序
近年來，隨著全球化經(jīng)濟和科技的不斷發(fā)展進步，我國城市化發(fā)展進程的不斷加快，車輛交通已成為人們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠郑嚀碛辛砍时ㄊ皆鲩L。根據(jù)國家統(tǒng)計局公布的數(shù)據(jù)，截至2020年年底，我國民用汽車保有量達到2.81億輛。龐大的汽車保有量將導致城市交通擁堵，汽車排放的尾氣將帶來環(huán)境污染，而且道路交通的安全隱患也不斷增加。除依靠拓寬道路、建設高架路和地鐵等增加基礎道路設施的手段外，還要充分發(fā)揮現(xiàn)代信息技術和車聯(lián)網(wǎng)技術在解決交通問題中的作用。推進交通信息化、網(wǎng)絡化和智能化，構建基于車聯(lián)網(wǎng)的智能交通系統(tǒng)（Intelligent Transportation System，ITS），實現(xiàn)快捷、安全、高效、舒適、綠色環(huán)保出行，一直以來都是世界各國不懈努力的目標�！吨腥A人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》中明確提出積極穩(wěn)妥發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和車聯(lián)網(wǎng)。
車聯(lián)網(wǎng)或網(wǎng)聯(lián)車有多種分類方式，從通信對象看，V2X（Vehicle-to-Everything）包括V2V（Vehicle-to-Vehicle，車到車，提供防碰撞安全能力）、V2I（Vehicle-to-Infrastructure，車到路，支持優(yōu)化交通信號燈轉換）、V2P（Vehicle-to-Pedestrian，車到人，支持為行人與騎行者提供安全預警）、V2N（Vehicle-to-Network，車到網(wǎng)或車到云平臺，提供實時交通流量與路徑規(guī)劃及服務）等。對應的車端需要配備各類傳感器（如攝像頭、激光雷達）和OBU（通信、控制器和執(zhí)行器，還可能含邊緣計算），路端需要配備RSU（含通信與邊緣計算能力）、傳感器和信號燈，也可能需要邊緣計算（MEC），網(wǎng)端需要有移動基站、MEC、通信云平臺等，云端需要支持高精度地圖、交通大數(shù)據(jù)分析、人工智能決策、智能出行應用軟件及服務等。
從支持車輛的自動化能力看，可分為L1～L5共五級。L1為輔助駕駛，傳輸時延為100～1000 ms，網(wǎng)速為0.2 Mbps；L2為部分自動化，傳輸時延為20～100 ms，網(wǎng)速為0.5 Mbps；L3為條件自動化，傳輸時延為10～20 ms，網(wǎng)速為16 Mbps；L4為高級自動化，傳輸時延為1～10 ms，網(wǎng)速為100 Mbps；L5為全自動化，傳輸時延與網(wǎng)速能力同L4，但感知能力的配置與智能化水平可支持無人駕駛。
V2X從技術上可分為DSRC（專用短程通信技術）和C-V2X（基于蜂窩的車聯(lián)網(wǎng)技術）。DSRC應用較早，工作在5.8 GHz頻段，傳輸距離為800 m，車速為60 km/h，數(shù)據(jù)傳輸速率為27 Mbps，傳輸時延低于10 ms，但僅針對V2V / V2I場景，容量不足以應對交通擁堵，干擾管理和覆蓋是其短板。C-V2X根據(jù)基于4G或5G而分為LTE-V2X和NR-V2X（或稱為5G C-V2X），工作頻段和覆蓋范圍同移動通信系統(tǒng)，下行數(shù)據(jù)傳輸速率為1 Gbps，可以支持車輛編隊行駛、高級駕駛、擴展傳感器、遠程駕駛、增強的情境感知、協(xié)作式駕駛和意圖共享等。LTE-V2X和NR-V2X的區(qū)別首先是對車速的支持能力，分別為350 km/h和500 km/h，其次是控制面通信時延，分別低于50 ms和3 ms，顯然只有NR-V2X才能適應L3及以上級別的要求。
車聯(lián)網(wǎng)的功能還可以按有無路側協(xié)同和有無車輛間協(xié)同來區(qū)分。在既無路側協(xié)同也無車輛間協(xié)同的場景下，即僅提供單個車輛與邊緣云節(jié)點通信，可支持本地信息分發(fā)、動態(tài)高精度地圖、車載信息增強、車輛在線診斷。在這一場景下，邊緣計算收集中心云及車載傳感設備信息，提供高精度地圖存儲與更新，融合車輛報來的視頻/雷達信號并下發(fā)分析結果，對車輛自動駕駛狀態(tài)進行分析并提供應急處置。在無車輛間協(xié)同但有路側協(xié)同的場景下，提供單一車輛與邊緣計算及路側智能設施交互，支持危險駕駛提醒和車輛違章預警。在該場景下，邊緣計算收集路側傳感器信息，融合分析后，提供疲勞駕駛、夜間行車與惡劣天氣提醒，識別車牌，判定超速、逆行、長期占用應急車道等違章行為并下發(fā)給車輛及上報給中心云。