0 引言

    我國機動車保有量快速增加，2018年全國機動車達3.25億輛，每年交通事故死亡人數(shù)過萬，擁堵成本超過百億，環(huán)境污染、能源短缺、車輛監(jiān)管等問題日益凸顯。智能網(wǎng)聯(lián)汽車可以提供更加安全、舒適、節(jié)能和環(huán)保的駕駛方式以及交通出行綜合解決方案，是城市智能交通系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，其意義不僅在于汽車產(chǎn)品與技術的升級，更可能帶來汽車及相關產(chǎn)業(yè)全業(yè)態(tài)和價值鏈體系的重塑。

    隨著單車智能感知技術提升瓶頸和交通環(huán)境復雜性增加，特別是自動駕駛業(yè)務，越來越依靠智能道路設施的進步，車路協(xié)同成為通往未來城市智慧交通和自動駕駛的必由之路。智能網(wǎng)聯(lián)汽車業(yè)務在安全告警和交通信息通知類業(yè)務的基礎上，也逐步向“車-路-邊-云”協(xié)同感知發(fā)展，通過車路協(xié)同的強大智能提升智能網(wǎng)聯(lián)汽車整體感知、決策和控制能力，最終實現(xiàn)降低自動駕駛成本和提升自動駕駛安全性等目標。聰明的車、智能的路、強大的網(wǎng)和智慧的云是車路協(xié)同系統(tǒng)中的4個關鍵因素。其中，以LTE-V與5G構建的強大的網(wǎng)成為現(xiàn)階段車路協(xié)同的主體，是車、路、云各個要素有效融合和優(yōu)勢互補的橋梁。

    基于車路協(xié)同的車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務場景非常豐富，其對網(wǎng)絡性能要求各異。通過5G網(wǎng)絡切片技術可提供為特定網(wǎng)絡能力和網(wǎng)絡特性組建邏輯網(wǎng)絡的能力，可以為不同業(yè)務場景的車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務提供端到端的大帶寬、低時延、高可靠的靈活定制化服務，實現(xiàn)業(yè)務的快速上線和更極致的用戶體驗。本文將從面向車路協(xié)同的車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務場景對網(wǎng)絡的需求入手，圍繞5G網(wǎng)絡切片技術在車路協(xié)同系統(tǒng)中的應用展開研究。

1 車路協(xié)同系統(tǒng)架構

    車路協(xié)同系統(tǒng)是采用先進的無線通信和新一代互聯(lián)網(wǎng)等技術，全方位實施車車、車路和人車動態(tài)實時信息交互，在全時空動態(tài)交通信息采集與融合的基礎上，開展車輛協(xié)同安全和道路協(xié)同控制，從而形成的安全、高效和環(huán)保的道路交通系統(tǒng)。圖1展示了典型車路協(xié)同系統(tǒng)架構^[1]。

    車路協(xié)同系統(tǒng)架構縱向劃分為5層，自下向上依次為“車-路-網(wǎng)-云-用”。

    (1)車：智能網(wǎng)聯(lián)汽車是交通參與者的代表，是整個系統(tǒng)的主要服務對象。車端物理架構包含了為了保障車輛基本安全功能及通信功能的各種設備，主要由基礎感知和定位傳感器、基礎計算平臺、人機交互設備及通信設備(網(wǎng)關)組成。其中，基礎傳感器采集、接收的數(shù)據(jù)，通過總線進行集成，再通過數(shù)據(jù)的融合和智能化處理，輸出自動駕駛所需的環(huán)境感知信息，主要用于支持車輛的基本安全功能。車載計算平臺由高性能車載集成計算平臺(硬件)、智能車載操作系統(tǒng)以及運行在其上的應用軟件和中間件組成。車載計算平臺融合了傳感器、高精度地圖、V2X的感知信息進行認知和決策計算，硬件處理器可以有GPU、FPGA、ASIC等多種選擇，主要用于基本的安全功能感知、決策與控制，更高級別的感知、決策在邊緣側完成并通過網(wǎng)絡經(jīng)過車載網(wǎng)關傳輸給車輛底層執(zhí)行。而智能車載操作系統(tǒng)融合了車內(nèi)人機交互、運營服務商、內(nèi)容服務商的數(shù)據(jù)，為乘客提供個性化服務。最后，決策的信息進入車輛總線控制系統(tǒng)，完成執(zhí)行動作。

