5G在車聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

1、-. z.1 引言近年來(lái)，因汽車數(shù)量持續(xù)增長(zhǎng)而引起的交通平安、出行效率、環(huán)境保護(hù)等問(wèn)題日益突出，車聯(lián)網(wǎng)相關(guān)領(lǐng)域的研究和開(kāi)展受到了廣泛關(guān)注。車聯(lián)網(wǎng)是以車網(wǎng)、車際網(wǎng)和車載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)為根底，融合了傳感器、RFIDradio frequency identification、數(shù)據(jù)挖掘、自動(dòng)控制等相關(guān)技術(shù)，按照約定的通信協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)，在車*：車、路、行人、互聯(lián)網(wǎng)交互過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)車輛與公眾網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)移動(dòng)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(dòng)通信設(shè)備和用戶的載體，以拓?fù)涔?jié)點(diǎn)的形式組織移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹Ｓ捎谲囕v自身的移動(dòng)性，車載通信具有移動(dòng)區(qū)域受限、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?、網(wǎng)絡(luò)頻繁接入和中斷、

2、節(jié)點(diǎn)覆蓋圍大、通信環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)1。根據(jù)車聯(lián)網(wǎng)的上述特征，當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)的實(shí)施存在以下多方面挑戰(zhàn)和困難。1在體系構(gòu)造方面，由于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的快速開(kāi)展，為滿足用戶的多功能體驗(yàn)，車聯(lián)網(wǎng)的體系構(gòu)造變得復(fù)雜。在車載移動(dòng)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(wú)線接入點(diǎn)，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，這種車與根底設(shè)施V2I， vehicle to infrastructure的協(xié)作通信模型需要大量的RSU支撐，增加了建立的本錢和能源消耗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)

3、絡(luò)使用不同的標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)行效率。雖然IEEE 802.11p 標(biāo)準(zhǔn)的車輛自組網(wǎng)通信在高速運(yùn)行環(huán)境下傳輸距離遠(yuǎn)、分組喪失率低、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(huì)受到不同程度的干擾2。另外，由于車輛的高速移動(dòng)，需要快速可靠的網(wǎng)絡(luò)接入與信息交互，時(shí)延受限成為當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)面臨的重要問(wèn)題。3在平安方面，車聯(lián)網(wǎng)中的用戶信息都將連接在該網(wǎng)絡(luò)上，隨時(shí)隨地被感知，很容易被干擾和竊取，嚴(yán)重影響了車聯(lián)網(wǎng)體系的平安。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R

4、SU 節(jié)點(diǎn)的物理平安、感知信息的無(wú)線傳輸；在網(wǎng)絡(luò)層，數(shù)據(jù)破壞、數(shù)據(jù)泄露、虛假信息等平安與隱私問(wèn)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)方面的缺乏或因管理不當(dāng)而帶來(lái)的隱形危害。近年來(lái)，車聯(lián)網(wǎng)在體系構(gòu)造、通信以及平安方面存在的問(wèn)題成為當(dāng)前學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點(diǎn)，而隨著第5 代移動(dòng)通信5G的快速開(kāi)展，5G 移動(dòng)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(rèn)知無(wú)線電CR， cognitive radio等先進(jìn)技術(shù)4，以更加靈活的體系構(gòu)造解決多樣化應(yīng)用場(chǎng)景中差異化性能指標(biāo)帶來(lái)的挑戰(zhàn)。其中，5G 通信技術(shù)在低時(shí)延、高移動(dòng)性車聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景的應(yīng)用，解決了當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)面臨的多方面問(wèn)題和挑戰(zhàn)，使OB

