序

近年來(lái)，隨著全球化經(jīng)濟(jì)和科技的不斷發(fā)展進(jìn)步，我國(guó)城市化發(fā)展進(jìn)程的不斷加快，車(chē)輛交通已成為人們?nèi)粘Ｉ�活的一部分，汽�?chē)擁有量呈爆炸式增長(zhǎng)。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局公布的數(shù)據(jù)，截至2020年年底，我國(guó)民用汽車(chē)保有量達(dá)到2.81億輛。龐大的汽車(chē)保有量將導(dǎo)致城市交通擁堵，汽車(chē)排放的尾氣將帶來(lái)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(shè)高架路和地鐵等增加基礎(chǔ)道路設(shè)施的手段外，還要充分發(fā)揮現(xiàn)代信息技術(shù)和車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在解決交通問(wèn)題中的作用。推進(jìn)交通信息化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化，構(gòu)建基于車(chē)聯(lián)網(wǎng)的智能交通系統(tǒng)（Intelligent Transportation System，ITS），實(shí)現(xiàn)快捷、安全、高效、舒適、綠色環(huán)保出行，一直以來(lái)都是世界各國(guó)不懈努力的目標(biāo)。《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)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(chē)聯(lián)網(wǎng)。

車(chē)聯(lián)網(wǎng)或網(wǎng)聯(lián)車(chē)有多種分類方式，從通信對(duì)象看，V2X（Vehicle-to-Everything）包括V2V（Vehicle-to-Vehicle，車(chē)到車(chē)，提供防碰撞安全能力）、V2I（Vehicle-to-Infrastructure，車(chē)到路，支持優(yōu)化交通信號(hào)燈轉(zhuǎn)換）、V2P（Vehicle-to-Pedestrian，車(chē)到人，支持為行人與騎行者提供安全預(yù)警）、V2N（Vehicle-to-Network，車(chē)到網(wǎng)或車(chē)到云平臺(tái)，提供實(shí)時(shí)交通流量與路徑規(guī)劃及服務(wù)）等。對(duì)應(yīng)的車(chē)端需要配備各類傳感器（如攝像頭、激光雷達(dá)）和OBU（通信、控制器和執(zhí)行器，還可能含邊緣計(jì)算），路端需要配備RSU（含通信與邊緣計(jì)算能力）、傳感器和信號(hào)燈，也可能需要邊緣計(jì)算（MEC），網(wǎng)端需要有移動(dòng)基站、MEC、通信云平臺(tái)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(yīng)用軟件及服務(wù)等。

從支持車(chē)輛的自動(dòng)化能力看，可分為L(zhǎng)1～L5共五級(jí)。L1為輔助駕駛，傳輸時(shí)延為100～1000 ms，網(wǎng)速為0.2 Mbps；L2為部分自動(dòng)化，傳輸時(shí)延為20～100 ms，網(wǎng)速為0.5 Mbps；L3為條件自動(dòng)化，傳輸時(shí)延為10～20 ms，網(wǎng)速為16 Mbps；L4為高級(jí)自動(dòng)化，傳輸時(shí)延為1～10 ms，網(wǎng)速為100 Mbps；L5為全自動(dòng)化，傳輸時(shí)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(wú)人駕駛。

V2X從技術(shù)上可分為DSRC（專用短程通信技術(shù)）和C-V2X（基于蜂窩的車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)）。DSRC應(yīng)用較早，工作在5.8 GHz頻段，傳輸距離為800 m，車(chē)速為60 km/h，數(shù)據(jù)傳輸速率為27 Mbps，傳輸時(shí)延低于10 ms，但僅針對(duì)V2V / V2I場(chǎng)景，容量不足以應(yīng)對(duì)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L(zhǎng)TE-V2X和NR-V2X（或稱為5G C-V2X），工作頻段和覆蓋范圍同移動(dòng)通信系統(tǒng)，下行數(shù)據(jù)傳輸速率為1 Gbps，可以支持車(chē)輛編隊(duì)行駛、高級(jí)駕駛、擴(kuò)展傳感器、遠(yuǎn)程駕駛、增強(qiáng)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(duì)車(chē)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(shí)延，分別低于50 ms和3 ms，顯然只有NR-V2X才能適應(yīng)L3及以上級(jí)別的要求。

