車聯(lián)網(wǎng)通信中蜂窩網(wǎng)絡的應用

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近年來，隨著汽車保有量持續(xù)增長，道路承載容量在許多城市已達到飽和，交通安全、出行效率、環(huán)境保護等問題日益突出。在此背景下，汽車的智能化和網(wǎng)聯(lián)化作為解決這些問題的重要途徑，受到了業(yè)界的高度重視。車聯(lián)網(wǎng)的誕生及飛速發(fā)展帶動著汽車產(chǎn)業(yè)變革，同時改變著人們的生活。車聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為實現(xiàn)中國智能網(wǎng)聯(lián)汽車2025年目標的唯一手段（見圖1）。

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在車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中，無線通信技術對車聯(lián)網(wǎng)通信的發(fā)展及演進起著基石性的關鍵作用。在車載終端急速增加、車輛通信需求不斷增強的物聯(lián)網(wǎng)時代，如何在高密度場景下滿足車輛通信的低時延、高可靠性、高傳輸速率、高容量等需求，是無線通信網(wǎng)絡面臨的關鍵挑戰(zhàn)。

車聯(lián)網(wǎng)是車與一切事物相聯(lián)的網(wǎng)絡（V2X：Vehicle to Everything），利用車載電子傳感裝置，通過移動通信技術、汽車導航系統(tǒng)、智能終端設備與信息網(wǎng)絡平臺，使車與路、車與車、車與人、車與互聯(lián)網(wǎng)之間實時聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)信息互聯(lián)互通，從而對車、人、物、路、位置等進行有效的智能監(jiān)控、調(diào)度、管理的網(wǎng)絡系統(tǒng)。是未來智能汽車、自動駕駛、智能交通運輸系統(tǒng)的基礎和關鍵技術。

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作為車輛智能化的單車智能技術，先進駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS：Advanced Driver Assistant System）是車輛智能化的初級階段，屬于提高安全性的主動安全技術。ADAS利用安裝于車上的各種傳感器（攝像頭、雷達、激光和超聲波等），收集車內(nèi)外的環(huán)境數(shù)據(jù)，進行靜、動態(tài)物體的辨識、偵測與追蹤從而能夠讓駕駛者在最快的時間察覺可能發(fā)生的危險，從而提高安全性。早期的ADAS技術主要以被動式報警為主，當車輛檢測到潛在危險時，會發(fā)出警報提醒駕車者注意異常的車輛或道路情況；而最新的ADAS技術已經(jīng)實現(xiàn)主動式干預。但是，ADAS技術應用上也存在一定的局限性：

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（1）ADAS以毫米波雷達加攝像頭的感知系統(tǒng)無法做到全天候全路況的準確感知。由于ADAS是單車智能技術，傳感器成本高且作用距離有限，同時受到雨雪霧霾等天氣狀況的影響較大，容易造成系統(tǒng)判斷失誤，從而導致安全事故的發(fā)生。

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（2）ADAS技術不能涵蓋智能交通基本應用集合。歐洲電信標準化協(xié)會（ETSI：European Telecommunications Standards Institute）在其技術報告TR 102 638中定義了智能交通基本應用集合，包含了54個應用。Telematics車載信息服務可提供25個信息服務應用，ADAS可提供18個預警類駕駛輔助應用，但剩余的11個關鍵駕駛輔助功能ADAS則無法提供服務，如交叉口碰撞預警等。

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車聯(lián)網(wǎng)V2X技術能夠?qū)④囕v感知范圍擴展到數(shù)百米，這與ADAS系統(tǒng)中的雷達、光學攝像頭的探測范圍相比有很大優(yōu)勢。將車聯(lián)網(wǎng)V2X技術與ADAS系統(tǒng)的多種探測手段相結合，借助融合信息處理技術，能夠有效提升行車安全和交通效率問題。單車智能化與車聯(lián)網(wǎng)的有機結合最終實現(xiàn)無人駕駛。

車聯(lián)網(wǎng)主要包括4個應用場景：車與互聯(lián)網(wǎng)互連（V2N ：Vehicle to Network）、車車互聯(lián)（V2V：Vehicle to Vehicle）、車路互聯(lián)（V2I：Vehicle to Infrastructure）以及車人互聯(lián)（V2P：Vehicle to Pedestrian），通過人、車、路的有效協(xié)同實現(xiàn)智能交通的目的。

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（1）V2N是目前應用最廣泛的車聯(lián)網(wǎng)場景，其主要功能是使車輛通過移動網(wǎng)絡連接到云服務器，使用云服務器提供的導航、娛樂和防盜等應用。

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（2）V2V用于車輛之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸。通過V2V，車輛可實時采集周邊車輛的速度、位置、方向以及告警等信息，主要應用于車輛間防碰撞安全系統(tǒng)。此外，也可通過車輛間通信實現(xiàn)圖片、短信、音視頻等信息的實施交換功能。

