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1、1 引言近年来，因汽车数量持续增长而引起的交通平安、出行效率、环境保护等问题日益突出，车联网相关领域的研究和开展受到了广泛关注。车联网是以车网、车际网和车载移动互联网为根底，融合了传感器、RFIDradio frequency identification、数据挖掘、自动控制等相关技术，按照约定的通信协议和标准，在车XX：车、路、行人、互联网交互过程中，实现车辆与公众网络的动态移动通信，是物联网技术在交通系统领域的典型应用。在车联网中，车辆作为移动通信设备和用户的载体，以拓扑节点的形式组织移动网络拓扑。由于车辆自身的移动性，车载通信具有移动区域受限、网络拓扑变化快、网络频繁接入和中断、节点覆盖
2、围大、通信环境复杂等特点1。根据车联网的上述特征，当前车联网的实施存在以下多方面挑战和困难。1在体系结构方面，由于移动互联网通信技术的快速开展，为满足用户的多功能体验，车联网的体系结构变得复杂。在车载移动互联网中，路侧单RSU， road side unit作为车辆自组网VANET， vehicular ad hoc network无线接入点，将车辆以与道路等信息上传至互联网并发布相关交通信息，这种车与根底设施V2I， vehicle toinfrastructure的协作通信模型需要大量的RSU支撑，增加了建立的本钱和能源消耗2。2在通信方面，车联网中存在多种类型的通信网络，这些网络使用不同
3、的标准和协议，数据处理和网络的融合不完善，影响车联网系统运行效率。虽然IEEE 802.11p 标准的车辆自组网通信在高速运行环境下传输距离远、分组丧失率低、可靠性高，但在极其复杂的非视距NLOS，non-line of sight环境下通信质量会受到不同程度的干扰2。另外，由于车辆的高速移动，需要快速可靠的网络接入与信息交互，时延受限成为当前车联网面临的重要问题。3在平安方面，车联网中的用户信息都将连接在该网络上，随时随地被感知，很容易被干扰和窃取，严重影响了车联网体系的平安。当前车联网在每一层都存在不同程度的威胁：在感知层，车辆单元OBU， on-board unit和路侧单元RSU 节点
4、的物理平安、感知信息的无线传输；在网络层，数据破坏、数据泄露、虚假信息等平安与隐私问题3；在应用层，也存在身份假冒、越权操作等由于技术方面的缺乏或因管理不当而带来的隐形危害。近年来，车联网在体系结构、通信以与平安方面存在的问题成为当前学术界和工业界的研究热点，而随着第5 代移动通信5G的快速开展，5G 移动通信网络将融合大规模天线阵列、超密集组网、终端直通、认知无线电CR， cognitive radio等先进技术4，以更加灵活的体系结构解决多样化应用场景中差异化性能指标带来的挑战。其中，5G 通信技术在低时延、高移动性车联网场景的应用，解决了当前车联网面临的多方面问题和挑战，使OBU 在高速
5、移动下获得更好的性能。而且，5G 通信技术让车联网不用单独建立基站和效劳根底设施，而是随着5G 通信技术的应用普与而普与，为车联网的开展带来历史性的机遇。2 5G 车联网的体系结构未来5G 通信技术在车联网场景的应用使车联网拥有更加灵活的体系结构和新型的系统元素5G 车载单元OBU、5G 基站、5G 移动终端、5G 云效劳器等。除了在车网、车际网、车载移动互联网实现V2XX：车、路、行人与互联网等信息交互以外，5G 车联网还将实现OBU、基站、移动终端、云效劳器的互联互通，分别给予它们特殊的功能和通信方式。5G 车联网体系结构的特点主要表达在OBU多网接入与融合、OBU多渠道互联网接入、多身份
