深挖車聯(lián)網(wǎng)新架構(gòu)：5G與車聯(lián)網(wǎng)會擦出怎樣的火花？

汽車網(wǎng)絡(luò)對服務(wù)質(zhì)量 (QoS) 的要求體現(xiàn)在延遲、數(shù)據(jù)傳輸速率、可靠性和通信距離等方面。近年來，諸如車聯(lián)網(wǎng) (V2X) 等新興汽車網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和用例已經(jīng)取得了一些成就，它們無疑對上述QoS提出了更加嚴(yán)格的要求。至于自動駕駛汽車，開發(fā)人員往往會將目光聚焦在攝像頭、雷達(dá)和激光雷達(dá) (LiDAR) 這三種傳感器技術(shù)上，但車聯(lián)網(wǎng)這項業(yè)已存在的無線技術(shù)同樣可以為自動駕駛汽車帶來顯著的附加價值。要實現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)，就需要在參與交通行為或者與交通行為相關(guān)的各種傳感器之間建立起高帶寬、低延遲的可靠通信，而5G移動網(wǎng)絡(luò)就能夠為車與車 (V2V) 以及車與基礎(chǔ)設(shè)施 (V2I) 通信實現(xiàn)這樣的連接。

本文將探討第三代合作伙伴計劃 (3GPP) 打算如何在車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中采用5G技術(shù)，以及這一方案相較于現(xiàn)有的專用短程通信 (DSRC) 或其他蜂窩車聯(lián)網(wǎng) (C-V2X) 方案所具備的顯著優(yōu)勢。需要注意的是，“蜂窩車聯(lián)網(wǎng)”中的“蜂窩”一詞其實存在一定的誤導(dǎo)性，它在這項應(yīng)用中并不是指5G這樣的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，而是指蜂窩無線電中讓雙方能夠直接通信的基礎(chǔ)電子技術(shù)。

技術(shù)變革呼之欲出

從通信技術(shù)的角度來看，未來的智能交通系統(tǒng) (ITS) 服務(wù)已經(jīng)得到了廣泛接受，這一趨勢最終將指向自動駕駛，并且需要通過5G車聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)通信技術(shù)實現(xiàn)車輛高度連接。經(jīng)過多年研究，并且在學(xué)術(shù)界和業(yè)界的推動下，成熟的5G技術(shù)已經(jīng)投入使用，于是3GPP從第16版標(biāo)準(zhǔn)開始起草了5G車聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

接下來，讓我們先從車聯(lián)網(wǎng)的定義談起。所謂“車聯(lián)網(wǎng)”(V2X)，拆開來看就是“Vehicle to Everything”：車連萬物。這項技術(shù)是一種雙向通信方式，可以在汽車或純電動車與周圍任何可能影響到它的實體之間傳輸信息。在實現(xiàn)完全自動駕駛之前，車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用已經(jīng)能夠?qū)煌ò踩捅憷援a(chǎn)生重要影響。該項技術(shù)還有助于減少交通擁堵、減小交通對環(huán)境的影響，并讓車內(nèi)的駕駛員和乘客更加舒適。

5G聯(lián)手車聯(lián)網(wǎng)，車輛和行人的安全將更有保障。當(dāng)執(zhí)行緊急任務(wù)的車輛駛近時，或者人行橫道線上有行人正在穿越時，附近的其他車輛會收到距離和方向信息，并向駕駛員發(fā)出提示或直接介入控制。在出于安全需要或發(fā)生意外事件時，交通信號燈的時間能夠加以控制或延長，從而使駕駛員更容易注意到行人，避免行人突然出現(xiàn)在車流中。當(dāng)發(fā)生交通事故時，附近的車輛會收到事故的位置和距離。此外，校車在行駛中以及停車上下學(xué)生時，也可以提示附近車輛小心駕駛或停車避讓，為學(xué)生提供更進(jìn)一步的安全保障。

