一文读懂车联网关键技术

导读：

为了提升运维的投入产出比并提升运维侧对业务侧的价值创造属性，企业的运维部门需要构建一套运维 管理指标体系，这将帮助企业运维部门形成高效的工作流体系，提升日常运维工作的效率， 减轻运维工作对人工和经验的依赖，并为基于大数据的智能运维应用的部署提供支持和引导。

1、整体架构

基于C-V2X通信技术的“人-车-路-网”多方协同的车联网不同于传统Telematics网络，它对数据传输的传输速率、时延、可靠性等方面提出了更高的需求。网络除了进行数据传输，还需要辅助实现协同计算；因此，运营商需要将传统通信网络升级为“通信+计算”的网络，以满足新的车联网应用场景需求。

图1所示为基于“通信+计算”网络的车联网体系架构。首先，运营商网络需在通信技术上升级更新，引入直连通信，并随大网演进至5G及更高级网络；其次，引入计算能力，按需在网络中部署多级计算平台；再者，引入多形态智能车联网终端。在端到端的网络架构中，还要引入针对车联网的安全机制，以保证通信安全、可靠。

2、平台的关键技术

从整体架构的演进可以看出，为满足车联网新的需求，通信网络将逐步引入“计算”能力，辅助实现海量数据的实时计算；因此，V2X平台应具备以下能力：

（1）提供海量终端管理、用户管理、计费管理、应用管理、安全管控、系统监测控制等运营、运维管理能力；

（2）提供海量终端数据统一接入、业务鉴权、交通数据汇聚及分析、应用托管、高性能数据存储、交通信息开放、边缘节点资源调度、路侧传感数据融合计算、业务连续性保持等业务支撑能力。V2X平台参考架构见图2。

由于车联网对海量数据高性能处理的需求，除增强平台自身能力之外，对于部署方案也应进行优化。相对传统的“中心平台-终端”架构，新的车联网需要更贴近用户、灵活性更高的部署方案。由此，引入V2X多级平台系统架构。平台各级能力可根据V2X业务对时延、数据计算量、部署等方面的需求，分层提供不同的服务能力，如图3所示（初步考虑基于“中心-区域-边缘”三层架构满足车联网业务需求）。

3、通信网络的关键技术

C-V2X通信技术包含LTE-V2X和5G-V2X。LTE-V2X主要是针对百毫秒时延的辅助驾驶场景，一方面引入直连通信，支持终端之间直接通信，降低时延，增强终端在无网络覆盖时通信能力；另一方面对公众网Uu（基站与终端间的通信）接口进行性能优化，定义应用于V2X的服务质量等级标识（QCI）、缩短多播控制信道（MCCH）周期等，降低时延，提升可靠性。5G-V2X主要是针对毫秒级时延、单车百兆速率的自动驾驶场景，基于5GNRUu技术引入5GPC5。

为满足车联网低时延、高可靠性、大带宽等需求，5G Uu网络引入了V2X通信切片、边缘计算、服务质量（QoS）预测等特性。

（1）5G切片技术。车联网的应用场景非常丰富，业务需求呈现出多样性的特征，既有大带宽、数据传输速率高的需求，又有对可靠性、时延等要求高的需求。对车联网可考虑3种类型切片：第1类为eMBB切片，支持车内娱乐、视频应用及在线游戏等业务需求；第2类是V2X通信切片，支持驾驶相关业务的网络需求；第3类是针对汽车厂商定制化的切片，可以由车厂单独运营，支持某品牌车辆特有服务，如远程问题诊断等。

（2）边缘计算技术。移动边缘计算（MEC）技术将计算、存储、业务服务能力向靠近终端或数据源头的网络边缘迁移，具有本地化处理、分布式部署的特性。面向车联网的MEC一方面通过将业务部署在边缘节点，以降低C-V2X网络的端到端通信时延；另一方面作为本地服务托管环境，提供强大的计算、存储资源。