6、5G 基站。2.1 OBU 多网接入与融合目前，在车联网中，多种网络共存，包括基于IEEE 802.11a/b/g/n/p 标准协议的WLAN、2G/3G 蜂窝通信、LTE 以与卫星通信等网络，这些网络在车联网通信中使用不同的标准和协议，数据处理和信息交互不完善。而5G 车联网将融合多种网络，实现无缝的信息交互和通信切换。5G 移动通信网络是一个包括宏蜂窝层和设备层的双层网络5，其中，宏蜂窝层与传统蜂窝网络相似，涉与基站和终端设备之间的直接通信。在设备层通信中，设备到设备D2D,dedevice-to-device通信是5G 移动通信技术的重要组成局部，是一种终端与终端之间不借助任何网络根底设
7、施直接进展信息交互的通信方式6。根据基站对资源分配和对起始、目的、中继终端节点的控制情况，D2D 终端通信方式可分成4 类5。1基站控制链路的终端转发。终端设备可以在信号覆盖较差的环境下，通过邻近终端设备的信息转发与基站通信，其中，通信的链路建立由基站和中继设备控制，在这种通信方式下，终端设备可实现较高的效劳质量QoS， quality of service。2基站控制链路的终端直接通信。终端之间的信息交互与通信没有基站的协助，但需要基站控制链路的建立。3终端控制链路的终端转发。基站不参与通信链路的建立和信息交互，源终端与目的终端通过中继设备协调控制彼此之间的通信。4终端控制链路的终端直接通信
8、。终端之间的通信没有基站和终端设备的协助，可自行控制链路的建立，这种方式有利于减轻设备之间的干扰。图1 展示了5G 移动通信网的D2D 通信方式在车联网的应用。未来5G 车联网D2D 通信技术将为车联网提供新的通信模式。其中，在车载移动互联网，OBU 可直接通过5G 基站或中继包括邻近的OBU、用户移动终端快速接入互联网，实现车与云效劳器的信息交互；在车网，为充分实现用户与车辆的人机交互，以OBU 为媒介，与用户5G 移动终端之间在没有基站或其他终端设备协助情况下，通过自行控制链路，进展短距离的车辆数据传输；在基于D2D 的通信网络中，5G 车载单元可在网络通信边缘或信号拥塞地带基于单跳或多跳
9、的D2D 建立ad hoc 网络，实施车辆自组网通信5。通过以上对5G 车联网通信方式的分析，如图2 所示，5G 车联网将改变基于IEEE 802.11p标准的车联网通信方式，实施多实体之间OBU之间以与OBU 与车主移动终端、行人、5G 基站、互联网之间的信息交互，实现OBU 的多网接入2以与车网、车际网、车载移动互联网的“三网融合。2.2 多身份5G 基站传统的基站作为终端通信的中继，在数据转发和链路控制等方面起着重要作用；而5G 基站的大量部署，将实现超密集网络，从而给予用户准确定位、协助终端通信等功能。在基于5G毫米波的通信网络中，D2D 技术涉与终端与基站D2B、基站与基站B2B之间
10、的直接通信7。其中，D2B 与B2B 以自组织方式通信将是一个重要的突破，这决定了5G 基站将以不同的角色发挥至关重要的作用。在车联网的应用场景，5G 基站将拥有以下功能。1协作中继。5G 基站具备传统基站的中继转发功能，作为无线接入点，协助车与互联网通信。2担当RSU。在高速运行的环境下，车辆自组网通信中的5G 基站将取代RSU，与OBU 实时通信，通过播送的方式向车辆自组网中的车辆发布交通信息，并协助车与车通信以与多个车辆自组网通信。这不仅节约了车联网体系的构建本钱，而且解决了V2I 协作通信系统8融合面临的多方面问题9。3准确定位。GPS 作为当前OBU 的定位系统是非常脆弱的，容易受到
11、欺骗、阻塞等多种类型的攻击。并且，GPS 的信号容易受到天气影响，导致无法实施准确定位2。未来5G 基站的大量部署使用更高的频率和信号带宽，实施密集网络以与大规模的天线阵列，使OBU 在NLOS 复杂环境下减少定位误差。其次，D2D 通信充分利用高密度的终端设备连接的优势，从以下两方面提高定位性能10。一方面，大量的D2D 链路可以为确定车辆之间的伪距提供信号观测，如式3和式5所示，D2D 通信不仅使OBU 可以接收来自邻近车辆和移动终端的信息，其同步和信道估计单元等信号处理的实体还可被复用于信号传输的延时估计。在车联网中，D2D 通信模式提供了一个网状网络，N 个OBU 构成的最大链路数为N
