G在车联网中的应用

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1、1引言 近年来，因汽车数量持续增长而引起的交通安全、出行效率、环境保护等问题日 益突出，车联网相关领域的研究和发展受到了广泛关注。车联网是以车内网、车 际网和车载移动互联网为基础，融合了传感器、RFID (radio frequency ide nt ifica ti on)、数据挖掘、自动控制等相关技术，按照约定的通信协议和标 准，在车X (X：车、路、行人、互联网)交互过程中，实现车辆与公众网络的动 态移动通信，是物联网技术在交通系统领域的典型应用。在车联网中，车辆作为 移动通信设备和用户的载体，以拓扑节点的形式组织移动网络拓扑。由于车辆自 身的移动性，车载通信具有移动区域受限、网络拓扑变

2、化快、网络频繁接入和中 断、节点覆盖范围大、通信环境复杂等特点1。根据车联网的上述特征，当 前车联网的实施存在以下多方面挑战和困难。1) 在体系结构方面，由于移动互联网通信技术的快速发展，为满足用户的多功 能体验，车联网的体系结构变得复杂。在车载移动互联网中，路侧单(RSU，road side uni t)作为车辆自组网(VANET，vehicular ad hoc net work )无线接入 点，将车辆以及道路等信息上传至互联网并发布相关交通信息，这种车与基础设 施(V2I，vehicle to infrastrueture)的协作通信模型需要大量的RSU支撑， 增加了建设的成本和能源消耗

3、2。2) 在通信方面，车联网中存在多种类型的通信网络，这些网络使用不同的标准 和协议，数据处理和网络的融合不完善，影响车联网系统运行效率。虽然IEEE 802.11p 标准的车辆自组网通信在高速运行环境下传输距离远、分组丢失率低、 可靠性高，但在极其复杂的非视距(NLOS，non-line of sight)环境下通信质 量会受到不同程度的干扰2。另外，由于车辆的高速移动，需要 快速可靠的网络接入与信息交互，时延受限成为当前车联网面临的重要问题。3) 在安全方面，车联网中的用户信息都将连接 在该网络上，随时随地被感知，很容易被干扰和窃取，严重影响了车联网体系的 安全。当前车联网在每一层都存在不

4、同程度的威胁：在感知层，车辆单元(OBU， on-board unit)和路侧单元RSU节点的物理安全、感知信息的无线传输；在网 络层，数据破坏、数据泄露、虚假信息等安全与隐私问题3；在应用层，也 存在身份假冒、越权操作等由于技术方面的不足或因管理不当而带来的隐形危害。 近年来，车联网在体系结构、通信以及安全方面存在的问题成为当前学术界和工 业界的研究热点，而随着第5代移动通信(5G)的快速发展，5G移动通信网络 将融合大规模天线阵列、超密集组网、终端直通、认知无线电CR，cogni tive radio)等先进技术4,以更加灵活的体系结构解决多样化应用场景中差异化 性能指标带来的挑战。其中，

5、5G通信技术在低时延、高移动性车联网场景的应 用，解决了当前车联网面临的多方面问题和挑战，使OBU在高速移动下获得更好 的性能。而且，5G通信技术让车联网不用单独建设基站和服务基础设施，而是 随着5G通信技术的应用普及而普及，为车联网的发展带来历史性的机遇。2 5G车联网的体系结构未来5G通信技术在车联网场景的应用使车联网拥有更加灵活的体系结构和新型 的系统元素(5G车载单元OBU、5G基站、5G移动终端、5G云服务器等)。除 了在车内网、车际网、车载移动互联网实现V2X (X：车、路、行人及互联网等) 信息交互以外，5G车联网还将实现OBU、基站、移动终端、云服务器的互联互通， 分别给予它们

6、特殊的功能和通信方式。5G车联网体系结构的特点主要体现在OBU 多网接入与融合、OBU多渠道互联网接入、多身份5G基站。2.1 OBU 多网接入与融合目前，在车联网中，多种网络共存，包括基于IEEE 802.11a/b/g/n/p标准协议 的WLAN、2G/3G蜂窝通信、LTE以及卫星通信等网络，这些网络在车联网通信中 使用不同的标准和协议，数据处理和信息交互不完善。而5G车联网将融合多种 网络，实现无缝的信息交互和通信切换。5G移动通信网络是一个包括宏蜂窝层 和设备层的双层网络5，其中，宏蜂窝层与传统蜂窝网络相似，涉及基站和 终端设备之间的直接通信。在设备层通信中，设备到设备（D2D,ded

