談車聯(lián)網(wǎng)無線通信技術應用
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摘要：車聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)在智能交通領域的典型應用，車聯(lián)網(wǎng)中的核心關鍵技術是無線通信技術。無線通信技術決定了車輛的車內網(wǎng)、車際網(wǎng)和車載移動互聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡間大范圍、大容量數(shù)據(jù)的交互、共享的實時性和有效性，是當前國內外技術演進的研究熱點。隨著工業(yè)化和信息化在國民生產領域的深度融合，信息化技術不斷深入到工業(yè)化領域，車聯(lián)網(wǎng)引導的智能交通越發(fā)成熟。
關鍵詞：車聯(lián)網(wǎng)；無線通信技術
引言
如今，隨著現(xiàn)代城市發(fā)展，交通問題日益嚴重，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用研究應運而生。在車聯(lián)網(wǎng)技術的研究發(fā)展中，選擇高效、安全、便捷、實時的無線通信技術并投入運用成為車聯(lián)網(wǎng)技術研究中的熱點問題。基于上述，本文從車聯(lián)網(wǎng)概述、無線通信技術、5G在車聯(lián)網(wǎng)中應用現(xiàn)狀等方面進行探討。
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)在智能交通領域的應用，主要通過車載傳感器、GNSS、智能控制等技術手段，收集車輛屬性和動態(tài)信息，實現(xiàn)車與人（V2P）、車與車（V2V）、車與基礎設施（V2I）、車與服務終端（V2N）的智能協(xié)同，進而改善交通問題[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
車聯(lián)網(wǎng)體系結構按照功能劃分分為感知層、網(wǎng)絡層、應用層。感知層主要由傳感器（車載傳感器、路側傳感器）、雷達以及定位系統(tǒng)等設備構成，并通過射頻識別（RFID）、車輛定位（GNSS）等技術，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)絡層主要由車載網(wǎng)絡、無線通信網(wǎng)絡和互聯(lián)網(wǎng)構成，負責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；應用層主要是各項系統(tǒng)應用集成，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。例如車載娛樂、遠程監(jiān)控等功能。
2無線通信技術
如果車輛沒有對外通信的能力，那么車輛在本質上就是一個孤島。未來車聯(lián)網(wǎng)應用場景的特點，決定了使用多種無線通信技術配合協(xié)調使用。傳統(tǒng)車聯(lián)網(wǎng)技術在車聯(lián)網(wǎng)功能應用中分為兩方面：短距離移動通信，如RFID、Wi-Fi，以及遠距離移動通信技術，如4G、5G。無線通信技術演進發(fā)展的方向主要是如何高效服務車聯(lián)網(wǎng)領域的智能應用。無線通信技術的發(fā)展趨勢是高頻率、高速率、強安全性、高穩(wěn)定性。
2.1RFID技術
RFID（RadioFrequencyIdentification，射頻識別）即電子標簽，是一種非接觸式的自動識別技術，通過電訊號實時、準確地對高速移動目標快速識別。射頻識別系統(tǒng)包括應答器（可供識別標簽），閱讀器（讀取標簽信息）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用。RFID加強車輛之間的互聯(lián)通信，保證了信息數(shù)據(jù)的安全性和準確性，為車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的運作提供支持。在商業(yè)應用上，該項技術應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
GNSS的全稱是全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GlobalNavigationSatelliteSystem），它是泛指所有的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，包括全球的、區(qū)域的和增強的，如美國的GPS、俄羅斯的Glonass、歐洲的Galileo、中國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，以及相關的增強系統(tǒng)，如美國的WAAS（廣域增強系統(tǒng)）、歐洲的EGNOS（歐洲靜地導航重疊系統(tǒng)）和日本的MSAS（多功能運輸衛(wèi)星增強系統(tǒng)）等，還涵蓋在建和以后要建設的其他衛(wèi)星導航系統(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（用戶設備部分）構成。目前車載GNSS定位系統(tǒng)是通過手機信號傳輸?shù)骄W(wǎng)絡系統(tǒng)實現(xiàn)定位、導航、授時等功能，可將車輛信息及時反饋，提供導航服務。
2.3Zigbee技術
ZigBee基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，是一種近距離、低復雜度、低速率、低成本的雙向無線通信技術，主要適用于工業(yè)控制、汽車自動化等領域，可以嵌入各種設備。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
專用短程通信（DedicatedShortRangeCommunication，DSRC）基于IEEE802.11p通信標準，是一種高效的短距離，應用于V2X的無線通信技術，有效覆蓋區(qū)域為3~30米，主要對車輛和道路有機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)議構成，主要缺點在于通信覆蓋距離短，需要針對基礎設施進行大規(guī)模改造和投入，成本較大。
2.5Wi-Fi技術