    (2)路：路側部分由部署于路側、分布于不同地理空間位置的智能協(xié)同感知、通信、交通調控設備組網(wǎng)而成，依托邊緣計算平臺打造異構多源交通數(shù)據(jù)感知融合能力，構建高精度全局交通感知，并通過靈活的通信方式和準確實時的調控，實現(xiàn)人車路等交通參與者的全面連接。

    (3)網(wǎng)：智能化的先進網(wǎng)絡是整個系統(tǒng)的中樞，利用C-V2X和5G網(wǎng)絡構建“車-路-云”三者之間的高速率、低時延、廣覆蓋的數(shù)據(jù)連接和傳輸，并通過網(wǎng)絡切片提供靈活的垂直端到端專網(wǎng)能力保障，從而具備能夠基于實際智能網(wǎng)聯(lián)駕駛具體應用進行實時調度、管理網(wǎng)絡以及保證網(wǎng)絡安全的能力。

    為了增強基于基站通信的低時延高可靠業(yè)務，加強對自動駕駛業(yè)務的掌控，根據(jù)業(yè)務需求在網(wǎng)絡不同位置引入邊緣計算（MEC）設備，實現(xiàn)用戶面的業(yè)務下沉，降低網(wǎng)絡傳輸時延。通過MEC設備可以實現(xiàn)：

    ①依據(jù)自動駕駛數(shù)據(jù)的類型完成數(shù)據(jù)分流，數(shù)據(jù)或分流至本地處理，或轉發(fā)至云端；

    ②邊緣設備獲取路側輔助信息、道路狀態(tài)信息、環(huán)境信息、區(qū)域車輛狀態(tài)信息，通過多源感知信息融合構建動態(tài)高精度地圖；

    ③根據(jù)動態(tài)高精度地圖完成區(qū)域交通規(guī)劃，例如：交通信號燈控制規(guī)劃、動態(tài)限速規(guī)劃等；

    ④根據(jù)動態(tài)高精度地圖完成決策輔助、駕駛建議等。

    (4)云：通常完成4個功能：①數(shù)據(jù)存儲，車端實時采集數(shù)據(jù)量傳輸?shù)皆贫诉M行分布式存儲；②仿真測試，新算法在部署到車上之前會在云端的模擬器上進行測試；③高精度地圖生成、完善和更新；④深度學習模型訓練，持續(xù)不斷地通過新數(shù)據(jù)進行模型訓練，以提升算法的處理能力。

    此外，智能網(wǎng)聯(lián)云控平臺和基礎能力平臺也是部署在云端的核心能力。云控平臺具有實時信息共享、實時云計算、實時應用編排、大數(shù)據(jù)分析、信息安全等基礎服務機制，提供包含車輛運行、交通環(huán)境、基礎設施在內(nèi)的實時動態(tài)基礎數(shù)據(jù)，以及大規(guī)模網(wǎng)聯(lián)應用實時協(xié)同計算環(huán)境，基礎能力平臺提供人工智能、安全、計費、運維和仿真開發(fā)測試等能力，形成全域協(xié)同決策與控制的云控基礎能力平臺。

    (5)用：應用層主要包括面向智能網(wǎng)聯(lián)汽車的應用和面向交通調控的交通大腦應用，提供安全類、效率類、信息類等多類型服務。

    應用服務器既可以部署在平臺層，也可以部署在邊緣計算網(wǎng)元上，前者重點完成宏觀的數(shù)據(jù)服務、道路規(guī)劃和管理，以及初始規(guī)劃、宏觀交通調度、車輛大數(shù)據(jù)監(jiān)管、全局路徑規(guī)劃和全局高精度地圖管理。

2 車路協(xié)同發(fā)展過程及性能需求

    隨著我國5G快速部署，車路協(xié)同業(yè)務從定位、自動駕駛、高精地圖到車載的信息娛樂，逐步開始提供全方位的連接能力，同時也能夠實現(xiàn)不同行業(yè)之間的數(shù)據(jù)的交互和互聯(lián)互通。

2.1 車路協(xié)同系統(tǒng)發(fā)展

    車路協(xié)同系統(tǒng)經(jīng)歷了輔助信息交互、協(xié)調感知、協(xié)調決策與控制3個階段的發(fā)展，體現(xiàn)了5G應用逐步深化的過程，如圖2所示。