車(chē)聯(lián)網(wǎng)的功能還可以按有無(wú)路側(cè)協(xié)同和有無(wú)車(chē)輛間協(xié)同來(lái)區(qū)分。在既無(wú)路側(cè)協(xié)同也無(wú)車(chē)輛間協(xié)同的場(chǎng)景下，即僅提供單個(gè)車(chē)輛與邊緣云節(jié)點(diǎn)通信，可支持本地信息分發(fā)、動(dòng)態(tài)高精度地圖、車(chē)載信息增強(qiáng)、車(chē)輛在線診斷。在這一場(chǎng)景下，邊緣計(jì)算收集中心云及車(chē)載傳感設(shè)備信息，提供高精度地圖存儲(chǔ)與更新，融合車(chē)輛報(bào)來(lái)的視頻/雷達(dá)信號(hào)并下發(fā)分析結(jié)果，對(duì)車(chē)輛自動(dòng)駕駛狀態(tài)進(jìn)行分析并提供應(yīng)急處置。在無(wú)車(chē)輛間協(xié)同但有路側(cè)協(xié)同的場(chǎng)景下，提供單一車(chē)輛與邊緣計(jì)算及路側(cè)智能設(shè)施交互，支持危險(xiǎn)駕駛提醒和車(chē)輛違章預(yù)警。在該場(chǎng)景下，邊緣計(jì)算收集路側(cè)傳感器信息，融合分析后，提供疲勞駕駛、夜間行車(chē)與惡劣天氣提醒，識(shí)別車(chē)牌，判定超速、逆行、長(zhǎng)期占用應(yīng)急車(chē)道等違章行為并下發(fā)給車(chē)輛及上報(bào)給中心云。在有車(chē)輛間協(xié)同但無(wú)路側(cè)協(xié)同的場(chǎng)景下，提供多車(chē)與邊緣計(jì)算交互，支持V2V信息轉(zhuǎn)發(fā)和車(chē)輛感知共享。在這一場(chǎng)景下，邊緣計(jì)算作為橋接節(jié)點(diǎn)，以V2N2V方式支持車(chē)與車(chē)之間的數(shù)據(jù)交互，支持車(chē)到車(chē)通信，轉(zhuǎn)發(fā)車(chē)輛的感知信息，解決如后車(chē)視野被前車(chē)遮擋的盲區(qū)等感知能力。在車(chē)輛間協(xié)同和路側(cè)協(xié)同兼有的場(chǎng)景下，提供多車(chē)與邊緣計(jì)算及路側(cè)智能設(shè)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(chǎng)景下的邊緣計(jì)算收集匝道合流處的傳感器信息和車(chē)輛狀態(tài)信息，預(yù)測(cè)車(chē)、人和障礙物的相對(duì)位置、速度、方向，下發(fā)結(jié)果到車(chē)輛，優(yōu)化交通信號(hào)燈參數(shù)，預(yù)測(cè)擁堵，并利用路徑優(yōu)化算法對(duì)車(chē)輛進(jìn)行導(dǎo)航調(diào)度。

車(chē)聯(lián)網(wǎng)要實(shí)現(xiàn)車(chē)、路、網(wǎng)、云、人的協(xié)同，在功能上相當(dāng)復(fù)雜，在性能上特別是對(duì)安全與可靠性要求很高。5G的100 Mbps級(jí)的用戶體驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸速率、空中接口0.5 ms的時(shí)延、可支持每平方千米高達(dá)100萬(wàn)臺(tái)連接設(shè)備、優(yōu)于99.9999%的可靠性、在室內(nèi)停車(chē)場(chǎng)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(wú)線通信手段更適合車(chē)聯(lián)網(wǎng)的需要。

盡管如此，車(chē)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(huì)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(dòng)狀態(tài)，而80%以上的城市車(chē)聯(lián)網(wǎng)用戶處于行駛狀態(tài)，對(duì)移動(dòng)性管理要求更高。公眾網(wǎng)的移動(dòng)通信在通信時(shí)占用信道，用戶信道在線時(shí)間較短，而車(chē)聯(lián)網(wǎng)在行駛中永遠(yuǎn)在線。公眾網(wǎng)的通信基本是點(diǎn)到點(diǎn)方式，而車(chē)聯(lián)網(wǎng)在V2V場(chǎng)景下是點(diǎn)到多點(diǎn)和多點(diǎn)到點(diǎn)甚至廣播方式。公眾網(wǎng)的通信基本是以下行為主的，而車(chē)聯(lián)網(wǎng)上行數(shù)據(jù)量可能會(huì)超過(guò)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(dòng)的，被叫方也是已知的，而車(chē)聯(lián)網(wǎng)中每輛車(chē)發(fā)送的信息并不受車(chē)主所控。公眾網(wǎng)跨運(yùn)營(yíng)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(chē)聯(lián)網(wǎng)間跨運(yùn)營(yíng)商的通信需要在本地互聯(lián)，以免時(shí)延太長(zhǎng)。車(chē)聯(lián)網(wǎng)海量物聯(lián)網(wǎng)連接需使用分層管理與群組認(rèn)證或多節(jié)點(diǎn)分布認(rèn)證以免產(chǎn)生信令風(fēng)暴，對(duì)車(chē)聯(lián)網(wǎng)V2V場(chǎng)景還需要快速認(rèn)證。公眾網(wǎng)的通信通常采用包月或按流量收費(fèi)，而車(chē)聯(lián)網(wǎng)的商業(yè)模式有待探索。

