5G车联网的特征与发展趋势及应用

新一轮汽车产业变革已经来临。根据预测到2025年中国汽车互联网总的产值有望上升到2162亿美元，占全球车联网总规模26%。可以看出互联网规模相当可观，不仅隐含了无法估量的汽车，移动互联网生态更是汽车智能网联升级过程中实实在在的机遇，汽车网联时代已经到来。

5G时代的车联网运营

车联网是以车内网、车际网和车载移动互联网为基础，融合了传感器、RFID、数据挖掘、自动控制等相关技术，按照约定的通信协议和标准，在车X （X：车、路、行人、互联网）交互过程中，实现车辆与公众网络的动态移动通信，是物联网技术在交通系统领域的典型应用。

在车联网中，车辆作为移动通信设备和用户的载体，以拓扑节点的形式组织移动网络拓扑。由于车辆自身的移动性，车载通信具有移动区域受限、网络拓扑变化快、网络频繁接入和中断、节点覆盖范围大、通信环境复杂等特点。根据车联网的上述特征，当前车联网的实施存在以下多方面挑战和困难。

（1）在体系结构方面，由于移动互联网通信技术的快速发展，为满足用户的多功能体验，车联网的体系结构变得复杂。在车载移动互联网中，路侧单元（RSU）作为车辆自组网（VANET）无线接入点，将车辆以及道路等信息上传至互联网并发布相关交通信息，这种车与基础设施（V2I）的协作通信模型需要大量的RSU支撑，增加了建设的成本和能源消耗。

（2）在通信方面，车联网中存在多种类型的通信网络，这些网络使用不同的标准和协议，数据处理和网络的融合不完善，影响车联网系统运行效率。虽然IEEE 802.11p标准的车辆自组网通信在高速运行环境下传输距离远、分组丢失率低、可靠性高，但在极其复杂的非视距环境下通信质量会受到不同程度的干扰。另外，由于车辆的高速移动，需要快速可靠的网络接入与信息交互，时延受限成为当前车联网面临的重要问题。

（3）在安全方面，车联网中的用户信息都将连接在该网络上，随时随地被感知，很容易被干扰和窃取，严重影响了车联网体系的安全。当前车联网在每一层都存在不同程度的威胁：在感知层，车辆单元（OBU）和RSU节点的物理安全、感知信息的无线传输;在网络层，数据破坏、数据泄露、虚假信息等安全与隐私问题;在应用层，也存在身份假冒、越权操作等由于技术方面的不足或因管理不当而带来的隐形危害。

近年来，车联网在体系结构、通信以及安全方面存在的问题成为当前学术界和工业界的研究热点，而随着第5代移动通信（5G）的快速发展，5G移动通信网络将融合大规模天线阵列、超密集组网、终端直通、认知无线电等先进技术，以更加灵活的体系结构解决多样化应用场景中差异化性能指标带来的挑战。

5G移动通信技术在低时延、高移动性车联网场景的应用，解决了当前车联网面临的多方面问题和挑战，使OBU在高速移动下获得更好的性能。而且，5G通信技术让车联网不用单独建设基站和服务基础设施，而是随着5G通信技术的应用普及而普及，为车联网的发展带来历史性的机遇。

5G车联网特征

5G移动通信融合CR、毫米波、大规模天线阵列、超密集组网、全双工通信等关键技术，显著提高了通信系统的性能。在车联网应用场景中，相比IEEE 802.11p标准的通信，5G车联网的特点主要体现在低时延与高可靠性、频谱和能源高效利用、更加优越的通信质量。

1 、低时延与高可靠性

作为车联网信息的发送端、接收端和中继节点，消息传递过程必须保证私密性、安全性和高数据传输率，通信具有严格的时延限制。目前，研究的车联网通信数据的密集使用以及频繁交换，对实时性要求非常高，然而，受无线通信技术的限制（如带宽、速度和域名等），通信时延达不到毫秒级，不能支持安全互联需求。

5G高/超高密集度组网、低的设备能量消耗大幅地减小信令开销，解决了带宽和时延相关问题，且5G的时延达到了毫秒级，满足了低延时和高可靠性需求，成为车联网发展的最大突破口。在5G车联网通信中，为更好地研究与应用低时延和高可靠性的链路特征，有文献分析了适应于以300 km/h速度移动车辆通信的5G自适应天线，提高了OBU与基站的通信质量，降低了在信道估计与数据传输之间产生的时延。有文献提出利用网络功能虚拟化和软件定义网络技术提高5G网络体系结构的灵活性，并提出实现低时延服务的解决方案，主要包括服务预约和配置、减少IP地址解析的时延、连续服务时延的优化。其中，5G网络服务的优化不仅要支持当前的应用服务，而且要适应高速增长的信息量并满足将来多样性的服务需求，尤其是对于时延高度敏感的通信，如车联网V2X通信场景，严格要求低时延和高可靠性，是5G网络体系结构应用的显著特点。