7、evice-to-device）通信是5G移动通信技术的重要组成部分，是一种 终端与终端之间不借助任何网络基础设施直接进行信息交互的通信方式6。根据基站对资源分配和对起始、目的、中继终端节点的控制情况，D2D终端通信 方式可分成4 类5。1）基站控制链路的终端转发。终端设备可以在信号覆盖较差的环境下，通过邻 近终端设备的信息转发与基站通信，其中，通信的链路建立由基站和中继设备控 制，在这种通信方式下，终端设备可实现较高的服务质量（QoS，quality of service）。2）基站控制链路的终端直接通信。终端之间的信息交互与通信没有基站的协助， 但需要基站控制链路的建立。3）终端控制链路的

8、终端转发。基站不参与通信链路的建立和信息交互，源终端4）终端控制链路的终端直接通信。终端之间的通信没有基站和终端设备的协助， 可自行控制链路的建立，这种方式有利于减轻设备之间的干扰。图1展示了5G移 动通信网的D2D通信方式在车联网的应用。未来5G车联网D2D通信技术将为车 联网提供新的通信模式。其中，在车载移动互联网，OBU可直接通过5G基站或 中继（包括邻近的OBU、用户移动终端）快速接入互联网，实现车与云服务器的 信息交互；在车内网，为充分实现用户与车辆的人机交互，以）BU为媒介，与用 户5G移动终端之间在没有基站或其他终端设备协助情况下，通过自行控制链路, 进行短距离的车辆数据传输；在

9、基于D2D的通信网络中，5G车载单元可在网络 通信边缘或信号拥塞地带基于单跳或多跳的D2D建立ad hoc网络，实施车辆自 组网通信5。通过以上对5G车联网通信方式的分析，如图2所示，5G车联 网将改变基于IEEE 802.11p标准的车联网通信方式，实施多实体之间（OBU之间Internet李际网行人以及OBU与车主移动终端、行人、5G基站、互联网之间）的信息交互，实现）BU 的多网接入2以及车内网、车际网、车载移动互联网的“三网融合”。图2 5G车联网“三网融合”结构牟载移动吒联网基站车內网用户移动终端/2.2多身份5G基站传统的基站作为终端通信的中继，在数据转发和链路控制等方面起着重要作

10、用； 而5G基站的大量部署，将实现超密集网络，从而给予用户精确定位、协助终端 通信等功能。在基于5G毫米波的通信网络中，D2D技术涉及终端与基站（D2B）、 基站与基站（B2B）之间的直接通信7。其中，D2B与B2B以自组织方式通信 将是一个重要的突破，这决定了5G基站将以不同的角色发挥至关重要的作用。 在车联网的应用场景，5G基站将拥有以下功能。1）协作中继。5G基站具备传统基站的中继转发功能，作为无线接入点，协助 车与互联网通信。2）担当RSU。在高速运行的环境下，车辆自组网通信中的5G基站将取代RSU, 与OBU实时通信，通过广播的方式向车辆自组网中的车辆发布交通信息，并协助 车与车通信

11、以及多个车辆自组网通信。这不仅节约了车联网体系的构建成本，而 且解决了V2I协作通信系统8融合面临的多方面问题9。3）精确定位。GPS作为当前OBU的定位系统是非常脆弱的，容易受到欺骗、阻 塞等多种类型的攻击。并且，GPS的信号容易受到天气影响，导致无法实施精确 定位2。未来5G基站的大量部署使用更高的频率和信号带宽，实施密集网络 以及大规模的天线阵列，使OBU在NLOS复杂环境下减少定位误差。其次，D2D通 信充分利用高密度的终端设备连接的优势，从以下两方面提高定位性能10。 一方面，大量的D2D链路可以为确定车辆之间的伪距提供信号观测，如式（3） 和式（5）所示，D2D通信不仅使OBU可以

12、接收来自邻近车辆和移动终端的信息， 其同步和信道估计单元等信号处理的实体还可被复用于信号传输的延时估计。在 车联网中，D2D通信模式提供了一个网状网络，N个OBU构成的最大链路数为N（N-1）。另一方面，OBU的D2D通信链路为定位直接交换所需数据，可进一步加快局部决策，改进位置估计过程的收敛时间。5GS 站 1（妙S3I 也缈5G基站2I移型终端/ kj门） 弋D唱1基站3图3讯；车联网协作定位系统图3为基于D2D的协作定位系统，车载终端OBU1从基站2接收的信号为 、一 f 1$2F1 （0 =听2町禺 其中,车载终端OBUL与基站2之间的距离Zg门为rB2nFl 二j（x门-也;y+厲1

