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V2X通信研究概述

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V2X通信研究概述方箭1, 冯大,2, 段海军2, 郑灿健3, 钱恭斌2 ...查看全部

V2X通信研究概述

方箭1, 冯大,2, 段海军2, 郑灿健3, 钱恭斌2

1 国家无线电监测中心,北京 100037

2 深圳大学,广东 深圳 518060

3 哈尔滨工业大学(深圳),广东 深圳 518055

摘要

车联网以信息通信技术为出发点,集成了车辆、路边基础设施、通信、定位等多项前沿技术和设备,能有效提高行车安全,提升交通效率,还能为车辆用户全方面提供各类信息服务,给汽车行业带来了前所未有的机遇和挑战。首先概述了 V2X 通信的背景和特点及其应用;介绍了 V2X 通信的发展历程;然后介绍了V2X的技术标准,其中着重阐述了LTE-V2X标准的制定以及5G V2X的体系结构;最后探讨了5G车联网的高可靠低时延、车辆安全和隐私保护以及驾驶安全等现存问题,并进行了总结。

关键词: 车联网 ; V2X通信 ; 5G ; DSRC ; LTE-V2X

1 引言

根据世界卫生组织《2018 年道路安全全球现状报告》[1],全球每年道路交通碰撞造成近135 万人死亡,每天将近3 700人死亡,另有2 000万~5 000万人遭受伤害甚至致残,交通事故是 15~29 岁人群事故身亡的首要原因。报告同时指出,道路交通伤害是全球所有年龄段人口的第八大死亡原因,如不采取有效行动,将无法实现“2020 年全球道路交通碰撞伤害和死亡数量减半”这一宏伟目标。此外,道路交通伤亡也给各个国家的经济和相关家庭造成了沉重负担。道路交通碰撞给各国造成的费用损失高达国内生产总值的 3%,而在低收入和中等收入国家约达 5%。2019年1月《人民日报》中公安部公布的数据显示[2],2018年全国道路交通事故死亡人数比2017年减少578人,下降0.9%。虽然死亡人数比例有所下降,但是道路交通事故死亡人数总量仍然很大。所以,如何减少交通事故、降低死亡人数成为一个全球关注的问题。

根据人民网《2018年国民经济和社会发展统计公报》的统计数据[3],2018 年年底,我国民用汽车保有量24 028万辆(包括三轮汽车和低速货车906万辆),比上年末增长10.5%,其中私人汽车保有量20 730万辆。随之而来的交通拥堵和道路交通安全问题更加严重,迫切需要先进的信息技术来解决相关问题。

智能化交通运输系统(intelligent transport system,ITS),是通过集成信息技术、无线传输技术、智能传感技术、自动控制技术以及计算机系统技术和系统工程技术等多项先进技术,并应用于整个交通运输系统而建立起来的全方位、适时、精准高效的综合交通运输和管理系统。ITS能高效地利用现有的交通基础设施,减少交通道路负荷和拥塞;同时能提前发出各种交通安全预警信息,保障交通安全并提高运输效率。因此,ITS被认为是未来交通系统的发展方向,受到了广泛关注。

V2X(vehicle to everything)通信技术旨在通过车辆及路边基础设施间的协同通信来提高驾驶安全性、减少拥堵以及提高交通效率等,是 ITS的关键技术之一。

根据市场结果分析,继手机和电脑之后,车辆已经成为世界上第三大联网设备。由于海量的消费群体和强烈的用户需求,我国车联网产业的规模化发展找到了机遇[4]。随着我国5G技术的推广以及道路基础设施的快速发展,未来的汽车交通朝着更加智能化和网络化发展,5G 的超可靠性、低时延、切片网络等关键技术为车联网提供强有力的支撑,使车联网的体系结构得到优化,进一步激发了车联网的市场潜力[5,6]。然而随着汽车保有量的不断增长,道路承载容量在一些城市已达到饱和状态,交通安全、出行效率和环境保护等问题备受关注[7]。通过V2X通信,车辆能够自主地与附近其他车辆和路边基础设施通信,获得实时路况和道路信息以及行人信息等一系列交通信息,从而实现汽车的安全高效行驶,减少交通事故的发生,提高道路利用率,缓解交通压力以及提供道路安全紧急救助信息和丰富的娱乐信息,以提升驾驶体验[8,9],并将为各种新型道路安全和驾驶辅助应用打开大门。然而,将启用无线功能的车辆连接到外部实体会使 ITS 应用程序易受到各种安全威胁[10],从而影响驾驶员的安全。因此,V2X 的研究受到产业界和学术界的广泛关注。

欧洲、美国、日本等地区和国家较早进行了智能交通和车辆信息服务的研究与应用,目前欧洲地区依然保持着全球车联网市场的领跑地位。而我国进入车联网行业较晚,国内车辆智能网联技术仍处于发展的初级阶段,但是车联网的发展已引起政府高度重视,车联网标准制定已提至国家层面。2018年6月,工业和信息化部(以下简称工信部)及国家标准委员会颁布《国家车联网产业标准体系建设指南(总体要求)》,解决了车联网产业发展痛点,车联网标准有望在2020年制定。2018年10月,工信部发布了《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)》的通知,明确将5 905~5 925 MHz频段作为基于LTE-V2X技术的车联网(智能网联汽车)直连通信的工作频段。2018年12月,工信部发布了《车联网(智能网联汽车)产业发展行动计划》,明确分阶段实现车联网产业高质量发展的目标。

2 V2X通信的特点及应用

V2X通信主要通过装载在车辆上的传感器等芯片技术和通信模块来检测车辆周围的交通状况,获得系统负载状态等一系列重要信息,与此同时,利用全球定位系统(global positioning system,GPS)来实时获得车辆的位置,并指引车辆始终行驶在最优路线[13,14]。正是由于车联网系统的信息共享,车辆可以有效地预测前方的道路信息,并自动选择最优行驶路线,从而避开拥堵路段[4,15]。具体而言,根据通信对象不同,V2X通信可以划分为车辆对车辆(vehicle to vehicle,V2V)通信、车辆对基础设施(vehicle to infrastructure,V2I)通信以及车辆对行人(vehicle to pedestrian,V2P)通信3种方式[16]。

在V2V通信模式中,车辆主要与其他车辆进行通信。由于通信的双方往往处于高速运动的情景下,因此V2V通信模式对于车辆所在的定位信息也具有更加严格的要求。同时在高速运动的场景下,信道和通信环境也更为复杂,因此V2V通信模式的研究也更为复杂,现有的V2X通信相关研究也大多集中在V2V通信模式中。又由于车辆与车辆间的通信基于D2D通信,所以V2V通信模式不需要借助网络设施(如基站等)即可实现,大大降低了车辆到车辆之间的传输时延,这也使V2V通信模式更加高效[17]。同时车辆自身所配置的各式各样的传感器,使车辆可以实时地感应汽车当前的速度方向和位置以及与其他汽车之间的安全距离等,并利用V2V通信模式传输相关的安全信息给周围的其他汽车。当其他车辆接收相关的安全信息时,能对周围的交通环境进行预判,从而避免了交通事故的发生,因此,V2V传输模式特别适合传输一些紧急信息。相对于传统的接入互联网产生的费用,V2V通信模式不需要通过基站,也不会产生相关费用,同时减少了基站的通信负载,使其更具竞争力[18]。