（3）QoS预测。车联网业务有别于其他5G网络业务，对通信性能的改变十分敏感。面对这一需求，5G网络引入了智能网元网络数据分析功能（NWDAF），通过采集分析数据，提前预判某车辆进入的小区是否能够满足5G-V2X业务的QoS需求，从而提前通知车辆。此外，5G-V2X应用还将反馈给网络最高QoS需求和最低QoS需求，最大限度保障5G-V2X的业务。

（4）业务连续性。业务连续性指在终端移动状态下，通过不同网络侧会话管理机制来保障车辆快速移动状态下不同用户面功能（UPF）切换时的业务体验。目前3GPP标准中R15版本定义的保障业务连续性主要有3种模式。在R16版本中又增加了1种超可靠低时延的业务连续性方案，在涉及到切换的2个UPF之间建立转发通道，保障车辆在移动过程中会话不中断。

5G在直连通信技术上也进行了增强，同LTE-V2X类似，NRPC5也支持2种通信模式，即模式1和模式2（类似于LTE-V2X中的模式3和模式4）。3GPP正在讨论新增资源调度NR模式2的子模式以优化通信性能。在低时延方面，NRV2X支持3ms端到端超低时延需求，引入60kHz子载波间隔支持更短的子帧结构，NRSidelink支持基于预配置资源的免调度传输方案。在高可靠方面，5G-V2X支持单播及组播，并支持混合自动重传请求（HARQ）等重传技术，确保高于99.999%的超高可靠性。同时，5G-V2XPC5既支持ITS频段，又可扩展到IMT频段，从而创造了更多的业务空间。

4、车联网安全关键技术

随着车联网的不断完善与逐步应用，产业界越来越意识到车联网信息安全问题的重要性。如何在不降低系统运行效率，不增加额外开销的前提下，有效实现车路协同系统节点安全认证，确保车载终端、路侧设备、云平台等网元实体之间信息通信的安全性，是当前产业界面临的主要技术挑战；因此，在车联网安全方面需在两方面取得突破进展。

（1）安全认证技术。为了确保车联网业务中消息来源的真实性、内容的完整性，并防止消息重放，中国C-V2X车联网系统采用数字证书通过数字签名/验签等密码技术对V2X业务消息进行保护，因此，需要车联网安全管理系统来实现证书颁发与撤销、终端安全信息收集、数据管理、异常分析等一系列功能。在此之前，车联网终端必须完成设备初始化，以安全的方式完成数字证书等敏感参数的初始配置。目前针对该问题，有2种解决方案：一种是车企自建证书管理体系，自己维护系统，确保系统的安全可靠；另一种方案则是基于通用认证机制（GBA）的终端认证服务，如图4所示。

对于安装USIM卡，支持LTE-Uu接口通信的V2X设备，可基于用户与运营商间的共享密钥K和蜂窝网基础认证及密钥协商能力简化设计，实现CA管理实体与V2X设备间的身份认证，并在两者之间建立初始信任关系，满足ECA证书及其他证书初始申请、安全传输的需要。该方案能够使车载单元（OBU）终端仅依靠自身安全硬件和网络GBA安全能力即可在线完成初始安全配置，避免了工厂复杂的密钥管理，降低了汽车企业生产线及管理系统安全改造的成本，提高了汽车工业自动化生产水平。未来该技术的演进还可为5G车联网的应用提供可靠的安全保障。

（2）车联网高性能安全芯片技术。C-V2X车联网技术目前已确定采用通过数字签名/验签的方式对车联网消息进行保护。为了实现上述机制，车联网终端需要以芯片/硬件/固件安全为基础，以安全的方式生成随机数及密钥，实现密码运算，对密码公私钥对、数字证书等敏感参数进行安全存储。

根据3GPP提供业务模型估计，车联网终端设备的验签处理能力预计至少应达到2000次/秒，这对安全芯片的处理性能提出了较高要求。除此之外，安全芯片应当符合车规级，满足测试标准。同时，在中国境内使用的安全芯片产品还应符合《密码法》规定及要求，应支持采用商用密码（SM）2/SM3/SM4算法实现密码相关处理及运算。然而，同时满足支持国密算法以及车规级性能要求的高性能安全芯片目前在中国是没有的。因此，研究高性能安全芯片技术是当前车联网产业面临的主要挑战。

互联互通社区

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