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（3）V2I是車輛與道路甚至其他基礎設施（如交通信號燈、路障等）進行通信的應用。通過V2I系統(tǒng)，車輛可獲取交通燈信號時序等道路管理信息、基于位置的車輛服務信息，主要應用于實時的信息服務、車輛的運行監(jiān)控、電子收費的管理等。

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（4）V2P是指行人使用移動電子設備，如便攜式電腦、智能手機或其他手持設備與車載電子設備之間進行的通信，重要應用場景是車輛給道路上行人或非機動車發(fā)送安全警告。

目前，車聯(lián)網(wǎng)通信技術分為IEEE 802.11p（DSRC專用短程通信使用的底層無線通信技術）和3GPP C-V2X（基于蜂窩網(wǎng)的V2X無線通信技術）兩個陣營。

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4.1 DSRC/IEEE 802.11p

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專用短程通信（DSRC：Dedicated Short Range Communications）是一種短程無線通信技術，專門用于V2VV2I的通信標準。DSRC可以實現(xiàn)小范圍內(nèi)圖像、語音和數(shù)據(jù)的實時、準確和可靠地雙向傳輸。DSRC發(fā)展相對成熟，國際上DSRC標準主要有歐、美、日三大陣營，美國的ASTM/IEEE，日本的ARIBSTD-T75和ARIBSTD-T88標準以及歐洲的CEN/TC278。

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為了促進DSRC的標準化和產(chǎn)業(yè)化，IEEE2004年成立了車輛無線接入（WAVE）工作組，負責研究美國ASTM制定的5.9 GHz頻段DSRC標準，并對其進行升級完善，設計制定統(tǒng)一的、全球通用的車聯(lián)網(wǎng)通信標準。2010年7月，WAVE工作組正式發(fā)布了IEEE 802.11p車聯(lián)網(wǎng)通信標準，實現(xiàn)了DSRC標準向802.11p協(xié)議和IEEE 1069/WAVE（Wireless Access in the Vehicles Environment）系列標準的融合演進。

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IEEE 802.11p是一個由IEEE 802.11標準擴充的通信協(xié)議，能夠支持相鄰車輛之間行車安全數(shù)據(jù)的相互通信和數(shù)據(jù)交換，符合智能交通系統(tǒng)的相關應用。從技術上來看，IEEE 802.11p標準對IEEE 802.11進行了多項針對車輛特殊環(huán)境的改進，例如增強了熱點間切換、更好地支持移動環(huán)境、增強了安全性、加強了身份認證等。

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IEEE 1609系列標準則是為了完善DSRC標準的應用層功能而提出，是以IEEE802.11p標準為基礎的高層系列標準，定義了包括車輛之間以及車輛與路邊基礎設施之間的數(shù)據(jù)交換格式以及安全等。

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4.2 3GPP C-V2X

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C-V2X（Cellular Based V2X）是基于移動蜂窩網(wǎng)的車聯(lián)網(wǎng)通信技術。以LTE蜂窩網(wǎng)絡作為基礎的C-V2X稱為LTE-V2X，3GPP已于2017年3月完成LTE-V2X的標準制定工作。未來基于5G New Radio（新空口）蜂窩網(wǎng)絡的C-V2X稱為NR-V2X。

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LTE-V2X系統(tǒng)的空中接口分為兩種，一種是Uu接口，需要基站作為控制中心，車輛與基礎設施、其他車輛之間需要通過將數(shù)據(jù)在基站進行中轉(zhuǎn)來實現(xiàn)通信；另一種是PC5接口，可以實現(xiàn)車輛間數(shù)據(jù)的直接傳輸（見圖2）。LTE-V2X的工作場景有兩種，一種是基于蜂窩網(wǎng)絡覆蓋的場景，此時即可以由蜂窩網(wǎng)絡的Uu接口提供服務，實現(xiàn)大帶寬、大覆蓋通信，也可以通過PC5接口提供服務，實現(xiàn)車輛與周邊環(huán)境節(jié)點低時延、高可靠的直接通信；另一種是獨立于蜂窩網(wǎng)絡的工作場景，在無網(wǎng)絡部署的區(qū)域通過PC5接口提供車聯(lián)網(wǎng)道路服務，滿足行車安全需求。在有蜂窩網(wǎng)絡覆蓋的場景下，數(shù)據(jù)傳輸可以在Uu接口和PC5接口之間進行靈活的無縫切換。

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LTE-V2X的Uu接口在LTE的Uu接口基礎上進行了針對性的增強，例如優(yōu)化了LTE廣播多播技術來有效支持車聯(lián)網(wǎng)這種廣播范圍小且區(qū)域靈活可變的業(yè)務，對控制信道進行裁剪以便進一步降低延遲。

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LTE-V2X的PC5接口是在Release 12 LTE-D2D（Device to Device）基礎上進行了多方面的增強設計，從而支持車輛之間的車輛動態(tài)信息（例如位置、速度、行駛方向等）的快速交換和高效的無線資源分配機制，此外，還對物理層結構進行了增強以便支持更高的移動速度（500km/h）。