蜂窝车联网设计初探

　　智能车联网近几年发展非常迅速，所采用的无线接入技术除了以IEEE802.11p为基础的DSRC，以LTE为基础，包含LTE-V2X，并逐步向5G演进的蜂窝技术也积极拓展车联网应用领域。本文主要针对智能车联主要业务需求，探讨蜂窝车联网技术方案及其演进。

智能车联主要业务需求

　　据公安部交管局统计，截至2016年底，中国机动车保有量达到2.9亿，其中汽车保有量达到1.94亿，平均每百户有36辆私家车。一方面，汽车保有量的剧增，使得有限的承载空间与迅猛增长的道路交通需求的矛盾日益加剧，交通拥堵、行车安全监管困难、停车难等问题严重制约城市功能发挥和社会经济发展。在北京、上海、广州、深圳等超级大城市，这种情况更加严峻。另一方面，机动车保有量的迅猛增加，使得交通事故层出不穷。公安部交管局的统计数据显示，2016年全国共发生汽车责任道路交通事故16.52万起，造成5.18万人死亡、16.828万人受伤。如何有效降低交通事故，提高汽车驾驶安全保障，成为智能交通和车联网重点要解决的问题。此外，如何让智能车联生态圈的各块持续健康地发展，挖掘新商机，产生新价值，也是蜂窝车联网技术方案在设计时需要考虑的。概括来说，现阶段智能车联网需要满足以下5方面的需求：

　　●　主动安全类：例如车辆安全距离控制、转向/换道提醒、紧急刹车提醒、超速控制、驾驶员疲劳监控等；这类需求要求较低的时延（<100ms，前向防碰撞要求<20ms）和较高的可靠性。

　　●　交通效率类：例如交通流量检测、交通诱导、区域拥堵管控、限行区域车辆管理等；这类需求要求较高的可靠性、较大的吞吐量。

　　●　车辆安全管理：例如假套牌车稽查、治安卡口监控与管制、违法车辆查证及历史回溯、车辆被盗追踪和监控等；这类需求要求较高的可靠性、较大的吞吐量、无缝覆盖等。

　　●　公众出行服务：例如实时路况信息发布、智能交通诱导信息发布、实时导航、停车位查询预订、智能停车等；这类需求要求秒级的时延，较高的吞吐量和无缝覆盖。

　　●　车联网大数据及增值服务：这类服务与服务提供商协作进行数据分析，帮助第三方创造新的商业模式，实现数据变现，包括汽车保险行业数据分析支撑、运营汽车行业数据分析、其他行业数据关联分析产生的价值等；这类需求要求能够采集丰富的原始数据，安全可靠的云端数据平台，以及灵活开放的应用对接。

　　随着智能车联网的逐步发展以及5G时代的逐步来临，相关行业和标准组织例如3GPP进一步识别了蜂窝车联网下一阶段需要支持的业务场景，并定义了相关需求。

　　●　车辆编队行驶（Vehicle Platooning）。使得多个相同目的地的车辆自动编队，车队内部进行行驶信息共享，车间距离可以非常小，驾驶员只需要对头车进行管理和驾控，后车可以跟着头车实现自动驾驶，从而达到节省能源消耗、提高行驶效率和安全等目标。

　　●　高级驾驶（Advanced Driving）。这类需求主要用于支持车辆半自动或全自动驾驶。根据SAE的定义，自动驾驶分为5个层次：L0-无自动化（No Automation）、L1–驾驶辅助（Driver Assistance）、L2–部分自动化（Partial Automation）、L3–有条件自动化（Conditional Automation）、L4–高度自动化（High Automation）、L5–完全自动化（Full Automation），高级驾驶类的场景针对L3以上。车辆之间距离比较大，车-车、车-路、车-人、车-云之间的数据交互丰富而迅速，以达到支持自动驾驶或无人驾驶的目标。

　　●　扩展的传感数据（Extended Sensors）。这类需求将车-车、车-路、车-人、车-云之间的数据共享做到极致，数据种类更加丰富，不仅是车本身数据、静态地图数据、原始数据，还有车周边环境的数据、实时的动态感知数据，以及经过本地处理的信息等；系统能够更加智能化和灵活地实现信息共享，使得车联网中的每个节点可以有自己的数据视图，而不同层面的车联网数据管理者则能够拥有对应层次的数据视图，为分层次管理与数据价值构建奠定基础。

　　●　远程驾驶（Remote Driving）。这类需求主要帮助远端的驾驶员或者云端V2X应用远程操控车辆以帮助无法驾驶的乘客，或完成恶劣危险环境下的驾驶作业。

　　蜂窝车联网在架构设计时不仅要考虑当前的需求，还要具备灵活的前向可扩展以支持更高要求的车联网业务。

蜂窝车联网系列技术：LTE、LTE-V、5G与DSRC

　　蜂窝车联网技术包含LTE、LTE-V2X以及5G系列技术。

　　现有的3G/4G无线通信网络已经可以支持一些公众出行服务类、车联网大数据及增值服务类业务，也可以支持部分交通效率类、车辆安全管理类业务，也就是说对于时延要求不高（秒级），在已有的数据采集方式和业务平台上，已经可以部分支持。

