5G car connectivity V2V, V2X – low latency, high bandwidth
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來源：中投投资咨询网
一、引言——為何要研發5G車聯網？
近年來，因汽車數量持續成長，而引起的交通安全、出行效率、環境保護等問題日益突出，車聯網相關領域的研究和發展，受到了廣泛關注。
在車聯網中，車輛作為行動通信設備和用戶的載體，以拓撲節點的形式，組織行動網路拓撲。由於車輛自身的移動性，車載通信具有移動區域受限、網路拓撲變化快、網路頻繁接入和中斷、節點覆蓋範圍大、通信環境複雜等特點。根據車聯網的上述特徵，當前車聯網的實施，存在以下多方面挑戰和困難。
(1)在體系結構方面，由於行動通信技術的快速發展，為滿足用戶的多功能體驗，車聯網的體系結構變得複雜。在車載行動通信聯網中，路側單元(RSU)作為車輛自組網(VANET)無線接入點，將車輛以及道路等資訊，上傳至互聯網併發布相關交通資訊，這種車與基礎設施(V2I)的協作通信模型，需要大量的RSU支撐，增加了建設的成本和能源消耗。
(2)在通信方面，車聯網中存在多種類型的通信網路，這些網路使用不同的標準和協議，數據處理和網路的融合不完善，影響車聯網系統運行效率。
雖然IEEE 802.11p標準的車輛自組網通信，在高速運行環境下傳輸距離遠、分組丟失率低、可靠性高，但在極其複雜的非視距環境下，通信品質會受到不同程度的干擾。另外，由於車輛的高速移動，需要快速可靠的網路接入與資訊交互，時延受限成為當前車聯網，面臨的重要問題。
雖然IEEE 802.11p標準的車輛自組網通信，在高速運行環境下傳輸距離遠、分組丟失率低、可靠性高，但在極其複雜的非視距環境下，通信品質會受到不同程度的干擾。另外，由於車輛的高速移動，需要快速可靠的網路接入與資訊交互，時延受限成為當前車聯網，面臨的重要問題。
(3)在安全方面，車聯網中的用戶資訊，都將連接在該網路上，隨時隨地被感知，很容易被干擾和竊取，嚴重影響了車聯網體系的安全。當前車聯網在每一層，都存在不同程度的威脅：在感知層，車輛單元(OBU)和RSU節點的實體安全、感知資訊的無線傳輸；在網路層，數據破壞、數據洩露、虛假資訊等安全與隱私問題；在應用層，也存在身份假冒、越權操作等由於技術方面的不足，或因管理不當，而帶來的隱形危害。
近年來，車聯網在體系結構、通信以及安全方面，存在的問題成為當前學術界和工業界的研究熱點，而隨著第5代行動通信(5G)的快速發展，5G行動通信網路將融合大規模天線陣列、超密集組網、終端直通、認知無線電等先進技術，以更加靈活的體系結構，解決多樣化應用場景中，差異化性能指標帶來的挑戰。
本文作者認為：其中，5G行動通信技術在低時延、高移動性車聯網場景的應用，解決了當前車聯網面臨的，多方面問題和挑戰，使OBU在高速移動下，獲得更好的性能。
而且，5G通信技術讓車聯網，不用單獨建設基地台和服務基礎設施，而是隨著5G通信技術的應用普及而普及，為車聯網的發展帶來歷史性的機會。
本文作者認為：其中，5G行動通信技術在低時延、高移動性車聯網場景的應用，解決了當前車聯網面臨的，多方面問題和挑戰，使OBU在高速移動下，獲得更好的性能。
而且，5G通信技術讓車聯網，不用單獨建設基地台和服務基礎設施，而是隨著5G通信技術的應用普及而普及，為車聯網的發展帶來歷史性的機會。
二、5G車聯網的體系結構
未來5G通信技術在車聯網場景的應用，使車聯網擁有更加靈活的體系結構，和新型的系統元素(5G車載OBU、5G基地台、5G行動終端、5G雲伺服器等)。
除了在車內網、車際網、車載行動互聯網實現V2X資訊交互以外，5G車聯網還將實現OBU、基地台、行動終端、雲伺服器的互聯互通，分別給予它們特殊的功能和通信方式。5G車聯網體系結構的特點，主要體現在OBU多網接入與融合、OBU多管道互聯網接入、多身份5G基地台。
除了在車內網、車際網、車載行動互聯網實現V2X資訊交互以外，5G車聯網還將實現OBU、基地台、行動終端、雲伺服器的互聯互通，分別給予它們特殊的功能和通信方式。5G車聯網體系結構的特點，主要體現在OBU多網接入與融合、OBU多管道互聯網接入、多身份5G基地台。