13、 -岭/吐工門是用来描述大尺度衰落特性的标量因子， 勺2为传输的基带信号，巾描述信号传输的延迟， 升1是车载终端OBU1的时基与该协同网络的时 间偏移，血丘旳为加性高斯白噪声。车载终端 0BU1与基站2之间的伪距为虽 W =CCF1 +占-兀了珂禺-环y当从车载终端OBU1发送基带信号Sn(t + Tn)时，在OBU2可接收到的信号为如皿是车载终端OBU1与车载终端0BU2之 间的距离，即时2 = 门石 J +(斤；爲J , 则基于D2D的V2V链路中车载终端OBU1与0BU2之问的伪距为“=皿-賂)+其中“2是车载终端OBU2的时基与该协同网络的时间偏移.2.3多渠道互联网接入 在将来5G移

14、动网络通信中，文献5指出5G终端通过自行控制通信链路建立， 定期广播身份信息，其他邻近的终端及时发现并评估多个信道状态信息(CSI, channel state information)，自适应地选择当前最优的信道11 ，决定建立一个5G终端之间的直接通信或选择合适的中继转发消息，这种通信 方式使5G终端以最优的方式实现信息交互，同时也提高频谱和能源的利用率。根据5G终端高效、多样化的通信方式，OBU可通过多种渠道接入互联网。如 图4所示，OBU除了可按照当前车联网的V2I协作通信方式外，还可通过邻近的 5G基站、5G车载单元OBU和5G移动终端等多种渠道自适应地选择信道质量较好 的方式接入互

15、联网。中继亍。移动终端服务器基站2载価网一车俩r【组刚通信 直联网接入国4 5G车联OBU道互联网接入结构3 5G车联网特征5G移动通信融合CR、毫米波、大规模天线阵列、超密集组网、全双工通信(FD, wirelessfull-duplex)等关键技术4,显著提高了通信系统的性能。在车联 网应用场景中，相比IEEE 802.11p标准的通信，5G车联网的特点主要体现在低 时延与高可靠性、频谱和能源高效利用、更加优越的通信质量。3.1低时延与高可靠性 作为车联网信息的发送端、接收端和中继节点，消息传递过程必须保证私密性、 安全性和高数据传输率，通信具有严格的时延限制12。目前，研究的车联网 通信

16、数据的密集使用以及频繁交换，对实时性要求非常高，然而，受无线通信技 术的限制(如带宽、速度和域名等)，通信时延达不到毫秒级，不能支持安全互 联需求。5G高/超高密集度组网、低的设备能量消耗大幅地减小信令开销，解决了带 宽和时延相关问题，且5G的时延达到了毫秒级，满足了低延时和高可靠性需求， 成为车联网发展的最大突破口。在5G车联网通信中，为更好地研究与应用低时 延和高可靠性的链路特征，文献13分析了适应于以300 km/h速度移动车辆 通信的5G自适应天线，提高了OBU与基站的通信质量，降低了在信道估计与数 据传输之间产生的时延。文献14 提出利用网络功能虚拟化(NFV，net work fu

17、nc tion vir tu aliza tion)和软件定义网络(SDN， soft ware defined net work) 技术提高5G网络体系结构的灵活性，并提出实现低时延服务的解决方案，主要 包括服务预约和配置、减少IP地址解析的时延、连续服务时延的优化。其中， 5G网络服务的优化不仅要支持当前的应用服务，而且要适应高速增长的信息量 并满足将来多样性的服务需求15，尤其是对于时延高度敏感的通信，如车联网V2X通信场景，严格要求低时延和高可靠性，是5G网络体系结构应用的显著 特点。根据表1设置的主要参数实施基于D2D模式的V2V通信时延仿真，得到了如图5 所示的结果。随着车辆数目的