蜂窩車聯(lián)網(wǎng) (C-V2X) 是車聯(lián)網(wǎng)的一個組成部分，可以對攝像頭、雷達(dá)和激光雷達(dá)等視距 (LoS) 傳感器起到補(bǔ)充作用，這對安全駕駛至關(guān)重要。此外，蜂窩車聯(lián)網(wǎng)的傳感覆蓋范圍大于視距傳感器，并且為車輛與周圍一切事物相互通信建立了基礎(chǔ)。2014年，3GPP在第14版標(biāo)準(zhǔn)中啟動了蜂窩車聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化研究，采用的是以LTE作為底層技術(shù)的方案。該項規(guī)范于2017年發(fā)布。

車聯(lián)網(wǎng)涉及多種類型的通信，包括車與基礎(chǔ)設(shè)施 (V2I)、車與網(wǎng)絡(luò) (V2N)、車與車 (V2V)、車與行人 (V2P) 和騎車人等弱勢交通參與者，以及車與設(shè)備 (V2D)，對于電動汽車而言還包括車與電網(wǎng) (V2G)，如(圖1)所示。

圖1：車聯(lián)網(wǎng)的主要通信類型：車與車 (V2V)、車與行人 (V2P)、車與基礎(chǔ)設(shè)施 (V2I)以及車與網(wǎng)絡(luò) (V2N)。車聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)陌踩⒃跉W洲為協(xié)同感知消息 (CAM)與分布式環(huán)境通知消息 (DENM)，在美國為基本安全消息 (BSM)（圖源：IEEE）

與此同時，汽車行業(yè)也在尋求可行的方法降低車載單元 (OBU) 的成本，從而在支持5G車聯(lián)網(wǎng)的同時維持車價不變或盡可能縮小漲價幅度。

5G與車聯(lián)網(wǎng)的邂逅

有5G加持的車聯(lián)網(wǎng)，將會變得更加易用、快速、可靠。5G與車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的區(qū)別可以總結(jié)成如下兩點：

• 5G和其他無線電移動服務(wù)一樣采用蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施，也就是將整塊地域劃分成若干個蜂窩小區(qū)，它們之間有較大的重疊區(qū)域，并由稱為“基站”的天線系統(tǒng)來管理。

• 車聯(lián)網(wǎng)和其他無線服務(wù)一樣采用更加靈活的結(jié)構(gòu)，通過稱為“熱點”的小型天線設(shè)備系統(tǒng)，借助強(qiáng)大的合作策略，盡可能地確保連接質(zhì)量。

DSRC與C-V2X：孰優(yōu)孰劣？

現(xiàn)如今，為提高車輛安全性制定的高速通信協(xié)議有DSRC和蜂窩物聯(lián)網(wǎng)兩種，它們都具有傳輸速度非?？?、數(shù)據(jù)交換頻率高和延遲低的特點。DSRC在5850MHz至5925MHz頻段的數(shù)據(jù)傳輸速率為6Mbps至26Mbps；蜂窩車聯(lián)網(wǎng)的接收速率和最大發(fā)送速率為26Mbps。兩者都工作在5.9GHz頻段，都采用相同的用例和相同的消息集（SAE J2735和J2945），也都使用數(shù)字簽名來確保消息提供者的安全性和可信度。DSRC和蜂窩車聯(lián)網(wǎng)都無需在傳輸數(shù)據(jù)前先建立連接，但它們始終都在廣播車輛的位置、加速度和速度，同時監(jiān)聽其他車輛發(fā)出的信號。

這兩項技術(shù)采用了不同的無線標(biāo)準(zhǔn)。DSRC采用的是WAVE IEEE (802.11p)，蜂窩車聯(lián)網(wǎng)則采用和手機(jī)一樣的長期演進(jìn) (LTE) 技術(shù)。美國FCC已于2020年11月將5.9GHz頻段分配給Wi-Fi和C-V2X。

DSRC和蜂窩車聯(lián)網(wǎng)之間無法互通，它們在各個方面也表現(xiàn)出了不同的特性。DSRC的傳輸距離大約為300m，而蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的延遲更低，傳輸距離比前者長20%至30%，在有障礙物的情況下，性能也明顯好于DSRC，因而蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的整體性能顯著優(yōu)于DSRC，但對于關(guān)鍵性的安全應(yīng)用而言，DSRC的傳輸距離和可靠性依然是足夠的。