在 V2I 通信模式中,汽车主要与路边单元(road side unit,RSU)进行通信,如交通信号灯、路牌等。具体地,交通中心首先利用V2I通信模式接收各条道路上的有关信息,包括道路状况、汽车流量以及事故信息等。同时,交通中心利用这些接收的交通信息分析各个街道的拥堵状况,从而有效地指挥各条道路上的交通。此外,车辆也可以利用V2I通信模式,迅速了解车辆周围的各种设施信息(如加油站、商场等),还可以通过路边单元使车辆迅速接入互联网中,从而接收各种娱乐多媒体信息(如高清视频、音乐和社交信息等)。V2I通信模式可以有效地避免车辆成为通信网络的一个孤立节点,减小了车辆通信中车辆对其他车辆的依赖性。由于通信信道的频率选择性和快速时变衰落特点,V2I 通信模式在车辆较少的场景下或者网络结构不太复杂的情况下将更具优势[19,20]。

在V2P通信模式中,车辆主要与行人身上的智能设备进行通信,如智能手机、运动手环和智能手表等。相对车辆而言,行人的速度是缓慢的,甚至是静止的,因此V2P通信模式可以看成简化版的V2V通信模式,信道和通信环境也相对比较容易分析。车辆利用V2P通信模式可以实时地感应车辆周围的行人位置信息,通过预测行人的行走路线,从而发出预警信息提醒驾驶员和行人,能有效地避免交通事故的发生[21,22]。

由于车辆间的协同通信性质,V2X通信可用于交通参与者之间的信息交换,并使合作驾驶能够避免事故,同时提高交通效率,被视为未来车辆的核心技术。通过车辆互联技术解决智能交通系统领域中一些大的挑战,如安全、移动性和多变的环境。首先在不同的环境中,安全性在设计与实现中被考虑,参考文献[23]分析了合作车辆和道路安全系统中的隐私问题,并提出了一种用于V2X 通信的隐私感知架构。参考文献[24]提出了一种用于车辆通信系统的安全架构,包括隐私、身份管理和数据一致性。参考文献[25]为V2X通信设计了动态协作的自组织网络和定位机制。参考文献[26]对安全、安保性能综合进行考虑并基于应用需求和背景,提出了一种动态适应性方法,以在智能交通系统中实现最大的安全性。

总体而言,V2X通信下的常用场景模式如图1所示。

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图1   V2X通信的常用场景模式

V2X通信在道路安全服务、自动停车系统、紧急车辆让行以及自动跟车等一系列为车辆提供服务的场景中大量地应用。目前V2X通信主要讨论的有以下几个应用场景[27]。

2.1 行驶安全服务

行驶安全服务是指利用V2X通信实时监测车辆周围的行人、车辆以及路边单元(如交通信号灯等实体信息),并且通过与其他车辆的信息共享使驾驶者迅速了解道路的安全信息以及交通状况,从而提高对危险路段的警觉度,规避交通事故的发生,特别是在恶劣的天气环境下(如暴雪、雾霾、台风等严重影响驾驶者观察周边道路的天气情况),V2X 通信提供的行驶安全服务至关重要。其中,包括十字路口碰撞预警、紧急制动预警等典型的行驶安全应用场景。

(1)碰撞预警

碰撞预警指在交叉路口或道路上,路边设备(RSU)检测到有碰撞风险时,将对受影响区域内的车辆发送告警信息;或者,车辆设备(OBU)探测到与侧向行驶的车辆有碰撞风险时,通过预警提醒驾驶员以及发送碰撞告警信息给受影响车辆,以避免碰撞。

该场景下若存在RSU,则需要RSU具备检测碰撞风险并发送预警信息的能力,此外,车辆需要具备广播V2X消息等能力,与周围车辆建立通信联系。

(2)紧急制动预警

紧急制动预警是指基于V2V通信,当前方车辆紧急刹车时,系统发出告警信息,提醒后方车辆减速,其中后方车辆包括一定范围内的所有车辆,避免连环相撞。

该场景需要紧急制动车辆具备广播V2X消息的能力,一定范围内的后方车辆具备接收V2X消息以及处理告警信息的能力,车辆之间具备建立通信的能力。

2.2 交通效率服务

在城市的市中心等人口密集的区域有着大量的车辆,但由于其交通效率不高,容易造成交通堵塞,特别是在上下班高峰期。与此同时,由于道路本身已经造成堵塞,随着新的车辆不断加入,更加重了交通负担,从而造成恶性循环。移动车辆之间及时交换当前和即将到来的交通信息可以缓解道路拥堵和减少交通事故,最大限度地减少因交通堵塞而在高速公路上浪费的时间,并能降低燃料消耗[28]。V2X通信的最优化行驶路线服务通过车辆间的实时信息共享(包括道路的拥堵情况等信息),自动地帮助驾驶者寻找最优化的行驶路线,从而有效地规避了交通拥堵路段,大大提高了驾驶体验。交通效率服务包含有车速引导、车内标牌、协作式自适应巡航等具体的应用场景。

(1)车速引导

车速引导是指RSU收集交通灯、信号灯的配时信息,并将信号灯当前所处状态及当前状态的剩余时间等信息广播给周围车辆。车辆收到该信息后,结合当前车速、位置等信息,计算建议行驶速度,并向车主提示。有助于提高车辆不停车并通过交叉口的可能性。

该场景需要RSU具备收集交通信号灯信息,并向车辆广播V2X消息的能力,周边车辆具备收发V2X消息的能力。

(2)车内标牌

交通信息及建议路径是指RSU或基站向覆盖范围内车辆发送道路数据和交通标牌信息,给予驾驶员相应的交通标牌提示。

该场景需要RSU或基站具备广播V2X信息,车辆需要具备接收V2X消息并解析的能力。

(3)协作式自适应巡航

协作式自适应巡航是指在高速公路等特定道路下行驶的车队巡航行驶,车队通过V2X通信,实现车队内部车辆之间速度、位置、状态等信息共享,保证车队行驶安全。

该场景需要车辆表明其活动状态以及具备广播V2X消息的能力,并具备与邻近车辆进行单播或多播通信的能力,能够实现信息的收发。

2.3 车载信息服务

车载信息服务是提高用户驾驶体验的重要应用场景,是LTE-V2X应用场景的重要组成部分。信息服务其中包含紧急呼叫业务、汽车近场支付等具体的应用场景。

(1)紧急呼叫业务

紧急呼叫业务是指当车辆出现紧急情况(如安全气囊引爆或侧翻等)时,车辆能自动或手动通过网络发起紧急救助,并对外提供基础数据信息,包括车辆类型、交通事故时间地点等。服务提供方可以是政府紧急救助中心、运营商紧急救助中心或第三方紧急救助中心等。