2.1 OB U多網接入與融合
目前，在車聯網中，多種網路共存，包括基於IEEE 802.11 a/b/g/n/p標準協議的WLAN、2 G/3 G蜂窩通信、LTE以及衛星通信等網路，這些網路在車聯網通信中，使用不同的標準和協議，數據處理和資訊交互不完善。而5G車聯網將融合多種網路，實現無縫的資訊交互和通信切換。
5G行動通信網路，是一個包括宏蜂窩層和設備層的雙層網路，其中，宏蜂窩層與傳統蜂窩網路相似，涉及基地台和終端設備之間的直接通信。
在設備層通信中，設備到設備通信是5G行動通信技術的重要組成部分，是一種終端與終端之間，不借助任何網路基礎設施直接進行資訊交互的通信方式。
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| Enabling Device to Device Communications in Millimeter Wave 5G - YouTube |
(1)基地台控制鏈路的終端轉發。終端設備可以在信號覆蓋較差的環境下，透過鄰近終端設備的資訊轉發，與基地台通信，其中，通信的鏈路建立，由基地台和中繼設備控制，在這種通信方式下，終端設備可實現較高的服務品質。
(2)基地台控制鏈路的終端直接通信。終端之間的資訊交互，與通信沒有基地台的協助，但需要基地台控制鏈路的建立。
(3)終端控制鏈路的終端轉發。基地台不參與通信鏈路的建立和資訊交互，源終端與目的終端，透過中繼設備協調，控制彼此之間的通信。
(4)終端控制鏈路的終端直接通信。終端之間的通信沒有基地台和終端設備的協助，可自行控制鏈路的建立，這種方式有利於減輕設備之間的干擾。
圖1展示了5G行動通信網的D2D通信方式，在車聯網的應用。未來5G車聯網D2D通信技術，將為車聯網提供新的通信模式。其中，在車載行動互聯網，OBU可直接透過5G基地台或中繼(包括鄰近的OBU、用戶行動終端)，快速接入互聯網，實現車與雲服務器的資訊交互；
在車內網，為充分實現用戶與車輛的人機交互，以OBU為媒介，與用戶5G行動終端之間，在沒有基地台或其他終端設備協助情況下，通透過自行控制鏈路，進行短距離的車輛數據傳輸；
在基於D2D的通信網路中，5G車載單元可在網路通信邊緣，或信號擁塞地帶，基於單跳或多跳的D2D，建立ad hoc網路，實施車輛自組網通信。
在車內網，為充分實現用戶與車輛的人機交互，以OBU為媒介，與用戶5G行動終端之間，在沒有基地台或其他終端設備協助情況下，通透過自行控制鏈路，進行短距離的車輛數據傳輸；
在基於D2D的通信網路中，5G車載單元可在網路通信邊緣，或信號擁塞地帶，基於單跳或多跳的D2D，建立ad hoc網路，實施車輛自組網通信。
圖1 5G車聯網基於D2D的通信方式
透過以上對5G車聯網通信方式的分析，5G車聯網將改變基於IEEE 802.11p標準的車聯網通信方式，實施多實體之間(OBU之間以及OBU與行動終端、行人、5G基地台、互聯網之間)的資訊交互，實現OBU的多網接入，以及車內網、車際網、車載行動互聯網的「三網融合」。
2.2 多身份5G基地台
傳統的基地台作為終端通信的中繼，在數據轉發和鏈路控制等方面，起著重要作用；而5G基站的大量部署，將實現超密集網路，從而給予用戶精確定位、協助終端通信等功能。
在基於5G毫米波的通信網路中，D2D技術涉及終端與基地台、基地台與基地台直接通信。其中，D2B與B2B以自組織方式通信，將是一個重要的突破，這決定了5G基地台將以不同的角色，發揮關鍵重要的作用。在車聯網的應用場景，5G基地台將擁有以下功能。
(1)協作中繼。5G基地台具備傳統基地台的中繼轉發功能，作為無線接入點，協助車與互聯網通信。
(2)擔當RSU。在高速運行的環境下，車輛自組網通信中的5G基地台將取代RSU，與OBU即時通信，透過廣播的方式，向車輛自組網中的車輛發佈交通資訊，並協助車與車通信，以及多個車輛自組網通信。這不僅節約了車聯網體系的建構成本，而且解決了V2I協作通信系統融合，所面臨的多方面問題。
