智能车与网联技术分析

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　　【摘  要】为了助力车联网技术科学的普及，主要介绍车联网产业政策及标准进展，并系统介绍了车联网发展的目标、车联网的组成、系统架构、解决方案、关键技术、测试方法、网络安全、基础建设及产业链急需突破的技术，比如芯片及传感器的成本问题等。
　　【关键词】V2X技术;车-路-网-云协同;边缘计算;切片技术;智慧交通
　　doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.01.015        中图分类号：TN929.5
　　文献标志码：A        文章编号：1006-1010（2020）01-0080-06
　　引用格式：郄广， 张岩. 智能车与网联技术分析[J]. 移动通信， 2020，44（1）： 80-85.
　　0   引言
　　智能化与网联化是未来汽车发展方向，虽然没有V2X，传统车通过人工智能技术决策，在一定程度上也可以实现自动驾驶，但无法真正地实现全场景自动驾驶，也无法实现智慧交通，比如在恶劣天气或光线剧烈变化情况下如果仅仅依靠单车视觉识别路口红绿灯指示信息，无法做到绝对准确。
　　据网络数据统计，中国汽车年销量已连续多年世界第一，目前我国汽车保有量约2亿多辆，占全球约20%，平均销量占世界25%以上，目前我国千人汽车保有量140台。随着汽车保有量的不断增加，5G移动高速网络以及物联网的发展，车载智能终端作为智能网联汽车的核心部件之一，可以使传统汽车实现车联网功能，实现车辆的远程管理，促进智能网联汽车的发展，未来可实现“智慧交通”、全自动驾驶，提高出行效率，减少交通事故。
　　1    车联网产业政策背景
　　全球车联网产业在信息技术带动下创新发展日趋活跃，目前处于市场爆发前的战略机遇期，国内外厂商纷纷布局争夺产业主导权和制高点，我国V2X车联网发展相对较晚，但发展非常迅速，政府高度重视车联网发展。我国国家层面于2017年成立车联网产业发展专项委员会，在国家制造强国建设领导小组下设立，由工信部、发改委、科技部、交通运输部、财政部等20个部门和单位组成，负责组织制定车联网发展规划、政策和措施，协调解决车联网产业发展重大问题，统筹推进产业发展。
　　此外，为支持自动驾驶技术发展，工业和信息化部、公安部、交通运输部联合发布了《智能网联汽车道路测试管理规范（试行）》（以下简称《管理规范》），为自动驾驶汽车上路测试提供了政策依据，北京、上海、无锡等城市先后出台了地方性道路测试管理规定。2018年6月，工信部与国家标准委联合印发了《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（电子產品和服务）》系列文件，确定到2020年，基本建成国家车联网产业标准体系，规范车联网产业发展。2018年11月，工信部印发了《车联网（智能网联汽车）直连通信使用5 905—5 925 MHz频段管理规定（暂行）》[2]，规划了5 905—5 925 MHz频段共20 MHz带宽的专用频率资源用于C-V2X直连通信技术。2019年5月，工信部组织全国汽标委编制了《2019年智能网联汽车标准化工作要点》，进一步贯彻落实《国家车联网产业标准体系建设指南》。
　　我国C-V2X技术发展趋于成熟。目前中国已基本完成LTE-V2X相关接入层、网络层、消息层和安全等核心技术标准，标准体系初步形成。期间大唐移动等国内核心企业参与了LTE-V2X国际标准制定工作。此外为了推动LTE-V2X标准在汽车、交通、公安、通信行业的应用，一方面推进LTE-V2X标准转升为国标，便于跨行业采用;另一方面在汽车、交通、公安行业，开展功能需求和系统技术要求等标准制定。其中包括升级《基于LTE的车联网无线通信技术网络层技术要求》、《基于LTE的车联网无线通信技术消息层技术要求》、《基于LTE的车联网无线通信技术安全技术要求》[1]、《面向LTE-V2X的多接入边缘计算 业务架构和总体需求》、《面向LTE-V2X的多接入边缘计算服务能力开放和接口技术要求》等规范为国标，制定《十字交叉路口预警、车辆编队行驶等功能应用》行标和国标等。当前大唐移动等国内核心企业和政府层面全力推进和落实C-V2X国际和中国的标准工作，将助力C-V2X车联网产业健康快速发展。