車(chē)聯(lián)網(wǎng)的新應(yīng)用場(chǎng)景除對(duì)技術(shù)提出新挑戰(zhàn)外，在管理上也需要體制機(jī)制的創(chuàng)新來(lái)適應(yīng)，車(chē)聯(lián)網(wǎng)不僅需要車(chē)路協(xié)同、車(chē)車(chē)協(xié)同，還需要人與車(chē)協(xié)同，因?yàn)轳R路上不僅有汽車(chē)還有非機(jī)動(dòng)車(chē)與行人。車(chē)聯(lián)網(wǎng)需要智能感知系統(tǒng)與車(chē)載電子系統(tǒng)協(xié)同，需要車(chē)內(nèi)IT與OT（汽車(chē)運(yùn)行技術(shù)）系統(tǒng)協(xié)同，需要車(chē)聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品與服務(wù)協(xié)同；車(chē)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用到礦山、港口、農(nóng)場(chǎng)、林場(chǎng)等，需要跨行業(yè)協(xié)同，還需要重視跨部門(mén)的協(xié)同，政府跨部門(mén)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(chē)聯(lián)網(wǎng)盡管涉及技術(shù)很多、管理復(fù)雜，但萬(wàn)變不離其宗，即源于通信的基礎(chǔ)技術(shù)。本書(shū)作者參閱了相關(guān)領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的著作和論文，通過(guò)深入研究提出了對(duì)實(shí)際場(chǎng)景建模和解決存在的具體問(wèn)題的方法。本書(shū)設(shè)計(jì)了5G C-V2X系統(tǒng)軟件仿真平臺(tái)，通過(guò)建模和設(shè)置各種交通場(chǎng)景，可得到相關(guān)的評(píng)估結(jié)果。本書(shū)作者在車(chē)聯(lián)網(wǎng)的研究中對(duì)基礎(chǔ)技術(shù)在車(chē)聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用有較深入的認(rèn)識(shí)。書(shū)中介紹了與基于5G的C-V2X有關(guān)的一系列基礎(chǔ)技術(shù)，包括車(chē)載時(shí)變信道建模技術(shù)、協(xié)作通信技術(shù)、全雙工技術(shù)、D2D技術(shù)、NOMA技術(shù)、組播通信技術(shù)、虛擬小區(qū)技術(shù)、NB-IoT技術(shù)、區(qū)塊鏈技術(shù)、計(jì)算卸載技術(shù)、認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)及可見(jiàn)光技術(shù)等。

本書(shū)可作為從事車(chē)載通信系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)的電信工程師、工程管理人員及相關(guān)專業(yè)從事教學(xué)與研究的師生的參考書(shū)。從上述通信基礎(chǔ)技術(shù)到實(shí)用的5G C-V2X車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還有不少需要深入研究的問(wèn)題，我國(guó)車(chē)聯(lián)網(wǎng)還處于試驗(yàn)階段，真正大規(guī)模部署還將面臨更大的挑戰(zhàn)與考驗(yàn)，創(chuàng)新空間廣闊，希望本書(shū)能為更多有志之士投身車(chē)聯(lián)網(wǎng)的研究開(kāi)發(fā)提供基本知識(shí)的培訓(xùn)。