5、U 在高速移動(dòng)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(dú)建立基站和效勞根底設(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)的開(kāi)展帶來(lái)歷史性的機(jī)遇。2 5G 車聯(lián)網(wǎng)的體系構(gòu)造未來(lái)5G 通信技術(shù)在車聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景的應(yīng)用使車聯(lián)網(wǎng)擁有更加靈活的體系構(gòu)造和新型的系統(tǒng)元素5G 車載單元OBU、5G 基站、5G 移動(dòng)終端、5G 云效勞器等。除了在車網(wǎng)、車際網(wǎng)、車載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)V2*：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(shí)現(xiàn)OBU、基站、移動(dòng)終端、云效勞器的互聯(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)體系構(gòu)造的特點(diǎn)主要表達(dá)在OBU多網(wǎng)接入與融合、OBU多渠道互聯(lián)網(wǎng)接入

6、、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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)無(wú)縫的信息交互和通信切換。5G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)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(dòng)通信技術(shù)的重要組成局部，是一種終端與終端之間不借助任何

7、網(wǎng)絡(luò)根底設(shè)施直接進(jìn)展信息交互的通信方式6。根據(jù)基站對(duì)資源分配和對(duì)起始、目的、中繼終端節(jié)點(diǎn)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(hào)覆蓋較差的環(huán)境下，通過(guò)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(shí)現(xiàn)較高的效勞質(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(méi)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)?；静粎⑴c通信鏈路的建立和信息交互，源終端與目的終端通過(guò)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

8、端直接通信。終端之間的通信沒(méi)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(dòng)通信網(wǎng)的D2D 通信方式在車聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。未來(lái)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(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，OBU 可直接通過(guò)5G 基站或中繼包括鄰近的OBU、用戶移動(dòng)終端快速接入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)車與云效勞器的信息交互；在車網(wǎng)，為充分實(shí)現(xiàn)用戶與車輛的人機(jī)交互，以O(shè)BU 為媒介，與用戶5G 移動(dòng)終端之間在沒(méi)有基站或其他終端設(shè)備協(xié)助情況下，通過(guò)自行控制鏈路，進(jìn)展短距離的車輛數(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(hào)擁塞地帶基于

9、單跳或多跳的D2D 建立ad hoc 網(wǎng)絡(luò)，實(shí)施車輛自組網(wǎng)通信5。通過(guò)以上對(duì)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(biāo)準(zhǔn)的車聯(lián)網(wǎng)通信方式，實(shí)施多實(shí)體之間OBU之間以及OBU 與車主移動(dòng)終端、行人、5G 基站、互聯(lián)網(wǎng)之間的信息交互，實(shí)現(xiàn)OBU 的多網(wǎng)接入2以及車網(wǎng)、車際網(wǎng)、車載移動(dòng)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(shí)現(xiàn)超密集網(wǎng)絡(luò)，從而給予用戶準(zhǔn)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B

10、2B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(gè)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(chǎng)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(wú)線接入點(diǎn)，協(xié)助車與互聯(lián)網(wǎng)通信。2擔(dān)當(dāng)RSU。在高速運(yùn)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(shí)時(shí)通信，通過(guò)播送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(gè)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)建本錢，而且解決了V2I 協(xié)作通信系統(tǒng)8融合面臨的多方面問(wèn)題9。3準(zhǔn)確定位。GPS 作為當(dāng)前OBU 的定位系統(tǒng)是非常脆弱的，

11、容易受到欺騙、阻塞等多種類型的攻擊。并且，GPS 的信號(hào)容易受到天氣影響，導(dǎo)致無(wú)法實(shí)施準(zhǔn)確定位2。未來(lái)5G 基站的大量部署使用更高的頻率和信號(hào)帶寬，實(shí)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(shì)，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(hào)觀測(cè)，如式3和式5所示，D2D 通信不僅使OBU 可以接收來(lái)自鄰近車輛和移動(dòng)終端的信息，其同步和信道估計(jì)單元等信號(hào)處理的實(shí)體還可被復(fù)用于信號(hào)傳輸?shù)难訒r(shí)估計(jì)。在車聯(lián)網(wǎng)中，D2D 通信模式提供了一個(gè)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，N 個(gè)OBU 構(gòu)成的最大鏈