12、N-1。另一方面，OBU 的D2D 通信链路为定位直接交换所需数据，可进一步加快局部决策，改良位置估计过程的收敛时间。图3 为基于D2D 的协作定位系统，车载终端OBU1 从基站2 接收的信号为2.3 多渠道互联网接入在将来5G 移动网络通信中，文献5指出5G终端通过自行控制通信链路建立，定期播送身份信息，其他邻近的终端与时发现并评估多个信道状态信息CSI， channel state information，自适应地选择当前最优的信道11，决定建立一个5G 终端之间的直接通信或选择适宜的中继转发消息，这种通信方式使5G 终端以最优的方式实现信息交互，同时也提高频谱和能源的利用率。根据5G 终
13、端高效、多样化的通信方式，OBU可通过多种渠道接入互联网。如图4 所示，OBU除了可按照当前车联网的V2I 协作通信方式外，还可通过邻近的5G基站、5G 车载单元OBU 和5G 移动终端等多种渠道自适应地选择信道质量较好的方式接入互联网。3 5G 车联网特征5G 移动通信融合CR、毫米波、大规模天线阵列、超密集组网、全双工通信FD， wirelessfull-duplex等关键技术4，显著提高了通信系统的性能。在车联网应用场景中，相比IEEE 802.11p标准的通信，5G 车联网的特点主要表达在低时延与高可靠性、频谱和能源高效利用、更加优越的通信质量。3.1 低时延与高可靠性作为车联网信息的
14、发送端、接收端和中继节点，消息传递过程必须保证私密性、平安性和高数据传输率，通信具有严格的时延限制12。目前，研究的车联网通信数据的密集使用以与频繁交换，对实时性要求非常高，然而，受无线通信技术的限制如带宽、速度和域名等，通信时延达不到毫秒级，不能支持平安互联需求。5G 高/超高密集度组网、低的设备能量消耗大幅地减小信令开销，解决了带宽和时延相关问题，且5G 的时延到达了毫秒级，满足了低延时和高可靠性需求，成为车联网开展的最大突破口。在5G 车联网通信中，为更好地研究与应用低时延和高可靠性的链路特征，文献13分析了适应于以300 km/h 速度移动车辆通信的5G 自适应天线，提高了OBU 与基
15、站的通信质量，降低了在信道估计与数据传输之间产生的时延。文献14提出利用网络功能虚拟化NFV， network function virtualization和软件定义网络SDN， software definednetwork技术提高5G 网络体系结构的灵活性，并提出实现低时延效劳的解决方案，主要包括效劳预约和配置、减少IP 地址解析的时延、连续效劳时延的优化。其中，5G 网络效劳的优化不仅要支持当前的应用效劳，而且要适应高速增长的信息量并满足将来多样性的效劳需求15，尤其是对于时延高度敏感的通信，如车联网V2X 通信场景，严格要求低时延和高可靠性，是5G 网络体系结构应用的显著特点。根据表
16、1 设置的主要参数实施基于D2D 模式的V2V 通信时延仿真，得到了如图5 所示的结果。随着车辆数目的增加，端到端的通信时延根本保持平稳状态，而5G 车联网基于D2D 技术将实现车与车、车与基站以与5G 移动终端通信，其空口时延在1 ms 左右，端到端时延控制在毫秒级14，延时性能比IEEE 802.11p 标准的通信方式优越，有效地保障了通信的可靠性2。3.2 频谱和能源高效利用频谱和能源的高效利用是5G用户体验的一个重要的特征。5G 通信技术在车联网的应用，将解决当前车联网资源受限等问题。5G 车联网的频谱和能源高效利用主要表达在以下几个方面。1 D2D 通信。在5G 通信中，D2D 通信方式通过