18、增加，端到端的通信时延基本保持平稳状态，而5G 车联网基于D2D技术将实现车与车、车与基站以及5G移动终端通信，其空口时 延在1ms左右，端到端时延控制在毫秒级14，延时性能比IEEE 802.11p标 准的通信方式优越，有效地保障了通信的可靠性2。表1基干D2D模式的V2V通信时延仿真参数秦数数價车辆运廿速度5 5 km/h噪声系数4dB系统帶宽5 MHz载波频率2.6 GHz噪声功率密度-180 dBmHz基站传输功率4S dBmOBU传输功率4 dBmV2V通信牢距120 mAE二K闵型讀秀盥隸-tt圖$基于D2D模式的习通信吋延分析3.2频谱和能源高效利用频谱和能源的高效利用是5G用户

19、体验的一个重要的特征。5G通信技术在车联网 的应用，将解决当前车联网资源受限等问题。5G车联网的频谱 和能源高效利用主要体现在以下几个方面。1）D2D通信。在5G通信中，D2D通信方式通过复用蜂窝资源实现终端直接通 信。5G车载单元将基于D2D技术实现与邻近的车载单元、5G基站、5G移动终 端的车联网自组网通信和多渠道互联网接入。通过这种方式提高车联网通信的频 谱利用率16，与基于IEEE 802.11p标准的车联网V2X通信方式相比，减少 了成本的支出，节约了能源。2）全双工通信。5G移动终端设备使用全双工通信方式，允许不同的终端之间、 终端与5G基站之间在相同频段的信道可同时发送并接收信息

20、，使空口频谱效率 提高一倍，从而提高了频谱使用效率17。3）认知无线电。认知无线电技术是5G通信网络重要的技术之一 18。在车 联网应用场景中，车载终端通过对无线通信环境的感知，获得当前频谱空洞信息， 快速接入空闲频谱，与其他终端高效通信。这种动态频谱接入的应用满足了更多 车载用户的频谱需求，提高频谱资源的利用率。其次，车载终端利用认知无线电 技术可以与其他授权用户共享频谱资源，从而解决无线频谱资源短缺的问题。除了以上提到的频谱和能源高效应用外，最近的相关研究表明，在不影响通 信性能的情况下，5G基站的大规模天线阵列的部署有潜在的节约能源作用1921。其次，在车辆自组网中，5G车载单元及时发现

21、邻近的终端设备， 且与之通信的能力也会减少OBU间通信的能源消耗。3.3更加优越的通信质量5G通信网络被期望拥有更高的网络容量并且可为每个用户提供每秒千兆级 的数据速率，以满足QoS的要求。文献7提出频段为30300 GHz的毫米波通 信系统可为5G终端之间以及终端与基站之间以更好的通信质量进行信息交互。其 中，毫米波拥有极大的带宽，可提供非常高的数据传输速率，并减少环境的各种 干扰，降低终端之间连接中断的概率。表2是5G车联网与基于IEEE 802.11p标 准的车联网在VANET关键技术参数方面的比较2，结果表明，5G车联网拥有 比当前车联网更加优越的无线链路特征。1）通信距离o 5G车联

22、网V2V通信的最大距离大约为1 000 m,从而可以解决IEEE 802.11p车辆自组网通信中短暂、不连续的连接问题，尤其是在通信过程中遇到 大型物体遮挡的NLOS环境下。2）传输速率。5G车联网为V2X通信提供高速的下行和上行链路数据速率（最 大传输速率为1Gbit/s）。从而使车与车、车与移动终端之间实现高质量的音视 频通信。3）高速移动性。与IEEE 802.11p标准通信相比，5G车联网支持速度更快的车 辆通信，其中，支持车辆最大的行驶速度约为350 km/h。4挑战5G车联网将先进的5G通信技术应用在车联网领域，改善了传统车联网的通 信方式、通信质量，优化了车联网的体系结构，为车联

23、网发展带来了重大变革， 但5G车联网也面临着重大的挑战，主要体现在干扰管理、通信安全和驾驶安全3 个方面5。无我確路特迂、肚NET通倍类31当“丰瑕网5G竿毎歴通信方式IEEE E412 lip EEE 1609 453.(11准于的终皓宜播追伯最大特册距雷8 CXI m1000 m币 Q km 11顼 fcun.il据谣廈21 Mbits1 GbiM5.86-5J2 GHzX祝鋼s时足大于10 IDSM 1 ms4.1 干扰管理对于有限资源的高效利用，资源复用和密集化被应用于5G蜂窝网络，尽管 可以增加信号容量和吞吐量并额外地提高宏蜂窝与局域网络的资源共享，但这些 优点出现的同时却产生了同信