12、路數(shù)為NN-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(jìn)一步加快局部決策，改良位置估計(jì)過(guò)程的收斂時(shí)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(hào)為2.3 多渠道互聯(lián)網(wǎng)接入在將來(lái)5G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信中，文獻(xiàn)5指出5G終端通過(guò)自行控制通信鏈路建立，定期播送身份信息，其他鄰近的終端及時(shí)發(fā)現(xiàn)并評(píng)估多個(gè)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(gè)5G 終端之間的直接通信或選擇適宜的中繼轉(zhuǎn)發(fā)消息，這種通信方式使5G 終端以最優(yōu)的方式實(shí)現(xiàn)信息交互，同時(shí)也提高頻譜和能源的利用率。根據(jù)

13、5G 終端高效、多樣化的通信方式，OBU可通過(guò)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(guò)鄰近的5G基站、5G 車載單元OBU 和5G 移動(dòng)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(dòng)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-duple*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(chǎng)景中，相比IEEE 802.11p標(biāo)準(zhǔn)的通信，5G 車聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)主要表達(dá)在低時(shí)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(shí)延與高可靠性作為車聯(lián)

14、網(wǎng)信息的發(fā)送端、接收端和中繼節(jié)點(diǎn)，消息傳遞過(guò)程必須保證私密性、平安性和高數(shù)據(jù)傳輸率，通信具有嚴(yán)格的時(shí)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(duì)實(shí)時(shí)性要求非常高，然而，受無(wú)線通信技術(shù)的限制如帶寬、速度和域名等，通信時(shí)延達(dá)不到毫秒級(jí)，不能支持平安互聯(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(kāi)銷，解決了帶寬和時(shí)延相關(guān)問(wèn)題，且5G 的時(shí)延到達(dá)了毫秒級(jí)，滿足了低延時(shí)和高可靠性需求，成為車聯(lián)網(wǎng)開(kāi)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(shí)延和高可靠性的鏈路特征，文獻(xiàn)13分析了適應(yīng)于以300 km/h 速度移動(dòng)車輛通信的5G 自適應(yīng)天線，提高了OB

15、U 與基站的通信質(zhì)量，降低了在信道估計(jì)與數(shù)據(jù)傳輸之間產(chǎn)生的時(shí)延。文獻(xiàn)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)體系構(gòu)造的靈活性，并提出實(shí)現(xiàn)低時(shí)延效勞的解決方案，主要包括效勞預(yù)約和配置、減少IP 地址解析的時(shí)延、連續(xù)效勞時(shí)延的優(yōu)化。其中，5G 網(wǎng)絡(luò)效勞的優(yōu)化不僅要支持當(dāng)前的應(yīng)用效勞，而且要適應(yīng)高速增長(zhǎng)的信息量并滿足將來(lái)多樣性的效勞需求15，尤其是對(duì)于時(shí)延高度敏感的通信，如車聯(lián)網(wǎng)V2* 通信場(chǎng)景，嚴(yán)格要求低時(shí)延和高可靠性，是5G 網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)造應(yīng)用的顯著特

16、點(diǎn)。根據(jù)表1 設(shè)置的主要參數(shù)實(shí)施基于D2D 模式的V2V 通信時(shí)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(shí)延根本保持平穩(wěn)狀態(tài)，而5G 車聯(lián)網(wǎng)基于D2D 技術(shù)將實(shí)現(xiàn)車與車、車與基站以及5G 移動(dòng)終端通信，其空口時(shí)延在1 ms 左右，端到端時(shí)延控制在毫秒級(jí)14，延時(shí)性能比IEEE 802.11p 標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)的一個(gè)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(wèn)題。5G 車聯(lián)網(wǎng)的頻譜和能源高效利用主要表達(dá)在以下幾個(gè)方面。1 D2D 通信。在5G 通信中，D