    (1)輔助信息交互過程階段：可以基于信息廣播的車車協(xié)同服務，及時為車車碰撞、道路施工等預警；

    (2)在協(xié)同感知發(fā)展階段：基于簡單感知的車路協(xié)同，可以為用戶提供闖紅燈提醒、特種車優(yōu)先等服務；基于路邊智能的協(xié)同感知服務，提供路側智能提醒危險狀況、弱勢群體危險提醒等；基于5G高帶寬的信息服務，動態(tài)高精地圖、遠程監(jiān)控等；

    (3)協(xié)同決策與控制階段：可以基于協(xié)同感知與控制的智能駕駛，為緊急信息通信、高速數(shù)據(jù)下載、廣域信息覆蓋、自動泊車、協(xié)作式交叉路口通行等場景提供服務。在緊急信息通知方面，利用5G低時延特性，路面一旦出現(xiàn)異常情況后，可以幾乎實時進行V2X消息廣播，從而迅速通知提醒周邊車輛。在高速數(shù)據(jù)下載方面，利用5G超高速帶寬的特點，車路協(xié)同場景下的自動駕駛車輛可以快速下載高精度地圖。同時，用戶在駕乘過程中也可以無卡頓地享受云游戲等高速數(shù)據(jù)服務。廣域信息覆蓋方面，利用5G網(wǎng)絡可以連接海量終端，從而實現(xiàn)路面感知信息大范圍分發(fā)，協(xié)助車輛進行預見性駕駛，減少基站之間的切換。

2.2 典型場景與網(wǎng)絡性能指標

    車路協(xié)同應用場景分為以用戶體驗為核心的信息服務類應用、以車輛駕駛為核心的汽車智能化類應用和以協(xié)同為核心的智慧交通類應用三大類型。

    (1)信息服務類應用

    此類應用既包括提高駕乘體驗、實現(xiàn)歡樂出行的基礎性車載信息類應用，也包括與車輛上路駕駛、車輛出行前或出行后的涉車服務、后市場服務、車家服務等應用。該類應用需要車輛具備基本的聯(lián)網(wǎng)通信能力和必要的車輛基礎狀態(tài)感知能力。

    (2)汽車智能化類應用

    此類應用主要與車輛行駛過程中的智能化相關，利用車上傳感器，隨時感知行駛中的周圍環(huán)境，收集數(shù)據(jù)、動靜態(tài)辨識、偵測與追蹤，并結合導航地圖數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)運算與分析，主要有安全類和效率類等各種應用。

    (3)智慧交通類應用

    該類應用是在自動駕駛的基礎上，與多車管理調度及交通環(huán)境等智慧交通相關，最終支持實現(xiàn)城市大腦智能處置城市運行和治理協(xié)同。

    自動駕駛是未來汽車的終極發(fā)展目標。但由于技術的發(fā)展規(guī)律，會經(jīng)歷從最初的輔助駕駛、部分自動駕駛、有條件自動駕駛、高度自動駕駛到未來的完全自動駕駛的發(fā)展階段。根據(jù)不同自動化駕駛等級，端到端網(wǎng)絡性能不盡相同，具體性能指標如表1所示^[2]。

    其中，車路協(xié)同業(yè)務特點為毫秒級超低時延、大帶寬、高可靠性，通過5G uRLLC切片提供小于10 ms的時延，提高協(xié)同效率，實現(xiàn)較高程度的自動化。根據(jù)相關研究，車路協(xié)同應用場景對自動化程度要求較高，具體性能要求如表2所示。

3 車路協(xié)同的網(wǎng)絡切片

    網(wǎng)絡切片技術根據(jù)應用、場景需求等對網(wǎng)絡資源進行管理編排，根據(jù)行業(yè)客戶需求，按需定制虛擬網(wǎng)絡，可以滿足差異化的服務等級協(xié)議(Service Level Agreement，SLA)的QoS需求，通過切片平臺，為實時路況更新、導航準確度提升、安全駕駛等不同車路協(xié)同場景提供5G端到端的大帶寬、低時延、高可靠的靈活定制化服務。