根据表1设置的主要参数实施基于D2D模式的V2V通信时延仿真，得到了如图1所示的结果。随着车辆数目的增加，端到端的通信时延基本保持平稳状态，而5G车联网基于D2D技术将实现车与车、车与基站以及5G移动终端通信，其空口时延在1 ms左右，端到端时延控制在毫秒级延时性能比IEEE 802.11p标准的通信方式优越，有效地保障了通信的可靠性。

表1 基于D2D模式的V2V通信时延仿真参数

图1 基于D2D模式的V2V通信时延分析

2、频谱和能源高效利用

频谱和能源的高效利用是5G用户体验的一个重要的特征。5G通信技术在车联网的应用，将解决当前车联网资源受限等问题。5G车联网的频谱和能源高效利用主要体现在以下儿个方面。

1）D2D通信。在5G通信中，D2D通信方式通过复用蜂窝资源实现终端直接通信。5G车载单元将基于D2D技术实现与邻近的车载单元、5G基站、5G移动终端的车联网自组网通信和多渠道互联网接入。通过这种方式提高车联网通信的频谱利用率，与基于IEEE 802.11p标准的车联网V2X通信方式相比，减少了成本的支出，节约了能源。

2）全双工通信。5G移动终端设备使用全双工通信方式，允许不同的终端之间、终端与5G基站之间在相同频段的信道可同时发送并接收信息，使空口频谱效率提高一倍，从而提高了频谱使用效率。

3）认知无线电。认知无线电技术是5G通信网络重要的技术之一。在车联网应用场景中，车载终端通过对无线通信环境的感知，获得当前频谱空洞信息，快速接入空闲频谱，与其他终端高效通信。这种动态频谱接入的应用满足了更多车载用户的频谱需求，提高频谱资源的利用率。其次，车载终端利用认知无线电技术可以与其他授权用户共享频谱资源，从而解决无线频谱资源短缺的问题。

除了以上提到的频谱和能源高效应用外，最近的相关研究表明，在不影响通信性能的情况下，5G基站的大规模天线阵列的部署有潜在的节约能源作用。其次，在车辆自组网中，5G车载单元及时发现邻近的终端设备，且与之通信的能力也会减少OBU间通信的能源消耗。

3、更加优越的通信质量

5G通信网络被期望拥有更高的网络容量并且可为每个用户提供每秒千兆级的数据速率，以满足QoS的要求。有文献提出频段为30~300 GHz的毫米波通信系统可为5G终端之间以及终端与基站之间以更好的通信质量进行信息交互。其中，毫米波拥有极大的带宽，可提供非常高的数据传输速率，并减少环境的各种干扰，降低终端之间连接中断的概率。

5G车联网拥有比当前车联网更加优越的无线链路特征。

1）通信距离。5G车联网V2V通信的最大距离大约为1 000 m，从而可以解决IEEE 802.11p车辆自组网通信中短暂、不连续的连接问题，尤其是在通信过程中遇到大型物体遮挡的NLOS环境下。

2）传输速率。5G车联网为V2X通信提供高速的下行和上行链路数据速率，最大传输速率为1 Gbit/s。从而使车与车、车与移动终端之间实现高质量的音视频通信。

3）高速移动性。与IEEE 802.11p标准通信相比，5G车联网支持速度更快的车辆通信，其中，支持车辆最大的行驶速度约为350 km/h。

5G车联网发展趋势与应用

将来，在5G通信网络大量部署的时代，5G车联网所构建的可多网接入与融合、多渠道互联网接入的体系结构，基于D2D技术实现的新型V2X的通信方式以及低时延与高可靠性、频谱与能源高效利用、优越的通信质量等特点为车联网的发展带来历史性的机遇。5G车联网因为不需要单独部署路边基础设施、可以和移动通信功能共享计费等，会得到快速发展，应用于高速公路、城市街区等多种环境。5G车联网不仅局限于车与车、车与交通基础设施等信息交互，还可应用于商业领域以及自然灾害等场景。

在商业领域，商店、快餐厅、酒店、加油站、4S店等场所将会部署5G通信终端，当车辆接近这些场所的有效通信范围时，可以根据车主的需求快速地与这些商业机构问建立ad hoc网络，实现终端之间高效快捷的通信，从而可以快速订餐、订房、选择性地接收优惠信息等，且在通信过程中不需要连接互联网。这将取代目前商业机构中工作在不授权频段、通信不安全、通信质量无法保障、干扰无法控制的蓝牙或者Wi-Fi通信方式，也将带动一个新的大型商业运营模式的产生与发展。

毫无疑问，随着车辆的大量普及，车辆已经成为人在家、办公室之外最重要的活动场合。然而，在地震、泥石流等自然灾害发生地区，当通信基础设施被破坏、无法为车载单元提供通信服务时，有相当数量的人可能是正在车辆上或正准备驾乘车辆离开，5G车载单元可以在没有基础设施协助的情况下，通过基于单跳或多跳的D2D方式与其他5G车载单元通信。另外，5G车载终端也可以作为通信中继，协助周边的5G移动终端进行信息交互。

车联网正在改变人类交通和通信方式，促使车辆向网络化、智能化发展。
编辑：lyn