　　2    关键技术研发
　　2.1  车联网体系架构及解决方案
　　车联网发展的目标是实现自动驾驶和自主交通，车联网不仅是实现车路协同，更是实现“车-路-网-云”高度协同，网联化是一种基于新一代通信的C-V2X无线通信技术，支持车与车、车与路、车与人通过直通方式进行收发数据外，也包含基于5G上下行通信链路连接的边缘计算或云平台的信息服务，因此C-V2X网络具备专用短程直接通信与蜂窝通信的短时延和广覆盖优势。
　　2018年，大唐移动首次提出面向智能网联车辆的“三网融合5G智能网联解决方案”。“三网”指的是车内网、车际网以及车云网。“三网融合解决方案”是将“云、管、端”三者跨界结合为车云互联网，承载车联网的内容分发和回传。“云”即云平台和业务应用平台，负责网络回传数据的计算和处理以及控制信息的生成。“管”即管道，负责终端采集数据的回传和控制信息的分发。“端”即终端，作为系统的末端，负责系统原生数据的采集和云端系统控制指令的执行。三网协作融合车联网系统解决方案，可提供各种场景智能网联业务，主要涵盖“安全、效率、信息服务”，比如高效编队行驶、智能最优车速策略、超视距防碰撞、盲区检测、安全精准停靠、实时车路协同、智慧远程驾驶等应用。
　　5G车联网网络拓扑图如图1所示： 　　2.2  车联网关键技术
　　车联网是指通过装在车辆周边或路边的雷达、摄像头等视觉传感器与车载终端，采用C-V2X技术实现V2V、V2I、V2N的互连互通收发数据，并在MEC或云服务平台上对数据进行分析处理再将信息结果反馈给车端，提升行车安全、效率和信息服务水平，因此实现完全自动驾驶离不开云、管、端的协同配合。
　　在车端，传感器技术是一项基础的物体识别技术，在车联网中，主要涉及到的传感器有汽车外部环境监测传感器，视觉传感器通过模拟人的眼睛，利用环视摄像头合成汽车周围近距离的环境图像，单目摄像头通过调整焦距生成远距离图像。在视觉传感器中，摄像头的优势是能识别平面事物，尤其是色彩和文字标识，比如路口红绿灯或限速指示牌，也可和其他传感器互为备用（部分传感器故障），增加准确和安全系数。超声波传感器可以通过发射超声波和反射波辨别汽车到物体的距离。毫米波和激光雷达传感器基本原理也是通过电磁波或光波遇到障碍后的反射信号，实时计算出智能汽车与障碍物的距离和相对速度，汽车车头与车尾安装的77 GHz雷达能实时探测其他车辆的速度，并通过增加摄像头等传感器冗余度来提升安全系数。
　　高精度定位是实现无人驾驶的关键技术之一，位置信息精度越高，车联网相关业务成功率、安全性、可靠性越高，比如网联车精准停靠业务，其精度往往需要达到厘米级。在室外无遮挡场景下，通常采用的高精定位方法包括中国北斗、美国GPS、欧洲伽利略、以及俄罗斯的GLONASS卫星导航系统以及基于无线微蜂窝网络的AOA和TOA定位方法。而位置定位技术在卫星遮挡或受到干扰情况下更为复杂，为满足隧道或室内遮挡场景下定位性能要求，近几年来相关企业、高校科研机构经过不断探索研究，市场导航方法已经多元化，比如利用蓝牙、WLAN等无线网络来实现遮挡场景下移动终端的定位技术，其定位精度可达米级，而采用超宽带技术甚至可达0.1米级精度，但需要布放大量的基础射频器件。部分商用市场采用综合定位方法比如GPS+惯导、GPS+高精地图+摄像头识别算法（特征物匹配）等相关技术，精准度、复杂度与经济性之间的平衡，也是室内定位系统开发的难点。
　　实现自动驾驶除需要高精地图、高精定位、外部传感器外，同时也离不开芯片对多路高码率图像，以及各种辅助信息实时的处理运算能力。车载芯片对可靠性要求高，与普通消费类电子芯片相比，不仅对不良率和工作环境温度要求高，并且在设计周期和供货保障期上也更加长。目前国际主流车载芯片厂商包括NXP、海思等。
　　在管端，无线通信网络负责终端采集数据的回传和控制信息的分发，C-V2X车载设备包括：
