5G在車聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

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1 引言 近年來，因汽車數(shù)量持續(xù)增長而引起的交通安全、出行效率、環(huán)境保護等問題日益突出，車聯(lián)網(wǎng)相關(guān)領(lǐng)域的研究和發(fā)展受到了廣泛關(guān)注。車聯(lián)網(wǎng)是以車內(nèi)網(wǎng)、車際網(wǎng)和車載移動互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，融合了傳感器、RFID（radio frequency identification）、數(shù)據(jù)挖掘、自動控制等相關(guān)技術(shù)，按照約定的通信協(xié)議和標準，在車X（X：車、路、行人、互聯(lián)網(wǎng)）交互過程中，實現(xiàn)車輛與公眾網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)移動通信，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在交通系統(tǒng)領(lǐng)域的典型應(yīng)用。在車聯(lián)網(wǎng)中，車輛作為移動通信設(shè)備和用戶的載體，以拓撲節(jié)點的形式組織移動網(wǎng)絡(luò)拓撲。由于車輛自身的移動性，車載通信具有移動區(qū)域受限、網(wǎng)絡(luò)拓撲變化快、網(wǎng)絡(luò)頻繁接入和中斷、節(jié)點覆蓋范圍大、通信環(huán)境復(fù)雜等特點［1］。根據(jù)車聯(lián)網(wǎng)的上述特征，當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)的實施存在以下多方面挑戰(zhàn)和困難。 1） 在體系結(jié)構(gòu)方面，由于移動互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的快速發(fā)展，為滿足用戶的多功能體驗，車聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。在車載移動互聯(lián)網(wǎng)中，路側(cè)單（RSU， road side unit）作為車輛自組網(wǎng)（VANET， vehicular ad hoc network）無線接入點，將車輛以及道路等信息上傳至互聯(lián)網(wǎng)并發(fā)布相關(guān)交通信息，這種車與基礎(chǔ)設(shè)施（V2I， vehicle to infrastructure）的協(xié)作通信模型需要大量的RSU支撐，增加了建設(shè)的成本和能源消耗［2］。 2） 在通信方面，車聯(lián)網(wǎng)中存在多種類型的通信網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)使用不同的標準和協(xié)議，數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)的融合不完善，影響車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)運行效率。雖然IEEE 802.11p 標準的車輛自組網(wǎng)通信在高速運行環(huán)境下傳輸距離遠、分組丟失率低、可靠性高， 但在極其復(fù)雜的非視距（NLOS，non-line of sight）環(huán)境下通信質(zhì)量會受到不同程度的干擾［2］。另外，由于車輛的高速移動，需要 快速可靠的網(wǎng)絡(luò)接入與信息交互，時延受限成為當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)面臨的重要問題。 3） 在安全方面，車聯(lián)網(wǎng)中的用戶信息都將連接 在該網(wǎng)絡(luò)上，隨時隨地被感知，很容易被干擾和竊取，嚴重影響了車聯(lián)網(wǎng)體系的安全。當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)在每一層都存在不同程度的威脅：在感知層，車輛單元（OBU， on-board unit）和路側(cè)單元RSU 節(jié)點的物理安全、感知信息的無線傳輸；在網(wǎng)絡(luò)層，數(shù)據(jù)破壞、數(shù)據(jù)泄露、虛假信息等安全與隱私問題［3］；在應(yīng)用層，也存在身份假冒、越權(quán)操作等由于技術(shù)方面的不足或因管理不當(dāng)而帶來的隱形危害。 近年來，車聯(lián)網(wǎng)在體系結(jié)構(gòu)、通信以及安全方面存在的問題成為當(dāng)前學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點，而隨著第5 代移動通信（5G）的快速發(fā)展，5G 移動通信網(wǎng)絡(luò)將融合大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、終端直通、認知無線電（CR， cognitive radio）等先進技術(shù)［4］，以更加靈活的體系結(jié)構(gòu)解決多樣化應(yīng)用場景中差異化性能指標帶來的挑戰(zhàn)。其中，5G 通信技術(shù)在低時延、高移動性車聯(lián)網(wǎng)場景的應(yīng) 用，解決了當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)面臨的多方面問題和挑戰(zhàn)，使OBU 在高速移動下獲得更好的性能。