17、2D 通信方式通過(guò)復(fù)用蜂窩資源實(shí)現(xiàn)終端直接通信。5G 車載單元將基于D2D 技術(shù)實(shí)現(xiàn)與鄰近的車載單元、5G 基站、5G 移動(dòng)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(guò)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(biāo)準(zhǔn)的車聯(lián)網(wǎng)V2* 通信方式相比，減少了本錢的支出，節(jié)約了能源。2全雙工通信。5G 移動(dòng)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 基站之間在一樣頻段的信道可同時(shí)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(rèn)知無(wú)線電。認(rèn)知無(wú)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(chǎng)景中，車載終端通過(guò)對(duì)無(wú)線通信環(huán)境的

18、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(dòng)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(rèn)知無(wú)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(wú)線頻譜資源短缺的問(wèn)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)研究說(shuō)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1921。其次，在車輛自組網(wǎng)中，5G 車載單元及時(shí)發(fā)現(xiàn)鄰近的終端設(shè)備，且與之通信的能力也會(huì)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(gè)用戶提供每秒千兆級(jí)的數(shù)據(jù)速率，以滿

19、足QoS 的要求。文獻(xiàn)7提出頻段為30300 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(jìn)展信息交互。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(biāo)準(zhǔn)的車聯(lián)網(wǎng)在VANET 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)方面的比擬2，結(jié)果說(shuō)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(wú)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(wèn)題，尤其是在通信過(guò)程中遇到大型物體遮擋的NLOS 環(huán)境下

20、。2傳輸速率。5G 車聯(lián)網(wǎng)為V2* 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(dòng)終端之間實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的音視頻通信。3高速移動(dòng)性。與IEEE 802.11p 標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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)的體系構(gòu)造，為車聯(lián)網(wǎng)開(kāi)展帶來(lái)了重大變革，但5G 車聯(lián)網(wǎng)也面臨著重大的挑戰(zhàn)，主要表達(dá)在干擾管理、通信平安和駕駛平安3 個(gè)方面5。4.1 干擾管理對(duì)于有限資源的高效利用，資源復(fù)用和密集化被應(yīng)用于

21、5G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)，盡管可以增加信號(hào)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(diǎn)出現(xiàn)的同時(shí)卻產(chǎn)生了同信道干擾問(wèn)題。因此，作為二元體系5的5G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，干擾管理是個(gè)重要問(wèn)題?；贒2D 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(jìn)展資源分配和鏈路管理，并實(shí)施集中化的管理方法減輕干擾問(wèn)題22。但對(duì)于將來(lái)的5G 車載單元之間的直接通信，在沒(méi)有基站作為中繼或者管理鏈路的情況下，5G 車聯(lián)網(wǎng)通信中的干擾不可防止23。表3 分析了在5G 移動(dòng)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(diǎn)。為了處理將來(lái)5G 移動(dòng)通信網(wǎng)中的干擾問(wèn)題，文獻(xiàn)24提出了2 種

22、技術(shù)：先進(jìn)的接收機(jī)技術(shù)和聯(lián)合調(diào)度技術(shù)。其中，先進(jìn)的接收機(jī)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)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(diǎn)協(xié)作機(jī)制中，傳輸速率和多小區(qū)的傳輸方案不能自行控制，在實(shí)現(xiàn)快速的網(wǎng)絡(luò)分布和互聯(lián)互通時(shí)，利用聯(lián)合調(diào)度實(shí)施先進(jìn)的干擾管理方案需要5G 通信系統(tǒng)嚴(yán)格規(guī)定。針對(duì)5G 終端之間基于D2D 通信網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生的干擾，文獻(xiàn)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

23、是在D2D 與其他終端設(shè)備之間分配并行資源，這是一種動(dòng)態(tài)分配方法，可以更高效地使用無(wú)線電資源，但它可能會(huì)帶來(lái)新的干擾問(wèn)題。針對(duì)車聯(lián)網(wǎng)中基于D2D 的V2* 通信場(chǎng)景中產(chǎn)生的干擾問(wèn)題，文獻(xiàn)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(huì)產(chǎn)生新的干擾問(wèn)題。當(dāng)通過(guò)控制功率來(lái)處理基于D2D 的V2V 通信場(chǎng)景中產(chǎn)生的干擾問(wèn)題時(shí)，為了不對(duì)車載移動(dòng)通信網(wǎng)中OBU 或者其他蜂窩用戶通信產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，基于D2D 通信的OBU 需要檢測(cè)在每個(gè)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(shí)，其發(fā)射功率應(yīng)滿足總之，在基于D2D 的V2* 通信場(chǎng)

