5G时代车联网发展的机遇与挑战

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　　【摘 要】随着5G网络商用化进程的加快，5G车联网的研究和建设已提上日程。本文首先论述了当下车联网发展中的不足，然后分析和总结了5G车联网在技术、政策和市场上所面临的机遇及挑战。
　　【关键词】5G车联网;发展机遇;挑战
　　中图分类号： TN918;TN929.5;U495 文献标识码： A   文章编号： 2095-2457（2019）19-0001-003
　　DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.19.001
　　0 引言
　　随着城市化进程的推进和生活条件的改善，我国每百户家庭私家车的拥有量从2017年的36辆提升至2018年的40辆，商务部认为在接下来的几年，我国私家车的数量仍会继续增长。而许多城市的道路承载容量已经饱和，拥堵、安全事故等状况频发，成为城市发展中亟待解决的重要问题。另外，智能网联汽车、无人驾驶汽车也越来越受到人们的关注，尤其是无人驾驶汽车需要通过传感器来感知环境、采集数据，以获得行驶环境状况，并及时处理信息。为满足智慧交通、自动驾驶等应用的发展需求、解决城市交通发展难题，车联网应运而生。
　　1 车联网概念的演进
　　车联网是物联网在交通领域的衍生，随着AI、边缘算法、大数据等技术发展和应用，车联网的概念也随之改进和完善。传统车联网是利用车辆的电子标签和无线射频识别技术，通过信息网络平台提取车辆的属性信息和动、静态信息，并加以有效利用，本质是车辆位置、行驶速度和路线等信息构成的巨大交互网络[1]。
　　考虑到车联网技术和应用需求的变化，中国信息通信研究院在2017年发布的车联网白皮书中指出，车联网是由人员、车辆、道路、通信和服务平台五个要素构成，借助新一代信息和通信技术，可实现车辆与车辆（V2V）、车辆与道路（V2R）、车辆与行人（V2P）、车辆与服务平台（V2I）的全面网络连接，提升汽车智能化水平和自动驾驶能力，构建新的汽车和交通服务格局，提高交通效率，改善汽车驾乘体验，为用户提供智能、安全、高效的综合服务。
　　2 车联网的体系架构与发展现状
　　车联网的体系架构与物联网相似，由终端层、网络层、平台层和应用层构成。
　　1）终端层：包括移动终端、感知设备、显示设备、通信设备和车载终端等。
　　2）网络层：包括4G/5G/DSRC/卫星通信/卫星导航等。
　　3）平台层：包括安全连接、网络通信、驾驶辅助、增值服务、车辆协同等。
　　4）应用层：包括安全驾驶、智能交通、TSP信息服务等[1]。根据构成又可划分为三类：一是以用户体验为中心的信息服务应用;二是基于车辆驾驶的汽车智能化应用;三是以协同为核心的智慧交通应用。
　　钱志华认为车联网的发展可以分为三个阶段：导航阶段、无线通信与GPS结合阶段和车-人-网全面互动阶段[2]。陈祎根据通信技术的发展，将车联网的发展分为三个阶段：第一阶段是基于2G、3G蜂窝通信网络，提供汽车娱乐和以e-Call为代表的远程信息处理业务;第二阶段是通过LTE-V2X和DSRC等通信系统将汽车互联，提供智能交通业务;第三阶段是借助5G及5G-V2X网络，将汽车与云端连接，并结合精确位置信息，提供自动驾驶、编队行驶等业务[3]。陈祎的划分方式与车联网发展更加匹配，笔者比较赞同我国当前处于由第二阶段向第三阶段过渡的说法，并认为车联网正在从信息服务业务向安全出行和交通效率业务发展，更将逐步向支持实现自动驾驶的协同服务业务演进。
　　车联网作为移动通信设备和用户的载体，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[4]。当下车联网需要投入大量路侧单元（RSU）来支撑体系结构，消耗了更多的建设成本和能源，通信干扰和时延性也无法得到妥善的解决，且体系架构的感知层、网络层和应用层均存在不同程度的安全隐患[4]。而实现自动驾驶汽车和车联网的通信需要网络实时传输汽车导航信息、位置信息以及汽车各个传感器的数据到云端或其他车辆终端，需要更高的网络带宽和更低的网络延时，依靠当前的LTE-V2X和DSRC等通信技术无法实现[5]，也无法满足大规模车辆的数据连接和传输要求，因此亟需提升整个车联网体系的能力。
　　3 5G时代车联网发展的重大机遇