该场景需要车辆具备V2X通信的能力,能与网络建立通信联系。

(2)汽车近场支付

汽车近场支付是指汽车作为支付终端对所消费的商品或服务进行账务支付的一种服务方式。汽车通过V2X通信技术路侧单元(RSU作为受理终端)发生信息交互,间接向银行金融机构发送支付指令,再经过人脸识别或指纹识别验证进行货币支付与资金转移的操作,从而实现车载支付功能。

该场景需要RSU具备V2X通信能力,将支付场景可支持的支付消息和活动状态进行广播。车辆具备 V2X 通信能力,将支付请求发送给RSU。

3 车联网发展历程

V2X通信的应用与发展主要经历以下几个阶段[29,30,31,32,33]。

20世纪90年代,美国、欧洲和日本相继开展了基于IEEE 802.11p的V2X通信技术的研究。

1999 年,美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission,FCC)规定5.9 GHz频率段为V2X通信专属频段。

2002年,欧盟在ECC/DEC/(02)01决议中定义了基于车车/车路间的各种形式的信息传输的交通应用为 RTTT(road Transport and traffic telematic system)系统。

2004年,日本启动的smart-way项目,主要研究V2I通信,其主要目的是减少交通事故,缓解城市交通拥堵。

2009 年,美国通过专用短程通信(dedicated short range communication,DSRC)技术协议标准,并且在美国交通运输部的监督下,对多款汽车进行了广泛的性能测试。

2010年,日本在700 MHz频段为针对道路安全应用的V2X 通信分配了专用频率资源,其物理层主要基于IEEE 802.11p 技术。

2012年,包括华为、中国移动以及大唐电信在内的一大批中国高科技公司开始推动并主导基于LTE-V的V2X通信解决方案在3GPP的研究。

2013年,中国通信标准化协会发布了基于LTE-V的V2X通信解决方案的相应的工作项目。

2015 年年初,中国移动引领的 CCSA LTEV2X频谱研究项目正式启动。

2015年6月,3GPP RAN立项启动“基于LTE的 V2X”研究课题,正式启动了基于 LTE-V 的V2X通信解决方案的研究。

2015 年 8 月,3GPP 正式将 V2X 通信列入会议的探讨要点,并在之后的各种技术报告中对V2X通信技术进行了不断的完善。

2015年年底,LTE-V被3GPP组织纳入Release 14标准的制定中。

2016年3月,韩国LG公司完成了LTE-V2X需求标准的项目研究。

2016年9月,V2V标准在Release 14中正式完成。

2016年,韩国分配5 855~5 925 MHz共70 MHz频率用于支持智能交通中车辆安全相关应用的V2V和V2I通信,上述70 MHz频率以10 MHz为粒度划分为7个独立信道,其中5 895~5 905 MHz用于控制信道,其他6个信道均用于数据信道。

2016年11月,中国将5 905~5 925 MHz频段用于基于LTE-V的V2X通信试验。

2017 年3月,华为和大唐电信作为重要参与者,完成了关于V2I的标准制定。

2017年9月,中国智能网联汽车产业创新联盟正式发布针对V2X通信应用层的团体标准。

2017年 12月,3GPP正式批准了Release 15 5G NR(5G new radio,5G新的空中接口)非独立组网(non-stand alone,NSA)标准。

2018年6月,3GPP批准了5G移动通信技术的5G Release 15 SA(stand alone,独立组网)标准。

2018年年底,中国明确了车联网(智能网联汽车)直连通信工作频段和产业发展行动计划。

4 V2X通信的技术标准

V2X通信技术目前主要有基于IEEE 802.11p的DSRC标准与基于LTE蜂窝网络的LTE-V技术标准两种[34],基于5G的蜂窝网络5G V2X的技术仍在标准化过程中。

(1)DSRC

DSRC 以 IEEE 802.11p 为基础,其中 IEEE 802.11p由IEEE 802.11标准扩充而来,即Wi-Fi的扩展[35]。此外IEEE 802.11p不但能支持QAM(正交振幅调制)以及PSK(相位移键调制)等关键调制技术,还支持 FEC(前向纠错码校正),用以避免信息在重传过程中所产生的时延。DSRC中车辆对车辆通信以及车辆对基础设施通信主要利用了通用射频通信技术,从而在高速移动的场景中为车辆提供信息安全和中短距离传输服务。

基于 DSRC 的 V2X 通信系统主要包括两个OBU(车载单元)与RSU(路边单元)重要的组成部分。通过利用车辆与车载单元与路边单元的通信来实现车对车通信与车对基础设施通信之间的信息的双向传输,与此同时,路边单元在收集车辆信息后再通过网络将道路的交通情况以及车辆的行驶状况等信息上传至服务器。由于V2X通信的相关应用往往与驾驶者和乘客的安全性相关,此外周围车辆的数量、车间距离、道路状况以及天气等都会对V2X通信的通信质量、通信速度以及可靠性产生极大的影响,因此与V2X通信相关的应用往往要求高可靠性与低时延性。IEEE将DSRC的通信时延容许范围定在50~100 ms,要求车辆在接收信息后能做出快速的反应[36]。

(2)LTE-V

LTE-V是指以LTE蜂窝网络为基础的V2X通信标准,能重复利用现有的蜂窝式基础设施与频谱资源,运营商等也同样不需要重新布置专用的路边单元以及提供专用频谱资源。目前华为、大唐电信以及高通等一系列厂商在努力推动着以LTE网络为基础的LTE-V技术。

针对基于LTE-V的V2X应用,现有两种不同的通信方式:LTE-V-Cell,即集中式,也称为蜂窝式,以基站为分布和控制中心,主要定义车辆对路边单元以及基础设施的通信方式;LTE-V-Direct,即分布式,也称为直通式,具体指车辆对车辆的直接通信,而不需要基站作为控制中心,在相关参考文献中分布式也经常表示为 LTE-D 和LTE-D2D[37,38]。

LTE-V-Cell 的关键性能指标主要包括:传输带宽最大可扩展到100 MHz,上行链路的峰值速率为500 Mbit/s,下行链路的峰值速率为1 Gbit/s,反应时延小于10 ms,控制时延小于50 ms,最大支持车辆速度为 500 km/h,最大的通信范围与LTE最大通信范围一致。关于LTE-V-Direct的关键性能指标目前还没有详细的统一标准。