而且，5G 通信技術(shù)讓車聯(lián)網(wǎng)不用單獨建設(shè)基站和服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施，而是隨著5G 通信技術(shù)的應(yīng)用普及而普及，為車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展帶來歷史性的機遇。 2 5G 車聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu) 未來5G 通信技術(shù)在車聯(lián)網(wǎng)場景的應(yīng)用使車聯(lián)網(wǎng)擁有更加靈活的體系結(jié)構(gòu)和新型的系統(tǒng)元素（5G 車載單元OBU、5G 基站、5G 移動終端、5G 云服務(wù)器等）。除了在車內(nèi)網(wǎng)、車際網(wǎng)、車載移動互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)V2X（X：車、路、行人及互聯(lián)網(wǎng)等）信息交互以外，5G 車聯(lián)網(wǎng)還將實現(xiàn)OBU、基站、移動終端、云服務(wù)器的互聯(lián)互通，分別給予它們特殊的功能和通信方式。5G 車聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的特點主要體現(xiàn)在OBU多網(wǎng)接入與融合、OBU多渠道互聯(lián)網(wǎng)接入、多身份5G 基站。 2.1 OBU 多網(wǎng)接入與融合 目前，在車聯(lián)網(wǎng)中，多種網(wǎng)絡(luò)共存，包括基于IEEE 802.11a/b/g/n/p 標準協(xié)議的WLAN、2G/3G 蜂窩通信、LTE 以及衛(wèi)星通信等網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)在車聯(lián)網(wǎng)通信中使用不同的標準和協(xié)議，數(shù)據(jù)處理和信息交互不完善。而5G 車聯(lián)網(wǎng)將融合多種網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)無縫的信息交互和通信切換。5G 移動通信網(wǎng)絡(luò)是一個包括宏蜂窩層和設(shè)備層的雙層網(wǎng)絡(luò)［5］，其中，宏蜂窩層與傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)相似，涉及基站和終端設(shè)備之間的直接通信。在設(shè)備層通信中， 設(shè)備到設(shè)備（ D2D,dedevice-to-device）通信是5G 移動通信技術(shù)的重要組成部分，是一種終端與終端之間不借助任何網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施直接進行信息交互的通信方式［6］。根據(jù)基站對資源分配和對起始、目的、中繼終端節(jié)點的控制情況，D2D 終端通信方式可分成4 類［5］。 1） 基站控制鏈路的終端轉(zhuǎn)發(fā)。終端設(shè)備可以在信號覆蓋較差的環(huán)境下，通過鄰近終端設(shè)備的信息轉(zhuǎn)發(fā)與基站通信，其中，通信的鏈路建立由基站和中繼設(shè)備控制，在這種通信方式下，終端設(shè)備可實現(xiàn)較高的服務(wù)質(zhì)量（QoS， quality of service）。 2） 基站控制鏈路的終端直接通信。終端之間的信息交互與通信沒有基站的協(xié)助，但需要基站控制鏈路的建立。 3） 終端控制鏈路的終端轉(zhuǎn)發(fā)。基站不參與通信鏈路的建立和信息交互，源終端與目的終端通過中繼設(shè)備協(xié)調(diào)控制彼此之間的通信。 4） 終端控制鏈路的終端直接通信。終端之間的通信沒有基站和終端設(shè)備的協(xié)助，可自行控制鏈路的建立，這種方式有利于減輕設(shè)備之間的干擾。圖1 展示了5G 移動通信網(wǎng)的D2D 通信方式在車聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。未來5G 車聯(lián)網(wǎng)D2D 通信技術(shù)將為車聯(lián)網(wǎng)提供新的通信模式。其中，在車載移動互聯(lián)網(wǎng)，OBU 可直接通過5G 基站或中繼（包括鄰近的OBU、用戶移動終端）快速接入互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)車與云服務(wù)器的信息交互；在車內(nèi)網(wǎng)，為充分實現(xiàn)用戶與車輛的人機交互，以O(shè)BU 為媒介，與用戶5G 移動終端之間在沒有基站或其他終端設(shè)備協(xié)助情況下，通過自行控制鏈路，進行短距離的車輛數(shù)據(jù)傳輸；在基于D2D 的通信網(wǎng)絡(luò)中，5G 車載單元可在網(wǎng)絡(luò)通信邊緣或信號擁塞地帶基于單跳或多跳的D2D 建立ad hoc 網(wǎng)絡(luò)，實施車輛自組網(wǎng)通信［5］。通過以上對5G 車聯(lián)網(wǎng)通信方式的分析，如圖2 所示，5G 車聯(lián)網(wǎng)將改變基于IEEE 802.11p標準的車聯(lián)網(wǎng)通信方式，實施多實體之間（OBU之間以及OBU 與車主移動終端、行人、5G 基站、互聯(lián)網(wǎng)之間）的信息交互，實現(xiàn)OBU 的多網(wǎng)接入［2］以及車內(nèi)網(wǎng)、車際網(wǎng)、車載移動互聯(lián)網(wǎng)的“三網(wǎng)融合”。 