24、景中，要從各個(gè)角度充分考慮干擾管理問(wèn)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(duì)基于D2D 的V2* 通信鏈路影響盡可能地小26。4.2 平安通信和隱私保護(hù)在車聯(lián)網(wǎng)開(kāi)展的過(guò)程中，平安作為一項(xiàng)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(yán)重的平安問(wèn)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(huì)偷竊多個(gè)身份，偽造交通場(chǎng)景，影響交通秩序、破壞網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行，威脅用戶生命財(cái)產(chǎn)平安，因此平安認(rèn)證和隱私保護(hù)是車

25、聯(lián)網(wǎng)開(kāi)展的焦點(diǎn)問(wèn)題。為了支持?jǐn)?shù)據(jù)流量的不斷增加，5G 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)需要更高的容量和高效的平安機(jī)制。而在5G網(wǎng)絡(luò)通信體系中，終端用戶和不同的接入點(diǎn)之間需要更加頻繁的認(rèn)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(guò)其他車載單元、移動(dòng)終端以及基站，因此，必須采取有效措施保證通信的平安性和數(shù)據(jù)的完整性。為了解決車聯(lián)網(wǎng)通信中所面臨的平安問(wèn)題，早期提出了一些平安認(rèn)證方案，包括基于公鑰根底設(shè)施PKI， public keyinfrastructure 的認(rèn)證27、基于身份簽名identity-based signature的認(rèn)證28、基于群簽名group signature的

26、認(rèn)證29、基于的訪問(wèn)控制30等。近期，針對(duì)5G 平安通信問(wèn)題，文獻(xiàn)15提出將SDN 技術(shù)用于5G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，其中，SDN 的主要特點(diǎn)是將網(wǎng)絡(luò)控制面與數(shù)據(jù)面別離，促進(jìn)5G 網(wǎng)絡(luò)智能化和可編程性，實(shí)現(xiàn)高效的平安管理。文獻(xiàn)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(tīng)者存在的場(chǎng)景下提高可靠的傳輸速率，文獻(xiàn)32研究了一種用于D2D 無(wú)線通信中設(shè)備自適應(yīng)地選擇協(xié)作通信機(jī)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(guò)程中必須實(shí)施多方平安認(rèn)證。如圖6 所示，5G 車聯(lián)網(wǎng)實(shí)施的多方平安認(rèn)

27、證主要包括車無(wú)線局域網(wǎng)中用戶移動(dòng)終端與5G 車載單元OBU 的強(qiáng)平安認(rèn)證，車際網(wǎng)中車與車之間、車與行人之間、車與中繼5G 移動(dòng)終端或者車載單元之間以及車與5G 基站之間的平安認(rèn)證。在保證通信平安過(guò)程中，駕駛?cè)藛T更關(guān)心的是隱私的平安性，這關(guān)系到車聯(lián)網(wǎng)能否被市民承受并廣泛使用。在通信過(guò)程中，車輛無(wú)線信號(hào)在開(kāi)放的空間中傳輸，容易被竊取并暴露車輛和用戶的身份，假設(shè)車數(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平安，成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。除了使用近期提到的匿名算法，如采用動(dòng)態(tài)匿名方案33，OBU在一定時(shí)間間隔或當(dāng)車輛進(jìn)入不同區(qū)域后都要更換匿名，排除通過(guò)對(duì)匿名收集、分析而捕獲車輛真