4.1 LTE-V2X 车联网标准及演进

基于车联网相关技术研究的迅速进展,国内、国际标准化组织对于车联网标准的研制也进展十分迅速。

(1)3GPP LTE-V2X标准进展

2015 年 2 月,在世界主流通信设备商和运营商的推动下,3GPP 正式开始 LTE-V2X 技术标准化工作。设立了业务需求、系统架构、安全研究和空口技术 4 个技术工作组并开展工作。其中,业务需求由 SA1 工作组负责,定义了 LTE V2X支持的业务要求,包含27个具体用例并给出了 7 种典型应用场景的性能指标要求。系统架构由SA2工作组负责。其确定增强架构至少要支持LTE-V Uu和LTE-V PC5两种工作模式。其中Uu 空口主要承载传统车联网大容量的通信业务,PC5空口通过直通通信技术承载低时延高可靠性业务。安全方面由 SA3 工作组负责,主要调研 V2X 通信带来的系统安全威胁,分析研究 V2X 通信的安全需求并调研和评估现有的安全功能和架构[39]。空口技术由 RAN 工作组负责。

(2)3GPP LTE-eV2X标准进展

2016年6月,3GPP SA1 进行“增强的V2X业务需求”标准研究工作[40]。在发布的研究结果TS22.886[41]中,定义了 25 个应用案例,包括自动车队驾驶、半/全自动驾驶、可扩展传感、远程驾驶等需求。2017 年 3 月,由大唐电信等公司联合牵头的“3GPP V2X第二阶段标准研究”,主要讨论了包括载波聚合、发送分集、高阶调制、短帧传输等物理层关键技术,并于 2018年6月结项。

(3)5G NR-V2X 标准进展

2017 年 3 月,3GPP RAN开始进行V2X新型应用评估方法研究的SI[42],对3GPP TS22.886[41]中定义的增强业务需求进行评估研究,包括仿真场景、性能指标、频谱需求、信道模型和业务模型等。

4.2 5G V2X的体系结构

在 5G 时代,车联网拥有更加复杂多变的体系结构和新型的系统元素,如5G 车载单元、5G基站、5G 移动终端、5G 云服务器等。5G 车联网可以实现多种网络的融合,从而进行无缝的信息交互和信道切换。

图2展示了基于 D2D 通信的5G车联网应用架构。在未来车载移动互联网中,车辆可直接通过 5G 基站 (路边单元,RSU)或中继(包括邻近的车、用户移动终端)快速接入互联网,实现车与云端设施的信息交互;在车内网中,基于D2D通信,车辆和用于车内的用户终端可以在没有基站协助的情况下通过自行控制链路,进行短距离的车辆数据传输[43],从而降低数据传输时延;此外,在通信系统边缘或信号拥塞地带的车辆可以基于单跳或多跳的 D2D 建立 Ad Hoc 网络,实现车辆间的自组网通信[44]。

5 未来的挑战

目前V2X通信受到了学术界和工业界越来越多的关注与讨论,然而其正处于发展的初级阶段,也同样面临着各种各样的问题与挑战。主要体现在高可靠低时延通信、车辆安全、隐私保护和驾驶安全3个方面[43]。

5.1 高可靠低时延通信

由于V2X通信中的车辆往往处于高速运动的情景中,因此V2X通信模式对于车辆的定位信息具有更加严格的要求。同时在高速运动的场景下,信道和通信环境也更为复杂。而车辆的高速移动性以及网络拓扑结构的快速变化,容易造成车辆间的通信不稳定。例如当一辆车发信息给另一辆车时,由于车辆的速度可能使车辆间的距离超出双方的可通信范围,从而造成网络联通的不持续性。所以如何保证高速移动下V2X通信的高可靠低时延服务是值得探讨的关键问题。

此外,在车联网中,由于车辆行驶速度快,每次连接的实际有效时间短,接入切换频繁,因此要求网络接入和切换足够快,才能保持车载终端始终在线,其他的业务才能正常进行。目前车联网中存在多种不同的无线通信模式,如无线局域网、2G/3G/4G蜂窝通信、卫星通信和全球微波互联接入等,这些不同结构的网络要互通互联,进行数据传输交换,必须解决异构网络的融合问题。

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图2   基于D2D通信的5G车联网通信架构

5.2 车辆安全和隐私保护

车辆作为智能交通运输系统最为重要的一环,车辆的安全是非常重要的。未来,车辆将不再是一个封闭的载体,而是一个开放的可连接的载体,与目前的手机等智能终端一样融入互联网中进行信息交互。因此不法分子可以利用互联网技术对车辆进行攻击,从而达到解锁车辆、使车辆熄火或主动刹车等目的。此外,与普通的通信网络(如手机通信网络等)相比,由于涉及用户的生命和财产安全,V2X通信网络往往需要更高的安全等级。因此,如何保证V2X通信网络中的数据安全是一个关键的问题。

5.3 驾驶安全

由于车联网中网络拓扑结构的频繁变化以及传输数据的海量递增,驾驶安全也是V2X通信中需要考虑的关键问题。参考文献[45]提出考虑不可见的邻居用户数量问题、数据的传输范围和数据分组生成率对于V2X通信行驶安全的影响,针对某一特定安全需求的车联网应用场景,仿真结果表明相对大的传输范围和较低的数据分组生成率能够使不可见的邻居数量最小化,从而满足安全驾驶的要求。参考文献[46]提出定期会话的双向通信信道以及两种对双向信道可靠性的监控方法,一种是在会话期间进行监测,另外一种是在会话期间进行监控的基础上再在相邻会话之间的间歇加一次监测。除此之外,V2X通信系统所特有的一些新应用存在安全漏洞问题,比如车队通信、协作防撞、动态驾驶地图、视频数据共享等。参考文献[47]提出车队中断攻击和车辆传感数据伪造的不当行为等V2X通信安全问题。在车队通信中,领头车辆在组织和保持车队的通信中扮演重要的角色,然而存在单点故障问题。攻击者利用这一缺陷,选择性地重发某些关键的控制信息(比如加速指令、刹车、变道等),对车队通信进行车队中断攻击。由于重发指令的攻击不会修改或窃听消息,并且攻击在较短时间内就能完成,现有的安全机制无法防止或检测此类攻击。

信息共享机制允许车辆、路边基础设施、行人或所涉及的任一实体共享其传感数据,以避免不必要的碰撞。但是,每辆车捕获的视频数据太大,无法进行加密,而且在许多情况下,这些视频数据是在没有任何保护的情况下进行传输的,因此给V2X通信带来安全驾驶的安全隐患问题。在车辆传感数据伪造方面,攻击者插入一些视频帧或照片误导其他车辆用户做出错误的决定。

6 结束语

近年来,车辆数量的迅猛增长给人们的出行带来了极大便利。然而,汽车的大规模使用带来了日益严峻的副作用,这其中包括频繁的交通事故、拥堵的城市交通以及效率低下的驾驶体验。车联网通信通过车辆及道路基础设施间的信息交互使车辆更加智能,从而提高驾驶安全性,减少交通拥堵。未来,随着V2X 车联网技术的不断发展以及核心技术的逐渐完善,V2X通信也将在更多的应用场景中为人们提供更高质量、更可靠、更安全的服务。