蜂窩車聯(lián)網(wǎng)側(cè)鏈路

3GPP第16版標(biāo)準(zhǔn)通過5G NR在蜂窩車聯(lián)網(wǎng)中引入了側(cè)鏈路，促成了跟車行駛、高級駕駛、擴(kuò)展傳感器和遠(yuǎn)程駕駛等蜂窩車聯(lián)網(wǎng)新應(yīng)用。在危急的駕駛場景中，緊急制動和碰撞避讓是家常便飯，此時必須嚴(yán)格保證車聯(lián)網(wǎng)的低延遲和高可靠性，而蜂窩車聯(lián)網(wǎng)的最小傳輸延遲不大于4ms，在具體實現(xiàn)中還可以做到更低?？煽啃詣t是一個很難量化的特性，但在3GPP過往的每一個新版標(biāo)準(zhǔn)中，都會新增一批性能和安全方面的改進(jìn)，從而提升可靠性，日后的新版標(biāo)準(zhǔn)依然會在改善安全性和可靠性的路上繼續(xù)走下去。

車聯(lián)網(wǎng)得到部署后，車輛會定期通過廣播消息傳達(dá)其狀態(tài)和移動情況，屆時這類消息將占據(jù)短程通信中的絕大部分，尤其是在部署的第一階段。

在交通流量非常大的區(qū)域，可用信道資源可能會飽和，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失的情況增多，這會對駕駛員和乘客的安全構(gòu)成威脅。對此，研究人員需要研究并制定擁塞控制算法，以便在某些條件達(dá)到臨界水平之前修改這些參數(shù)。不過，他們并沒有直接從特定的算法出發(fā)，而是先對比了Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)方法 (IEEE 802.11p) 與蜂窩標(biāo)準(zhǔn)方法（3GPP第14版標(biāo)準(zhǔn)中作為蜂窩車聯(lián)網(wǎng)的一部分定義的側(cè)鏈路LTE車聯(lián)網(wǎng)）。

蜂窩車聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)由3GPP開發(fā)，可以實現(xiàn)車輛用戶設(shè)備 (VUE) 之間通過側(cè)鏈路（也叫PC5接口）直接通信。蜂窩車聯(lián)網(wǎng)側(cè)鏈路是第一個在物理層引入距離作為維度的無線系統(tǒng)，可以讓視距設(shè)備和非視距設(shè)備在差異很大的無線電環(huán)境中實現(xiàn)統(tǒng)一的通信范圍。

蜂窩車聯(lián)網(wǎng)從第14版標(biāo)準(zhǔn)開始包含兩種通信模式：直接模式(PC5)，可用于最直接以及對延遲最敏感的通信；以及網(wǎng)絡(luò)模式（稱為Uu），也就是將用戶設(shè)備連接到UMTS地面無線接入網(wǎng)，通過現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行廣播式通信。

PC5模式支持兩種方式：

• 在Mode-3（調(diào)度）方式下，側(cè)鏈路資源分配是在eNodeB的監(jiān)督下進(jìn)行的，需要蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施支持無線電資源管理。

• 在Mode-4（自主）方式下，車輛自行進(jìn)行分布式的資源分配和干擾處置，不涉及蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施（自然也可以在沒有蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域中正常使用）。

車聯(lián)網(wǎng)通信中的安全和隱私問題

基于LTE的車聯(lián)網(wǎng)通信采用高容量、大蜂窩覆蓋范圍和廣泛部署的基礎(chǔ)設(shè)施，以支持安全相關(guān)和非安全相關(guān)應(yīng)用的各類車輛通信服務(wù)。3GPP和高通等技術(shù)組織已經(jīng)制定了基于5G的車聯(lián)網(wǎng)服務(wù)路線圖。