28、實(shí)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(huì)出現(xiàn)新型的平安通信與隱私保護(hù)協(xié)議2。文獻(xiàn)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(jí)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(lái)自多個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑的數(shù)據(jù)流，從而防止隱私在無(wú)線接入點(diǎn)泄露。隨著計(jì)算機(jī)的計(jì)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(jì)算能力的高層加密技術(shù)變得不牢靠?；谙戕r(nóng)信息論的物理層平安技術(shù)對(duì)計(jì)算復(fù)雜度依賴性低，竊聽(tīng)者即使擁有較強(qiáng)的計(jì)算能力也不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的平安性能產(chǎn)生巨大的影響。隨著物理層平安研究的不斷深入，較強(qiáng)的抵抗竊聽(tīng)能力使其成為高層加密平安的一種有效補(bǔ)充，進(jìn)一

29、步增強(qiáng)通信系統(tǒng)的平安性。系統(tǒng)的容量CS 可以表示為用戶信道容量與竊聽(tīng)用戶信道容量之差其中，物理層平安技術(shù)在車聯(lián)網(wǎng)平安通信系統(tǒng)中同樣發(fā)揮著重要的作用。車聯(lián)網(wǎng)通信中多個(gè)竊聽(tīng)者的存在以及車輛節(jié)點(diǎn)在通信網(wǎng)絡(luò)中快速地連通與中斷，使平安密鑰分發(fā)與管理成為亟待解決的問(wèn)題。針對(duì)該問(wèn)題，本文認(rèn)為可以采用一種基于物理層平安的密鑰分發(fā)方法，將密鑰分發(fā)和傳輸平安車載數(shù)據(jù)別離。在密鑰分發(fā)階段，采用相應(yīng)的物理層平安方案來(lái)最大程度確鑰分發(fā)信道的平安性。當(dāng)密鑰分發(fā)完成后，利用分配的密鑰對(duì)車載數(shù)據(jù)進(jìn)展加密后傳輸，該方案可以保證密鑰分發(fā)過(guò)程的平安性。在5G 車聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)中，物理層平安通過(guò)融合5G 先進(jìn)技術(shù)保證數(shù)據(jù)的性和可靠性，

30、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)在物理層平安有巨大的應(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(diǎn)可通過(guò)D2D 通信鏈路與其他設(shè)備直接通信或通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)實(shí)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(diǎn)都可能是潛在的竊聽(tīng)者，為保證通信數(shù)據(jù)的平安性，一方面要充分考慮非目的車輛和設(shè)備節(jié)點(diǎn)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，充分考慮可靠的平安通信機(jī)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(lái)保證車輛和設(shè)備節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)在交換過(guò)程中的平安性，但由于高速運(yùn)

31、行的車輛節(jié)點(diǎn)需要在有效的通信圍快速建立連接并進(jìn)展大文件傳輸，還要充分考慮通信時(shí)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)重要的路邊根底設(shè)施，其適當(dāng)?shù)牟渴鹈芏瓤蓛?yōu)化速率。對(duì)于車聯(lián)網(wǎng)物理層平安的評(píng)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)物理層平安系統(tǒng)模型，該模型所示的車聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景中N個(gè)蜂窩用戶主要包括手機(jī)移動(dòng)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(tīng)者惡意的車輛或者個(gè)人竊聽(tīng)。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

32、 的V2V 通信鏈路的發(fā)送端到竊聽(tīng)者的信道增益，BEh 是基站發(fā)到竊聽(tīng)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(tīng)者接收的信號(hào)為通過(guò)構(gòu)造Stackelberg 博弈框架，考慮對(duì)基于D2D 的V2V 通信的物理層平安需求和干擾支出，可對(duì)V2V 通信進(jìn)展優(yōu)化34。V2V 通信用戶的效應(yīng)函數(shù)表示為針對(duì)圖7 的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)平安評(píng)估模型和不存在基于D2D 的V2V 通信鏈路的系統(tǒng)模型的容量進(jìn)展仿真，其中，本文只考慮路徑損耗，忽略小尺度的衰落，竊聽(tīng)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(méi)有基于D2D 的V2V 的通信鏈路狀況下，隨