　　（1）车载单元（OBU），可实现车与车（V2V）、车与路测单元RSU（V2I）之间的直通链路通信，其中空中接口称为PC5接口;与NR基站之间的上/下行链路通信方式，其中的空中接口称为Uu接口。车载单元上需要集成4G、5G、LTE-V通讯芯片模组，车载单元基本功能包括信息交互、信息安全加密、设备告警和感知信息处理。具体功能主要有车载感知数据融和计算、时钟同步、位置信息定位处理、协议转换、周期性或事件性数据收發、CAN总线数据读取或输入等，支撑自动驾驶决策器融合决策。C-V2X模式支持频段至少包括5 905—5 925 MHz，设备接口支持USB/CAN/UART/以太网口，满足R14标准及规范要求。
　　（2）路侧单元（RSU），将路口和路侧激光雷达、摄像头、红绿灯等感知设备经过协议转换后的原始图像数据通过Uu上传至云服务器，或通过路口MEC融和计算后的信息通过PC5口广播给附近的道路交通参与者，路侧单元同时具备4G UU与PC5接口，并具备面向5G接口拓展能力，部分设备具备单独PC5能力，频段和接口支持能力同车载模块，5G时代到来后，RSU产品形态将更加多样化，比如5G Uu+LTE-V2X PC5版本，或者LTE-V2X PC5+5G NR-V2X PC5版本。
　　（3）5G系统设备，主要包括5G基站与核心网设备，其中安全相关的网络切片技术和时延相关的边缘计算将推动车联网无人驾驶快速落地。网络切片通过虚拟逻辑划分不同网络服务于各个垂直行业，能够体现按需定制、安全隔离、灵活保障、快速部署等优点，带来灵活性的同时也引入了管理的复杂性。一个网络切片的功能类似于一个独立的物理网络，是一个端到端的逻辑网络，涵盖整个网段，包括终端、基站、传输层、核心网、控制面和业务面应用，按业务的需求提供灵活可配的多种网络服务。
　　车联网云端按照“中心云-边缘云-路侧云”层次多级部署，其中，中心云平台：负责全局算法，实现路径动态规划;边缘云平台可以实现局部交通管控，例如：红绿灯智能控制、交通拥堵等，边缘云需要将网络业务面功能下沉到无线网络边缘，在车联网中最大限度降低了端到端的响应时延，原有的云管端网络计算架构具有网络接序路径长及时延大的弊端，尤其是在对低时延高可靠性要求极高的车联网领域，不具备实际部署价值，在引入MEC以后，车联网的核心算法的计算处理单元从云端下沉到网络的边缘，在极大降低时延的同时也提高了网络的可靠性。网络边缘（MEC）采用标准的机架式服务器，提供流量卸载TOF、业务生命周期管理等功能，并提供具有扩展能力的IAAS及PASS级的计算平台，供第三方软件直接部署，MEC平台部署的应用及服务如图2所示。
　　路侧云平台（即RSU云平台）功能：实现一些即时的业务处理以及路口的交通管控，例如：路侧摄像头等感知数据的处理、十字路口防碰撞等。
　　2.3  车联网安全
　　智能车网联化应用的基础是低时延、高可靠通信网络，它的推广将是物联网数量最大应用方向之一，因为车联网涉及到人的生命财产安全和公共安全，其所关联的数据通信安全尤为重要。随着全国各地车联网示范范围不断扩大和部分地市网联车商用的落地，所受安全攻击和被控制的概率也逐渐增多。车联网产业较长，在车联网基本架构“端—管—云”体系下，每个网络节点都可能是黑客入侵的突破口，各个网络环节都是防护重点。从产业链的角度讲涉及到终端设备、系统设备、传输设备、以及云端服务器[3]，关联的主要厂商有芯片设计和制造商、通信设备集成商、整车集成厂、系统软件和应用软件供应商、通信运营商、网联应用服务提供商等，包含通信数据安全、业务功能安全、CAN总线控制安全等各个方面。 　　车联网整个系统复杂环节众多，只有清楚地了解各个环节的设备和功能才能针对性的预防，其中容易受到攻击的部分主要包含如下三部分。
　　（1）端：主要负责车辆环境的感知、决策控车及信息收发功能，涉及CAN总线网络、车辆决策判决系统、信息娱乐系统、手机及通信软件，与整车连接的感知设备局域网系统等。
　　（2）管：主要负责V2V及V2N之间相关通信，包括网联车之间PC5接口无线通信，OBU和RSU到基站的Uu口通信和基站到云端的有线网络通信，其中PC5和Uu口的无线通信是车联网的关键技术，涉及的设备主要包括OBU、RSU、基站、传输网络、核心网，目前相关节点的检测、认证、隔离算法机制在不断完善之中。
　　（3）云：主要负责数据存储、计算及算法部署，節点包括边缘云、路边云及远端中心云服务器等。
　　因此在车联网安全领域，主要围绕端、管、云协同配合的策略来完善相关防护措施。