3GPP所定義的“安全”主要包括保密性、完整性、真實性和抗重放攻擊。

面對新的隱私和安全挑戰(zhàn)，包括面向群體的自主跟車行駛的安全移動性管理、可靠的協(xié)同駕駛、高效并且注重隱私保護(hù)的車輛大數(shù)據(jù)共享和處理等，我們還需要在5G車輛網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行更多的研究。

在汽車安全性和安全保障的可能解決方案中，針對任何網(wǎng)絡(luò)攻擊，全面采用雙密鑰密碼系統(tǒng)是一種可行的方案。

車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用依賴于連續(xù)、詳細(xì)的位置信息，這可能會導(dǎo)致隱私問題。對私家車而言，位置痕跡將揭示駕駛員的行動和活動軌跡，況且駕駛員還未必就是車輛的所有者。簡而言之，發(fā)送和傳播車聯(lián)網(wǎng)用戶的位置信息，可能會對車主和司機(jī)產(chǎn)生隱私問題。

許多其他車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用都涉及車輛之間的通信，可以對現(xiàn)有的轉(zhuǎn)彎輔助和緊急制動警告起到補(bǔ)充作用，并且有助于更全面地得知交叉路口的具體情況。通過將Waze（一款用戶社區(qū)驅(qū)動的導(dǎo)航App）提出的概念加以擴(kuò)展，可以實現(xiàn)對速度的控制或建議以便緩解交通擁堵，以及在GPS地圖上實時更新車道關(guān)閉和公路建設(shè)等活動?，F(xiàn)今不少車輛還支持通過OTA軟件更新，涵蓋從地圖更新、錯誤修復(fù)、安全更新等各類軟件驅(qū)動系統(tǒng)，這一功能也必須依賴某種形式的車聯(lián)網(wǎng)。

車聯(lián)網(wǎng)安全消息中可以包含美國標(biāo)準(zhǔn)定義的基本安全消息 (BSM)，或者歐洲標(biāo)準(zhǔn)定義的協(xié)同感知消息 (CAM) 和分布式環(huán)境通知消息 (DENM)。

BSM包含位置、速度和加速度信息，每秒最多傳輸10次。該消息系統(tǒng)還使車輛接收單元能夠預(yù)測碰撞并警告駕駛員。

車聯(lián)網(wǎng)消息保護(hù)和安全性

V2X和V2I通信需要強(qiáng)大的安全性，以保護(hù)消息不被欺詐或誤導(dǎo)使用，否則可能會導(dǎo)致安全和隱私問題。另一種安全方法是使用公鑰證書對消息進(jìn)行簽名，用于防止未經(jīng)授權(quán)方干擾數(shù)據(jù)交換，并安全地對通信進(jìn)行匿名化。

公鑰基礎(chǔ)設(shè)施 (PKI) 包含用于創(chuàng)建、管理、使用、保存和撤銷數(shù)字安全證書的策略和過程，可用于安全地傳輸電子信息。與僅通過密碼進(jìn)行身份驗證相比，PKI采用了更加嚴(yán)格的身份確認(rèn)。

5G NR意圖分享

意圖或軌跡分享可通過在高級路徑規(guī)劃中提供更高水平的可預(yù)測性和交通效率來使自動駕駛得到進(jìn)一步增強(qiáng)。

5G NR將通過以下方面來實現(xiàn)意圖分享：

• 高吞吐量：5G可以提供所需的高數(shù)據(jù)速率，如在1公里范圍內(nèi)高于100Mbps。

• 高可靠性：5G可以確保軌跡信息準(zhǔn)確、及時地分享。

• 低延遲：借助5G的低延遲能力，軌跡信息可以在數(shù)毫秒內(nèi)實現(xiàn)分享。

蜂窩車聯(lián)網(wǎng)在擁擠公路場景中的表現(xiàn)

5G汽車協(xié)會 (5GAA) 在《車聯(lián)網(wǎng)功能和性能測試報告》(V2X Functional and Performance Test Report) 中對車聯(lián)網(wǎng)的性能和功能進(jìn)行了測試，其中對蜂窩車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在實驗室環(huán)境下進(jìn)行了高度擁堵場景的測試。即使在如此擁堵的場景下，蜂窩車聯(lián)網(wǎng)的延遲依然未超出為這一場景設(shè)置的100ms容許延遲量，表現(xiàn)非常出色。