2.2 多身份5G 基站 傳統(tǒng)的基站作為終端通信的中繼，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和鏈路控制等方面起著重要作用；而5G 基站的大量部署，將實現(xiàn)超密集網(wǎng)絡(luò)，從而給予用戶精確定位、協(xié)助終端通信等功能。在基于5G毫米波的通信網(wǎng)絡(luò)中，D2D 技術(shù)涉及終端與基站（D2B）、基站與基站（B2B）之間的直接通信［7］。其中，D2B 與B2B 以自組織方式通信將是一個重要的突破，這決定了5G 基站將以不同的角色發(fā)揮至關(guān)重要的作用。在車聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場景，5G 基站將擁有以下功能。 1） 協(xié)作中繼。5G 基站具備傳統(tǒng)基站的中繼轉(zhuǎn)發(fā)功能，作為無線接入點，協(xié)助車與互聯(lián)網(wǎng)通信。 2） 擔(dān)當(dāng)RSU。在高速運行的環(huán)境下，車輛自組網(wǎng)通信中的5G 基站將取代RSU，與OBU 實時通信，通過廣播的方式向車輛自組網(wǎng)中的車輛發(fā)布交通信息，并協(xié)助車與車通信以及多個車輛自組網(wǎng)通信。這不僅節(jié)約了車聯(lián)網(wǎng)體系的構(gòu)建成本，而且解決了V2I 協(xié)作通信系統(tǒng)［8］融合面臨的多方面問題［9］。 3） 精確定位。GPS 作為當(dāng)前OBU 的定位系統(tǒng)是非常脆弱的，容易受到欺騙、阻塞等多種類型的攻擊。并且，GPS 的信號容易受到天氣影響，導(dǎo)致無法實施精確定位［2］。未來5G 基站的大量部署使用更高的頻率和信號帶寬，實施密集網(wǎng)絡(luò)以及大規(guī)模的天線陣列，使OBU 在NLOS 復(fù)雜環(huán)境下減少定位誤差。其次，D2D 通信充分利用高密度的終端設(shè)備連接的優(yōu)勢，從以下兩方面提高定位性能［10］。一方面，大量的D2D 鏈路可以為確定車輛之間的偽距提供信號觀測，如式（3）和式（5）所示，D2D 通信不僅使OBU 可以接收來自鄰近車輛和移動終端的信息，其同步和信道估計單元等信號處理的實體還可被復(fù)用于信號傳輸?shù)难訒r估計。在車聯(lián)網(wǎng)中，D2D 通信模式提供了一個網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，N 個OBU 構(gòu)成的最大鏈路數(shù)為N（N-1）。另一方面，OBU 的D2D 通信鏈路為定位直接交 換所需數(shù)據(jù)，可進一步加快局部決策，改進位置估計過程的收斂時間。 圖3 為基于D2D 的協(xié)作定位系統(tǒng)，車載終端OBU1 從基站2 接收的信號為 2.3 多渠道互聯(lián)網(wǎng)接入 在將來5G 移動網(wǎng)絡(luò)通信中，文獻［5］指出5G終端通過自行控制通信鏈路建立，定期廣播身份信息，其他鄰近的終端及時發(fā)現(xiàn)并評估多個信道狀態(tài)信息（CSI， channel state information），自適應(yīng)地選擇當(dāng)前最優(yōu)的信道［11］ ，決定建立一個5G 終端之間的直接通信或選擇合適的中繼轉(zhuǎn)發(fā)消息，這種通信方式使5G 終端以最優(yōu)的方式實現(xiàn)信息交互，同時也提高頻譜和能源的利用率。 根據(jù)5G 終端高效、多樣化的通信方式，OBU可通過多種渠道接入互聯(lián)網(wǎng)。如圖4 所示，OBU除了可按照當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)的V2I 協(xié)作通信方式外，還可通過鄰近的5G基站、5G 車載單元OBU 和5G 移動終端等多種渠道自適應(yīng)地選擇信道質(zhì)量較好的方式接入互聯(lián)網(wǎng)。 3 5G 車聯(lián)網(wǎng)特征 5G 移動通信融合CR、毫米波、大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、全雙工通信（FD， wirelessfull-duplex）等關(guān)鍵技術(shù)［4］，顯著提高了通信系統(tǒng)的性能。在車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景中，相比IEEE 802.11p標準的通信，5G 車聯(lián)網(wǎng)的特點主要體現(xiàn)在低時延與高可靠性、頻譜和能源高效利用、更加優(yōu)越的通信質(zhì)量。 3.1 低時延與高可靠性 作為車聯(lián)網(wǎng)信息的發(fā)送端、接收端和中繼節(jié)點，消息傳遞過程必須保證私密性、安全性和高數(shù)據(jù)傳輸率，通信具有嚴格的時延限制［12］。目前，研究的車聯(lián)網(wǎng)通信數(shù)據(jù)的密集使用以及頻繁交換，對實時性要求非常高，然而，受無線通信技術(shù)的限制（如帶寬、速度和域名等），通信時延達不到毫秒級，不能支持安全互聯(lián)需求。 5G 高/超高密集度組網(wǎng)、低的設(shè)備能量消耗大幅地減小信令開銷，解決了帶寬和時延相關(guān)問題，且5G 的時延達到了毫秒級，滿足了低延時和高可靠性需求，成為車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的最大突破口。在5G 車聯(lián)網(wǎng)通信中，為更好地研究與應(yīng)用低時延和高可靠性的鏈路特征，文獻［13］分析了適應(yīng)于以300 km/h 速度移動車輛通信的5G 自適應(yīng)天線，提高了OBU 與基站的通信質(zhì)量，降低了在信道估計與數(shù)據(jù)傳輸之間產(chǎn)生的時延。