24、道干扰问题。因此，作为二元体系5 的5G移动 通信网络，干扰管理是个重要问题。基于D2D技术的基站控制通信链路的终端直接通信以及终端作为中继的通 信方式，基站可以进行资源分配和链路管理，并实施集中化的管理方法减轻干扰 问题22。但对于将来的5G车载单元之间的直接通信，在没有基站作为中继 或者管理链路的情况下，5G车联网通信中的干扰不可避免23。表3分析了在5G移动通信网络与基于D2D通信网络中的干扰管理方法及其 特点。为了处理将来5G移动通信网中的干扰问题，文献24提出了2种技术： 先进的接收机技术和联合调度技术。其中，先进的接收机技术不仅处理了位于小 区边缘的小区之间的干扰，而且在大规模多输

25、入多输出(MIMO, multiple-input mul tiple-ou tpu t)状况下，也解决了小区内的干扰。联合调度技术被广泛应用 于蜂窝系统和链路多变网络的干扰管理。但在多点协作机制中，传输速率和多小 区的传输方案不能自行控制，在实现快速的网络分布和互联互通时，利用联合调 度实施先进的干扰管理方案需要5G通信系统严格规定。针对5G终端之间基于D2D通信网络中产生的干扰，文献25提出了2种资源 分配方法：一种是在D2D与其他终端设备之间分配正交资源，这是一种静态分配 方法；另一种是在D2D与其他终端设备之间分配并行资源，这是一种动态分配方 法，可以更高效地使用无线电资源，但它可能会

26、带来新的干扰问题。针对车联网 中基于D2D的V2X通信场景中产生的干扰问题，文献2提出一种基于CR的资 源配置方案，这种方法有效使用空白频谱，不仅提高频谱和能源的利用效率，而 且不会产生新的干扰问题。当通过控制功率来处理基于D2D的V2V通信场景中产 生的干扰问题时，为了不对车载移动通信网中OBU或者其他 蜂窝用户通信产生严重干扰，基于D2D通信的OBU需要检测在每个信道上相应的 功率值。当OBU复用蜂窝通信用户的上行通信链路资源时，其发射功率应满足其中马是蜂窝逋信用户的发射功率，沖是噪声的功率数值，先是基于D2D的V2V通信的发射功率，空表示路径损耗的参数值，0是基于D2D的V2V通信链路发

27、送端与基站之问的距离，C是蜂窝通信用户与基站之间的距离口总之，在基于D2D的V2X通信场景中，要从各个角度充分考虑干扰管理问题，适 当地选择复用信道并遵守以下原则：1)处理由D2D通信链路产生的干扰，要确 保蜂窝用户能够满足自身SINR的需求；2)确保由蜂窝用户产生的干扰对基于 D2D的V2X通信链路影响尽可能地小26。裹35G通倍干扰管理方法分析1扰来源扯理方沬应用血特点iG樺动爼疽阿中的干扰先进搖收机找术用户设站确千拭抑制住于小匡边缘術小区之H的干按井SE轻小区内的干抚阿络it干捷用耳网蝌尿的毘幣门逬应，但在枣点矗惟麻制.捋老速眾和麥 小区方*不離自廿挫制正交蚩黑廿ftD2D与英牠终端址备

28、之问一种静企资黑井配、不会产生新的干ttfoJ丼FD2D的通煜网 秦中产生的干就fl行贺暉舟纭D2D勺耳他捋茹址祷宜冋一种动歩資獐舟丘实现额诘的左毁利用1皑盘产生靳的干琵晏于QK的童源卄配基于DID技术的V2V範AT有炖空芒糕谄”遜奇耐的列用效率.不命产主新的+威 问理4.2 安全通信和隐私保护在车联网发展的过程中，安全作为一项重要挑战一直备受关注。在当前的车 联网通信中存在严重的安全问题，例如，在VANET中可能存在恶意的车辆，这些 恶意的车辆发送虚假信息欺骗其他车辆，造成车辆信息和车主隐私信息的泄露， 另外，一些恶意的车辆还会偷窃多个身份，伪造交通场景，影响交通秩序、破坏 网络正常运行，威

29、胁用户生命财产安全，因此安全认证和隐私保护是车联网发展 的焦点问题。为了支持数据流量的不断增加，5G无线通信网络需要更高的容量和高效的 安全机制。而在5G网络通信体系中，终端用户和不同的接入点之间需要更加频繁 的认证以防止假冒终端和中间人的攻击。5G车联网的用户和车辆相关数据的 传输需要经过其他车载单元、移动终端以及基站，因此，必须采取有效措施保证 通信的安全性和数据的完整性。为了解决车联网通信中所面临的安全问题，早期 提出了一些安全认证方案，包括基于公钥基础设施(PKI, public key infrastrueture ) 的认证27、基于身份签名(identity-based sign