(3)精確定位。GPS作為當前OBU的定位系統，是非常脆弱的，容易受到欺騙、阻塞等多種類型的攻擊。並且，GPS的信號容易受到天氣影響，導致無法實施精確定位。
本文作者認為：未來5G基地台的大量部署，使用更高的頻率和信號頻寬，實施密集網路，以及大規模的天線陣列，使OBU在NLOS複雜環境下，減少定位誤差。其次，D2D通信充分利用高密度的終端設備連接的優勢，從以下兩方面提高定位性能。
一方面，大量的D2D鏈路，可以為確定車輛之問的偽距，提供信號觀測，D2D通信不僅使OBU可以接收，來自鄰近車輛和行動終端的資訊，其同步和信道估計單元等，信號處理的實體，還可被複用於信號傳輸的延時估計。
在車聯網中，D2D通信模式提供了一個網狀網路，N個OBU構成的最大鏈路數為N(N-1)。另一方面，OBU的D2D通信鏈路為定位，直接交換所需數據，可進一步加快局部決策，改進位置估計過程的收斂時問。圖2為基於D2D的協作定位系統。
圖2 5G車聯網協作定位系統
2.3多管道互聯網接入
在將來5G行動網路通信中，5G終端透過自行控制通信鏈路建立，定期廣播身份資訊，其他鄰近的終端及時發現，並評估多個信道狀態資訊，自適應地選擇當前最優的信道，決定建立一個5G終端之間的直接通信，或選擇合適的中繼轉發消息，這種通信方式，使5G終端以最優的方式實現資訊交互，同時也提高頻譜和能源的利用率。
根據5G終端高效、多樣化的通信方式，OBU可透過多種管道接入互聯網。OBU除了可按照當前車聯網的V2I協作通信方式外，還可透過鄰近的5G基地台、5G車載單元OBU和5G行動終端等多種管道，自適應地選擇信道品質較好的方式，接入互聯網。
三、5G車聯網特徵
5G行動通信融合CR、毫米波、大規模天線陣列、超密集組網、全雙工通信等關鍵技術，顯著提高了通信系統的性能。在車聯網應用場景中，相比IEEE 802.11p標準的通信，5G車聯網的特點主要體現在，低時延與高可靠性、頻譜和能源高效利用、更加優越的通信品質。
3.1 低時延與高可靠性
作為車聯網資訊的發送端、接收端和中繼節點，消息傳遞過程必須保證私密性、安全性和高數據傳輸率，通信具有嚴格的時延限制。
目前，研究的車聯網通信數據的密集使用，以及頻繁交換，對即時性要求非常高，然而，受無線通信技術的限制(如頻寬、速度和域名等)，通信時延達不到毫秒級，不能支持安全互聯需求。
目前，研究的車聯網通信數據的密集使用，以及頻繁交換，對即時性要求非常高，然而，受無線通信技術的限制(如頻寬、速度和域名等)，通信時延達不到毫秒級，不能支持安全互聯需求。
5G高/超高密集度組網、低的設備能量消耗，大幅地減小信令開銷，解決了頻寬和時延相關問題，且5G的時延達到了毫秒級，滿足了低延時和高可靠性需求，成為車聯網發展的最大突破口。
在5G車聯網通信中，為更好地研究與應用低時延，和高可靠性的鏈路特徵，有文獻分析了適應於以300 km/h速度移動車輛通信的5G自適應天線，提高了OBU與基地台的通信品質，降低了在信道估計與數據傳輸之間產生的時延。
在5G車聯網通信中，為更好地研究與應用低時延，和高可靠性的鏈路特徵，有文獻分析了適應於以300 km/h速度移動車輛通信的5G自適應天線，提高了OBU與基地台的通信品質，降低了在信道估計與數據傳輸之間產生的時延。
有文獻提出利用網路功能虛擬化，和軟體定義網路技術，提高5G網路體系結構的靈活性，並提出實現低時延服務的解決方案，主要包括服務預約和配置、減少IP地址解析的時延、連續服務時延的優化。
其中，5G網路服務的優化，不僅要支持當前的應用服務，而且要適應高速成長的資訊量，並滿足將來多樣性的服務需求，尤其是對於時延高度敏感的通信，如車聯網V2X通信場景，嚴格要求低時延和高可靠性，是5G網路體系結構應用的顯著特點。
根據表1設置的主要參數實施，基於D2D模式的V2V通信時延仿真，得到了如圖3所示的結果。隨著車輛數目的增加，端到端的通信時延基本保持平穩狀態，而5G車聯網基於D2D技術，將實現車與車、車與基地台，以及5G行動終端通信，其空口時延在1 ms左右，端到端時延，控制在毫秒級延時性能，比IEEE 802.11p標準的通信方式優越，有效地保障了通信的可靠性。