Wi-Fi（Wireless-Fidelity）基于IEEE802.11協(xié)議，是無線局域網(wǎng)（WLAN）中的一個標準，覆蓋范圍廣，信息傳輸速率快，可實現(xiàn)局部區(qū)域內的高速無線連接。2016年最新公布的802.11ahWiFi標準——WiFiHaLow，HaLow的覆蓋范圍可達到1千米，信號更強，且不容易被干擾，使得Wi-Fi在理論上可以被運用車輛網(wǎng)的發(fā)展。
2.6C-V2X技術
C-V2X技術（Cellular-V2X，蜂窩車聯(lián)網(wǎng)）是指基于蜂窩網(wǎng)絡的V2X技術，該技術在DSRC技術之后推出，都具備車輛之間進行直接無線通信，包括LTE-V2X以及正在發(fā)展的5G-V2X技術，提供兩種接口-Uu（蜂窩網(wǎng)絡-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；5G-V2X主要面向承載自動駕駛業(yè)務。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，支持網(wǎng)絡覆蓋范圍廣、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)點直接進行通信，即D2D（devicetodevice）通信模式。相比DSRC技術，C-V2X技術在通信覆蓋范圍、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)關基礎設施，對現(xiàn)有基站設施進行改造即可使用，節(jié)約了經(jīng)濟成本[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，國務院辦公廳《新能源汽車產業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》中“加快基于蜂窩通信技術的車輛與車外其他設備間的無線通信（C-V2X）標準制定和技術升級”，表明我國正在快速推進C-V2X車聯(lián)網(wǎng)通信技術的產業(yè)化發(fā)展和應用推廣。
2.7UWB
UWB（ultrawideband，超帶寬）是一種無線載波技術，以極低功率在短距離內高速傳輸數(shù)據(jù)。UBW技術，基于IEEE802.15.4協(xié)議，具有系統(tǒng)復雜度底，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定位技術在安全性上具有明顯優(yōu)勢，相比藍牙技術、Wi-Fi，UWB具有強大的抗多徑干擾能力。UWB技術應用按照通信距離可以分為短距離高速應用和中長距離（幾十米以上）低速率應用這兩類。UWB技術車聯(lián)網(wǎng)領域中具有廣泛的應用場景和發(fā)展?jié)摿Α?/p>
35G無線通信技術車聯(lián)網(wǎng)應用現(xiàn)狀
無線通信技術在車聯(lián)網(wǎng)的應用用：RFID用于對特定目標進行識別，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)絡內信息的傳輸以及共享，等等。每種技術都不能完全體現(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。當前階段，如何實現(xiàn)5G無線通信技術與其他技術融合，使不同技術的作用最大化，是車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的新方向。隨著無線通信技術和自動駕駛技術的快速發(fā)展，車聯(lián)網(wǎng)技術正在邁向新階段，其在智能交通領域的應用發(fā)展分為三個階段，如圖2所示[4]：無線移動網(wǎng)絡與智慧交通的發(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)絡加快推進了車聯(lián)網(wǎng)技術通過感器收集處理車輛運行參數(shù)，還能夠提供其他智能服務；隨著5G技術的發(fā)展，5G技術一旦投入使用便會成為車聯(lián)網(wǎng)應用當中的關鍵技術應用，車聯(lián)網(wǎng)可以依靠5G網(wǎng)絡彌補傳統(tǒng)移動通信網(wǎng)絡存在的傳輸帶寬不足、網(wǎng)絡時延較大的缺陷，高速率、低時延、大聯(lián)接的技術特性連接處理網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)，并將分析結果快速反饋給信息需求用戶，降低系統(tǒng)響應時間，提高信息傳輸?shù)木珳市?，降低對高精度傳感器的依賴，從而降低成本，催生更多的車?lián)網(wǎng)應用場景，實現(xiàn)更加舒適的智能生活體系。目前，V2X的技術方向分為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，有效降低了芯片復雜度及生產成本；在產業(yè)層面，LTE-V2X可以通過現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡基站設備進行升級部署，DSRC則需要安裝新的路測設備，生產成本大；在車輛網(wǎng)嵌用方面，LTEV2X能被應用于V2X的所有領域，而DSRC只能被應用于V2V以及V2I[5]。5G-V2X是5G通信的V2X標準，V2X將是5G網(wǎng)絡的一部分，5G-V2X有融合LTE-V2X及DSRC的可能，為車輛提供更安全、更高效、更便捷的服務能力。
4結束語
人類文明進步的本質是消除信息熵（打破信息不對稱）的效率加快，車聯(lián)網(wǎng)技術提升了人類在交通場景所獲得關于交通信息的能力，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)絡技術、移動邊緣技術、網(wǎng)絡切片等5G關鍵技術與車聯(lián)網(wǎng)技術深度融合，把車、路、人、云等有機互聯(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、相關法律法規(guī)有待完善等方面。智能交通產業(yè)正蓄勢待發(fā)，無線通信技術的應用前景在看到機遇的同時也要積極主動解決困難。
參考文獻
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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