文獻［14］提出利用網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV， network function virtualization）和軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN， software defined network）技術(shù)提高5G 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的靈活性，并提出實現(xiàn)低時延服務(wù)的解決方案，主要包括服務(wù)預(yù)約和配置、減少IP 地址解析的時延、連續(xù)服務(wù)時延的優(yōu)化。其中，5G 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的優(yōu)化不僅要支持當(dāng)前的應(yīng)用服務(wù)，而且要適應(yīng)高速增長的信息量并滿足將來多樣性的服務(wù)需求［15］，尤其是對于時延高度敏感的通信，如車聯(lián)網(wǎng)V2X 通信場景，嚴格要求低時延和高可靠性，是5G 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)應(yīng)用的顯著特點。 根據(jù)表1 設(shè)置的主要參數(shù)實施基于D2D 模式的V2V 通信時延仿真，得到了如圖5 所示的結(jié)果。隨著車輛數(shù)目的增加，端到端的通信時延基本保持平穩(wěn)狀態(tài)，而5G 車聯(lián)網(wǎng)基于D2D 技術(shù)將實現(xiàn)車與車、車與基站以及5G 移動終端通信，其空口時延在1 ms 左右，端到端時延控制在毫秒級［14］，延時性能比IEEE 802.11p 標準的通信方式優(yōu)越，有效地保障了通信的可靠性［2］。 3.2 頻譜和能源高效利用 頻譜和能源的高效利用是5G用戶體驗的一個重要的特征。5G 通信技術(shù)在車聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，將解決當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)資源受限等問題。5G 車聯(lián)網(wǎng)的頻譜 和能源高效利用主要體現(xiàn)在以下幾個方面。 1） D2D 通信。在5G 通信中，D2D 通信方式通過復(fù)用蜂窩資源實現(xiàn)終端直接通信。5G 車載單元將基于D2D 技術(shù)實現(xiàn)與鄰近的車載單元、5G 基站、5G 移動終端的車聯(lián)網(wǎng)自組網(wǎng)通信和多渠道互聯(lián)網(wǎng)接入。通過這種方式提高車聯(lián)網(wǎng)通信的頻譜利用率［16］，與基于IEEE 802.11p 標準的車聯(lián)網(wǎng)V2X 通信方式相比，減少了成本的支出，節(jié)約了能源。 2） 全雙工通信。5G 移動終端設(shè)備使用全雙工通信方式，允許不同的終端之間、終端與5G 基站之間在相同頻段的信道可同時發(fā)送并接收信息，使空口頻譜效率提高一倍，從而提高了頻譜使用效率［17］。 3） 認知無線電。認知無線電技術(shù)是5G 通信網(wǎng)絡(luò)重要的技術(shù)之一［18］。在車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景中，車載終端通過對無線通信環(huán)境的感知，獲得當(dāng)前頻譜空洞信息，快速接入空閑頻譜，與其他終端高效通信。這種動態(tài)頻譜接入的應(yīng)用滿足了更多車載用戶的頻譜需求，提高頻譜資源的利用率。其次，車載終端利用認知無線電技術(shù)可以與其他授權(quán)用戶共享頻譜資源，從而解決無線頻譜資源短缺的問題。 除了以上提到的頻譜和能源高效應(yīng)用外，最近的相關(guān)研究表明，在不影響通信性能的情況下，5G 基站的大規(guī)模天線陣列的部署有潛在的節(jié)約能源作用 ［19～21］。其次，在車輛自組網(wǎng)中，5G 車載單元及時發(fā)現(xiàn)鄰近的終端設(shè)備，且與之通信的能力也會減少OBU 間通信的能源消耗。 3.3 更加優(yōu)越的通信質(zhì)量 5G 通信網(wǎng)絡(luò)被期望擁有更高的網(wǎng)絡(luò)容量并且可為每個用戶提供每秒千兆級的數(shù)據(jù)速率，以滿足QoS 的要求。文獻［7］提出頻段為30～300 GHz的毫米波通信系統(tǒng)可為5G終端之間以及終端與基站之間以更好的通信質(zhì)量進行信息交互。其中，毫米波擁有極大的帶寬，可提供非常高的數(shù)據(jù)傳輸速率，并減少環(huán)境的各種干擾，降低終端之間連接中斷的概率。表2 是5G 車聯(lián)網(wǎng)與基于IEEE 802.11p 標準的車聯(lián)網(wǎng)在VANET 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)方面的比較［2］，結(jié)果表明，5G 車聯(lián)網(wǎng)擁有比當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)更加優(yōu)越的無線鏈路特征。 1） 通信距離。5G 車聯(lián)網(wǎng)V2V 通信的最大距離大約為1 000 m，從而可以解決IEEE 802.11p車輛自組網(wǎng)通信中短暫、不連續(xù)的連接問題，尤其是在通信過程中遇到大型物體遮擋的NLOS 環(huán)境下。 2） 傳輸速率。5G 車聯(lián)網(wǎng)為V2X 通信提供高速的下行和上行鏈路數(shù)據(jù)速率（最大傳輸速率為1 Gbit/s）。從而使車與車、車與移動終端之間實現(xiàn)高質(zhì)量的音視頻通信。 3） 高速移動性。與IEEE 802.11p 標準通信相比，5G 車聯(lián)網(wǎng)支持速度更快的車輛通信，其中，支持車輛最大的行駛速度約為350 km/h。 