　　但是对于主动安全类业务，如前车防碰撞、换道行驶等场景，因为需要比较苛刻的低时延数据传输（<100ms，甚至有时需要20ms），已有的4G网络无法支持，需要进行针对性设计。LTE-V技术就在这样的背景下诞生。第一个LTE-V标准版本在2016年9月正式发布，主要针对V2V，即车-车通信技术，在PC5接口进行了增强，目标是达到现有的DSRC技术能力要求；进一步完善的LTE V2X标准在2017年3月发布，主要针对Uu和PC5进行了增强，例如利用下沉的多播广播（eMBMS）技术支持Uu接口上有效的信息共享、半静态调度（SPS）增强支持低时延等。

　　除了无线接入技术的增强，在蜂窝的网络架构方面，随着MEC边缘计算技术的逐步成熟，蜂窝车联网技术在支持端到端低时延方面也取得了长足的进步。

　　蜂窝车联网系列技术与DSRC技术对比见表1。

　　由表1可以看到，蜂窝车联网相对于DSRC，一方面在覆盖外可以提供与DSRC相当的技术能力，另一方面在覆盖内，依托LTE网络通过基于调度的方式进行资源分配，避免干扰；同时随着蜂窝技术向5G演进，系统将提供更低的时延（<1ms）、更高可靠性（99.999%）、更高的数据吞吐量、更精准的室内外定位、更大的车辆密度、超高速行驶速度等。

　　计划于2018年6月发布的5G第一个标准版本能够支持eMBB（增强的移动宽带）和uRLLC（超低时延高可靠）需求，同时在网络架构方面引入了网络切片技术，结合虚拟化以及业务编排技术，可以根据客户和场景的需求，灵活动态地定制网络能力，并支持不同场景和客户的业务与信息流的隔离和安全保护，从而在一张物理通信网络上同时实现多个软网络，满足不同车联网客户和车联网场景的需求。一个切片实例就可以看作一个虚拟的车联网络。

　　因此，5G应该是真正意义上能够全面支持智能车联各种类别应用的无线网络接入技术。在5G商用部署之前，LTE+MEC、LTE-V2X、DSRC可能针对某类车联网应用场景针对性部署。

安全、增效、增收——中兴通讯蜂窝车联网方案

　　安全、增效、增收是中兴通讯车联网的核心价值定位。按照物联网基本层次结构，即从下至上分别为感知层、网络层、平台层、应用层，中兴通讯车联网定位在智能车联整体架构的网络层。依托LTE以及未来5G整体网络，根据车联网不同服务需求，方案提供灵活动态的车联网网络能力。

　　面向感知层，支持多种标准的无线连接技术，如LTE、5G、LTE-V2X、DSRC等，实现车-车-路-人等节点数据采集，以及实时数据交互与共享。

　　面向平台和应用层：一方面，通过LTE/Pre5G/5G蜂窝通信基础设施为智能车联网内的各节点提供更大的吞吐量、更多的接入数量，支持大密度大吞吐量数据交互，也能够利用网络切片技术灵活提供定制化的智能车联网弹性管道，按需服务，更有效地利用网络资源。虽然网络切片技术和虚拟化技术是5G架构的关键技术，但也可以用在4G以及Pre5G网络中。这里虚拟化是技术基础，核心网网元虚拟化以及网络功能虚拟化技术的逐步成熟，促使按需编排的网络切片技术也能逐步引入到4G以及Pre5G网络中。另一方面，在网络边缘如基站等更贴近用户环境的地方，基于符合标准的MEC本地业务托管环境，部署车联网服务，从而为车载用户提供更低的端到端业务时延、更精准和安全的本地服务，为安全驾驶提供更多的车辆及行驶环境信息，为减少城市交通拥堵提供更多技术手段。这类车联网服务包括车-路行驶相关视频信息本地分析与处理、本地智能停车、交叉路口智能交通导引等。同时，MEC这类本地业务托管环境的部署能够帮助通信运营商采集更多用户数据，构建分布式车联网数据库，为开拓更丰富的增值服务提供基础。

　　同时，考虑到精准定位在智能车联网的重要地位，基于LTE/Pre5G/5G网络，中兴通讯车联网方案考虑引入带内高精度定位系统：符合3GPP标准接口；利用上下行信号实现网络侧和终端侧定位；利用宏覆盖和室内密集覆盖实现室内外一体化定位；支持多种定位模式。

　　随着蜂窝车联网技术的不断发展和成熟，以及技术的实践验证，一些关键问题也浮出水面，有待于业界共同探索解决。

　　●　技术选型：DSRC还是蜂窝车联网，或者各自部署在优势场景？前装车载市场导入期一般3—5年，LTE-V2X和5G的商用时间预计仅相隔1年，如何取舍？这些问题直接影响蜂窝车联网产业发展。

　　●　整车和Tier One供应商更关心端到端的数据传递时延，不仅是无线技术或者网络需要针对低时延做增强，从感知层到具体应用都需要针对低时延进行优化。但是目前没有明确的整体控制方案。

　　●　缺乏针对车联网、自动驾驶的法律法规。

　　●　车载信息数据的安全，如何保证联网后，车联网相关的用户数据不被恶意破坏，用户数据的私密性如何保证，用户数据如何安全传输，这些都需要更完善的解决方案。

　　可以预见，随着车联网技术验证的逐步推进，越来越多的部署、运营问题会涌现出来，这些问题都将对蜂窝车联网实际部署产生深远的影响。