表1 基于D2D模式的V2V通信时延仿真参数
圖3 基於D2D模式的V2V通信時延分析
3.2 頻譜和能源高效利用
頻譜和能源的高效利用，是5G用戶體驗的一個重要的特徵。5G通信技術在車聯網的應用，將解決當前車聯網資源受限等問題。5G車聯網的頻譜和能源高效利用，主要體現在以下方面。
1)D2D通信。在5G通信中，D2D通信方式透過複用蜂窩資源，實現終端直接通信。5G車載單元將基於D2D技術，實現與鄰近的車載單元、5G基地台、5G行動終端的車聯網自組網通信，和多管道互聯網接入。
透過這種方式，提高車聯網通信的頻譜利用率，與基於IEEE 802.11p標準的車聯網V2X通信方式相比，減少了成本的支出，節約了能源。
透過這種方式，提高車聯網通信的頻譜利用率，與基於IEEE 802.11p標準的車聯網V2X通信方式相比，減少了成本的支出，節約了能源。
2)全雙工通信。5G行動終端設備使用全雙工通信方式，允許不同的終端之間、終端與5G基地台之間，在相同頻段的信道可同時發送並接收資訊，使空口頻譜效率提高一倍，從而提高了頻譜使用效率。
3)認知無線電。認知無線電技術，是5G通信網路重要的技術之一。在車聯網應用場景中，車載終端透過對無線通信環境的感知，獲得當前頻譜空洞資訊，快速接入空閒頻譜，與其他終端高效通信。
這種動態頻譜接入的應用，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，車載終端利用認知無線電技術，可以與其他授權用戶共享頻譜資源，從而解決無線頻譜資源短缺的問題。
這種動態頻譜接入的應用，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，車載終端利用認知無線電技術，可以與其他授權用戶共享頻譜資源，從而解決無線頻譜資源短缺的問題。
除了以上提到的頻譜和能源高效應用外，最近的相關研究表明，在不影響通信性能的情況下，5G基地台的大規模天線陣列的部署，有潛在的節約能源作用。其次，在車輛自組網中，5G車載單元即時發現鄰近的終端設備，且與之通信的能力也會減少OBU間通信的能源消耗。
3.3 更加優越的通信品質
5G通信網路被期望，擁有更高的網路容量，並且可為每個用戶提供每秒千兆級的數據速率，以滿足QoS的要求。有文獻提出頻段為30~300 GHz的毫米波通信系統，可為5G終端之間，以及終端與基地台之間，以更好的通信品質，進行資訊交互。其中，毫米波擁有極大的頻寬，可提供非常高的數據傳輸速率，並減少環境的各種干擾，降低終端之間連接中斷的機率。
表2是5G車聯網與基於IEEE 802.11p標準的車聯網，在VANET關鍵技術參數方面的比較。結果顯示，5G車聯網擁有比當前車聯網，更加優越的無線鏈路特徵。
表2 5G車聯網與當前車聯網在VANET關鍵技術參數的比較
1)通信距離。5G車聯網V2V通信的最大距離，大約為1000 m，從而可以解決IEEE 802.11p車輛自組網通信中短暫、不連續的連接問題，尤其是在通信過程中，遇到大型物體遮擋的NLOS環境下。
2)傳輸速率。5G車聯網為V2X通信，提供高速的下行，和上行鏈路數據速率，最大傳輸速率為1 Gbit/s。從而使車與車、車與行動終端之間實現高品質的音視訊通信。
3)高速行動性。與IEEE 802.11p標準通信相比，5G車聯網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。
四、5G車聯網面臨的挑戰
5G車聯網將先進的5G通信技術，應用在車聯網領域，改善了傳統車聯網的通信方式、通信品質，優化了車聯網的體系結構，為車聯網發展帶來了重大變革，本文作者認為：但5G車聯網也面臨著重大的挑戰，主要體現在干擾管理、通信安全和駕駛安全3個方面。
4.1 干擾管理
對於有限資源的高效利用，資源複用和密集化，被應用於5G蜂窩網路，儘管可以增加信號容量和吞吐量，並額外地提高宏蜂窩與局域網魯的資源共享，但這些優點出現的同時，卻產生了同信道干擾問題。因此，作為二元體系的5G行動通信網路，干擾管理是個重要問題。