4 挑戰(zhàn) 5G 車聯(lián)網(wǎng)將先進的5G 通信技術(shù)應(yīng)用在車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，改善了傳統(tǒng)車聯(lián)網(wǎng)的通信方式、通信質(zhì)量，優(yōu)化了車聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，為車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展帶來了重大變革，但5G 車聯(lián)網(wǎng)也面臨著重大的挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在干擾管理、通信安全和駕駛安全3 個方面［5］。 4.1 干擾管理 對于有限資源的高效利用，資源復(fù)用和密集化被應(yīng)用于5G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)，盡管可以增加信號容量和吞吐量并額外地提高宏蜂窩與局域網(wǎng)絡(luò)的資源共享，但這些優(yōu)點出現(xiàn)的同時卻產(chǎn)生了同信道干擾問題。因此，作為二元體系［5］的5G 移動通信網(wǎng)絡(luò)，干擾管理是個重要問題。 基于D2D 技術(shù)的基站控制通信鏈路的終端直接通信以及終端作為中繼的通信方式，基站可以進行資源分配和鏈路管理，并實施集中化的管理方法減輕干擾問題［22］。但對于將來的5G 車載單元之間的直接通信，在沒有基站作為中繼或者管理鏈路的情況下，5G 車聯(lián)網(wǎng)通信中的干擾不可避免［23］。 表3 分析了在5G 移動通信網(wǎng)絡(luò)與基于D2D通信網(wǎng)絡(luò)中的干擾管理方法及其特點。為了處理將來5G 移動通信網(wǎng)中的干擾問題，文獻［24］提出了2 種技術(shù)：先進的接收機技術(shù)和聯(lián)合調(diào)度技術(shù)。其中，先進的接收機技術(shù)不僅處理了位于小區(qū)邊緣的小區(qū)之間的干擾，而且在大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO， multiple-input multiple-output）狀況下，也解決了小區(qū)內(nèi)的干擾。聯(lián)合調(diào)度技術(shù)被廣泛應(yīng)用于蜂窩系統(tǒng)和鏈路多變網(wǎng)絡(luò)的干擾管理。但在多點協(xié)作機制中，傳輸速率和多小區(qū)的傳輸方案不能自行控制，在實現(xiàn)快速的網(wǎng)絡(luò)分布和互聯(lián)互通時，利用聯(lián)合調(diào)度實施先進的干擾管理方案需要5G 通信系統(tǒng)嚴格規(guī)定。 針對5G 終端之間基于D2D 通信網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生的干擾，文獻［25］提出了2 種資源分配方法：一種是在D2D 與其他終端設(shè)備之間分配正交資源，這是一種靜態(tài)分配方法；另一種是在D2D 與其他終端設(shè)備之間分配并行資源，這是一種動態(tài)分配方法，可以更高效地使用無線電資源，但它可能會帶來新的干擾問題。針對車聯(lián)網(wǎng)中基于D2D 的V2X 通信場景中產(chǎn)生的干擾問題，文獻［2］提出一種基于CR 的資源配置方案，這種方法有效使用空白頻譜，不僅提高頻譜和能源的利用效率，而且不會產(chǎn)生新的干擾問題。當(dāng)通過控制功率來處理基于D2D 的V2V 通信場景中產(chǎn)生的干擾問題時，為了不對車載移動通信網(wǎng)中OBU 或者其他 蜂窩用戶通信產(chǎn)生嚴重干擾，基于D2D 通信的OBU 需要檢測在每個信道上相應(yīng)的功率值。當(dāng)OBU 復(fù)用蜂窩通信用戶的上行通信鏈路資源時，其發(fā)射功率應(yīng)滿足 總之，在基于D2D 的V2X 通信場景中，要從各個角度充分考慮干擾管理問題，適當(dāng)?shù)剡x擇復(fù)用信道并遵守以下原則：1） 處理由D2D通信鏈路產(chǎn)生的干擾，要確保蜂窩用戶能夠滿足自身SINR 的需求；2） 確保由蜂窩用戶產(chǎn)生的干擾對基于D2D 的V2X 通信鏈路影響盡可能地?。?6］。 4.2 安全通信和隱私保護 在車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的過程中，安全作為一項重要挑戰(zhàn)一直備受關(guān)注。在當(dāng)前的車聯(lián)網(wǎng)通信中存在嚴重的安全問題，例如，在VANET 中可能存在惡意的車輛，這些惡意的車輛發(fā)送虛假信息欺騙其他車輛，造成車輛信息和車主隱私信息的泄露，另外，一些惡意的車輛還會偷竊多個身份，偽造交通場景，影響交通秩序、破壞網(wǎng)絡(luò)正常運行，威脅用戶生命財產(chǎn)安全，因此安全認證和隱私保護是車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的焦點問題。 為了支持數(shù)據(jù)流量的不斷增加，5G 無線通信網(wǎng)絡(luò)需要更高的容量和高效的安全機制。而在5G網(wǎng)絡(luò)通信體系中，終端用戶和不同的接入點之間需要更加頻繁的認證以防止假冒終端和中間人的攻擊。5G 車聯(lián)網(wǎng)的用戶和車輛相關(guān)數(shù)據(jù)的 傳輸需要經(jīng)過其他車載單元、移動終端以及基站，因此，必須采取有效措施保證通信的安全性和數(shù)據(jù)的完整性。