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1 国家无线电监测中心,北京 100037

2 深圳大学,广东 深圳 518060

3 哈尔滨工业大学(深圳),广东 深圳 518055

摘要

车联网以信息通信技术为出发点,集成了车辆、路边基础设施、通信、定位等多项前沿技术和设备,能有效提高行车安全,提升交通效率,还能为车辆用户全方面提供各类信息服务,给汽车行业带来了前所未有的机遇和挑战。首先概述了 V2X 通信的背景和特点及其应用;介绍了 V2X 通信的发展历程;然后介绍了V2X的技术标准,其中着重阐述了LTE-V2X标准的制定以及5G V2X的体系结构;最后探讨了5G车联网的高可靠低时延、车辆安全和隐私保护以及驾驶安全等现存问题,并进行了总结。

关键词: 车联网 ; V2X通信 ; 5G ; DSRC ; LTE-V2X

1 引言

根据世界卫生组织《2018 年道路安全全球现状报告》[1],全球每年道路交通碰撞造成近135 万人死亡,每天将近3 700人死亡,另有2 000万~5 000万人遭受伤害甚至致残,交通事故是 15~29 岁人群事故身亡的首要原因。报告同时指出,道路交通伤害是全球所有年龄段人口的第八大死亡原因,如不采取有效行动,将无法实现“2020 年全球道路交通碰撞伤害和死亡数量减半”这一宏伟目标。此外,道路交通伤亡也给各个国家的经济和相关家庭造成了沉重负担。道路交通碰撞给各国造成的费用损失高达国内生产总值的 3%,而在低收入和中等收入国家约达 5%。2019年1月《人民日报》中公安部公布的数据显示[2],2018年全国道路交通事故死亡人数比2017年减少578人,下降0.9%。虽然死亡人数比例有所下降,但是道路交通事故死亡人数总量仍然很大。所以,如何减少交通事故、降低死亡人数成为一个全球关注的问题。

根据人民网《2018年国民经济和社会发展统计公报》的统计数据[3],2018 年年底,我国民用汽车保有量24 028万辆(包括三轮汽车和低速货车906万辆),比上年末增长10.5%,其中私人汽车保有量20 730万辆。随之而来的交通拥堵和道路交通安全问题更加严重,迫切需要先进的信息技术来解决相关问题。

智能化交通运输系统(intelligent transport system,ITS),是通过集成信息技术、无线传输技术、智能传感技术、自动控制技术以及计算机系统技术和系统工程技术等多项先进技术,并应用于整个交通运输系统而建立起来的全方位、适时、精准高效的综合交通运输和管理系统。ITS能高效地利用现有的交通基础设施,减少交通道路负荷和拥塞;同时能提前发出各种交通安全预警信息,保障交通安全并提高运输效率。因此,ITS被认为是未来交通系统的发展方向,受到了广泛关注。

V2X(vehicle to everything)通信技术旨在通过车辆及路边基础设施间的协同通信来提高驾驶安全性、减少拥堵以及提高交通效率等,是 ITS的关键技术之一。

根据市场结果分析,继手机和电脑之后,车辆已经成为世界上第三大联网设备。由于海量的消费群体和强烈的用户需求,我国车联网产业的规模化发展找到了机遇[4]。随着我国5G技术的推广以及道路基础设施的快速发展,未来的汽车交通朝着更加智能化和网络化发展,5G 的超可靠性、低时延、切片网络等关键技术为车联网提供强有力的支撑,使车联网的体系结构得到优化,进一步激发了车联网的市场潜力[5,6]。然而随着汽车保有量的不断增长,道路承载容量在一些城市已达到饱和状态,交通安全、出行效率和环境保护等问题备受关注[7]。通过V2X通信,车辆能够自主地与附近其他车辆和路边基础设施通信,获得实时路况和道路信息以及行人信息等一系列交通信息,从而实现汽车的安全高效行驶,减少交通事故的发生,提高道路利用率,缓解交通压力以及提供道路安全紧急救助信息和丰富的娱乐信息,以提升驾驶体验[8,9],并将为各种新型道路安全和驾驶辅助应用打开大门。然而,将启用无线功能的车辆连接到外部实体会使 ITS 应用程序易受到各种安全威胁[10],从而影响驾驶员的安全。因此,V2X 的研究受到产业界和学术界的广泛关注。

欧洲、美国、日本等地区和国家较早进行了智能交通和车辆信息服务的研究与应用,目前欧洲地区依然保持着全球车联网市场的领跑地位。而我国进入车联网行业较晚,国内车辆智能网联技术仍处于发展的初级阶段,但是车联网的发展已引起政府高度重视,车联网标准制定已提至国家层面。2018年6月,工业和信息化部(以下简称工信部)及国家标准委员会颁布《国家车联网产业标准体系建设指南(总体要求)》,解决了车联网产业发展痛点,车联网标准有望在2020年制定。2018年10月,工信部发布了《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)》的通知,明确将5 905~5 925 MHz频段作为基于LTE-V2X技术的车联网(智能网联汽车)直连通信的工作频段。2018年12月,工信部发布了《车联网(智能网联汽车)产业发展行动计划》,明确分阶段实现车联网产业高质量发展的目标。

2 V2X通信的特点及应用

V2X通信主要通过装载在车辆上的传感器等芯片技术和通信模块来检测车辆周围的交通状况,获得系统负载状态等一系列重要信息,与此同时,利用全球定位系统(global positioning system,GPS)来实时获得车辆的位置,并指引车辆始终行驶在最优路线[13,14]。正是由于车联网系统的信息共享,车辆可以有效地预测前方的道路信息,并自动选择最优行驶路线,从而避开拥堵路段[4,15]。具体而言,根据通信对象不同,V2X通信可以划分为车辆对车辆(vehicle to vehicle,V2V)通信、车辆对基础设施(vehicle to infrastructure,V2I)通信以及车辆对行人(vehicle to pedestrian,V2P)通信3种方式[16]。

在V2V通信模式中,车辆主要与其他车辆进行通信。由于通信的双方往往处于高速运动的情景下,因此V2V通信模式对于车辆所在的定位信息也具有更加严格的要求。同时在高速运动的场景下,信道和通信环境也更为复杂,因此V2V通信模式的研究也更为复杂,现有的V2X通信相关研究也大多集中在V2V通信模式中。又由于车辆与车辆间的通信基于D2D通信,所以V2V通信模式不需要借助网络设施(如基站等)即可实现,大大降低了车辆到车辆之间的传输时延,这也使V2V通信模式更加高效[17]。同时车辆自身所配置的各式各样的传感器,使车辆可以实时地感应汽车当前的速度方向和位置以及与其他汽车之间的安全距离等,并利用V2V通信模式传输相关的安全信息给周围的其他汽车。当其他车辆接收相关的安全信息时,能对周围的交通环境进行预判,从而避免了交通事故的发生,因此,V2V传输模式特别适合传输一些紧急信息。相对于传统的接入互联网产生的费用,V2V通信模式不需要通过基站,也不会产生相关费用,同时减少了基站的通信负载,使其更具竞争力[18]。