在有車輛間協(xié)同但無路側協(xié)同的場景下，提供多車與邊緣計算交互，支持V2V信息轉發(fā)和車輛感知共享。在這一場景下，邊緣計算作為橋接節(jié)點，以V2N2V方式支持車與車之間的數(shù)據(jù)交互，支持車到車通信，轉發(fā)車輛的感知信息，解決如后車視野被前車遮擋的盲區(qū)等感知能力。在車輛間協(xié)同和路側協(xié)同兼有的場景下，提供多車與邊緣計算及路側智能設施交互，支持匝道合流輔助、智慧交叉路口和大范圍協(xié)同調(diào)度。該場景下的邊緣計算收集匝道合流處的傳感器信息和車輛狀態(tài)信息，預測車、人和障礙物的相對位置、速度、方向，下發(fā)結果到車輛，優(yōu)化交通信號燈參數(shù)，預測擁堵，并利用路徑優(yōu)化算法對車輛進行導航調(diào)度。
車聯(lián)網(wǎng)要實現(xiàn)車、路、網(wǎng)、云、人的協(xié)同，在功能上相當復雜，在性能上特別是對安全與可靠性要求很高。5G的100 Mbps級的用戶體驗數(shù)據(jù)傳輸速率、空中接口0.5 ms的時延、可支持每平方千米高達100萬臺連接設備、優(yōu)于99.9999%的可靠性、在室內(nèi)停車場也能做到3 m精度的定位（2022年還可提供精度到0.3 m），這些性能使得5G比現(xiàn)有的無線通信手段更適合車聯(lián)網(wǎng)的需要。
盡管如此，車聯(lián)網(wǎng)和公眾網(wǎng)的人與人通信還是有很大不同的，5G也會面臨新的挑戰(zhàn)。80%的公眾網(wǎng)用戶在室內(nèi)使用，即處于非移動狀態(tài)，而80%以上的城市車聯(lián)網(wǎng)用戶處于行駛狀態(tài)，對移動性管理要求更高。公眾網(wǎng)的移動通信在通信時占用信道，用戶信道在線時間較短，而車聯(lián)網(wǎng)在行駛中永遠在線。公眾網(wǎng)的通信基本是點到點方式，而車聯(lián)網(wǎng)在V2V場景下是點到多點和多點到點甚至廣播方式。公眾網(wǎng)的通信基本是以下行為主的，而車聯(lián)網(wǎng)上行數(shù)據(jù)量可能會超過下行數(shù)據(jù)量。公眾網(wǎng)的通信所發(fā)送的信息是主叫方主動的，被叫方也是已知的，而車聯(lián)網(wǎng)中每輛車發(fā)送的信息并不受車主所控。公眾網(wǎng)跨運營商的用戶間通信數(shù)據(jù)通常要在省間中心或省中心互聯(lián)，車聯(lián)網(wǎng)間跨運營商的通信需要在本地互聯(lián)，以免時延太長。車聯(lián)網(wǎng)海量物聯(lián)網(wǎng)連接需使用分層管理與群組認證或多節(jié)點分布認證以免產(chǎn)生信令風暴，對車聯(lián)網(wǎng)V2V場景還需要快速認證。公眾網(wǎng)的通信通常采用包月或按流量收費，而車聯(lián)網(wǎng)的商業(yè)模式有待探索。
車聯(lián)網(wǎng)的新應用場景除對技術提出新挑戰(zhàn)外，在管理上也需要體制機制的創(chuàng)新來適應，車聯(lián)網(wǎng)不僅需要車路協(xié)同、車車協(xié)同，還需要人與車協(xié)同，因為馬路上不僅有汽車還有非機動車與行人。車聯(lián)網(wǎng)需要智能感知系統(tǒng)與車載電子系統(tǒng)協(xié)同，需要車內(nèi)IT與OT（汽車運行技術）系統(tǒng)協(xié)同，需要車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品與服務協(xié)同；車聯(lián)網(wǎng)應用到礦山、港口、農(nóng)場、林場等，需要跨行業(yè)協(xié)同，還需要重視跨部門的協(xié)同，政府跨部門間數(shù)據(jù)共享與管理協(xié)同及法規(guī)的配套是更大的挑戰(zhàn)。
車聯(lián)網(wǎng)盡管涉及技術很多、管理復雜，但萬變不離其宗，即源于通信的基礎技術。本書作者參閱了相關領域國內(nèi)外專家學者的著作和論文，通過深入研究提出了對實際場景建模和解決存在的具體問題的方法。本書設計了5G C-V2X系統(tǒng)軟件仿真平臺，通過建模和設置各種交通場景，可得到相關的評估結果。本書作者在車聯(lián)網(wǎng)的研究中對基礎技術在車聯(lián)網(wǎng)中的應用有較深入的認識。書中介紹了與基于5G的C-V2X有關的一系列基礎技術，包括車載時變信道建模技術、協(xié)作通信技術、全雙工技術、D2D技術、NOMA技術、組播通信技術、虛擬小區(qū)技術、NB-IoT技術、區(qū)塊鏈技術、計算卸載技術、認知無線電技術及可見光技術等。