　　5G为第五代移动通信技术，具备eMBB（超大带宽）、uRLLC（超高可靠性，超低时延）和mMTC（超大连接）等特征。将5G引入车联网领域，不仅可以解决当下车联网存在的问题，而且能够充分发挥5G网络能够融合2/3G、LTE、LTE-A、WIFI、M2M等多种技术的优势，使车联网网络性能和能效得到较大提升，有助于真正开启车联网时代。
　　结合相关学者的观点，笔者认为5G车联网是基于车内网、车际网和车载移动互联网，集成传感器、RFID、数据挖掘、自动控制、边缘计算、AI等相关技术，按照5G通信协议和标准，采用基于设备到设备（D2D）的终端直接通信方式，通过车X（X：车辆、道路、行人和互联网）交互，实现车辆与公众网络的动态移动通信[4][6]。5G车联网具备较强的技术优势和市场潜力，也得到国家政策的大力扶持。
　　3.1 车联网在5G时代的技术机遇
　　5G车联网与当下车联网的主要区别在于，通过在连通体系中部署5G网络，可大幅提升网络连通性，拓展应用范围[4][6][7]。其技术优势主要表现在以下方面。
　　首先，在连通性方面。由于5G网络融合了认知无线电、全双工通信、大规模MIMO等一系列新兴技术，具备数据传输速率快、网络覆盖广的优势，因而5G车联网可以实现多实体间的信息交互、车载单元（OBU）的多网接入以及车内網、车际网和车载移动互联网的“三网融合”[6]。另外，5G网络将时延降低至毫秒级，减轻了车联网节点之间相互切换的压力，节点与节点间能够进行高质量的无缝切换，连接性能更好[6][8]，可满足自动驾驶的技术要求。 　　其次，在网络承载能力方面。5G网络具备超大带宽和超大连接的能力，能够承载爆炸式车流量增长所带来的压力，通过采取适当的流量分载算法，5G车联网可实现负载均衡，使用户获得适宜的频谱，提高用户体验水平[6]。而超大带宽可以为用户提供高质量通信，减少环境干扰，降低应通信距离过长而导致终端间连接中断的可能性，并能够适应速度更快的车辆通信。
　　再次，在精准性方面。5G车联网可利用5G基站实现与互联网的连接，并借助5G基站的中继功能和大规模的天线阵列及部署范围，可为用户提供比GPS更加精准的车辆定位，克服了GPS系统易受天气影响、网络脆弱等缺点[6]。另外，基于多车信息汇总的决策可靠性比基于单车信息基础的决策要高3个数量级。
　　此外，5G车联网可进一步提升自动驾驶的性能，减低单车部署传感器的成本，减少对高精度传感器的依赖，提高自动驾驶的安全性。若将多接入边缘计算（MEC）引入5G车联网，还可丰富和扩展车联网业务的应用场景，满足闯红灯预警、行人碰撞预警、基于信号灯的车速引导等场景对时延性的要求，将应用场景扩展至车辆感知共享、十字路口的路况识别与综合分析、高精度地图的实时分享以及大规模车辆协同等方面，有助于未来解决低抖动、低时延的可靠传输、数据与业务安全性等相关技术难题[3][9]。
　　为了更好地发挥5G车联网的技术优势，把握市场发展机遇，需要进一步解决其在干扰管理和安全性上存在的不足。虽然5G车联网采用的D2D终端直接通信方式能够通过集中化管理方式减轻一定的信道干扰，但当没有基站作为中继或管理链路时，干扰问题仍不能妥善解决[6]。考虑到5G车联网在结构、部署和架构方面的特性，用户信息存在被恶意盗取的危险，Sybil攻击是车联网身份认证系统中最普遍的一种威胁[10]。
　　3.2 车联网在5G时代的政策机遇
　　国家通过发布相关标准和计划，引导车联网健康发展。2018年6月，工业和信息化部和国家标准化管理委员会印发了《国家车联网产业标准体系建设指南（总体要求）》、《国家车联网产业标准体系建设指南（信息通信）》和《国家车联网产业标准体系建设指南（电子产品与服务）》等系列文件，以规范、引导车联网产业生态环境构建中的顶层设计，推动相关产业转型升级。2018年12月25日，工业和信息化部印发了《车联网（智能网联汽车）产业发展行动计划》，提出计划2020年后，全面建成技术创新、标准体系、基础设施、应用服务和安全报障体系，高级别自動驾驶功能的智能网联汽车和5G-V2X逐步实现规模化商业应用，实现“人-车-路-云”的高度协同，同时从组织、政策、产业体系、发展环境、人才培养以及国际合作等6个方面提出了具体的报障措施。中国信息通信研究院在2017年和2018年分别发布了《车联网白皮书》，对车联网的概念和行业发展做出解读，以期推动车联网的发展。