在 V2I 通信模式中,汽车主要与路边单元(road side unit,RSU)进行通信,如交通信号灯、路牌等。具体地,交通中心首先利用V2I通信模式接收各条道路上的有关信息,包括道路状况、汽车流量以及事故信息等。同时,交通中心利用这些接收的交通信息分析各个街道的拥堵状况,从而有效地指挥各条道路上的交通。此外,车辆也可以利用V2I通信模式,迅速了解车辆周围的各种设施信息(如加油站、商场等),还可以通过路边单元使车辆迅速接入互联网中,从而接收各种娱乐多媒体信息(如高清视频、音乐和社交信息等)。V2I通信模式可以有效地避免车辆成为通信网络的一个孤立节点,减小了车辆通信中车辆对其他车辆的依赖性。由于通信信道的频率选择性和快速时变衰落特点,V2I 通信模式在车辆较少的场景下或者网络结构不太复杂的情况下将更具优势[19,20]。

在V2P通信模式中,车辆主要与行人身上的智能设备进行通信,如智能手机、运动手环和智能手表等。相对车辆而言,行人的速度是缓慢的,甚至是静止的,因此V2P通信模式可以看成简化版的V2V通信模式,信道和通信环境也相对比较容易分析。车辆利用V2P通信模式可以实时地感应车辆周围的行人位置信息,通过预测行人的行走路线,从而发出预警信息提醒驾驶员和行人,能有效地避免交通事故的发生[21,22]。

由于车辆间的协同通信性质,V2X通信可用于交通参与者之间的信息交换,并使合作驾驶能够避免事故,同时提高交通效率,被视为未来车辆的核心技术。通过车辆互联技术解决智能交通系统领域中一些大的挑战,如安全、移动性和多变的环境。首先在不同的环境中,安全性在设计与实现中被考虑,参考文献[23]分析了合作车辆和道路安全系统中的隐私问题,并提出了一种用于V2X 通信的隐私感知架构。参考文献[24]提出了一种用于车辆通信系统的安全架构,包括隐私、身份管理和数据一致性。参考文献[25]为V2X通信设计了动态协作的自组织网络和定位机制。参考文献[26]对安全、安保性能综合进行考虑并基于应用需求和背景,提出了一种动态适应性方法,以在智能交通系统中实现最大的安全性。

总体而言,V2X通信下的常用场景模式如图1所示。

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图1   V2X通信的常用场景模式

V2X通信在道路安全服务、自动停车系统、紧急车辆让行以及自动跟车等一系列为车辆提供服务的场景中大量地应用。目前V2X通信主要讨论的有以下几个应用场景[27]。

2.1 行驶安全服务

行驶安全服务是指利用V2X通信实时监测车辆周围的行人、车辆以及路边单元(如交通信号灯等实体信息),并且通过与其他车辆的信息共享使驾驶者迅速了解道路的安全信息以及交通状况,从而提高对危险路段的警觉度,规避交通事故的发生,特别是在恶劣的天气环境下(如暴雪、雾霾、台风等严重影响驾驶者观察周边道路的天气情况),V2X 通信提供的行驶安全服务至关重要。其中,包括十字路口碰撞预警、紧急制动预警等典型的行驶安全应用场景。

(1)碰撞预警

碰撞预警指在交叉路口或道路上,路边设备(RSU)检测到有碰撞风险时,将对受影响区域内的车辆发送告警信息;或者,车辆设备(OBU)探测到与侧向行驶的车辆有碰撞风险时,通过预警提醒驾驶员以及发送碰撞告警信息给受影响车辆,以避免碰撞。

该场景下若存在RSU,则需要RSU具备检测碰撞风险并发送预警信息的能力,此外,车辆需要具备广播V2X消息等能力,与周围车辆建立通信联系。

(2)紧急制动预警

紧急制动预警是指基于V2V通信,当前方车辆紧急刹车时,系统发出告警信息,提醒后方车辆减速,其中后方车辆包括一定范围内的所有车辆,避免连环相撞。

该场景需要紧急制动车辆具备广播V2X消息的能力,一定范围内的后方车辆具备接收V2X消息以及处理告警信息的能力,车辆之间具备建立通信的能力。

2.2 交通效率服务

在城市的市中心等人口密集的区域有着大量的车辆,但由于其交通效率不高,容易造成交通堵塞,特别是在上下班高峰期。与此同时,由于道路本身已经造成堵塞,随着新的车辆不断加入,更加重了交通负担,从而造成恶性循环。移动车辆之间及时交换当前和即将到来的交通信息可以缓解道路拥堵和减少交通事故,最大限度地减少因交通堵塞而在高速公路上浪费的时间,并能降低燃料消耗[28]。V2X通信的最优化行驶路线服务通过车辆间的实时信息共享(包括道路的拥堵情况等信息),自动地帮助驾驶者寻找最优化的行驶路线,从而有效地规避了交通拥堵路段,大大提高了驾驶体验。交通效率服务包含有车速引导、车内标牌、协作式自适应巡航等具体的应用场景。

(1)车速引导

车速引导是指RSU收集交通灯、信号灯的配时信息,并将信号灯当前所处状态及当前状态的剩余时间等信息广播给周围车辆。车辆收到该信息后,结合当前车速、位置等信息,计算建议行驶速度,并向车主提示。有助于提高车辆不停车并通过交叉口的可能性。

该场景需要RSU具备收集交通信号灯信息,并向车辆广播V2X消息的能力,周边车辆具备收发V2X消息的能力。

(2)车内标牌

交通信息及建议路径是指RSU或基站向覆盖范围内车辆发送道路数据和交通标牌信息,给予驾驶员相应的交通标牌提示。

该场景需要RSU或基站具备广播V2X信息,车辆需要具备接收V2X消息并解析的能力。

(3)协作式自适应巡航

协作式自适应巡航是指在高速公路等特定道路下行驶的车队巡航行驶,车队通过V2X通信,实现车队内部车辆之间速度、位置、状态等信息共享,保证车队行驶安全。

该场景需要车辆表明其活动状态以及具备广播V2X消息的能力,并具备与邻近车辆进行单播或多播通信的能力,能够实现信息的收发。

2.3 车载信息服务

车载信息服务是提高用户驾驶体验的重要应用场景,是LTE-V2X应用场景的重要组成部分。信息服务其中包含紧急呼叫业务、汽车近场支付等具体的应用场景。

(1)紧急呼叫业务

紧急呼叫业务是指当车辆出现紧急情况(如安全气囊引爆或侧翻等)时,车辆能自动或手动通过网络发起紧急救助,并对外提供基础数据信息,包括车辆类型、交通事故时间地点等。服务提供方可以是政府紧急救助中心、运营商紧急救助中心或第三方紧急救助中心等。