本書可作為從事車載通信系統(tǒng)研究與開發(fā)的電信工程師、工程管理人員及相關專業(yè)從事教學與研究的師生的參考書。從上述通信基礎技術到實用的5G C-V2X車聯(lián)網(wǎng)技術還有不少需要深入研究的問題，我國車聯(lián)網(wǎng)還處于試驗階段，真正大規(guī)模部署還將面臨更大的挑戰(zhàn)與考驗，創(chuàng)新空間廣闊，希望本書能為更多有志之士投身車聯(lián)網(wǎng)的研究開發(fā)提供基本知識的培訓。
中國工程院院士 鄔賀銓
2021年4月20日
前 言
隨著5G、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新一代技術和汽車交通等領域的深度融合，以及工業(yè)和信息化部、財政部發(fā)布的十三五時期全國智能制造發(fā)展的綱領性文件《智能制造發(fā)展規(guī)劃（20162020年）》的實施和支持，我們生活中的汽車與汽車之間、汽車與道路之間、汽車與人之間，以及與云端的多維信息交互網(wǎng)絡系統(tǒng)正在逐漸形成。未來車聯(lián)網(wǎng)將逐步由目前的單車信息服務向V2X、ITS業(yè)務演進，將車、路、網(wǎng)及周邊環(huán)境數(shù)據(jù)緊密結合，提高交通資源利用效率，提供更安全、更經(jīng)濟、更便利的出行服務。車聯(lián)網(wǎng)對網(wǎng)絡的要求主要體現(xiàn)在時延、帶寬及可靠性3個方面，即車聯(lián)網(wǎng)要求時延控制在5～10 ms，能提供穩(wěn)定的10～100 MHz帶寬，可靠性要大于99.99%。目前4G 網(wǎng)絡普遍時延為25～100 ms，且無法提供超穩(wěn)定的連接。5G網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸速率的理論值將達到5 Gbps甚至10 Gbps，是4G網(wǎng)絡的50～100倍，而時延均值也降至10 ms以內(nèi)。因此，5G 大帶寬、低時延等關鍵技術完全可為V2X通信提供強大支撐，基于5G高速率、高可靠性、大容量和低時延的特性，可支持3D高精度地圖數(shù)據(jù)及車輛、行駛環(huán)境數(shù)據(jù)的傳輸，可實現(xiàn)汽車自主性AI，可實現(xiàn)大規(guī)模機器間的相互通信。
盡管5G通信技術還沒有真正被應用于人們的日常生活中，但車聯(lián)網(wǎng)技術已經(jīng)逐漸被應用于人們的生活中，這其中代表性的就是C-V2X。C-V2X是指從LTE-V2X 到5G V2X 的平滑演進，它不僅支持現(xiàn)有的LTE-V2X應用，還支持5G NR-V2X的全新應用。它基于強大的3GPP 生態(tài)系統(tǒng)和連續(xù)完善的蜂窩網(wǎng)絡覆蓋，可大幅降低未來自動駕駛和車聯(lián)網(wǎng)部署成本。當前，我國發(fā)展5G技術的C-V2X同樣具備先天優(yōu)勢：首先，我國擁有全球的LTE商用網(wǎng)絡，如果采用5G通信技術解決車載通信方案，就可以有效降低車聯(lián)網(wǎng)在路側基礎設施上的部署和投資；其次，更有利于我國搶占C-V2X技術、標準及產(chǎn)業(yè)的制高點，實現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。
將5G通信技術應用于車聯(lián)網(wǎng)領域，不但提供了一種新的車聯(lián)網(wǎng)通信方式，而且保障了通信質(zhì)量，使車聯(lián)網(wǎng)的體系結構得到了優(yōu)化，為車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展帶來了重大變革。但我國5G 車聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)化普及同樣也面臨著重大的挑戰(zhàn)，其主要的局限性體現(xiàn)在通信干擾、網(wǎng)絡頻繁切換、資源分配、隱私保護、通信安全等幾個方面。全書共12章，主要內(nèi)容包括車載時變信道建模技術、協(xié)作通信技術、全雙工技術、D2D技術、NOMA技術、組播通信技術、虛擬小區(qū)與NB-IoT技術、區(qū)塊鏈技術、計算卸載技術、認知無線電技術和可見光技術。本書可作為從事車載通信系統(tǒng)研究與開發(fā)的電信工程師、工程管理人員的指導和參考用書，也可作為電子與通信工程領域通信與信息系統(tǒng)、信號與信息處理等學科的研究生和高年級本科生的參考書或教材，同時對通信領域進行教學、研究、開發(fā)的教師與學生均有很好的參考價值。
本書參考了國內(nèi)外有關著作和文獻，在此向這些著作和文獻的作者表示誠摯的感謝。此外，本書也得到了作者所指導的博士生、碩士生的支持和幫助，以及國家自然科學基金（No. 61872406）和浙江省重點研發(fā)計劃項目（No. 2018C01059）的資助，在此表示衷心感謝。
由于作者水平有限，書中難免存在一些缺點和錯誤，敬請讀者不吝批評指正。
肖海林
書單推薦