基於D2D技術的基地台，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，基地台可以進行資源分配和鏈路管理，並實施集中化的管理方法，減輕干擾問題。但對於將來的5G車載單元之間的直接通信，在沒有基地台作為中繼或者管理鏈路的情況下，5G車聯網通信中的干擾不可避免。
表3分析了在5G行動通信網路，與基於D2D通信網路中的干擾管理方法及其特點。為了處理將來5G行動通信網中的干擾問題，有文獻提出了2種技術：先進的接收機技術和聯合調度技術。
其中，先進的接收機技術，不僅處理了位於社區邊緣的社區之問的干擾，而且在大規模多輸入多輸出狀況下，也解決了社區內的干擾。聯合調度技術被廣泛應用於蜂窩系統，和鏈路多變網路的干擾管理。
但在多點協作機制中，傳輸速率和多社區的傳輸方案，不能自行控制，在實現快速的網路分布和互聯互通時，利用聯合調度，實施先進的干擾管理方案，需要5G通信系統嚴格規定。
表3 5G通信干擾管理方法分析
針對5G終端之間，基於D2D通信網路中產生的干擾，有文獻提出了2種資源分配方法：一種是在D2D與其他終端設備之間分配正交資源，這是一種靜態分配方法；另一種是在D2D與其他終端設備之間，分配並行資源，這是一種動態分配方法，可以更高效地使用無線電資源，但它可能會帶來新的干擾問題。
針對車聯網中，基於D2D的V2X通信場景，產生的干擾問題，有文獻提出一種基於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，而且不會產生新的干擾問題。
當透過控制功率，來處理基於D2D的V2V通信場景中，產生的干擾問題時，為了不對車載行動通信網中OBU，或者其他蜂窩用戶通信產生嚴重干擾，基於D2D通信的OBU，需要檢測在每個信道上相應的功率值。
總之，在基於D2D的V2X通信場景中，要從各個角度充分考慮干擾管理問題，適當地選擇複用信道，並遵守以下原則：
1)處理由D2D通信鏈路產生的干擾，要確保蜂窩用戶能夠滿足自身SINR的需求；
2)確保由蜂窩用戶產生的干擾，對基於D2D的V2X通信鏈路，影響盡可能地小。
1)處理由D2D通信鏈路產生的干擾，要確保蜂窩用戶能夠滿足自身SINR的需求；
2)確保由蜂窩用戶產生的干擾，對基於D2D的V2X通信鏈路，影響盡可能地小。
4.2 安全通信和隱私保護
在車聯網發展的過程中，安全作為一項重要挑戰，一直備受關注。本文作者認為：在當前的車聯網通信中，存在嚴重的安全問題，例如，在VANET中可能存在惡意的車輛，這些惡意的車輛，發送虛假資訊欺騙其他車輛，造成車輛資訊和車主隱私資訊的洩露，另外，一些惡意的車輛還會偷竊多個身份，偽造交通場景，影響交通秩序、破壞網路正常運行，威脅用戶生命財產安全，因此安全認證和隱私保護，是車聯網發展的焦點問題。
為了支持數據流量的不斷增加，5G無線通信網路需要更高的容量和高效的安全機制。而在5G網路通信體系中，終端用戶和不同的接入點之間，需要更加頻繁的認證，以防止假冒終端和中間人的攻擊。
5G車聯網的用戶和車輛相關數據的傳輸，需要經過其他車載單元、行動終端以及基地台，因此，必須採取有效措施，保證通信的安全性和數據的完整性。
為瞭解決車聯網通信中，所面臨的安全問題，早期提出了一些安全認證方案，包括基於公鑰基礎設施的認證、基於身份簽名的認證、基於群簽名的認證、基於保密的訪問控制等。
近期，針對5G安全通信問題，有文獻提出將SDN技術，用於5G行動通信網路，其中，SDN的主要特點，是將網路控制面與數據面分離，促進5G網路智慧化和可編程性，實現高效的安全管理。
有文獻研究了用於控制ad hoc D2D網路，並在ad hoc環境下，基於群密鑰協商方法，管理群密鑰的ad hoc D2D協議。此外，為了在竊聽者存在的場景下，提高可靠的傳輸速率，有文獻研究了一種用於D2D無線通信中，設備自適應地選擇協作通信機制，和基於協作架構的最優功率，分配的分布式算法。
有文獻研究了用於控制ad hoc D2D網路，並在ad hoc環境下，基於群密鑰協商方法，管理群密鑰的ad hoc D2D協議。此外，為了在竊聽者存在的場景下，提高可靠的傳輸速率，有文獻研究了一種用於D2D無線通信中，設備自適應地選擇協作通信機制，和基於協作架構的最優功率，分配的分布式算法。