30、ature) 的认证28、基于群签名(group signature)的认证29 、基于保密的访问控制30等。近期，针对5G安全通信问题，文献15提 出将SDN技术用于5G移动通信网络，其中，SDN的主要特点是将网络控制面与 数据面分离，促进5G网络智能化和可编程性，实现高效的安全管理。文献31 研究了用于控制ad hoc D2D网络并在ad hoc环境下基于群密钥协商方法管理群 密钥的ad hoc D2D协议。此外，为了在窃听者存在的场景下提高可靠的传输速 率，文献32研究了一种用于D2D无线通信中设备自适应地选择协作通信机制 和基于协作架构的最优功率分配的分布式算法。在5G车联网复杂的通信

31、过程中必须实施多方安全认证。如图6所示，5G车 联网实施的多方安全认证主要包括车内无线局域网中用户移动终端与5G车载单元OBU的强安全认证，车际网中车与车之间、车与行人之间、车与中继(5G移 动终端或者车载单元)之间以及车与5G基站之间的安全认证。在保证通信安全过程中，驾驶人员更关心的是隐私的安全性，这关系到车联 网能否被市民接受并广泛使用。在通信过程中，车辆无线信号在开放的空间中传 输，容易被窃取并暴露车辆和用户的身份，若车内数据总线网络遭入侵，可能造 成不可预估的灾难，如何保障用户和车辆的隐私安全，成为近年来的研究热点。 除了使用近期提到的匿名算法，如采用动态匿名方案33, OBU在一定时

32、间间 隔或当车辆进入不同区域后都要更换匿名，排除通过对匿名收集、分析而捕获车 辆真实身份的攻击。考虑到5G车联网多种异构网络的存在，将会出现新型的安 全通信与隐私保护协议2。文献15研究了在5G终端通信中利用SDN技术， 根据数据流的敏感度级别，为数据流选择多种传输路径，在接收端，只有接收者 可以用私人密钥解密并重组来自多个网络传输路径的数据流，从而避免隐私在无 线接入点泄露。安七认证圉。亍G车联网最肓安全认证吃卡认arw熾叫啊T加出訪丸堆寸人慢轮W皋汗niJl.rEVM随着计算机的计算能力不断突破，尤其是量子技术的逐渐成熟，传统基于计 算能力的高层加密技术变得不牢靠。基于香农信息论的物理层安

33、全技术对计算复 杂度依赖性低，窃听者即使拥有较强的计算能力也不会对系统的安全性能产生巨 大的影响。随着物理层安全研究的不断深入，较强的抵制窃听能力使其成为高层 加密安全的一种有效补充，进一步增强通信系统的安全性。系统的保密容量CS可 以表示为用户信道容量与窃听用户信道容量之差述一平督Ce)(8)其中，匕时为起始节点到日的节点的主信道容量，为第：个窃听者的信道容量“其中，物理层安全技术在车联网安全通信系统中同样发挥着重要的作用。车联网 通信中多个窃听者的存在以及车辆节点在通信网络中快速地连通与中断，使安全 密钥分发与管理成为亟待解决的问题。针对该问题，本文认为可以采用一种基于 物理层安全的密钥分

34、发方法，将密钥分发和传输安全车载数据分离。在密钥分发 阶段，采用相应的物理层安全方案来最大程度确保密钥分发信道的安全性。当密 钥分发完成后，利用分配的密钥对车载数据进行加密后传输，该方案可以保证密 钥分发过程的安全性。在5G车联网通信系统中，物理层安全通过融合5G先进技术保证数据的机密性和可靠性，其中异构网络、大规模多输入多输出（MIMO, multiple-input multiple-output）、毫米波通信技术在物理层安 全有巨大的应用前景。1）5G车联网中，车辆作为异构网络中设备层的节点可通过D2D通信链路与其 他设备直接通信或通过中继节点实施多跳通信。在异构网络设备层通信模式下,