　　（1）终端侧，采用终端和网络双向认证的方法来杜绝假冒终端监听或攻击网络，使接入到网络的终端为合法登记终端。终端集成芯片加密技术，从底层对数据报文进行加密和监听分析，相当于对终端进行二次加密，所有输入的数据都是加密过的，即便被破解密码获取到的内容也都是乱码，以增强基础安全数据抗破解能力，终端底层植入入侵检测系统，以便在漏网之鱼突破系统时进行预警，此外芯片防护还可以加强对终端应用程序的启动和非法软件安装的监控等。
　　（2）网络通信：网络切片技术是一种虚拟化专用网络，部署灵活，可以为车联网用户提供端到端的安全隔离机制，网络切片之间互不影响，它涵盖了终端、传输网和核心网侧，该虚拟专用网络还继承了传统移动网络的注册认证、鉴权和数据的加密、完整性保护等算法，加强终端访问控制，降低了攻击风险。此外接口侧可以部署异常流量检测芯片进行监控，切实提升车联网专用网络安全能力。
　　（3）云平台：云平台是数据处理的中心，应用软件部署的平台，提供全面的信令面和用户面安全保证机制。云平台服务以Restful API形式提供，依照相关标准进行授权认证。为防止伪造攻击和中间人攻击，云平台和边缘应用之间使用TLS双向数字证书认证方式，确保双方通讯消息的保密性和完整性保护。云平台还提供FaaS（Firewall as a Service）防火墙即服务，可通过设置严格的白名单规则，对边缘应用之间、边缘应用和MEC服务之间等进行严格的网络访问控制和安全隔离。
　　端管云安全模式如图3所示：
　　车联网安全应以满足汽车生产及应用为首要目标，下一步应与汽车生产企业紧密合作，注重来自于车厂的产业需求，寻求高效、便捷的安全技术方案。同时，参与各方应做好沟通衔接，搭建测试平台，分阶段推进技术方案测试验证及优化，为安全技术方案落地提供测试依据。
　　3   车联网的技术试验
　　车联网设备不同于一般消费产品，车辆感知决策关系着汽车与人身安全，对功能安全要求更高，因此用于汽车方面的半导体面临的环境更严苛，对可靠性要求很高。
　　作为C-V2X标准的引领者和产业推动者，中国信科全面支撑了蜂窝车联网从标准制定到研发、测试、示范的重要工作，并且通过了车联网相关设备的物理层测试、协议层测试、互通测试，其中包括：
　　（1）最大发射功率，考察终端的发射功率是否符合标准，如果过大会影响同频段的其他设备，如果过小又达不到规定的覆盖范围。
　　（2）频率范围测试，根据《车联网（智能网联汽车）直连通信使用5 905—5 925 MHz频段的管理规定》定义，车联网频段限制在5 905—5 925 MHz共20 M带宽。带宽合法测试主要目的用于检验车载单元和路测单元发射机的发射带宽是否超出规定的频率范围，以避免造成通信系统之间干扰。
　　（3）杂散发射测试内容，杂散发射是指除带外杂散以外由谐波发射等产生的非期望发射，这项指标更需要进行严格的限制，否则会对其他用户系统造成严重的干扰。2018年11月，全球第一例跨通信模组、跨终端提供商、跨整车厂的C-V2X互通测试成功完成，体现了中国C-V2X标准及产业的成熟度，其中大唐移动为8家终端中的6家提供C-V2X通信解决方案，与11家车企中的7家完成深入对接，并独家提供路侧通信解决方案。
　　当前，中国信科已经具备完善的车联网产业链，尤其在车载V2X终端、安全、高效交通管理、智能车辆感知、应用大数据等方面可提供产业支撑，具有一定的领先优势，其中，大唐移动“5G+网联智能汽车”解决方案已成为公认的业界领先车联网系统解决方案，并已在多地共同开展智能网联应用，在上海、重庆、厦门、天津、郑州、武汉等地的国家级智能网联汽车示范区以及V2X测试示范区，都广泛部署了大唐移动C-V2X系列商用产品，包括路侧单元（RSU）、车载单元（OBU）等，经过测试均稳定可靠。
　　在车联网应用的初期，电信运营商、通信系统设备商、应用服务商、交通管理部门、行业业主和车企等多家企业联合起来，通过合作共赢、优势互补的方式，快速推出面向市场成熟可用的车联网解决方案，共同打造车联网生态圈。这是车联网应用初期比较常见的商业模式，其中图4体现了车联网业务的生态合作模式，可指导相关产业合作与项目工作开展。
　　4   网联基础设施建设
　　对于智慧交通的建设，一是包括基础设施，没有智能化的道路环境来支撑，很难完全做到无人驾驶，这是网联化的基础，构建聪明的路设备主要包含以下方面。