在一系列實驗室和現(xiàn)場測試中，研究人員發(fā)現(xiàn)：

• 20MHz CH183上的蜂窩車聯(lián)網(wǎng)通信與10MHz CH184上相同的BSM類信息具有同等的可靠性（數(shù)據(jù)包接收率與距離之比）。

• 在1.4公里以內(nèi)的視距 (LoS) 條件下，CH183上的高負(fù)荷蜂窩車聯(lián)網(wǎng)傳輸對CH172上的DSRC基本安全傳輸?shù)挠绊懣梢院雎圆挥嫛?/p>

• 在1.4公里以內(nèi)的LoS條件下，CH183上的高負(fù)荷蜂窩車聯(lián)網(wǎng)傳輸對CH178上的V2I和I2V傳輸?shù)挠绊懣梢院雎圆挥嫛?/p>

• 在1公里以內(nèi)的LoS條件下，CH183上的高負(fù)荷蜂窩車聯(lián)網(wǎng)傳輸對CH180上的V2I和I2V傳輸?shù)挠绊懣梢院雎圆挥嫛?/p>

為支持5GAA為蜂窩車聯(lián)網(wǎng)部署向美國聯(lián)邦通信委員會 (FCC) 新提出的豁免申請，福特和高通兩家公司還進(jìn)行了額外的現(xiàn)場測試，表明了蜂窩車聯(lián)網(wǎng)可以實現(xiàn)完全可接受的性能，尤其是在LoS條件下。

根據(jù)5GAA網(wǎng)站所述，蜂窩車聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)做好在商用芯片組上部署的準(zhǔn)備，可以在2020年或2021年內(nèi)開始在全球范圍內(nèi)進(jìn)行車載部署。他們將與相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)制定組織 (SDO) 合作，推動5G車聯(lián)網(wǎng)的需求落地，從而打造成功的車聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)。

結(jié)論

FCC通過對5.9GHz頻段的調(diào)整，完全改變了美國的車輛通信協(xié)同式智能交通系統(tǒng) (C-ITS)市場。

汽車行業(yè)必須在狹窄的頻譜上開拓前進(jìn)方向，因而需要采用蜂窩車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，而非已經(jīng)廣泛運用的專用短程通信 (DSRC) 技術(shù)。這項變化為車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展鋪平了道路，消除了互相競爭的技術(shù)帶來的不確定性。

車聯(lián)網(wǎng)和5G正迅速成為汽車制造商不可或缺的技術(shù)，因為這項技術(shù)正努力使完全自主汽車技術(shù)在未來幾年內(nèi)實現(xiàn)商業(yè)化。福特將于2021年在中國推出蜂窩車聯(lián)網(wǎng)汽車，并且預(yù)計從2022年開始將該技術(shù)應(yīng)用到其在美國銷售的所有汽車上。5GAA將與相關(guān)的SDO合作，推動5G車聯(lián)網(wǎng)的需求落地，從而打造成功的車聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)。

金融服務(wù)公司IHS Markit于2021年1月在其網(wǎng)站上發(fā)布了關(guān)于2021年5G、蜂窩車聯(lián)網(wǎng)和汽車互聯(lián)的分析報告。

根據(jù)Market Watch發(fā)布的關(guān)于C-V2X研究的新聞報道：

“隨著智能交通基礎(chǔ)設(shè)施得到越來越多的應(yīng)用，V2I通信領(lǐng)域預(yù)計在預(yù)測期內(nèi)將以超過12%的復(fù)合年增長率增長。智能交通基礎(chǔ)設(shè)施涉及智能交通信號燈和智能監(jiān)控攝像頭，它們與車輛通信，以提供有關(guān)交通和道路狀況的信息?！?/p>

還有更多激動人心的汽車新技術(shù)正在趕來的路上，它們將為極大地改變我們駕駛汽車的方式，讓開車成為一件更美好的事情。