    對于車聯(lián)網(wǎng)行業(yè)，通過與運營商的業(yè)務合作，無需建設移動專網(wǎng)即可更方便、快捷地使用5G網(wǎng)絡，節(jié)省初期建網(wǎng)投資，快速實現(xiàn)數(shù)字化轉型。例如，對于車路協(xié)同切片，可以提供高可靠低延時的服務，基于切片間隔離可以保障車聯(lián)網(wǎng)平臺的安全，通過開放接口可以滿足車輛定位需求，同時還可以利用網(wǎng)絡中的邊緣計算節(jié)點，實現(xiàn)更好的業(yè)務體驗^[3]。

3.1 車路協(xié)同5G切片創(chuàng)建

    5G網(wǎng)絡切片包括切片設計、部署使能、切片運行、閉環(huán)優(yōu)化、運維、能力開放等。為了保證切片的敏捷的特征和業(yè)務獨特性，切片可以定制化設計，包括切片模版設計(GST)和實例化設計。模版設計階段通過通信服務管理功能(CSMF)、切片管理功能(NSMF)和子切片管理功能(NSSMF)的協(xié)同，實現(xiàn)能力通報、能力分解和能力匹配。在切片實例化設計階段，需要根據(jù)具體訂單需求觸發(fā)：當租戶需要使用網(wǎng)絡切片時，可以選用預置的切片模板或定制模版，并通過CSMF、NSMF和NSSMF逐層確認部署信息，進行實例化部署，產(chǎn)生一個可用的切片網(wǎng)絡。

    根據(jù)表1和表2信息可知，車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務用戶對網(wǎng)絡時延、速率、可靠性等其他性能指標要求較高，可以在eMBB和uRLLC切片的基礎上定制不同業(yè)務和等級的子切片。結合車聯(lián)網(wǎng)場景中不同用戶的個性化需求，圖3流程可以實現(xiàn)網(wǎng)絡切片按需定制，相關流程如下：

    (1)車聯(lián)網(wǎng)行業(yè)用戶登錄門戶網(wǎng)站訂購服務，結合自己的需求選擇訂單及SLA，例如：若用戶對于自動化程度要求較高，則應該選擇“高級自動化&全自動化”切片，時延可以達到1～10 ms，同時選擇好其他SLA參數(shù)(如最大用戶數(shù)、切片服務區(qū)域、切片中終端的移動等級、切片資源共享等級)；

    (2)切片管理系統(tǒng)根據(jù)租戶對車聯(lián)網(wǎng)切片的SLA要求進行接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、核心網(wǎng)等的SLA分解，進而進行各域資源配置，包括帶寬、時延等。切片設計完成后，進行測試驗證，避免設計過程存在問題，早發(fā)現(xiàn)早解決；

    (3)車聯(lián)網(wǎng)用戶在“切片商城”選擇滿足自己需求的切片(如：“高級自動化&全自動化”切片)，并提交訂單進行付費；

    (4)切片設計完成測試驗證，且用戶完成付費后，進行在線部署激活自動開通，該過程包含切片的運維過程(如：智能監(jiān)控、故障排除等)。

3.2 車路協(xié)同5G切片資源調配

    車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務需求的多樣性和高動態(tài)使得網(wǎng)絡切片資源動態(tài)調整和調度面臨很大挑戰(zhàn)。其中，切片資源智能調配可以解決車路協(xié)同業(yè)務需求的快速變化導致的網(wǎng)絡切片資源動態(tài)調配和管理問題，基于切片業(yè)務量預測和根據(jù)預測結果制定切片資源調整策略，相應流程如下：

    在資源調配系統(tǒng)中，不同應用的業(yè)務數(shù)據(jù)(例如：對車輛及車載傳感器，路測攝像頭、雷達等協(xié)同設施監(jiān)控采集到的數(shù)據(jù)、紅綠燈告警等業(yè)務數(shù)據(jù))將通過切片管理系統(tǒng)傳送給業(yè)務量預測模板；業(yè)務量預測模塊進行數(shù)據(jù)分析、業(yè)務量預測，并將預測結果發(fā)送給智能策略模塊。針對分析結果，智能策略模塊可以制定相應的資源配置策略，并下發(fā)給切片管理系統(tǒng)，實時調整不同切片之間的資源，實現(xiàn)閉環(huán)自愈。該閉環(huán)管理模式可以保證自動駕駛、路況監(jiān)測、高清地圖、車輛感知等車路協(xié)同系統(tǒng)中其他業(yè)務的通信需求^[4]。