在5G車聯網複雜的通信過程中，必須實施多方安全認證。如圖4所示，5G車聯網實施的多方安全認證，主要包括車內無線局域網中，用戶行動終端與5G車載單元OBU的強安全認證，車際網中車與車之間、車與行人之間、車與中繼(5G行動終端或者車載單元)之間，以及車與5G基地台之間的安全認證。
圖4 5G車聯網多方安全認證
在保證通信安全過程中，駕駛人員更關心的是隱私的安全性，這關係到車聯網能否被市民接受並廣泛使用。
在通信過程中，車輛無線信號在開放的空間中傳輸，容易被竊取，並暴露車輛和用戶的身份，若車內數據總線網路遭入侵，可能造成不可預估的災難，如何保障用戶和車輛的隱私安全，成為近年來的研究熱點。
除了使用近期提到的匿名算法，如採用動態匿名方案，OBU在一定時間間隔，或當車輛進入不同區域後，都要更換匿名，排除通過對匿名收集、分析而捕獲車輛真實身份的攻擊。考慮到5G車聯網多種異構網路的存在，將會出現新型的安全通信與隱私保護協議。
有文獻研究了在5G終端通信中利用SDN技術，根據數據流的敏感度級別，為數據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，並重組來自多個網路傳輸路徑的數據流，從而避免隱私在無線接入點洩露。
在通信過程中，車輛無線信號在開放的空間中傳輸，容易被竊取，並暴露車輛和用戶的身份，若車內數據總線網路遭入侵，可能造成不可預估的災難，如何保障用戶和車輛的隱私安全，成為近年來的研究熱點。
除了使用近期提到的匿名算法，如採用動態匿名方案，OBU在一定時間間隔，或當車輛進入不同區域後，都要更換匿名，排除通過對匿名收集、分析而捕獲車輛真實身份的攻擊。考慮到5G車聯網多種異構網路的存在，將會出現新型的安全通信與隱私保護協議。
有文獻研究了在5G終端通信中利用SDN技術，根據數據流的敏感度級別，為數據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，並重組來自多個網路傳輸路徑的數據流，從而避免隱私在無線接入點洩露。
隨著電腦的計算能力不斷突破，尤其是量子技術的逐漸成熟，傳統基於計算能力的高層加密技術變得不牢靠。基於香農資訊論的物理層安全技術，對計算複雜度依賴性低，竊聽者即使擁有較強的計算能力，也不會對系統的安全性能，產生巨大的影響。隨著實體層安全研究的不斷深入，較強的抵制竊聽能力，使其成為高層加密安全的一種有效補充，進一步增強通信系統的安全性。
其中，實體層安全技術在車聯網安全通信系統中，同樣發揮著重要的作用。車聯網通信中多個竊聽者的存在，以及車輛節點在通信網路中快速地連通與中斷，使安全密鑰分發與管理，成為亟待解決的問題。
針對該問題，本文認為可以採用一種基於實體層安全的密鑰分發方法，將密鑰分發和傳輸安全車載數據分離。在密鑰分發階段，採用相應的實體層安全方案，來最大程度確保密鑰分發信道的安全性。當密鑰分發完成後，利用分配的密鑰對車載數據，進行加密後傳輸，該方案可以保證密鑰分發過程的安全性。
針對該問題，本文認為可以採用一種基於實體層安全的密鑰分發方法，將密鑰分發和傳輸安全車載數據分離。在密鑰分發階段，採用相應的實體層安全方案，來最大程度確保密鑰分發信道的安全性。當密鑰分發完成後，利用分配的密鑰對車載數據，進行加密後傳輸，該方案可以保證密鑰分發過程的安全性。
在5G車聯網通信系統中，實體層安全透過融合5G先進技術，保證數據的機密性和可靠性，其中異構網路、大規模多輸入多輸出、毫米波通信技術在實體層安全有巨大的應用前景。
1)5G車聯網中，車輛作為異構網路中設備層的節點，可透過D2D通信鏈路，與其他設備直接通信，或透過中繼節點實施多跳通信。在異構網路設備層通信模式下，鄰近的車輛以及其他終端節點，都可能是潛在的竊聽者，為保證通信數據的安全性，一方面要充分考慮非目的車輛，和設備節點的相關實體層特性，另一方面需要確立D2D通信，最優的中繼選擇方案，充分考慮可靠的安全通信機制。
