談車聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)應(yīng)用

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摘要：車聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)在智能交通領(lǐng)域的典型應(yīng)用，車聯(lián)網(wǎng)中的核心關(guān)鍵技術(shù)是無線通信技術(shù)。無線通信技術(shù)決定了車輛的車內(nèi)網(wǎng)、車際網(wǎng)和車載移動互聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)間大范圍、大容量數(shù)據(jù)的交互、共享的實時性和有效性，是當(dāng)前國內(nèi)外技術(shù)演進(jìn)的研究熱點。隨著工業(yè)化和信息化在國民生產(chǎn)領(lǐng)域的深度融合，信息化技術(shù)不斷深入到工業(yè)化領(lǐng)域，車聯(lián)網(wǎng)引導(dǎo)的智能交通越發(fā)成熟。

關(guān)鍵詞：車聯(lián)網(wǎng)；無線通信技術(shù)

引言

如今，隨著現(xiàn)代城市發(fā)展，交通問題日益嚴(yán)重，為了改善出行、確保人員安全等問題，對于車聯(lián)網(wǎng)如何在智能交通方面的應(yīng)用研究應(yīng)運(yùn)而生。在車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究發(fā)展中，選擇高效、安全、便捷、實時的無線通信技術(shù)并投入運(yùn)用成為車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究中的熱點問題?；谏鲜?，本文從車聯(lián)網(wǎng)概述、無線通信技術(shù)、5G在車聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用現(xiàn)狀等方面進(jìn)行探討。

1車聯(lián)網(wǎng)概述

1.1基本定義

車聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)在智能交通領(lǐng)域的應(yīng)用，主要通過車載傳感器、GNSS、智能控制等技術(shù)手段，收集車輛屬性和動態(tài)信息，實現(xiàn)車與人（V2P）、車與車（V2V）、車與基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）、車與服務(wù)終端（V2N）的智能協(xié)同，進(jìn)而改善交通問題[1]。車聯(lián)網(wǎng)主要有3個特點：一是安全性，車聯(lián)網(wǎng)當(dāng)中接入多個通信節(jié)點，實時交互數(shù)據(jù)量龐大，數(shù)據(jù)必須真實可靠；二是移動性，車聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)結(jié)點和信息源是車輛；三是實時性，信息數(shù)據(jù)實時傳輸速率應(yīng)具備低時延。圖1為車聯(lián)網(wǎng)示意圖。

1.2車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

車聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)按照功能劃分分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。感知層主要由傳感器（車載傳感器、路側(cè)傳感器）、雷達(dá)以及定位系統(tǒng)等設(shè)備構(gòu)成，并通過射頻識別（RFID）、車輛定位（GNSS）等技術(shù)，將采集的車輛行駛狀態(tài)、道路交通環(huán)境等信息數(shù)據(jù)反饋并作出下一步行駛策略；網(wǎng)絡(luò)層主要由車載網(wǎng)絡(luò)、無線通信網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成，負(fù)責(zé)分析處理感知層傳遞的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)車輛與外部互聯(lián)互通等功能；應(yīng)用層主要是各項系統(tǒng)應(yīng)用集成，車輛數(shù)據(jù)在此分析反饋，實現(xiàn)對車輛的動態(tài)管理，為用戶提供不同的服務(wù)。例如車載娛樂、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。

2無線通信技術(shù)

如果車輛沒有對外通信的能力，那么車輛在本質(zhì)上就是一個孤島。未來車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景的特點，決定了使用多種無線通信技術(shù)配合協(xié)調(diào)使用。傳統(tǒng)車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在車聯(lián)網(wǎng)功能應(yīng)用中分為兩方面：短距離移動通信，如RFID、Wi-Fi，以及遠(yuǎn)距離移動通信技術(shù)，如4G、5G。無線通信技術(shù)演進(jìn)發(fā)展的方向主要是如何高效服務(wù)車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的智能應(yīng)用。無線通信技術(shù)的發(fā)展趨勢是高頻率、高速率、強(qiáng)安全性、高穩(wěn)定性。

2.1RFID技術(shù)

RFID（RadioFrequencyIdentification，射頻識別）即電子標(biāo)簽，是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，通過電訊號實時、準(zhǔn)確地對高速移動目標(biāo)快速識別。射頻識別系統(tǒng)包括應(yīng)答器（可供識別標(biāo)簽），閱讀器（讀取標(biāo)簽信息）和軟件系統(tǒng)（處理反饋數(shù)據(jù)）。RFID在很多實際情況中都有良好的應(yīng)用。RFID加強(qiáng)車輛之間的互聯(lián)通信，保證了信息數(shù)據(jù)的安全性和準(zhǔn)確性，為車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)作提供支持。在商業(yè)應(yīng)用上，該項技術(shù)應(yīng)用于停車自助收費系統(tǒng)等方面，成本低廉、效果顯著。在車聯(lián)網(wǎng)中RFID處于感知層。

2.2GNSS技術(shù)

