián)網(wǎng)及移動(dòng)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，高質(zhì)量的通信與高精確的感知功能在車聯(lián)網(wǎng)中變得越來越重要。現(xiàn)如今，智能化車輛端具有更精確的傳感器、更多的計(jì)算資源及更優(yōu)異的通信技術(shù)，使得車輛端的傳感器收集環(huán)境信息數(shù)據(jù)的能力不斷增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)不同車輛間的感知信息的交互融合。在6G 網(wǎng)絡(luò)下，利用AI訓(xùn)練、深度學(xué)習(xí)、多傳感器融合等方法和極高能力的通信技術(shù)，可在車聯(lián)網(wǎng)內(nèi)形成全場(chǎng)景全方位的通感融合體系，能夠完成協(xié)同化車路終端的數(shù)據(jù)處理，提高車聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景內(nèi)用戶的出行服務(wù)，提高交通系統(tǒng)的效率。

3.2 通感算一體化應(yīng)用

隨著社會(huì)向著數(shù)字化和智能化不斷發(fā)展，產(chǎn)生了大量的6G 業(yè)務(wù)和應(yīng)用場(chǎng)景，數(shù)據(jù)資源處理變得越來越重要，對(duì)于計(jì)算能力的要求急劇增加，中心化的云計(jì)算已經(jīng)無法滿足一部分應(yīng)用場(chǎng)景的要求，包括高實(shí)時(shí)性、超低時(shí)延等。隨著分布式計(jì)算、邊緣計(jì)算等新型計(jì)算技術(shù)的出現(xiàn)，數(shù)據(jù)中心的資源部署方式不斷從傳統(tǒng)的中心化的云計(jì)算方式，向云計(jì)算、邊緣計(jì)算和終端側(cè)計(jì)算三者間的協(xié)同調(diào)度方式發(fā)展改進(jìn)，計(jì)算向著泛在連接和泛在計(jì)算的趨勢(shì)演進(jìn)，網(wǎng)絡(luò)也從孤立的中心化云資源向分布式計(jì)算網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)。云側(cè)負(fù)責(zé)大量復(fù)雜的計(jì)算和算法訓(xùn)練，邊緣側(cè)負(fù)責(zé)便捷接入和簡(jiǎn)單的本地計(jì)算，終端側(cè)負(fù)責(zé)感知交互的泛在計(jì)算模式[3]。

目前，在研究的不斷開展和相關(guān)政策的鼓勵(lì)下，車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)各類車路智能化設(shè)備正不斷部署，不僅僅是道路監(jiān)測(cè)設(shè)備，還有各類傳感設(shè)備、車內(nèi)智能設(shè)施，甚至有自動(dòng)駕駛車輛等。因此，在未來，車聯(lián)網(wǎng)的車路終端將不斷產(chǎn)生大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，由于車路終端的數(shù)據(jù)處理能力不足，而云端會(huì)產(chǎn)生通信延遲較高、信息數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性低等問題。針對(duì)上述問題，提出一種6G 網(wǎng)絡(luò)下車聯(lián)網(wǎng)的通感算一體化架構(gòu)。該架構(gòu)主要由車路終端、邊緣網(wǎng)絡(luò)、中心云網(wǎng)3 部分構(gòu)成，如圖3所示。

圖3 通感算一體化架構(gòu)

車路終端主要由各類智能設(shè)備組成。車路終端可采用分布式智能計(jì)算技術(shù)，融合多維感知技術(shù)進(jìn)行智能感知，實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)協(xié)同共享，輔助通信系統(tǒng)自主決策。在分布式智能計(jì)算的助力下，通信網(wǎng)絡(luò)的資源分配和路由優(yōu)化更為智能，從而提高通感算一體化網(wǎng)絡(luò)的整體性能。

邊緣網(wǎng)絡(luò)主要由基站和移動(dòng)邊緣計(jì)算服務(wù)器組成?；就ㄟ^通感一體化技術(shù)實(shí)現(xiàn)與車路終端間的通信，移動(dòng)邊緣計(jì)算服務(wù)器以基站為中介，實(shí)現(xiàn)與車路終端的交互，也可接收基站覆蓋范圍內(nèi)的所有車路終端的感知數(shù)據(jù)信息資源，進(jìn)行局部感知信息的處理和融合，進(jìn)而通過邊緣計(jì)算技術(shù)執(zhí)行局部決策和判斷。

中心云網(wǎng)主要由具備最強(qiáng)大的計(jì)算與存儲(chǔ)能力的中心云服務(wù)器組成。中心云服務(wù)器可以綜合各類由車路終端和邊緣網(wǎng)絡(luò)收集上傳的所有區(qū)域的感知信息。在高新技術(shù)的支持下，中心云服務(wù)器可以智能分析處理區(qū)域內(nèi)的所有感知信息數(shù)據(jù)，構(gòu)建覆蓋全區(qū)域的云智能計(jì)算庫(kù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全局感知、決策和任務(wù)調(diào)配。

從整體架構(gòu)中可以看出，云計(jì)算與邊緣計(jì)算是互幫互助、相輔相成的，整體將形成一種“邊緣-終端-中心”體系。其中，邊緣計(jì)算保證了收集到信息數(shù)據(jù)資源時(shí)可以及時(shí)地進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)易的分析和決策，在終端的協(xié)同下實(shí)現(xiàn)信息的傳輸和處理，最終在云計(jì)算的支持下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析處理、交通狀況判斷和交通信息傳遞，滿足新時(shí)代車聯(lián)網(wǎng)的各類要求。此外，6G 的AI技術(shù)也可以進(jìn)一步與邊緣計(jì)算技術(shù)相結(jié)合，形成多層級(jí)的邊緣智能計(jì)算技術(shù)，邊緣端可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理訓(xùn)練、模型訓(xùn)練等，提高邊緣端的計(jì)算能力，更進(jìn)一步支撐車路終端的信息感知服務(wù)，助力全天候的交通信息數(shù)據(jù)協(xié)同和處理[4]。

4 結(jié)束語

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，產(chǎn)生了許多不斷提高要求的應(yīng)用場(chǎng)景，作為5G、6G 的重要應(yīng)用場(chǎng)景之一，車聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用和建設(shè)推動(dòng)了中國(guó)智慧交通的創(chuàng)新發(fā)展，助力發(fā)展和推動(dòng)出行智能化、交通管控全局化、交通服務(wù)實(shí)時(shí)化等。本文在以往研究的通感融合的基礎(chǔ)上，將感知、通信、計(jì)算進(jìn)行交叉融合，提出一種車聯(lián)網(wǎng)內(nèi)通感算一體化架構(gòu)，以期實(shí)現(xiàn)6G 時(shí)代物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景的極低時(shí)延、超大容量、極高精度、極強(qiáng)算力的愿景和目標(biāo)。6G 的發(fā)展將為云網(wǎng)技術(shù)、邊緣計(jì)算帶來更多與時(shí)俱進(jìn)的技術(shù)發(fā)展，也將為車聯(lián)網(wǎng)內(nèi)的云端、邊緣端、終端相互之間的數(shù)據(jù)信息處理、傳遞和調(diào)配帶來更低時(shí)延和更快響應(yīng)，還將進(jìn)一步提升城市交通的智能化水平，推動(dòng)交通系統(tǒng)與新一代技術(shù)的深層次融合，使城市交通系統(tǒng)的服務(wù)功能更加優(yōu)異和全面，使智慧交通的愿景越來越早實(shí)現(xiàn)。