5G车联网架构：挑战与解决方案

# 5G 车联网架构：挑战与解决方案 ## 1. 现有车联网架构性能分析 ### 1.1 蜂窝网络（LTE）性能 LTE 网络设计目标是用户平面延迟 20ms，但不包括回程网络引入的约 10ms 延迟。实际端到端延迟比目标规格大很多。在车辆环境中，LTE 能在有限场景（如低负载、车辆数量少）下满足合作和主动安全应用的延迟要求，但能为信息娱乐应用提供更好服务，因其具备更好的移动性支持和更高可用带宽。 - 随着网络规模和传输频率增加，端到端延迟增加，高网络负载下总延迟逐渐增大。 - 上行链路延迟基本不变，但下行链路延迟随车辆数量和传输频率增加显著增大。 - 使用 eMBMS 广播消息可潜在减少延迟并增加每个小区支持的节点数量，但 LTE 无法保证实时控制应用的超低延迟要求。 ### 1.2 混合网络架构 将 DSRC 与蜂窝网络松散或紧密耦合的混合解决方案，能减轻一些负担并扩展 LTE 和 DSRC 的使用场景范围，但仍有局限性： - 一些机制可辅助 DSRC 系统路由，通过蜂窝网络传播数据，但无法满足延迟要求。 - 蜂窝系统与自组织网络结合可促进高效聚类机制，减少有效网络规模和潜在降低每个集群内的延迟，但车辆网络的高动态性需要高效且低开销的机制。 - 紧密耦合的混合网络架构可将流量从蜂窝网络卸载到 DSRC，但存在卸载策略和 DSRC 基础设施部署实用性等挑战。 ### 1.3 信息中心网络（ICN） 网络研究中出现将内容的定位器和标识符（如 IP 地址）与实际内容解耦的趋势，ICN 就是这种网络架构，其典型实现包括 Named - Data Networking（NDN）、Data Oriented Network Architecture（DONA）和 Content Centric Networking（CCNx）。ICN 基于发布 - 订阅范式，中间节点/路由器可缓存信息并为未来消费者服务，适合车联网，因其内容具有地理和时间依赖性，且目标是大量车辆而不依赖 IP 地址，还支持内容缓存，有利于间歇性的 DSRC 网络。 ### 1.4 车联网云架构 汽车公司通过蜂窝系统推广云连接服务，如福特 Sync 和苹果 CarPlay。未来，远程诊断和操作系统升级、模型预测控制（MPC）技术等都可作为云服务提供。车联网云架构中，云服务可通过蜂窝接入网络或 DSRC 网络访问，但当前云服务集中化，服务器空间分布少，会引入显著延迟。 ## 2. 5G 车联网面临的挑战 ### 2.1 拥塞问题 DSRC 和 LTE 系统都受拥塞影响，有效网络规模和流量负载对延迟性能有重要影响。为避免拥塞，提出了多种解决方案： - 聚类算法：将大量用户分组，减少竞争，整合信息，复用不同集群的无线电资源。 - 智能分配多非重叠信道：如多信道 MAC 设计，减少竞争水平。 - 设备到设备（D2D）通信：鼓励本地点对点通信，减少系统中的竞争水平，避免传统蜂窝网络中的信令冗余。 - DSRC 系统的分散拥塞控制（DCC）机制：包括发射功率控制、DCC 灵敏度控制、发射数据速率控制、发射访问控制和类似 TCP 的拥塞控制等。未来车联网可能需要结合高效的 MAC 方案来减少拥塞导致的延迟。 ### 2.2 移动性管理 车辆网络节点不断移动，需要网络移动性支持。DSRC 网络因移动性和稀疏的 RSU 部署导致间歇性连接和切换延迟增加，未来 5G 网络中，小小区的密集化会增加切换概率。为优化切换过程，提出了以下解决方案： - 基于网络移动性（NEMO）和移动 IP（MIPv6）的预测技术：提前进行注册以减少切换时间，但 MIPv6 的集中式架构对高动态车辆网络效率不高，分布式移动性管理方法更合适。 - 位置身份分离协议（LISP）：支持移动性、路由优化、多归属双栈和网络移动性，与 ICN 的定位器/标识符分离原则兼容。 - 流控制传输协议（SCTP）的多归属支持和媒体独立切换（IEEE 802.21 标准）：用于高效切换。 ### 2.3 回程网络 云服务的位置会显著影响服务性能，当前云服务集中在专有数据中心，远程主机与终端用户（车辆）的距离是延迟的主要来源。雾计算可将远程主机靠近终端用户，通过在扁平网络提供商核心和车辆中空间分布服务组件和缓存内容，减少回程延迟。 ### 2.4 空中接口 在无拥塞网络中，1ms 的端到端延迟是可行的，其中空中接口需要 0.2ms。当前 IEEE 802.11p 标准的低优先级接入类别无法满足此延迟限制，LTE 系统的帧结构也不能支持 0.2ms 的限制。为支持此延迟，需要重新设计 DSRC 网络的退避过程和相关机制，潜在解决方案包括 TDMA 和 CSMA 接入的混合，以及一些专门为可靠车辆通信设计的空中接口解决方案，如 METIS 2020 项目中的编码时隙 Aloha（CSA）MAC 技术。 ### 2.5 安全问题