该场景需要车辆具备V2X通信的能力,能与网络建立通信联系。

(2)汽车近场支付

汽车近场支付是指汽车作为支付终端对所消费的商品或服务进行账务支付的一种服务方式。汽车通过V2X通信技术路侧单元(RSU作为受理终端)发生信息交互,间接向银行金融机构发送支付指令,再经过人脸识别或指纹识别验证进行货币支付与资金转移的操作,从而实现车载支付功能。

该场景需要RSU具备V2X通信能力,将支付场景可支持的支付消息和活动状态进行广播。车辆具备 V2X 通信能力,将支付请求发送给RSU。

3 车联网发展历程

V2X通信的应用与发展主要经历以下几个阶段[29,30,31,32,33]。

20世纪90年代,美国、欧洲和日本相继开展了基于IEEE 802.11p的V2X通信技术的研究。

1999 年,美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission,FCC)规定5.9 GHz频率段为V2X通信专属频段。

2002年,欧盟在ECC/DEC/(02)01决议中定义了基于车车/车路间的各种形式的信息传输的交通应用为 RTTT(road Transport and traffic telematic system)系统。

2004年,日本启动的smart-way项目,主要研究V2I通信,其主要目的是减少交通事故,缓解城市交通拥堵。

2009 年,美国通过专用短程通信(dedicated short range communication,DSRC)技术协议标准,并且在美国交通运输部的监督下,对多款汽车进行了广泛的性能测试。

2010年,日本在700 MHz频段为针对道路安全应用的V2X 通信分配了专用频率资源,其物理层主要基于IEEE 802.11p 技术。

2012年,包括华为、中国移动以及大唐电信在内的一大批中国高科技公司开始推动并主导基于LTE-V的V2X通信解决方案在3GPP的研究。

2013年,中国通信标准化协会发布了基于LTE-V的V2X通信解决方案的相应的工作项目。

2015 年年初,中国移动引领的 CCSA LTEV2X频谱研究项目正式启动。

2015年6月,3GPP RAN立项启动“基于LTE的 V2X”研究课题,正式启动了基于 LTE-V 的V2X通信解决方案的研究。

2015 年 8 月,3GPP 正式将 V2X 通信列入会议的探讨要点,并在之后的各种技术报告中对V2X通信技术进行了不断的完善。

2015年年底,LTE-V被3GPP组织纳入Release 14标准的制定中。

2016年3月,韩国LG公司完成了LTE-V2X需求标准的项目研究。

2016年9月,V2V标准在Release 14中正式完成。

2016年,韩国分配5 855~5 925 MHz共70 MHz频率用于支持智能交通中车辆安全相关应用的V2V和V2I通信,上述70 MHz频率以10 MHz为粒度划分为7个独立信道,其中5 895~5 905 MHz用于控制信道,其他6个信道均用于数据信道。

2016年11月,中国将5 905~5 925 MHz频段用于基于LTE-V的V2X通信试验。

2017 年3月,华为和大唐电信作为重要参与者,完成了关于V2I的标准制定。

2017年9月,中国智能网联汽车产业创新联盟正式发布针对V2X通信应用层的团体标准。

2017年 12月,3GPP正式批准了Release 15 5G NR(5G new radio,5G新的空中接口)非独立组网(non-stand alone,NSA)标准。

2018年6月,3GPP批准了5G移动通信技术的5G Release 15 SA(stand alone,独立组网)标准。

2018年年底,中国明确了车联网(智能网联汽车)直连通信工作频段和产业发展行动计划。

4 V2X通信的技术标准

V2X通信技术目前主要有基于IEEE 802.11p的DSRC标准与基于LTE蜂窝网络的LTE-V技术标准两种[34],基于5G的蜂窝网络5G V2X的技术仍在标准化过程中。

(1)DSRC

DSRC 以 IEEE 802.11p 为基础,其中 IEEE 802.11p由IEEE 802.11标准扩充而来,即Wi-Fi的扩展[35]。此外IEEE 802.11p不但能支持QAM(正交振幅调制)以及PSK(相位移键调制)等关键调制技术,还支持 FEC(前向纠错码校正),用以避免信息在重传过程中所产生的时延。DSRC中车辆对车辆通信以及车辆对基础设施通信主要利用了通用射频通信技术,从而在高速移动的场景中为车辆提供信息安全和中短距离传输服务。

基于 DSRC 的 V2X 通信系统主要包括两个OBU(车载单元)与RSU(路边单元)重要的组成部分。通过利用车辆与车载单元与路边单元的通信来实现车对车通信与车对基础设施通信之间的信息的双向传输,与此同时,路边单元在收集车辆信息后再通过网络将道路的交通情况以及车辆的行驶状况等信息上传至服务器。由于V2X通信的相关应用往往与驾驶者和乘客的安全性相关,此外周围车辆的数量、车间距离、道路状况以及天气等都会对V2X通信的通信质量、通信速度以及可靠性产生极大的影响,因此与V2X通信相关的应用往往要求高可靠性与低时延性。IEEE将DSRC的通信时延容许范围定在50~100 ms,要求车辆在接收信息后能做出快速的反应[36]。

(2)LTE-V

LTE-V是指以LTE蜂窝网络为基础的V2X通信标准,能重复利用现有的蜂窝式基础设施与频谱资源,运营商等也同样不需要重新布置专用的路边单元以及提供专用频谱资源。目前华为、大唐电信以及高通等一系列厂商在努力推动着以LTE网络为基础的LTE-V技术。

针对基于LTE-V的V2X应用,现有两种不同的通信方式:LTE-V-Cell,即集中式,也称为蜂窝式,以基站为分布和控制中心,主要定义车辆对路边单元以及基础设施的通信方式;LTE-V-Direct,即分布式,也称为直通式,具体指车辆对车辆的直接通信,而不需要基站作为控制中心,在相关参考文献中分布式也经常表示为 LTE-D 和LTE-D2D[37,38]。

LTE-V-Cell 的关键性能指标主要包括:传输带宽最大可扩展到100 MHz,上行链路的峰值速率为500 Mbit/s,下行链路的峰值速率为1 Gbit/s,反应时延小于10 ms,控制时延小于50 ms,最大支持车辆速度为 500 km/h,最大的通信范围与LTE最大通信范围一致。关于LTE-V-Direct的关键性能指标目前还没有详细的统一标准。

