5G 环境下车联网关键技术及其发展趋势探讨

李灵瑶，顾全根，王宇叶

（苏州经贸职业技术学院，江苏 苏州 215000）

0 引言

车联网与第五代移动通信技术（5th Generation Mobile Communication Technology，5G）的深度融合，给车联网带来了广阔的发展前景，也为汽车智能出行的实现提供了技术保障。车联网的体系结构和关键技术都要与5G 环境相适应，探索5G 环境下车联网的发展趋势具有现实意义。

1 车联网及其发展现状

1.1 车联网含义和特征

车联网即车辆物联网，是由汽车信息、通信技术、互联网等构成的交互网络系统。借助车联网技术能提升汽车智能驾驶水平，改善汽车驾乘感受，保障交通安全性，提高汽车运行效率。车联网具有以下特征。

（1）提供安全保障。车联网能够完成对自身环境和状态信息的采集，为车辆交通提供安全预警和保障，降低车辆交通事故的发生概率。

（2）提高交通效率。车联网能为车主提供实时导航，并通过分析网络系统信息，选择最佳行车路线，提高交通运行的效率。

（3）实现智能控制。车联网能利用传感技术、无线通信技术与智能处理技术来实现交通的智能化管理、智能决策和智能化控制［1］。

1.2 车联网的发展现状

美国联邦通信委员会于2019 年12 月为蜂窝车联网通信技术（C-V2X）分配了20 MHz 频段，用于推进C-V2X 的发展；日本于2019 年通过《道路运输车辆法》修正案，开始研究为C-V2X 分配频率的可行性；欧盟委员会也于2019 年3 月宣布，对车辆、交通标识牌和高速公路进行网联相关设备的安装。

我国于2018 年确定车联网直连通信为5.9 GHz频段，并于2019 年启动车联网和自动驾驶应用试点。2020 年1 月，工信部强调进一步增强5G 功能，并推进C-V2X 的基础部署。

2020 年11 月世界智能网联汽车大会提出到2035年之前，智能网联汽车实现从部分自动驾驶功能到有条件自动驾驶，再到高度自动化驾驶，最后到完全自动驾驶的分阶段发展路线［2］。

2 车联网的体系结构

2.1 感知层

车联网的感知层是通过车载传感器、道路基础设施、网络通信系统等协同感知，将收集到的车辆运行状态、交通状况和道路环境状况等信息参数传输到控制系统中［3］，系统应用相关芯片完成数据的协同处理和短距离传输。实用技术如车辆防撞紧急制动系统。

2.2 网络层

车联网的网络层主要通过信息传输网络分析处理感知层收集到的数据，将各类信号传输到相应的设施，实现数据传输服务。同时，为终端用户提供实时的信息及网络交互的无缝衔接功能。实用技术如智能交通网络系统。

2.3 应用层

车联网的应用层根据用户的不同需求提供不同的应用功能服务。它依据车路协同的数据来设置车辆路面自动驾驶、车载娱乐、远程监控以及紧急救援等功能。实用技术如车辆自动驾驶系统。

3 5G 环境下的车联网关键技术

3.1 感知技术

车联网的感知技术分为车辆自身状态感知和车辆环境状态感知两个部分。车辆自身状态感知主要是对车辆行驶工况状态、驾驶员自身状态等的感知，它是通过车辆的里程器、电机、摄像头等来实现相关状态信息的采集。而车辆环境状态感知则是对车辆行驶道路、交通标志信号、其他车辆行驶状态等的感知，它是通过车载电子设备、道路及两侧设备来实现相关信息的采集。

在感知技术中，感知数据的融合方法极其关键，关系到感知结果的准确性。由于交通环境的复杂多变，必须对收集到的不确定甚至是错误信息进行建模处理，以便为车辆操作决策提供数据支持，增强车辆的环境适应能力。

3.2 定位技术

定位技术是车联网的基础技术，是车联网其他功能开发的基础，如车辆的导航、远程控制、辅助驾驶等，都需要车辆的准确定位。目前，车联网主要采用北斗、全球定位系统（Global Positioning System，GPS）等全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）进行定位或导航，还可采用其他定位技术，如激光雷达、惯性导航系统等。

车联网的实际应用系统往往都采用多种定位技术，以此实现优势互补，提升定位精度。例如，在无遮挡环境中，GNSS+实时动态定位（Real-time Kinematic，RTK）有其绝对的优势；而在有遮挡（高楼区、地下车库等）环境中，惯性导航系统则能保持其定位精度，所以两者的融合是必然的。

3.3 通信技术

车联网的主流通信技术包括专用短程通信（Dedicated Short Range Communication，DSRC）技 术和基于蜂窝网的V2X 通信（C-V2X）。

DSRC 可实现分布式操作，主要应用于点对点（ad-hoc）通信模式场景。例如，当前方发生交通事故，需要紧急告知位于后方的车辆时，就要应用DSRC技术。DSRC 的每个频段都可以当作单个频道使用，也可以分成多个通道使用［4］。目前DSRC 的产业链已较为成熟。

随着5G 技术的发展，DSRC 技术逐渐暴露出其局限性，这个问题的解决方案是运用可靠性和稳定性更优的C-V2X 技术。C-V2X 技术包括LTE-V2X 技术和5G-V2X 技术。其技术优势如下：一是网络容量高，可以满足大数据量和高带宽的需求；二是覆盖范围大，车辆与基站之间有充裕的连接申请时间，这样就大大地降低了网络切换的频率；三是设施部署容易，在对现有基站设施进行改造后即可投入使用，成本较低。