35、邻近的车辆以及其他终端节点都可能是潜在的窃听者，为保证通信数据的安全性 一方面要充分考虑非目的车辆和设备节点的相关物理层特性，另一方面需要确立 D2D 通信最优的中继选择方案，充分考虑可靠的安全通信机制。其中，可以使用 基于可信设备列表的封闭式接入方法来保证车辆和设备节点数据在交换过程中 的安全性，但由于高速运行的车辆节点需要在有效的通信范围内快速建立连接并 进行大文件传输，还要充分考虑通信时延和中断概率。此外，在异构网络中，基站作为车联网重要的路边基础设施，其适当的部署密度可优化 保密速率。对于车联网物理层安全的评估,本文考虑如图7所示的基于D2D的V2V 通信异构网络物理层安全系统模型，该

36、模型所示的车联网场景中N个蜂窝用户（主 要包括手机移动终端和车载终端）集合为n二userl，user2， ，userN， 它们利用不同的信道通信，其中，基于D2D的V2V通信链路被窃听者（恶意的车 辆或者个人）窃听。VVP是V2V通信链路的发射功率，VVh是由V2V通信链路 的发送端到接收端的信道增益，VEh为基于D2D的V2V通信链路的发送端到窃 听者的信道增益，BEh是基站发到窃听者的信道增益，BVh为从基站到基于D2D 的V2V通信接收端的信道增益，窃听者接收的信号为呛-十J耳胡I舸+ %BS窃听扰一一 F圏7 V2VM信昇构网络物理层安全兼统模型OBUIi.窃听信道的信道容量刃马丿金十

37、叫j CE =lb 1 +基于D2D的V2V通信链路的保密容量为-lb 1 + 斗一(11)其中，-=niax-50? 足指数分布，即lb 1 +(12)当系统中不存在基于D2D的V2V通信用户 对时，蜂窝用户不会与其他的用户共亭信道资源， 则蜂窝用户的保密容量为lb1 耳九油 -lb 1+引蚯1kPJ 阻* Nq生馄十亠叫丿图7中异构网络系统的保密容量为 c =匸匚宀2Z 石通过构造Stackelberg博弈框架，考虑对基于D2D的V2V通信的物理层安全需求 和干扰支出，可对V2V通信进行优化34。V2V通信用户的效应函数表示为(13)(14)针对图7的异构网络安全评估模型和不存在基于D2D

38、的V2V通信链路的系统模型的保密容量进行仿真，其中，本文只考虑路径损耗，忽略小尺度的衰落，窃听者与基站之间的距离设置为60m,仿真结果如图8和图9所示。从结果可以看出，在没有基于D2D的V2V的通信链路状况下，随着蜂窝用户（包括车载终端和移动 终端用户）的增加，系统的保密容量也增大。而对于图7 所示的存在蜂窝用户和 基于D2D的V2V通信链路的异构网络系统模型，假设存在蜂窝用户数量为30，仿 真结果表明，系统的保密容量随V2V用户对数量的增加而增长，当V2V用户对数 量增长到一定程度时，系统的保密容量将达到最大值。从图8 和图9 仿真结果的 对比可以得出，D2D通信链路对于增加系统的保密容量发

39、挥重要作用。本文通过 参照图中保密容量最大值对应的用户数量部署车联网系统，尽可能增加系统的保 密容量。图8对不存在SPD2D的2、通信链路的系统尿密容虽昉真蜻果图9基T异构网络系统的慄密容呈伪真结果2）大规模MIMO系统可通过以下两方面保证车联网物理层安全性能：一方面通 过降低传输功率，进一步降低窃听车辆和设备节点的SINR,从而减少窃听节点的 信道容量35；另一方面，根据车辆节点物理层特性，适当地增加人工噪声干 扰窃听节点的信号接收，从而提高物理层安全性能。3）毫米波通信技术应用于车联网短距离通信场景，可给予车联网较大的带宽 36，由于毫米波的短距离传输，利用窄波速的定向通信抑制相邻车辆和设

40、 备节点的干扰，邻近窃听节点的SINR可能会降低。正是由于多异构网络融合以及灵活的终端通信，使5G车联网在安全通信方 面的保障不同于当前车联网。5G车联网不仅通过技术的创新解决OBU多功能实 施带来的安全隐患，并且在出现网络异常或者入侵时，利用网络隔离原理及时地 在车载移动互联网与VANET之间切换，从而切断OBU的互联网连接，阻止网络的 入侵，并通过VANET中邻近的OBU或者5G移动终端等其他渠道接入互联网，维 持与互联网的通信。通过这种车辆自组网和车载移动互联网无缝的切换，实现了 OBU 与互联网安全通信和信息交互。4.3安全驾驶 车联网重要应用之一就是交通安全，而驾驶行为分析和预测是安

