基于5G网络的车联网通信模式及应用

余晓玫 李文娟 谭 祥

(重庆移通学院，重庆 401520)

0 前言

近年来，随着汽车数量持续增长，城市交通拥堵日趋凸显，人们出行难度加大，出行效率下降。车辆的增多不仅引发了交通堵塞、空气污染等诸多现实问题，并给交通安全带来了较大影响，严重影响到人们的生活质量和社会的发展。车联网的出现，将会改善出行效率，保障驾驶安全，促进实现我国低碳环保的目标。

1 车联网概念

车联网概念来源于物联网，是将车内作为局域网，车与车组成车际网，车际网与互联网相连，三者基于统一的协议，实现车与车、人、路、云平台之间数据互通，最终实现智能交通、智能汽车及智能驾驶等功能。基于全面感知的自动驾驶，将给人们带来更安全、更可靠的出行方式。与激光雷达、视觉摄像头等其他感知传感器相比，车联网不需要计算和存储大量的数据，是以整体环境信息作为感知对象，其受天气、道路障碍物等客观因素影响较小。因此，车联网技术能全面提升车辆整体的智能驾驶水平和社会交通服务的智能化水平。

无线通信传输技术按照传输距离可分为近距离传输和远距离传输2大类。近距离传输主要应用于车与车(V2V)的通信和车与路(V2R)的通信；远距离传输主要应用于车与服务平台(V2I)的通信。移动通信技术主要针对V2I的通信连接，属于远距离无线通信传输技术。

2 车联网通信模式

根据相关数据计算显示，实现汽车无人驾驶必须保证车辆每小时的信息数据处理量达到100 GB以上。目前普及的第四代移动通信(4G)技术还不能满足车联网这一应用要求。此外，4G网络存在硬件较复杂、功耗较大、可靠性较差等诸多问题。第五代移动通信(5G)网络技术具有超低时延、超高可靠性、超大带宽的无线通信保障能力和高性能的计算能力，能够保证车联网的各方面需求。

传统车联网的通信模式将随着5G网络技术的应用而发生变化，整个车联网的通信体系结构将朝着智能化、灵活化、多样化的方向发展。5G网络时代的车联网通信模式将存在无线局域网(WLAN)、4G移动通信、卫星通信等多种形式。因此，5G网络环境下的车联网将形成一整套大型的、综合的、互联互通的异构网络。5G网络的车载单元可以通过多种渠道，利用多个网络接入，并最终达到相互融合的目的。基于蜂窝的车用无线通信技术(V2X)被蜂窝车联网国际标准化组织定义为R14标准版本。为区分专用短程通信技术(DSRC)，5 nm全环绕栅极技术(5GAA)行业公司提出了蜂窝车联网(C-V2X)技术。该技术包括基于长期演进的车用无线通信技术(LTE-V2X)和基于5G新空口的车用无线通信技术(5G NR-V2X)。C-V2X技术的全球无线部署符合5G演进路线，集成在车载信息处理的无线模块中，能够充分发挥终端和基础设施层面的规模效应，并能有效解决汽车制造企业的增量成本问题。如图1所示，基于长期演进(LTE)技术的车联网LTE-V技术有2种工作模式：① 集中式工作模式(LTE-V-Cell)。该工作模式可以实现大覆盖、大带宽的通信，但需要借助基站进行控制。② 分布式工作模式(LTE-V-Direct)。该工作模式能够直接实现车与车之间、车与周边环境节点的高可靠、低时延通信，不需要借助基站进行控制。这2种模式可分别满足不同的车辆应用场景和需求。

图1 LTE-V技术的2种工作模式

5G网络作为全新的移动通信系统，其技术路线如图2所示。就LTE-V技术而言，5G技术是最关键的一步。5G技术作为LTE技术的演进，其时延可低至1 ms，因此LTE技术能演进到5G技术，LTE-V2X技术也随之演进到5G NR-V2X技术，如图3所示。其中，终端直通(D2D)技术是5G 移动通信技术重要的组成部分，该技术能够使一定距离范围内的用户设备直接通信。根据基站对通信资源的分配方式及起始节点、中继节点、目的节点的具体控制情况来划分，D2D通信方式可分为终端直通、基站协助终端、基站协助中继和基站协助车队等通信方式。5G网络技术的广泛应用，使车联网向车内网、车际网、车载移动互联网三网融合的方向发展。在车内网环境下，5G车载单元可自动与车辆建立通信连接，实现近距离信息传输，有效解决通信延迟的问题；在车际网环境下，行驶中的车辆可通过D2D终端直通方式有效解决通信网络阻塞及车辆终端之间通信联系难以维持的问题；在车载移动互联网环境下，行驶中的车辆可通过5G网络基站或中继快速地接入互联网，实现车与网络之间信息交互。

图2 5G技术路线图

图3 C-V2X技术演进路线图

3 应用方向

5G网络比LTE网络拥有更高的带宽，可支持更大数量的连接和更高的传输速度。目前，5G技术已进入快速发展期，车联网产业也进入了快速增长期。车辆联网系统的实现需要依靠强大的通信能力支持，5G技术将使车联网的发展和应用更加可靠和迅速。5G网络在车联网产业中的应用包括以下4个方面。

3.1 低速无人驾驶技术

车辆在非高速公路行驶时，无人驾驶技术可极大降低交通事故发生的概率，具有显著优势。无人驾驶的场景模拟如图4所示。首先，5G网络的交互式感知提升了用户的体验感，降低了通信时延及道路路况的不确定性，使车辆可进行轨迹交互和状态交互；其次，5G网络不受距离和环境约束，能够满足车内乘客对移动办公、电影、游戏等各种车载信息娱乐及高精度地图的需求；再次，5G网络增强了无人驾驶的可能性，能够协助城市固定路线的车辆实现部分智能云控制；最后，5G边缘计算和切片技术可为自动驾驶提供安全保障。

图4 无人驾驶的场景模拟

3.2 道路交通管理

在道路交通管理中，可充分利用5G网络传输速率快的优势，对路况进行实时报告，道路上的监控设备、收费站等设备都可以进行智能化运作。车与车也可实现信息的实时交互，及时了解道路状况，帮助车辆智能选择最佳行驶路段，缓解城市交通拥堵问题。

3.3 智能化车载系统

借助5G网络技术，可开发出多种智能化的车载系统，使用户的车载生活更加丰富，满足用户的实际需求。利用5G网络时延小、带宽容量大的特性，可为用户提供高度精准的行驶地图，提升导航的精准度，同时也可以满足用户移动办公、各种车载娱乐信息的需求。

3.4 应急救援系统

当车辆遭遇突发紧急情况时，可利用车辆上安装的操作系统和定位系统，借助5G网络技术，通过车联网设备及时进行信息互传。救援中心在接受到救援信息后，可以快速对周边路况进行分析，对车辆快速定位，使得救援工作更加及时和精准，有效降低事故损失。

4 结语

智能车联网的发展既融合了5G网络技术，也融合了大数据和人工智能等新兴技术。充分运用这些新兴技术，并充分发挥科技人员的创新性，将不断促进社会基础设施、道路交通和人工智能等方面的深度协作，实现更大范围的高效化、智能化、自动化的5G车联网场景应用。未来在车联网环境下的智能交通环境也将更加安全与高效。