其中，可以使用基於可信設備列表的封閉式接入方法，來保證車輛和設備節點數據，在交換過程中的安全性，但由於高速運行的車輛節點，需要在有效的通信範圍內，快速建立連接，並進行大文件傳輸，還要充分考慮通信時延和中斷概率。此外，在異構網路中，基地台作為車聯網重要的路邊基礎設施，其適當的部署密度可優化保密速率。
其中，可以使用基於可信設備列表的封閉式接入方法，來保證車輛和設備節點數據，在交換過程中的安全性，但由於高速運行的車輛節點，需要在有效的通信範圍內，快速建立連接，並進行大文件傳輸，還要充分考慮通信時延和中斷概率。此外，在異構網路中，基地台作為車聯網重要的路邊基礎設施，其適當的部署密度可優化保密速率。
2)大規模MIMO系統，可透過以下兩方面保證車聯網實體層安全性能：一方面透過降低傳輸功率，進一步降低竊聽車輛和設備節點的SINR，從而減少竊聽節點的信道容量；另一方面，根據車輛節點實體層特性，適當地增加人工噪音，干擾竊聽節點的信號接收，從而提高實體層安全性能。
3)毫米波通信技術應用於車聯網短距離通信場景，可給予車聯網較大的頻寬，由於毫米波的短距離傳輸，利用窄波速的定向通信，抑制相鄰車輛和設備節點的干擾，鄰近竊聽節點的SINR可能會降低。
正是由於多異構網路融合，以及靈活的終端通信，使5G車聯網在安全通信方面的保障，不同於當前車聯網。
5G車聯網不僅透過技術的創新，解決OBU多功能實施，帶來的安全隱憂，並且在出現網路異常或者入侵時，利用網路隔離原理，即時地在車載行動互聯網與VANET之問切換，從而切斷OBU的互聯網連接，阻止網路的入侵，並透過VANET中鄰近的OBU，或者5G行動終端等其他管道接入互聯網，維持與互聯網的通信。透過這種車輛自組網，和車載行動互聯網，無縫的切換，實現了OBU與互聯網安全通信和資訊交互。
5G車聯網不僅透過技術的創新，解決OBU多功能實施，帶來的安全隱憂，並且在出現網路異常或者入侵時，利用網路隔離原理，即時地在車載行動互聯網與VANET之問切換，從而切斷OBU的互聯網連接，阻止網路的入侵，並透過VANET中鄰近的OBU，或者5G行動終端等其他管道接入互聯網，維持與互聯網的通信。透過這種車輛自組網，和車載行動互聯網，無縫的切換，實現了OBU與互聯網安全通信和資訊交互。
4.3 安全駕駛
車聯網重要應用之一就是交通安全，而駕駛行為分析和預測，是安全保障的基礎，如何對運動軌跡預測，並建模是提高交通安全的關鍵問題。
雖然車聯網中網路拓撲頻繁變化，數據海量遞增，但車輛運動受道路拓撲、交通規則和駕駛者意圖的限制，為行為預測提供了可能性。
有文獻研究了VANET中存在的社會特性，發現VAN ET是擁有小型世界現象和高聚集效應的網路，處於同一個社會網路中的任意節點，可以透過不超過3跳的最短路徑，達到另一節點。而5G會推動車聯網規模的發展，加劇了車聯網的這種社會效應。
雖然車聯網中網路拓撲頻繁變化，數據海量遞增，但車輛運動受道路拓撲、交通規則和駕駛者意圖的限制，為行為預測提供了可能性。
有文獻研究了VANET中存在的社會特性，發現VAN ET是擁有小型世界現象和高聚集效應的網路，處於同一個社會網路中的任意節點，可以透過不超過3跳的最短路徑，達到另一節點。而5G會推動車聯網規模的發展，加劇了車聯網的這種社會效應。
車聯社會網路VSN中節點的活動規律，能夠在車聯網行為預測中發揮作用。反之，車聯網中的行動模型、社會應用、感知計算模型和用戶行為預測模型，也為VSN提供支持和反饋。
透過對大規模OBU數據的挖掘和分析，提取有應用價值的社群交互特徵資訊，VSN能夠對一些交通問題，和車輛安全問題，提供有力的支持，如預計道路車流量、預測交通堵塞地段、主動安全等。
透過對大規模OBU數據的挖掘和分析，提取有應用價值的社群交互特徵資訊，VSN能夠對一些交通問題，和車輛安全問題，提供有力的支持，如預計道路車流量、預測交通堵塞地段、主動安全等。
在對駕駛行為的建模和預測中，數據來源和數據挖掘是首要問題，也是安全系統應用的瓶頸。目前，車輛行駛軌跡數據獲取的主要來源，是基於歷史數據的預測，而歷史數據必須準確且具有時效性。