為了解決車聯(lián)網(wǎng)通信中所面臨的安全問題，早期提出了一些安全認證方案，包括基于公鑰基礎(chǔ)設(shè)施（PKI， public key infrastructure ） 的認證［27］、基于身份簽名（identity-based signature）的認證［28］、基于群簽名（group signature）的認證［29］ 、基于保密的訪問控制［30］等。近期，針對5G 安全通信問題，文獻［15］提出將SDN 技術(shù)用于5G 移動通信網(wǎng)絡(luò)，其中，SDN 的主要特點是將網(wǎng)絡(luò)控制面與 數(shù)據(jù)面分離，促進5G 網(wǎng)絡(luò)智能化和可編程性，實現(xiàn)高效的安全管理。文獻［31］研究了用于控制ad hoc D2D 網(wǎng)絡(luò)并在ad hoc 環(huán)境下基于群密鑰協(xié)商方法管理群密鑰的ad hoc D2D 協(xié)議。此外，為了在竊聽者存在的場景下提高可靠的傳輸速率，文獻［32］研究了一種用于D2D 無線通信中設(shè)備自適應(yīng)地選擇協(xié)作通信機制和基于協(xié)作架構(gòu)的最優(yōu)功率分配的分布式算法。 在5G 車聯(lián)網(wǎng)復(fù)雜的通信過程中必須實施多方安全認證。如圖6 所示，5G 車聯(lián)網(wǎng)實施的多方安全認證主要包括車內(nèi)無線局域網(wǎng)中用戶移動終端與5G 車載單元OBU 的強安全認證，車際網(wǎng)中車與車之間、車與行人之間、車與中繼（5G 移動終端或者車載單元）之間以及車與5G 基站之間的安全認證。 在保證通信安全過程中，駕駛?cè)藛T更關(guān)心的是隱私的安全性，這關(guān)系到車聯(lián)網(wǎng)能否被市民接受并廣泛使用。在通信過程中，車輛無線信號在開放的空間中傳輸，容易被竊取并暴露車輛和用戶的身份，若車內(nèi)數(shù)據(jù)總線網(wǎng)絡(luò)遭入侵，可能造成不可預(yù)估的災(zāi)難，如何保障用戶和車輛的隱私安全，成為近年來的研究熱點。除了使用近期提到的匿名算法，如采用動態(tài)匿名方案［33］，OBU在一定時間間隔或當(dāng)車輛進入不同區(qū)域后都要更換匿名，排除通過對匿名收集、分析而捕獲車輛真實身份的攻擊?？紤]到5G 車聯(lián)網(wǎng)多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的存在，將會出現(xiàn)新型的安全通信與隱私保護協(xié)議［2］。文獻［15］研究了在5G 終端通信中利用SDN 技術(shù)，根據(jù)數(shù)據(jù)流的敏感度級別，為數(shù)據(jù)流選擇多種傳輸路徑，在接收端，只有接收者可以用私人密鑰解密并重組來自多個網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑的數(shù)據(jù)流，從而避免隱私在無線接入點泄露。 隨著計算機的計算能力不斷突破，尤其是量子技術(shù)的逐漸成熟，傳統(tǒng)基于計算能力的高層加密技術(shù)變得不牢靠?；谙戕r(nóng)信息論的物理層安全技術(shù)對計算復(fù)雜度依賴性低，竊聽者即使擁有較強的計算能力也不會對系統(tǒng)的安全性能產(chǎn)生巨大的影響。隨著物理層安全研究的不斷深入，較強的抵制竊聽能力使其成為高層加密安全的一種有效補充，進一步增強通信系統(tǒng)的安全性。系統(tǒng)的保密容量CS 可以表示為用戶信道容量與竊聽用戶信道容量之差 其中，物理層安全技術(shù)在車聯(lián)網(wǎng)安全通信系統(tǒng)中同樣發(fā)揮著重要的作用。車聯(lián)網(wǎng)通信中多個竊聽者的存在以及車輛節(jié)點在通信網(wǎng)絡(luò)中快速地連通與中斷，使安全密鑰分發(fā)與管理成為亟待解決的問題。針對該問題，本文認為可以采用一種基于物理層安全的密鑰分發(fā)方法，將密鑰分發(fā)和傳輸安全車載數(shù)據(jù)分離。在密鑰分發(fā)階段，采用相應(yīng)的物理層安全方案來最大程度確保密鑰分發(fā)信道的安全性。當(dāng)密鑰分發(fā)完成后，利用分配的密鑰對車載數(shù)據(jù)進行加密后傳輸，該方案可以保證密鑰分發(fā)過程的安全性。在5G 車聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)中，物理層安全通過 融合5G 先進技術(shù)保證數(shù)據(jù)的機密性和可靠性，其中異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO，multiple-input multiple-output）、毫米波通信技術(shù)在物理層安全有巨大的應(yīng)用前景。 1） 5G 車聯(lián)網(wǎng)中，車輛作為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備層的節(jié)點可通過D2D 通信鏈路與其他設(shè)備直接通信或通過中繼節(jié)點實施多跳通信。在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備層通信模式下，鄰近的車輛以及其他終端節(jié)點都可能是潛在的竊聽者，為保證通信數(shù)據(jù)的安全性，一方面要充分考慮非目的車輛和設(shè)備節(jié)點的相關(guān)物理層特性，另一方面需要確立D2D 通信最優(yōu)的中繼選擇方案，充分考慮可靠的安全通信機制。其中，可以使用基于可信設(shè)備列表的封閉式接入方法來保證車輛和設(shè)備節(jié)點數(shù)據(jù)在交換過程中的安全性，但由于高速運行的車輛節(jié)點需要在有效的通信范圍內(nèi)快速建立連接并進行大文件傳輸，還要充分考慮通信時延和中斷概率。