3.4 网络切片技术

网络切片（Network Slice，NS）技术就是将物理网络切分为多个端到端的虚拟网络，每个虚拟切片以其性能差异来适应不同的场景［5］，以此满足车联网场景中的各种服务需求。

在5G 网络场景下，网络切片技术在自动驾驶、移动宽带、物联网等场景中得到广泛应用，尤其是在需要低时延、高可靠的自动驾驶中有着广阔的应用前景。

3.5 移动边缘计算技术

车联网为解决数据传输量大、传输时延高的问题，采用移动边缘计算（Mobile Edge Computing，MEC）技术。MEC 可以根据用户服务请求的应用类型分配处理，把时延要求高的应用优先分配在本地区域内处理，把时延要求较为宽松的应用汇聚至云端处理。

3.6 区块链技术

车联网为保护车辆的行驶轨迹等隐私信息，引入了区块链技术。区块链技术（又称账本技术）的数据具有难以篡改和去中心化的特点，为车联网的通信安全提供了可行的解决方案，区块链网络以其终端设备和车辆管理中心为节点组成。车联网所有的信息交互数据在区块链账本中都有完整的记录，每辆车的车联网通信访问操作都会以新记录添加到账本中，形成动态变化情况，并按时间顺序串联起来形成整个车联网体系的状态变化线。区块链技术为车联网无线通信环境的信息安全提供了保障，维护智能交通体系的安全。

4 5G 环境下车联网的发展趋势及其面临的挑战

4.1 车联网的发展趋势

随着5G 技术在车联网中的应用，车联网技术得到了快速发展，车联网也具有了广阔的发展前景。车联网的发展趋势主要表现在以下几方面。

4.1.1 环保节能化

随着“双碳”目标、生态环保要求的深入，全球能源短缺情况的加剧以及车辆尾气排放量的增加，车联网的应用应该围绕生态环保展开，推广节能减排，实现绿色出行。

4.1.2 安全协同化

5G 环境下车联网的发展要以保障交通安全为出发点，在安全驾驶、协同驾驶以及汽车活动安全等方面协同架构，有效降低交通事故发生率，保障人员及车辆的安全。

4.1.3 交通智能化

车联网要充分利用5G 技术和人工智能及大数据技术，通过车辆传感器收集信息，进行智能处理，推动实现交通的智能化管理和控制，提高交通的整体效率。同时，智慧城市基础设施的进一步发展也将有助于无人驾驶技术的发展。

4.1.4 驾驶无人化

充分利用5G 交互式的感知能力，可以为车联网应用中的无人驾驶技术提供有力的技术支持，自动实现与行驶车辆的互动，如设置自动超车、车辆编队等。

4.1.5 集成联网化

5G 环境下车辆的应用软件、操作系统、芯片层、硬件层正逐渐向集中式架构体系发展，车辆软件控制更高效，并能持续优化控制软件，实现车辆集成联网化，不断改善硬件性能体验。

4.1.6 功能多样化

5G 环境下车联网服务方式功能多样化，将不只局限于车辆固有服务功能，还可以拓展到手机App、微信小程序等交互设备，这样能够延长人车交互的时间。同时，可以通过车联网分拆功能，把部分功能分拆至车外，如手机App、智能穿戴设备等，这样能降低对车载硬件的要求，从而覆盖更多的低端车型，以满足所有用户的各种信息及娱乐需求。

4.2 车联网面临的挑战

从5G 环境下车联网发展的角度来看，车联网面临的挑战主要有以下几个方面。

4.2.1 版本兼容问题

目前，车联网C-V2X 标准主要有基于LTE-V2X标准的R14、R15 版本和基于5G-V2X 标准的R16 版本［6］。在车联网未来发展的过程中，这两个标准会同时存在，因此必须考虑两者兼容的问题，否则不利于车联网产业的发展。在采用LTE-V2X 标准时，需要充分考虑以后是否能兼容5G 标准，并对其硬件进行升级；同样地，在采用5G 标准时，也需要确保其能兼容原来的LTE-V2X 标准，使不同标准的车辆之间实现无阻碍通信。

4.2.2 数据处理问题

随着车联网中5G 技术的融合应用，各个终端节点的数据接入量变得更加庞大，数据处理问题将成为一大难题。尤其是车联网的很多新应用功能，如车辆远程控制、视频远程会议等，都对数据处理能力提出了很高的要求。同时，车联网也必须解决无线资源分配、数据优先处理、系统性能优化等问题。

4.2.3 投资规模问题

为在2035 年实现智能网联汽车完全自动驾驶的目标，除了需要在车联网关键技术上进行研发，还要对车联网的基础设施投入大量的资金。据公安部网站和交通运输行业发展统计公报，2021 年我国机动车保有量达3.95 亿辆，四级及以上等级公路里程为506.19万千米，其中高速公路里程为16.91 万千米。按我国车联网商用技术的标准，车载终端的安装、路侧单元的部署、传感设备的安装等都需要大量的资金。

5 结语

随着车联网与5G 技术的深度融合，车联网的发展前景广阔，而智能交通的完善离不开车联网技术的创新和突破。车联网产业正蓄势待发，车联网相关行业要顺应其发展趋势，针对车联网发展中遇到的问题，积极采取应对措施，共同推进车联网的发展，实现更安全、更智慧、更高效的智能交通。