但現有VANET環境下的方法，無法滿足獲取運動軌跡的精度要求(包括位置精度和時間精度)，5G車聯網中採用D2D通信方式，可為每個用戶提供每秒千兆級的數據速率，以滿足QoS的要求，空口時延在1 ms左右、端到端時延限制在毫秒級的實現，極大程度上保證了時間精度，同時，基於5G基地台的精確定位，將位置精度控制在允許範圍內，解決了預測模型中的數據來源問題。
目前，針對車聯網數據挖掘，並沒有太多的算法和技術提出，車聯網數據處理的關鍵，是在對海量數據(TB級)進行挖掘時，要保證當前數據流(平均數萬條/秒)的高速可靠寫入，如何快速對讀取的數據，進行分析、建模、預測，是未來研究的重要方向。
但現有VANET環境下的方法，無法滿足獲取運動軌跡的精度要求(包括位置精度和時間精度)，5G車聯網中採用D2D通信方式，可為每個用戶提供每秒千兆級的數據速率，以滿足QoS的要求，空口時延在1 ms左右、端到端時延限制在毫秒級的實現，極大程度上保證了時間精度，同時，基於5G基地台的精確定位，將位置精度控制在允許範圍內，解決了預測模型中的數據來源問題。
目前，針對車聯網數據挖掘，並沒有太多的算法和技術提出，車聯網數據處理的關鍵，是在對海量數據(TB級)進行挖掘時，要保證當前數據流(平均數萬條/秒)的高速可靠寫入，如何快速對讀取的數據，進行分析、建模、預測，是未來研究的重要方向。
五、5G車聯網發展趨勢與應用
將來，在5G通信網路大量部署的時代，5G車聯網所構建的可多網接入與融合、多管道互聯網接入的體系結構，基於D2D技術實現的新型V2X的通信方式，以及低時延與高可靠性、頻譜與能源高效利用、優越的通信品質等特點，為車聯網的發展帶來歷史性的機會。
5G車聯網因為不需要單獨部署路邊基礎設施、可以和行動通信功能共享計費等，會得到快速發展，應用於高速公路、城市街區等多種環境。
5G車聯網不僅局限於車與車、車與交通基礎設施等資訊交互，還可應用於商業領域，以及自然災害等場景。
5G車聯網因為不需要單獨部署路邊基礎設施、可以和行動通信功能共享計費等，會得到快速發展，應用於高速公路、城市街區等多種環境。
5G車聯網不僅局限於車與車、車與交通基礎設施等資訊交互，還可應用於商業領域，以及自然災害等場景。
在商業領域，商店、快餐廳、飯店、加油站、4S店等場所將會部署5G通信終端，當車輛接近這些場所的有效通信範圍時，可以根據車主的需求，快速地與這些商業機構建立ad hoc網路，實現終端之間高效快捷的通信，從而可以快速訂餐、訂房、選擇性地接收優惠資訊等，且在通信過程中，不需要連接互聯網。
這將取代目前商業機構中，工作在不授權頻段、通信不安全、通信品質無法保障、干擾無法控制的藍牙或者Wi-Fi通信方式，也將帶動一個新的大型商業營運模式的產生與發展。
這將取代目前商業機構中，工作在不授權頻段、通信不安全、通信品質無法保障、干擾無法控制的藍牙或者Wi-Fi通信方式，也將帶動一個新的大型商業營運模式的產生與發展。
毫無疑問，隨著車輛的大量普及，車輛已經成為人在家、辦公室之外最重要的活動場合。然而，在地震、泥石流等自然災害發生地區，當通信基礎設施被破壞、無法為車載單元提供通信服務時，有相當數量的人，可能是正在車輛上或正準備駕乘車輛離開，5G車載單元可以在沒有基礎設施協助的情況下，透過基於單跳或多跳的D2D方式，與其他5G車載單元通信。
另外，5G車載終端也可以作為通信中繼，協助周邊的5G行動終端進行資訊交互。
另外，5G車載終端也可以作為通信中繼，協助周邊的5G行動終端進行資訊交互。
六、結語
車聯網正在改變人類交通和通信方式，促使車輛向網路化、智慧化發展。本文分析了當前車聯網面臨的問題，將5G通信技術應用於車聯網場景，提出了新型5G車聯網體系結構。
系統介紹了5G車聯網獨有的特點，並客觀分析了5G車聯網中仍需解決的問題，力圖展示5G車聯網的未來趨勢，為車聯網研究提供方向。
相信5G車聯網的研究可以促進社會的巨大演進，使人類社會更加方便、安全、快捷、高效。
系統介紹了5G車聯網獨有的特點，並客觀分析了5G車聯網中仍需解決的問題，力圖展示5G車聯網的未來趨勢，為車聯網研究提供方向。
相信5G車聯網的研究可以促進社會的巨大演進，使人類社會更加方便、安全、快捷、高效。
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