4.1 LTE-V2X 车联网标准及演进

基于车联网相关技术研究的迅速进展,国内、国际标准化组织对于车联网标准的研制也进展十分迅速。

(1)3GPP LTE-V2X标准进展

2015 年 2 月,在世界主流通信设备商和运营商的推动下,3GPP 正式开始 LTE-V2X 技术标准化工作。设立了业务需求、系统架构、安全研究和空口技术 4 个技术工作组并开展工作。其中,业务需求由 SA1 工作组负责,定义了 LTE V2X支持的业务要求,包含27个具体用例并给出了 7 种典型应用场景的性能指标要求。系统架构由SA2工作组负责。其确定增强架构至少要支持LTE-V Uu和LTE-V PC5两种工作模式。其中Uu 空口主要承载传统车联网大容量的通信业务,PC5空口通过直通通信技术承载低时延高可靠性业务。安全方面由 SA3 工作组负责,主要调研 V2X 通信带来的系统安全威胁,分析研究 V2X 通信的安全需求并调研和评估现有的安全功能和架构[39]。空口技术由 RAN 工作组负责。

(2)3GPP LTE-eV2X标准进展

2016年6月,3GPP SA1 进行“增强的V2X业务需求”标准研究工作[40]。在发布的研究结果TS22.886[41]中,定义了 25 个应用案例,包括自动车队驾驶、半/全自动驾驶、可扩展传感、远程驾驶等需求。2017 年 3 月,由大唐电信等公司联合牵头的“3GPP V2X第二阶段标准研究”,主要讨论了包括载波聚合、发送分集、高阶调制、短帧传输等物理层关键技术,并于 2018年6月结项。

(3)5G NR-V2X 标准进展

2017 年 3 月,3GPP RAN开始进行V2X新型应用评估方法研究的SI[42],对3GPP TS22.886[41]中定义的增强业务需求进行评估研究,包括仿真场景、性能指标、频谱需求、信道模型和业务模型等。

4.2 5G V2X的体系结构

在 5G 时代,车联网拥有更加复杂多变的体系结构和新型的系统元素,如5G 车载单元、5G基站、5G 移动终端、5G 云服务器等。5G 车联网可以实现多种网络的融合,从而进行无缝的信息交互和信道切换。

图2展示了基于 D2D 通信的5G车联网应用架构。在未来车载移动互联网中,车辆可直接通过 5G 基站 (路边单元,RSU)或中继(包括邻近的车、用户移动终端)快速接入互联网,实现车与云端设施的信息交互;在车内网中,基于D2D通信,车辆和用于车内的用户终端可以在没有基站协助的情况下通过自行控制链路,进行短距离的车辆数据传输[43],从而降低数据传输时延;此外,在通信系统边缘或信号拥塞地带的车辆可以基于单跳或多跳的 D2D 建立 Ad Hoc 网络,实现车辆间的自组网通信[44]。

5 未来的挑战

目前V2X通信受到了学术界和工业界越来越多的关注与讨论,然而其正处于发展的初级阶段,也同样面临着各种各样的问题与挑战。主要体现在高可靠低时延通信、车辆安全、隐私保护和驾驶安全3个方面[43]。

5.1 高可靠低时延通信

由于V2X通信中的车辆往往处于高速运动的情景中,因此V2X通信模式对于车辆的定位信息具有更加严格的要求。同时在高速运动的场景下,信道和通信环境也更为复杂。而车辆的高速移动性以及网络拓扑结构的快速变化,容易造成车辆间的通信不稳定。例如当一辆车发信息给另一辆车时,由于车辆的速度可能使车辆间的距离超出双方的可通信范围,从而造成网络联通的不持续性。所以如何保证高速移动下V2X通信的高可靠低时延服务是值得探讨的关键问题。

此外,在车联网中,由于车辆行驶速度快,每次连接的实际有效时间短,接入切换频繁,因此要求网络接入和切换足够快,才能保持车载终端始终在线,其他的业务才能正常进行。目前车联网中存在多种不同的无线通信模式,如无线局域网、2G/3G/4G蜂窝通信、卫星通信和全球微波互联接入等,这些不同结构的网络要互通互联,进行数据传输交换,必须解决异构网络的融合问题。

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图2   基于D2D通信的5G车联网通信架构

5.2 车辆安全和隐私保护

车辆作为智能交通运输系统最为重要的一环,车辆的安全是非常重要的。未来,车辆将不再是一个封闭的载体,而是一个开放的可连接的载体,与目前的手机等智能终端一样融入互联网中进行信息交互。因此不法分子可以利用互联网技术对车辆进行攻击,从而达到解锁车辆、使车辆熄火或主动刹车等目的。此外,与普通的通信网络(如手机通信网络等)相比,由于涉及用户的生命和财产安全,V2X通信网络往往需要更高的安全等级。因此,如何保证V2X通信网络中的数据安全是一个关键的问题。

5.3 驾驶安全

由于车联网中网络拓扑结构的频繁变化以及传输数据的海量递增,驾驶安全也是V2X通信中需要考虑的关键问题。参考文献[45]提出考虑不可见的邻居用户数量问题、数据的传输范围和数据分组生成率对于V2X通信行驶安全的影响,针对某一特定安全需求的车联网应用场景,仿真结果表明相对大的传输范围和较低的数据分组生成率能够使不可见的邻居数量最小化,从而满足安全驾驶的要求。参考文献[46]提出定期会话的双向通信信道以及两种对双向信道可靠性的监控方法,一种是在会话期间进行监测,另外一种是在会话期间进行监控的基础上再在相邻会话之间的间歇加一次监测。除此之外,V2X通信系统所特有的一些新应用存在安全漏洞问题,比如车队通信、协作防撞、动态驾驶地图、视频数据共享等。参考文献[47]提出车队中断攻击和车辆传感数据伪造的不当行为等V2X通信安全问题。在车队通信中,领头车辆在组织和保持车队的通信中扮演重要的角色,然而存在单点故障问题。攻击者利用这一缺陷,选择性地重发某些关键的控制信息(比如加速指令、刹车、变道等),对车队通信进行车队中断攻击。由于重发指令的攻击不会修改或窃听消息,并且攻击在较短时间内就能完成,现有的安全机制无法防止或检测此类攻击。

信息共享机制允许车辆、路边基础设施、行人或所涉及的任一实体共享其传感数据,以避免不必要的碰撞。但是,每辆车捕获的视频数据太大,无法进行加密,而且在许多情况下,这些视频数据是在没有任何保护的情况下进行传输的,因此给V2X通信带来安全驾驶的安全隐患问题。在车辆传感数据伪造方面,攻击者插入一些视频帧或照片误导其他车辆用户做出错误的决定。

6 结束语

近年来,车辆数量的迅猛增长给人们的出行带来了极大便利。然而,汽车的大规模使用带来了日益严峻的副作用,这其中包括频繁的交通事故、拥堵的城市交通以及效率低下的驾驶体验。车联网通信通过车辆及道路基础设施间的信息交互使车辆更加智能,从而提高驾驶安全性,减少交通拥堵。未来,随着V2X 车联网技术的不断发展以及核心技术的逐渐完善,V2X通信也将在更多的应用场景中为人们提供更高质量、更可靠、更安全的服务。

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