41、全保障的基础， 如何对运动轨迹预测并建模是提高交通安全的关键问题。虽然车联网中网络拓扑 频繁变化，数据海量递增，但车辆运动受道路拓扑、交通规则和驾驶者意图的限 制，为行为预测提供了可能性。文献37研究了VANET中存在的社会特性，发 现VANET是拥有小型世界现象和高聚集效应的网络，处于同一个社会网络中的任 意节点可以通过不超过3跳的最短路径达到另一节点。而5G会推动车联网规模的 发展，加剧了车联网的这种社会效应。车联社会网络（VSN，vehicular social net work）中节点的活动规律能够在车 联网行为预测中发挥作用。反之，车联网中的移动模型、社会应用、感知计算模 型和用户行

42、为预测模型也为VSN提供支持和反馈。通过对大规模OBU数据的挖掘 和分析，提取有应用价值的社群交互特征信息，VSN能够对一些交通问题和车辆 安全问题提供有力的支持，如预计道路车流量、预测交通堵塞地段、主动安全等 38。在对驾驶行为的建模和预测中，数据来源和数据挖掘是首要问题，也是安全 系统应用的瓶颈。目前，车辆行驶轨迹数据获取的主要来源是基于历史数据的预 测，而历史数据必须准确且具有时效性。但现有VANET环境下的方法无法满足获 取运动轨迹的精度要求（包括位置精度和时间精度），5G车联网中采用D2D通 信方式，可为每个用户提供每秒千兆级的数据速率以满足QoS的要求，空口时延 在1 ms左右、端

43、到端时延限制在毫秒级的实现，极大程度上保证了时间精度， 同时，基于5G基站的精确定位将位置精度控制在允许范围内，解决了预测模型中 的数据来源问题。目前，针对车联网数据挖掘，并没有太多的算法和技术提出， 车联网数据处理的关键是在对海量数据（TB级）进行挖掘时，要保证当前数据流 （平均数万条/秒）的高速可靠写入，如何快速对读取的数据进行分析、建模、 预测，是未来研究的重要方向。5 5G车联网发展趋势与应用将来，在5G通信网络大量部署的时代，5G车联网所构建的可多网接入与融 合、多渠道互联网接入的体系结构，基于D2D技术实现的新型V2X的通信方式以 及低时延与高可靠性、频谱与能源高效利用、优越的通信

44、质量等特点为车联网的 发展带来历史性的机遇。5G车联网因为不需要单独部署路边基础设施、可以和 移动通信功能共享计费等，会得到快速发展，应用于高速公路、城市街区等多种 环境。5G车联网不仅局限于车与车、车与交通基础设施等信息交互，还可应用 于商业领域以及自然灾害等场景。在商业领域，商店、快餐厅、酒店、加油站、4S店等场所将会部署5G通信 终端，当车辆接近这些场所的有效通信范围时，可以根据车主的需求快速地与这 些商业机构间建立ad hoc网络，实现终端之间高效快捷的通信，从而可以快速 订餐、订房、选择性地接收优惠信息等，且在通信过程中不需要连接互联网。这 将取代目前商业机构中工作在不授权频段、通信

45、不安全、通信质量无法保障、干 扰无法控制的蓝牙或者Wi-Fi通信方式，也将带动一个新的大型商业运营模式的 产生与发展。毫无疑问，随着车辆的大量普及，车辆已经成为人在家、办公室之外最重要 的活动场合。然而，在地震、泥石流等自然灾害发生地区，当通信基础设施被破 坏、无法为车载单元提供通信服务时，有相当数量的人可能是正在车辆上或正准 备驾乘车辆离开，5G车载单元可以在没有基础设施协助的情况下，通过基于单 跳或多跳的D2D方式与其他5G车载单元通信。另外，5G车载终端也可以作为通 信中继，协助周边的5G移动终端进行信息交互。6 结束语车联网正在改变人类交通和通信方式，促使车辆向网络化、智能化发展。本 文分析了当前车联网面临的问题，将5G通信技术应用于车联网场景，提出了新 型5G车联网体系结构。系统介绍了5G车联网独有的特点，并客观分析了5G车 联网中仍需解决的问题，力图展示5G车联网的未来趋势，为车联网研究提供 方向。相信5G车联网的研究可以促进社会的巨大演进，使人类社会更加方便、 安全、快捷、高效。