    切片資源智能調配系統(tǒng)通過與切片管理系統(tǒng)對接，智能地調配切片資源，可以高效解決業(yè)務需求高動態(tài)帶來的網(wǎng)絡切片管理問題，滿足不同車路協(xié)同場景的差異化需求，提供端到端QoS保障能力^[5]，圖4給出了切片資源智能調配系統(tǒng)示意圖。

3.3 網(wǎng)絡切片保障車路協(xié)同安全

    車路協(xié)同系統(tǒng)作為車輛與基礎設施之間的連通系統(tǒng)，需要具備對黑客入侵、系統(tǒng)干擾、詐騙等風險的防范能力。信息安全作為車路協(xié)同場景的重要研究內(nèi)容，主要包括抗黑客攻擊的能力、網(wǎng)絡系統(tǒng)潛在風險、網(wǎng)絡安全對系統(tǒng)性能的影響、網(wǎng)絡信息和安全系統(tǒng)的認證等。

    其中，網(wǎng)絡切片可為車聯(lián)網(wǎng)提供差異化安全保護策略以及安全解決方案，形成切片安全基線等級驗證機制，面向不同安全需求提供差異化的安全防護舉措，具體包括：

    (1)統(tǒng)一切片接入認證：切片網(wǎng)絡需要對服務方和網(wǎng)絡使用方的實體身份進行鑒別，再依據(jù)切片屬性分配差異化的網(wǎng)絡能力。車聯(lián)網(wǎng)所涉及的多方，既包括運營商、車主，又包括千差萬別的車輛傳感器，其所采用的身份憑證和所能提供的鑒別能力大相徑庭。針對不同的認證實體，通過OpenID、OAuth2等協(xié)議，實現(xiàn)統(tǒng)一身份鑒別機制，提供統(tǒng)一認證服務，使各服務對象互通互認，形成可信鏈條；

    (2)切片間安全資源共享與隔離：基于虛擬化技術，實現(xiàn)安全資源多切片網(wǎng)絡共享機制，通過安全策略差異化實現(xiàn)以及不同安全策略分權分域隔離控制的技術，防止不同切片間安全資源的非法濫用和非法入侵；

    (3)基于切片的安全基線檢測：面向網(wǎng)絡切片控制的安全基線模型和檢測系統(tǒng)，對不同安全等級切片所涉及的主機、網(wǎng)絡、業(yè)務系統(tǒng)軟硬件進行脆弱性分析和安全配置核查，通過差異化的安全防護措施。

4 結論

    5G垂直行業(yè)典型應用場景車聯(lián)網(wǎng)已成為業(yè)界研究人員重點關注的熱點之一。本文從5G網(wǎng)絡的個性化和定制化等能力入手，分析了車路協(xié)同發(fā)展的過程以及各場景對網(wǎng)絡性能的需求，并基于車路協(xié)同系統(tǒng)架構，論述典型業(yè)務的5G網(wǎng)絡切片實現(xiàn)流程，涵蓋切片創(chuàng)建、切片資源調度和切片安全保障等主要內(nèi)容。5G切片技術在面向車路協(xié)同的車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務場景中的應用仍處于探索之中，亟需產(chǎn)業(yè)界共同探討合作，構建未來生態(tài)環(huán)境，讓更多行業(yè)能夠從5G中受益。

參考文獻

[1] 崔波，滕琳雅，吳堅鵬，等.5G自動駕駛業(yè)務網(wǎng)絡解決方案探討[J].廣東通信技術，2019，39(2)：40-44.

[2] 國信證券.車聯(lián)網(wǎng)將成5G應用先驅，把握確定性產(chǎn)業(yè)鏈機遇[Z].2019.

[3] 朱紅梅，林奕琳，劉潔.5G URLLC標準、關鍵技術及網(wǎng)絡架構的研究[J].移動通信，2017，41(17)：28-33.

[4] 姜磊，宋漢增.5G切片端到端管理系統(tǒng)，助運營商暢享5G新時代[J].中興通訊技術(簡訊)，2019(11).

[5] 3GPP TR 23.791.Study of enablers for network automation for 5G，V16.2.0[S].2019.

作者信息:

張  蕾，朱雪田，李金艷

(中國電信股份有限公司技術創(chuàng)新中心，北京102209)