中國(guó)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(jì)算、人工智能等新一代技術(shù)和汽車(chē)交通等領(lǐng)域的深度融合，以及工業(yè)和信息化部、財(cái)政部發(fā)布的十三五時(shí)期全國(guó)智能制造發(fā)展的綱領(lǐng)性文件《智能制造發(fā)展規(guī)劃（20162020年）》的實(shí)施和支持，我們生活中的汽車(chē)與汽車(chē)之間、汽車(chē)與道路之間、汽車(chē)與人之間，以及與云端的多維信息交互網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)正在逐漸形成。未來(lái)車(chē)聯(lián)網(wǎng)將逐步由目前的單車(chē)信息服務(wù)向V2X、ITS業(yè)務(wù)演進(jìn)，將車(chē)、路、網(wǎng)及周邊環(huán)境數(shù)據(jù)緊密結(jié)合，提高交通資源利用效率，提供更安全、更經(jīng)濟(jì)、更便利的出行服務(wù)。車(chē)聯(lián)網(wǎng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求主要體現(xiàn)在時(shí)延、帶寬及可靠性3個(gè)方面，即車(chē)聯(lián)網(wǎng)要求時(shí)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(luò)普遍時(shí)延為25～100 ms，且無(wú)法提供超穩(wěn)定的連接。5G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率的理論值將達(dá)到5 Gbps甚至10 Gbps，是4G網(wǎng)絡(luò)的50～100倍，而時(shí)延均值也降至10 ms以內(nèi)。因此，5G 大帶寬、低時(shí)延等關(guān)鍵技術(shù)完全可為V2X通信提供強(qiáng)大支撐，基于5G高速率、高可靠性、大容量和低時(shí)延的特性，可支持3D高精度地圖數(shù)據(jù)及車(chē)輛、行駛環(huán)境數(shù)據(jù)的傳輸，可實(shí)現(xiàn)汽車(chē)自主性AI，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模機(jī)器間的相互通信。

盡管5G通信技術(shù)還沒(méi)有真正被應(yīng)用于人們的日常生活中，但車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)逐漸被應(yīng)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(jìn)，它不僅支持現(xiàn)有的LTE-V2X應(yīng)用，還支持5G NR-V2X的全新應(yīng)用。它基于強(qiáng)大的3GPP 生態(tài)系統(tǒng)和連續(xù)完善的蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋，可大幅降低未來(lái)自動(dòng)駕駛和車(chē)聯(lián)網(wǎng)部署成本。當(dāng)前，我國(guó)發(fā)展5G技術(shù)的C-V2X同樣具備先天優(yōu)勢(shì)：首先，我國(guó)擁有全球的LTE商用網(wǎng)絡(luò)，如果采用5G通信技術(shù)解決車(chē)載通信方案，就可以有效降低車(chē)聯(lián)網(wǎng)在路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施上的部署和投資；其次，更有利于我國(guó)搶占C-V2X技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)業(yè)的制高點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)車(chē)聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

將5G通信技術(shù)應(yīng)用于車(chē)聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，不但提供了一種新的車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信方式，而且保障了通信質(zhì)量，使車(chē)聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)得到了優(yōu)化，為車(chē)聯(lián)網(wǎng)發(fā)展帶來(lái)了重大變革。但我國(guó)5G 車(chē)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(luò)頻繁切換、資源分配、隱私保護(hù)、通信安全等幾個(gè)方面。全書(shū)共12章，主要內(nèi)容包括車(chē)載時(shí)變信道建模技術(shù)、協(xié)作通信技術(shù)、全雙工技術(shù)、D2D技術(shù)、NOMA技術(shù)、組播通信技術(shù)、虛擬小區(qū)與NB-IoT技術(shù)、區(qū)塊鏈技術(shù)、計(jì)算卸載技術(shù)、認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)和可見(jiàn)光技術(shù)。本書(shū)可作為從事車(chē)載通信系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)的電信工程師、工程管理人員的指導(dǎo)和參考用書(shū)，也可作為電子與通信工程領(lǐng)域通信與信息系統(tǒng)、信號(hào)與信息處理等學(xué)科的研究生和高年級(jí)本科生的參考書(shū)或教材，同時(shí)對(duì)通信領(lǐng)域進(jìn)行教學(xué)、研究、開(kāi)發(fā)的教師與學(xué)生均有很好的參考價(jià)值。

本書(shū)參考了國(guó)內(nèi)外有關(guān)著作和文獻(xiàn)，在此向這些著作和文獻(xiàn)的作者表示誠(chéng)摯的感謝。此外，本書(shū)也得到了作者所指導(dǎo)的博士生、碩士生的支持和幫助，以及國(guó)家自然科學(xué)基金（No. 61872406）和浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（No. 2018C01059）的資助，在此表示衷心感謝。

由于作者水平有限，書(shū)中難免存在一些缺點(diǎn)和錯(cuò)誤，敬請(qǐng)讀者不吝批評(píng)指正。

肖海林