此外， 在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，基站作為車聯(lián)網(wǎng)重要的路邊基礎(chǔ)設(shè)施，其適當(dāng)?shù)牟渴鹈芏瓤蓛?yōu)化保密速率。對于車聯(lián)網(wǎng)物理層安全的評估，本文考慮如圖7 所示的基于D2D 的V2V 通信異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)物理層安全系統(tǒng)模型，該模型所示的車聯(lián)網(wǎng)場景中N個蜂窩用戶（主要包括手機移動終端和車載終端）集合為n = {user1，user2， ，userN} … ，它們利用不同的信道通信，其中，基于D2D 的V2V 通信鏈路被竊聽者（惡意的車輛或者個人）竊聽。VVP 是V2V 通信鏈路的發(fā)射功率， VVh 是由V2V 通信鏈路的發(fā)送端到接收端的信道增益， VEh 為基于D2D 的V2V 通信鏈路的發(fā)送端到竊聽者的信道增益， BEh 是基站發(fā)到竊聽者的信道增益， BVh 為從基站到基于D2D 的V2V 通信接收端的信道增益，竊聽者接收的信號為 通過構(gòu)造Stackelberg 博弈框架，考慮對基于D2D 的V2V 通信的物理層安全需求和干擾支出，可對V2V 通信進行優(yōu)化［34］。V2V 通信用戶的效應(yīng)函數(shù)表示為 針對圖7 的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)安全評估模型和不存在基于D2D 的V2V 通信鏈路的系統(tǒng)模型的保密容量進行仿真，其中，本文只考慮路徑損耗，忽略小尺度的衰落，竊聽者與基站之間的距離設(shè)置為60 m，仿真結(jié)果如圖8 和圖9 所示。從結(jié)果可以看出，在沒有基于D2D 的V2V 的通信鏈路狀況下，隨著蜂窩用戶（包括車載終端和移動終端用戶）的增加，系統(tǒng)的保密容量也增大。而對于圖7 所示的存在蜂窩用戶和基于D2D 的V2V 通信鏈路的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型，假設(shè)存在蜂窩用戶數(shù)量為30，仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)的保密容量隨V2V用戶對數(shù)量的增加而增長，當(dāng)V2V 用戶對數(shù)量增長到一定程度時，系統(tǒng)的保密容量將達到最大值。從圖8 和圖9 仿真結(jié)果的對比可以得出，D2D 通信鏈路對于增加系統(tǒng)的保密容量發(fā)揮重要作用。本文通過參照圖中保密容量最大值對應(yīng)的用戶數(shù)量部署車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，盡可能增加系統(tǒng)的保密容量。 2） 大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)可通過以下兩方面保證車聯(lián)網(wǎng)物理層安全性能：一方面通過降低傳輸功率，進一步降低竊聽車輛和設(shè)備節(jié)點的SINR，從而減少竊聽節(jié)點的信道容量［35］；另一方面，根據(jù)車輛節(jié)點物理層特性，適當(dāng)?shù)卦黾尤斯ぴ肼暩蓴_竊聽節(jié)點的信號接收，從而提高物理層安全性能。 3） 毫米波通信技術(shù)應(yīng)用于車聯(lián)網(wǎng)短距離通信場景，可給予車聯(lián)網(wǎng)較大的帶寬［36］，由于毫米波的短距離傳輸，利用窄波速的定向通信抑制相鄰車輛和設(shè) 備節(jié)點的干擾，鄰近竊聽節(jié)點的SINR 可能會降低。 正是由于多異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合以及靈活的終端通信，使5G 車聯(lián)網(wǎng)在安全通信方面的保障不同于當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)。5G 車聯(lián)網(wǎng)不僅通過技術(shù)的創(chuàng)新解決OBU 多功能實施帶來的安全隱患，并且在出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)異?；蛘呷肭謺r，利用網(wǎng)絡(luò)隔離原理及時地在車載移動互聯(lián)網(wǎng)與VANET 之間切換，從而切斷OBU 的互聯(lián)網(wǎng)連接，阻止網(wǎng)絡(luò)的入侵，并通過VANET 中鄰近的OBU 或者5G 移動終端等其他渠道接入互聯(lián)網(wǎng)，維持與互聯(lián)網(wǎng)的通信。通過這種車輛自組網(wǎng)和車載移動互聯(lián)網(wǎng)無縫的切換，實現(xiàn)了OBU 與互聯(lián)網(wǎng)安全通信和信息交互。 4.3 安全駕駛 車聯(lián)網(wǎng)重要應(yīng)用之一就是交通安全，而駕駛行為分析和預(yù)測是安全保障的基礎(chǔ)，如何對運動軌跡預(yù)測并建模是提高交通安全的關(guān)鍵問題。雖然車聯(lián)網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)拓撲頻繁變化，數(shù)據(jù)海量遞增，但車輛運動受道路拓撲、交通規(guī)則和駕駛者意圖的限制，為行為預(yù)測提供了可能性。文獻［37］研究了VANET 中存在的社會特性，發(fā)現(xiàn)VANET是擁有小型世界現(xiàn)象和高聚集效應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)，處于同一個社會網(wǎng)絡(luò)中的任意節(jié)點可以通過不超過3跳的最短路徑達到另一節(jié)點。而5G 會推動車聯(lián)網(wǎng)規(guī)模的發(fā)展，加劇了車聯(lián)網(wǎng)的這種社會效應(yīng)。 