GNSS的全稱是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GlobalNavigationSatelliteSystem），它是泛指所有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，包括全球的、區(qū)域的和增強(qiáng)的，如美國的GPS、俄羅斯的Glonass、歐洲的Galileo、中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，以及相關(guān)的增強(qiáng)系統(tǒng)，如美國的WAAS（廣域增強(qiáng)系統(tǒng)）、歐洲的EGNOS（歐洲靜地導(dǎo)航重疊系統(tǒng)）和日本的MSAS（多功能運(yùn)輸衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)）等，還涵蓋在建和以后要建設(shè)的其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。GNSS系統(tǒng)由星座（空間部分）、地面監(jiān)控系統(tǒng)（地面控制部分）和信號接收機(jī)（用戶設(shè)備部分）構(gòu)成。目前車載GNSS定位系統(tǒng)是通過手機(jī)信號傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實現(xiàn)定位、導(dǎo)航、授時等功能，可將車輛信息及時反饋，提供導(dǎo)航服務(wù)。

2.3Zigbee技術(shù)

ZigBee基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，是一種近距離、低復(fù)雜度、低速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適用于工業(yè)控制、汽車自動化等領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。ZigBee低成本、安全可靠。在現(xiàn)階段，對于投入車聯(lián)網(wǎng)使用的Zigbee而言，最大的瓶頸在于多跳實現(xiàn)的延時會隨著投入節(jié)點的增多而增加，造成帶寬資源浪費[2]。

2.4DSRC技術(shù)

專用短程通信（DedicatedShortRangeCommunication，DSRC）基于IEEE802.11p通信標(biāo)準(zhǔn)，是一種高效的短距離，應(yīng)用于V2X的無線通信技術(shù)，有效覆蓋區(qū)域為3~30米，主要對車輛和道路有機(jī)連接識別和雙向傳輸，實時傳遞語音、圖像等數(shù)字信息。DSRC具有傳輸速度快、受干擾程度小、安全性好等優(yōu)點，實現(xiàn)了小區(qū)域內(nèi)車輛識別、駕駛員識別、出入管理、ETC等方面，極大改善人們的出行效率。DSRC系統(tǒng)由車載單元、路測單元以及短程通信協(xié)議構(gòu)成，主要缺點在于通信覆蓋距離短，需要針對基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行大規(guī)模改造和投入，成本較大。

2.5Wi-Fi技術(shù)

Wi-Fi（Wireless-Fidelity）基于IEEE802.11協(xié)議，是無線局域網(wǎng)（WLAN）中的一個標(biāo)準(zhǔn)，覆蓋范圍廣，信息傳輸速率快，可實現(xiàn)局部區(qū)域內(nèi)的高速無線連接。2016年最新公布的802.11ahWiFi標(biāo)準(zhǔn)——WiFiHaLow，HaLow的覆蓋范圍可達(dá)到1千米，信號更強(qiáng)，且不容易被干擾，使得Wi-Fi在理論上可以被運(yùn)用車輛網(wǎng)的發(fā)展。

2.6C-V2X技術(shù)

C-V2X技術(shù)（Cellular-V2X，蜂窩車聯(lián)網(wǎng)）是指基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的V2X技術(shù)，該技術(shù)在DSRC技術(shù)之后推出，都具備車輛之間進(jìn)行直接無線通信，包括LTE-V2X以及正在發(fā)展的5G-V2X技術(shù)，提供兩種接口-Uu（蜂窩網(wǎng)絡(luò)-車載終端通信）接口和PC5（短距離直接通信）接口。LTE-V2X主要承載基本交通安全業(yè)務(wù)；5G-V2X主要面向承載自動駕駛業(yè)務(wù)。LTE-V2X包括蜂窩通信和直接通信兩種工作模式。蜂窩通信借助已有的LTE蜂窩網(wǎng)絡(luò)，支持網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、帶寬需求大的通信連接；直接通信則不經(jīng)過基站，兩個用戶節(jié)點直接進(jìn)行通信，即D2D（devicetodevice）通信模式。相比DSRC技術(shù)，C-V2X技術(shù)在通信覆蓋范圍、高容量、抗干擾性等方面的性能，全面優(yōu)于DSRC。C-V2X不必重新部署網(wǎng)關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施，對現(xiàn)有基站設(shè)施進(jìn)行改造即可使用，節(jié)約了經(jīng)濟(jì)成本[3]。從2018年11月，根據(jù)工業(yè)和信息化部《車聯(lián)網(wǎng)（智能網(wǎng)聯(lián)汽車）直連通信使用5905-5925MHz頻段管理規(guī)定（暫行）》明確5.9G頻段作為基于LTE的C-V2X技術(shù)的車聯(lián)網(wǎng)（智能網(wǎng)聯(lián)汽車）直連通信的工作頻段，到2020年11月，國務(wù)院辦公廳《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》中“加快基于蜂窩通信技術(shù)的車輛與車外其他設(shè)備間的無線通信（C-V2X）標(biāo)準(zhǔn)制定和技術(shù)升級”，表明我國正在快速推進(jìn)C-V2X車聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展和應(yīng)用推廣。