　　除了政策上的支持外，国家还建立试点和示范区，以验证5G车联网的可行性。我国基于在汽车制造、通信与信息以及道路基础设施建设等领域的完善和发展，已初步形成覆盖LTE-V2X系统、芯片、终端的产业链，工信部、交通部从车联网、车路协同方面积极推进国家示范区建设。怀柔建立了现阶段最大的5G车联网试点，可满足LTE-V商用车联网终端[12]。另外国家积极参与制定5G通信标准，在国内扩大宽带网络和高速公路网的规模，借助北斗导航卫星为全国提供高精确的时空服务，具备了推动5G-V2X的发展实力。
　　3.3 车联网在5G时代的市场机遇
　　互联网、大数据、云计算以及机器学习对社会发展带来的革命性影响不断深化，人类已互联网时代逐步迈进万物互联时代，车联网作为高速场景中最具明确发展方向和国家政策扶持行业，5G车联网具有极大的市场空间。
　　根据公安部统计数据，2018年全国汽车保有量为2.4亿辆，比2017年增加2285万辆，增长10.51%，参照发达国家汽车保有量增速水平，以10%增速计算，预测2020年我国汽车保有量将达2.9亿辆。按照15.0%的车联网用户渗透率估算，具备联网能力的车辆将达4350万辆左右。以每辆车需要配置3000元的硬件车联网产品价格来估算，2020年我国车联网行业的市场容量将达1305亿元。随着5G车联网能力的提升和多样化服务的加入，车联网用户的渗透比例也将明显提高，有数据表明，未来5年车联网行业用户规模的年均复合增长率在30.0%左右。车联网的市场规模将爆炸式增长。
　　此外，5G车联网的运作不仅需要硬件提供商的支持，还需要软件、通信和平台等众多企业的配合，产业链也随着时代的发展不断延伸、升级，汽车厂商、电信运营商以及互联网企业可通过硬件、平台、通信网络等来获得较高的利润回报，整个产业链的价值得到提升。
　　4 5G时代车联网发展面临的挑战
　　国内外大型汽车厂商、互联网公司，包括奔驰、通用、大众、上汽、百度、谷歌等，敏锐地察觉到5G车联网的巨大商机，纷纷加大对自动驾驶技术的研发投入，加紧市场布局。罗德与施瓦茨、华为在慕尼黑和上海分别测试了5G-V2X在远程自动驾驶控制和车辆编队的高效管理上的性能，测试结果表明5G车联网可以实现毫秒级别的延迟[11]。
　　国内各电信运营商已着手5G车联网的部署。中国移动在2019年首届5G自动驾驶峰会上，发布成立第一条5G自动驾驶车辆测试道路、5G自动驾驶联盟及领先计划、中国移动“和路通”智能ETC;中国电信重庆公司、大唐移动和中国汽研三家企业三方共同推进5G车联网产业的发展，计划在2019年内实现基于5G网络的自动驾驶落地示范应用。
　　虽然在龙头企业的积极参与下，5G车联网试验已经取得了一些可人的成果，但由于5G车联网体系结构和产业链的复杂性，在技术、行业标准以及商业模式上还存在诸多挑战，还没有得到妥善解决。
　　4.1 核心技术有待进一步突破
　　目前5G通信网络在国内还未正式商用，一些关键产品（如芯片、车载终端、路侧基础设施）还在试验阶段，未能达到商业化部署要求，且5G车联网自身在安全性和干扰管理仍然存在一定的局限性，还需要国家的支持和产学研单位的深入研究。 　　4.2 缺乏行业技术标准
　　车联网涉及到多方数据信息的交换，终端、厂商和电信运营商等企业之间有不同的信息传输标准，导致车联网架构的不同层面无法进行有效的信息沟通，因此需要建立一套适用于5G车联网的标准体系，来实现整个体系的互联互通[13]。
　　4.3 商业模式不明确
　　5G车联网产业链的结构比较复杂，包括汽车制造商、TSP（车载信息服务提供商）、通信运营商、内容和服务提供商以及设备提供商等多个对象，各方利益诉求不同，难以协调一致，网络部署方案未能统一，整个产业未能形成核心凝聚力，产业的推动进程较为缓慢[1]。
　　除此之外，由于当下车联网的功能比较单一，无法满足用户的需求，汽车厂商和相关企业也未能有效地进行市场推广，用户量较少。在5G车联网落地后，如何发掘潜在用户、提高用户渗透率也是5G车联网产业发展的关键。
　　5 结语
　　随着5G网络商用化进程的加快，国家和相关企业也都加快了研究和建设5G车联网的步伐，并取得了一些重要的技术突破，但在基础设施和核心技术上仍然存在一些难题，需要深入研究和改善。5G车联网发展之路漫漫，其期可待。
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