車聯(lián)社會網(wǎng)絡(luò)（VSN， vehicular social network）中節(jié)點的活動規(guī)律能夠在車聯(lián)網(wǎng)行為預(yù)測中發(fā)揮作用。反之，車聯(lián)網(wǎng)中的移動模型、社會應(yīng)用、感知計算模型和用戶行為預(yù)測模型也為VSN 提供支持和反饋。通過對大規(guī)模OBU 數(shù)據(jù)的挖掘和分析，提取有應(yīng)用價值的社群交互特征信息，VSN 能夠?qū)σ恍┙煌▎栴}和車輛安全問題提供有力的支持，如預(yù)計道路車流量、預(yù)測交通堵塞地段、主動安全等［38］。 在對駕駛行為的建模和預(yù)測中，數(shù)據(jù)來源和數(shù)據(jù)挖掘是首要問題，也是安全系統(tǒng)應(yīng)用的瓶頸。目前，車輛行駛軌跡數(shù)據(jù)獲取的主要來源是基于歷史數(shù)據(jù)的預(yù)測，而歷史數(shù)據(jù)必須準確且具有時效性。但現(xiàn)有VANET 環(huán)境下的方法無法滿足獲取運動軌跡的精度要求（包括位置精度和時間精度），5G 車聯(lián)網(wǎng)中采用D2D 通信方式，可為每個用戶提供每秒千兆級的數(shù)據(jù)速率以滿足QoS 的要求，空口時延在1 ms 左右、端到端時延限制在毫秒級的實現(xiàn)，極大程度上保證了時間精度，同時，基于5G基站的精確定位將位置精度控制在允許范圍內(nèi)，解決了預(yù)測模型中的數(shù)據(jù)來源問題。目前，針對車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)挖掘，并沒有太多的算法和技術(shù)提出，車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵是在對海量數(shù)據(jù)（TB級）進行挖掘時，要保證當(dāng)前數(shù)據(jù)流（平均數(shù)萬條/秒）的高速可靠寫入，如何快速對讀取的數(shù)據(jù)進行分析、建模、預(yù)測，是未來研究的重要方向。 5 5G 車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢與應(yīng)用 將來，在5G 通信網(wǎng)絡(luò)大量部署的時代，5G車聯(lián)網(wǎng)所構(gòu)建的可多網(wǎng)接入與融合、多渠道互聯(lián)網(wǎng)接入的體系結(jié)構(gòu)，基于D2D 技術(shù)實現(xiàn)的新型V2X 的通信方式以及低時延與高可靠性、頻譜與能源高效利用、優(yōu)越的通信質(zhì)量等特點為車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展帶來歷史性的機遇。5G 車聯(lián)網(wǎng)因為不需要單獨部署路邊基礎(chǔ)設(shè)施、可以和移動通信功能共享計費等，會得到快速發(fā)展，應(yīng)用于高速公路、城市街區(qū)等多種環(huán)境。5G 車聯(lián)網(wǎng)不僅局限于車與車、車與交通基礎(chǔ)設(shè)施等信息交互，還可應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域以及自然災(zāi)害等場景。 在商業(yè)領(lǐng)域，商店、快餐廳、酒店、加油站、4S 店等場所將會部署5G 通信終端，當(dāng)車輛接近這些場所的有效通信范圍時，可以根據(jù)車主的需求快速地與這些商業(yè)機構(gòu)間建立ad hoc 網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)終端之間高效快捷的通信，從而可以快速訂餐、訂房、選擇性地接收優(yōu)惠信息等，且在通信過程中不需要連接互聯(lián)網(wǎng)。這將取代目前商業(yè)機構(gòu)中工作在不授權(quán)頻段、通信不安全、通信質(zhì)量無法保障、干擾無法控制的藍牙或者Wi-Fi 通信方式，也將帶動一個新的大型商業(yè)運營模式的產(chǎn)生與發(fā)展。 毫無疑問，隨著車輛的大量普及，車輛已經(jīng)成為人在家、辦公室之外最重要的活動場合。然而，在地震、泥石流等自然災(zāi)害發(fā)生地區(qū)，當(dāng)通信基礎(chǔ)設(shè)施被破壞、無法為車載單元提供通信服務(wù)時，有相當(dāng)數(shù)量的人可能是正在車輛上或正準備駕乘車輛離開，5G 車載單元可以在沒有基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)助的情況下，通過基于單跳或多跳的D2D 方式與其他5G 車載單元通信。另外，5G 車載終端也可以作為通信中繼，協(xié)助周邊的5G 移動終端進行信息交互。 6 結(jié)束語 車聯(lián)網(wǎng)正在改變?nèi)祟惤煌ê屯ㄐ欧绞?，促使車輛向網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展。本文分析了當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)面臨的問題，將5G 通信技術(shù)應(yīng)用于車聯(lián)網(wǎng)場景，提出了新型5G 車聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)介紹了5G 車聯(lián)網(wǎng)獨有的特點，并客觀分析了5G 車聯(lián)網(wǎng)中仍需解決的問題，力圖展示5G 車聯(lián)網(wǎng)的__未來趨勢，為車聯(lián)網(wǎng)研究提供方向。相信5G 車聯(lián)網(wǎng)的研究可以促進社會的巨大演進，使人類社會更加方便、安全、快捷、高效。