　　（1）V2N通信网络：4G、5G基站。
　　（2）V2I专用路侧通信基础设施：路侧单元RSU、
　　（3）路侧和路口感知设备：包括路口部署的激光雷达、毫米波雷达、摄像头、交通指示灯等各类环境检测和指示设备以及路侧的限速标识、桥梁施工指示、标线、护栏等交通设施智能化。 　　（4）MEC（多接入边缘计算/移动边缘计算）设备。
　　二是智能感知，车的智能化首先要有智能化的传感器，环境感知功能要精密准确。
　　三是标准法规，包括测试评价体系几个方面支撑，评价方式首先是基于事故和场景的分析，其次是对系统性测试工况评价，最后是做整车级的试验工况评价。其内容包括无人驾驶技术功能安全测试、信息安全测试、仿真测试、公开道路测试，包括路径的决策规划、局部和全局路径的规划辅助、底盘控制、人际交互感知等，同时国家出台了相关法规。
　　乘用車板块：1）新版C-NCAP将于2018年7月1日正式实施，AEB追尾、AEB行人成为正式评价项目。2）AEB/LKA/BDS等ADAS国家标准法规陆续出台。
　　在商用车板块：1）国家标准方面已于2018年1月1日发布GB7258强制标准要求：2020年 ESC （车高大于3.7 m，未设置乘客站立区域），2021年AEB（车长大于11 m公路客车、旅游客车），2022年LKA（车长大于11 m公路客车、旅游客车）。2）交通部在营运客车提出针对智能网联方面的的强制性要求于2017年4月出台，2018年4月强制实施，《营运客车技术条件》强制安装FCW及LDW，2019年将强制实施AEB要求，并发布《营运货车技术条件》。
　　后续随着大数据、云计算、移动网络和物联网的不断发展和兴起，车联网大数据平台将车辆数据、车机数据、用户数据、厂商数据、业务数据、第三方数据等，利用设备传感器、外部数据导入集成等多种技术手段收集起来，并储存到自建的数据中心或者云端数据平台中，进行一定规则的清洗加工转换等逻辑处理，再结合多种业务需求和业务目标，进行汇总统计、BI、机器学习和算法分析等深入挖掘，提供丰富的数据服务，以更好的服务反馈给用户和自动驾驶车企，推动无人驾驶向更高阶段发展。
　　5   结束语
　　随着芯片技术、通信技术、AI技术、大数据技术不断演进融合，物联网的范围在不断扩大，物与物的数据交互比重在不断加大，促使交通和城市向智能化和自动化转型变革。其中的智慧交通和自动驾驶系统都依赖传感器对周围环境的感知，随着5G低时延和MEC计算的到来可以实时对交通参与者做出正确的反应。
　　大唐移动在网联技术已经深耕多年，在多接入边缘计算（MEC）平台与C-V2X技术融合创新发展方面持续投入，具备一定优势，是今年重点验证推广的内容。目前基于大唐移动边缘计算平台SmartEdge打造的C-V2X MEC测试床，可接入路测设备RSU、移动终端、车载终端OBU等多种车联网终端，并配合大唐移动核心网和5G基站设备，致力于帮助客户构建车云网、车际网、车内网三网融合的智能车联网解决方案和落地应用。
　　无人驾驶是大势所趋，是综合技术深度融合的结晶，其中包涵传感器技术、芯片半导体技术、高精定位技术、V2X网联技术、边缘计算技术、大数据存储分析技术等，随着政策的导向与5G网络覆盖和车联网示范应用区不断扩大，必促使相关产业、网联技术与智能车的深度融合，最终会加速无人驾驶快速落地。
　　参考文献：
　　[1]      中国信息通信研究院. 车联网白皮书[R]. 2019.
　　[2]     中国信息通信研究院. 无锡市车联网先导性应用示范白皮书[R]. 2019.
　　[3]     IMT-2020（5G）推进组. LTE-V2X安全技术白皮书[R]. 2019.
　　作者简介
　　郄广（orcid.org/0000-0001-7215-8964）：工程师，现任职于大唐移动通信设备有限公司，主要研究方向为5G车联网技术、MEC与C-V2X融和应用、算法研究及C-V2X标准。
　　张岩：高级工程师，硕士，现任职于大唐移动通信设备有限公司，主要研究方向为5G车联网技术、MEC与C-V2X融和应用、算法研究及C-V2X标准。
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