2.7UWB

UWB（ultrawideband，超帶寬）是一種無線載波技術(shù)，以極低功率在短距離內(nèi)高速傳輸數(shù)據(jù)。UBW技術(shù)，基于IEEE802.15.4協(xié)議，具有系統(tǒng)復(fù)雜度底，對信道衰落不敏感，安全性高，精確定位等優(yōu)點，適用于密集場所的高速無線接入，相比RFID定位技術(shù)在安全性上具有明顯優(yōu)勢，相比藍(lán)牙技術(shù)、Wi-Fi，UWB具有強(qiáng)大的抗多徑干擾能力。UWB技術(shù)應(yīng)用按照通信距離可以分為短距離高速應(yīng)用和中長距離（幾十米以上）低速率應(yīng)用這兩類。UWB技術(shù)車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用場景和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

35G無線通信技術(shù)車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用現(xiàn)狀

無線通信技術(shù)在車聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用用：RFID用于對特定目標(biāo)進(jìn)行識別，DSRC、Wi-Fi主要用于提供車輛實時變化數(shù)據(jù)，GNSS主要用于精確定位；3G/4G主要用于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)信息的傳輸以及共享，等等。每種技術(shù)都不能完全體現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)所需的全部功能，以及未來智能交通需求，只能體現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的前景趨勢。當(dāng)前階段，如何實現(xiàn)5G無線通信技術(shù)與其他技術(shù)融合，使不同技術(shù)的作用最大化，是車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的新方向。隨著無線通信技術(shù)和自動駕駛技術(shù)的快速發(fā)展，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正在邁向新階段，其在智能交通領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展分為三個階段，如圖2所示[4]：無線移動網(wǎng)絡(luò)與智慧交通的發(fā)展是互馴的過程。在1G、2G時代，無線通信主要用于車載緊急呼叫；3G、4G網(wǎng)絡(luò)加快推進(jìn)了車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過感器收集處理車輛運(yùn)行參數(shù)，還能夠提供其他智能服務(wù)；隨著5G技術(shù)的發(fā)展，5G技術(shù)一旦投入使用便會成為車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用當(dāng)中的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用，車聯(lián)網(wǎng)可以依靠5G網(wǎng)絡(luò)彌補(bǔ)傳統(tǒng)移動通信網(wǎng)絡(luò)存在的傳輸帶寬不足、網(wǎng)絡(luò)時延較大的缺陷，高速率、低時延、大聯(lián)接的技術(shù)特性連接處理網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)，并將分析結(jié)果快速反饋給信息需求用戶，降低系統(tǒng)響應(yīng)時間，提高信息傳輸?shù)木珳?zhǔn)性，降低對高精度傳感器的依賴，從而降低成本，催生更多的車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景，實現(xiàn)更加舒適的智能生活體系。目前，V2X的技術(shù)方向分為DSRC、LTE-V2X、5G-V2X等。隨著DSRC逐漸退出舞臺，LTE-V2X后來居上。DSRC相比于LTE-V2X，在技術(shù)層面，LTE-V2X具備蜂窩通信功能，在覆蓋范圍、感知距離、承接數(shù)量、時延等方面具有明顯優(yōu)勢；在終端層面，LTE-V2X的蜂窩通信模塊和V2X通信模塊可共用一塊芯片，有效降低了芯片復(fù)雜度及生產(chǎn)成本；在產(chǎn)業(yè)層面，LTE-V2X可以通過現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡(luò)基站設(shè)備進(jìn)行升級部署，DSRC則需要安裝新的路測設(shè)備，生產(chǎn)成本大；在車輛網(wǎng)嵌用方面，LTEV2X能被應(yīng)用于V2X的所有領(lǐng)域，而DSRC只能被應(yīng)用于V2V以及V2I[5]。5G-V2X是5G通信的V2X標(biāo)準(zhǔn)，V2X將是5G網(wǎng)絡(luò)的一部分，5G-V2X有融合LTE-V2X及DSRC的可能，為車輛提供更安全、更高效、更便捷的服務(wù)能力。

4結(jié)束語

人類文明進(jìn)步的本質(zhì)是消除信息熵（打破信息不對稱）的效率加快，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提升了人類在交通場景所獲得關(guān)于交通信息的能力，提高了數(shù)據(jù)交互處理效率。車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通過軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、移動邊緣技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)切片等5G關(guān)鍵技術(shù)與車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)深度融合，把車、路、人、云等有機(jī)互聯(lián)，將車聯(lián)網(wǎng)體系發(fā)展成高度協(xié)同統(tǒng)一的智能生態(tài)體系。但同時，現(xiàn)有車聯(lián)網(wǎng)也面臨著諸多瓶頸和挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在通信信息傳遞安全、公眾普及、同信道干擾、相關(guān)法律法規(guī)有待完善等方面。智能交通產(chǎn)業(yè)正蓄勢待發(fā)，無線通信技術(shù)的應(yīng)用前景在看到機(jī)遇的同時也要積極主動解決困難。

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作者：戴慧玲 王治夏 楊士坤 程功 單位：國家無線電監(jiān)測中心