33、著蜂窩用戶包括車載終端和移動(dòng)終端用戶的增加，系統(tǒng)的容量也增大。而對(duì)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)果說(shuō)明，系統(tǒng)的容量隨V2V用戶對(duì)數(shù)量的增加而增長(zhǎng)，當(dāng)V2V 用戶對(duì)數(shù)量增長(zhǎng)到一定程度時(shí)，系統(tǒng)的容量將到達(dá)最大值。從圖8 和圖9 仿真結(jié)果的比照可以得出，D2D 通信鏈路對(duì)于增加系統(tǒng)的容量發(fā)揮重要作用。本文通過(guò)參照?qǐng)D中容量最大值對(duì)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)的容量。2大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)可通過(guò)以下兩方面保證車聯(lián)網(wǎng)物理層平安性能：一方面通過(guò)降低傳輸功率，進(jìn)一步降低竊聽(tīng)車輛和設(shè)備節(jié)點(diǎn)的SINR，從而減少竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)

34、的信道容量35；另一方面，根據(jù)車輛節(jié)點(diǎn)物理層特性，適當(dāng)?shù)卦黾尤斯ぴ肼暩蓴_竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)接收，從而提高物理層平安性能。3毫米波通信技術(shù)應(yīng)用于車聯(lián)網(wǎng)短距離通信場(chǎng)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(diǎn)的干擾，鄰近竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)的SINR 可能會(huì)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)在平安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(guò)技術(shù)的創(chuàng)新解決OBU 多功能實(shí)施帶來(lái)的平安隱患，并且在出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)異常或者入侵時(shí)，利用網(wǎng)絡(luò)隔離原理及時(shí)地在車載移動(dòng)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

35、通過(guò)VANET 中鄰近的OBU 或者5G 移動(dòng)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(guò)這種車輛自組網(wǎng)和車載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)無(wú)縫的切換，實(shí)現(xiàn)了OBU 與互聯(lián)網(wǎng)平安通信和信息交互。4.3 平安駕駛車聯(lián)網(wǎng)重要應(yīng)用之一就是交通平安，而駕駛行為分析和預(yù)測(cè)是平安保障的根底，如何對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡預(yù)測(cè)并建模是提高交通平安的關(guān)鍵問(wèn)題。雖然車聯(lián)網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕l繁變化，數(shù)據(jù)海量遞增，但車輛運(yùn)動(dòng)受道路拓?fù)洹⒔煌ㄒ?guī)則和駕駛者意圖的限制，為行為預(yù)測(cè)提供了可能性。文獻(xiàn)37研究了VANET 中存在的社會(huì)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(gè)社會(huì)網(wǎng)絡(luò)中的任意節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)不超過(guò)3跳的最短路徑到達(dá)另一節(jié)點(diǎn)。而5G 會(huì)推動(dòng)車聯(lián)網(wǎng)規(guī)模的開(kāi)展，加劇了車聯(lián)網(wǎng)的這種社會(huì)效應(yīng)。車聯(lián)社會(huì)網(wǎng)絡(luò)VSN， vehicular social network中節(jié)點(diǎn)的活動(dòng)規(guī)律能夠在車聯(lián)網(wǎng)行為預(yù)測(cè)中發(fā)揮作用。反之，車聯(lián)網(wǎng)中的移動(dòng)模型、社會(huì)應(yīng)用、感知計(jì)算模型和用戶行為預(yù)測(cè)模型也為VSN 提供支持和反應(yīng)。通過(guò)對(duì)大規(guī)模OBU 數(shù)據(jù)的挖掘和分析，提取有應(yīng)用價(jià)值的社群交互特征信息，VSN 能夠?qū)σ恍┙煌▎?wèn)題和車輛平安問(wèn)題提供有力的支持，如預(yù)計(jì)道路車流量、預(yù)測(cè)交通堵塞地段、主動(dòng)平安等38。在對(duì)駕駛行為的建模和預(yù)測(cè)中，數(shù)據(jù)來(lái)源和數(shù)據(jù)挖掘是首要問(wèn)題，也是平安系統(tǒng)