1.1 车联网技术的背景和发展

1.1.1 车联网技术的背景

“汽车”和“无线电通信”是在一百多年前先后诞生的，这两个事物涉及的技术有很多共性。在19世纪末期大家都在思考一个共同的问题，就是怎么把人从地域上的束缚解放出来：一方面，实现物理本体的转移，即通过汽车等工具把我们快速地从A地送到B地；另一方面，在物理上人不移动的情况下我们怎么把信息传输出去，即远端的通信。今天回过头看，在最初期时，英文里面的交通和通信是一个词，即“communication”，意思就是远距离沟通。从20世纪90年代开始，汽车和通信走到了一起，汽车里陆续装备了基于2G、3G和4G的移动通信设备。有了这些设备，我们逐渐实现了基于通信能力的导航和信息预告等业务。在具备了2G蜂窝通信能力之后，智能交通在解决交通安全方面做了一个很有意思的事情，就是“紧急呼叫”（emergency Call，eCall，也常常叫作“紧急救援”）。eCall使用移动电话和卫星定位功能，在发生交通事故后，与最近的救援中心的统一号码（如中国的122、欧盟的112）建立电话连接，除语音连接之外，车载eCall系统还上报传输有关事故地点、事故类型和车辆的信息。

近年来，移动通信完成从第二代移动通信技术（2G）到第三代移动通信技术（3G），以及第三代移动通信技术（3G）到第四代移动通信技术（4G）的过渡，今天汽车上也开始陆续安装4G模块。现在我们已在预测：对于未来汽车下一步还将进行怎样的发展，还能在哪些方面更进一步地改进和提高。目前，我们清楚地看到，汽车正在不断向智能驾驶的方向发展，当前正处在过渡过程中的网联阶段，这个阶段核心的特征出现了基于通信的V2V（Vehicle to Vehicle，车到车）和V2I（Vehicle to Infrastructure，车到基础设施）、V2P（Vehicle to Pedestrian，车到人）通信技术，将车和车之间、车和周围的万物之间连接起来。汽车获得了互相连接的能力，也就具备了智能特性，并通过智能衍生出一些服务。未来，5G将为V2X（Vehicle to X，车到其他）提供更高的通信能力和安全性，推动汽车技术进一步发展，并让汽车具有非常高的智能，甚至实现自动驾驶。未来一个时期，汽车和通信的结合会将经历从信息化到网联化，再到智能化、云端化的三个阶段，汽车将会变得更加智能化和云端化。

本书在应用方面重点关注信息化的eCall和网联化的V2V两个方面。在介绍网联汽车的时候，首先回顾一下什么是网联汽车。关于网联汽车，从名称来说就有多种，除“网联汽车”这个名称外，有人说应叫作“智能网联汽车”，有人说应叫作“车联网”，还有人说更大的范畴应称为“智能交通系统”。不同行业、领域的人站的立场和角度不一样，就有了不同的看法和认识。对于交通行业的人，他们看问题的时候是整个交通系统，包括路和路边的基础设施，以及车和车、路的有机协同，这个系统用来完成运输服务，因此，应叫作“智能交通系统”。对于通信行业的人，他们从网络的角度出发，用网络把大家连接起来，于是就有了“车联网”的概念。车联网的概念里面主要体现的是连接性，不仅包括车与车之间的直接连接，还包括通过运营商网络连接。通信行业在谈车联网的时候，可能过多地强调了网络，却忽略了对应用的定义。智能交通系统和车联网这两者之间的交集是智能网联汽车，车联网是车和车之间的互联，以及车和具有通信能力的个人之间的互联，而在智能交通系统中，智能网联汽车是一个很重要的组成部分，是一个承载方。2015年9月29日的国务院常务会议决定，将“开展智能网联汽车示范试点”，因此，在我们国家讨论的“网联汽车”更多的是“智能网联汽车”。这个概念更多的是从制造的角度出发的，比如汽车行业的主机厂商、部件厂商大多是从这个角度来看的。囿于作者的知识背景，本书将从车联网的视角来分析相关的技术、标准、方案和相关的频谱需求。

前面介绍了智能网联汽车在交通系统的概念。另外一个概念，我们要澄清一下什么是自动驾驶。很多人说智能网联汽车就是自动驾驶，实际上不是，网联汽车是为自动驾驶服务的。汽车行业常常引用国际自动机工程师协会定义的五级自动驾驶概念，零级属于无自动驾驶，也就是没有任何自动辅助驾驶技术的汽车，一百多年前的汽车就是这样。一级自动驾驶属于驾驶辅助系统，能持续提供转向或加速和制动控制，但只在限制条件和特定情况下提供，现在的汽车大部分都能达到一级自动驾驶水平。二级自动驾驶属于半自动驾驶，也是辅助驾驶系统，但既能提供转向，也能提供加速和制动控制，同样是在限制条件下提供。三级自动驾驶属于有条件的自动驾驶，比如现在的新款特斯拉汽车、奥迪A8L等，有很多智能特性，人不参与的时候也可以行驶，但是三级自动驾驶的一个很重要的特点是：责任方始终是人，人必须始终出现在现场，并时刻准备接管，即一旦有事情发生而汽车处理不了时就需要人立即接管。四级和五级自动驾驶就相对智能化了。四级自动驾驶属于高度自动驾驶，汽车基本上在做所有的事情，除了某些特殊情况，一般无须人类干预，但是必须要有驾驶人员在场。五级自动驾驶可以说属于完全自动驾驶，完全不需要驾驶人员了。

目前，汽车处于从二级自动驾驶到三级自动驾驶的过渡期，传统的汽车行业引进了车联网技术，增加了先进的驾驶员辅助系统。一方面，当汽车处于二级自动驾驶阶段时，决策主体和责任都是人，人要负责对路面的所有情况进行观察并负责决策，决定加速还是减速，刹车还是变道等。围绕人这个主体，通过车联网技术，给人提供更多的信息，帮助人决策，提高行驶的安全性和效率，比如，前方有拥堵可以提前变道绕行。另一方面，现在很多互联网的公司（如谷歌、Uber、百度等）正在研究自动驾驶，他们直接跨越中间的二、三自动驾驶阶段，进入四、五自动驾驶阶段。此时，他们更多是从智能化的角度来解决效率和安全性问题。智能化包括几个重要环节：感知、决策和执行，各个环节之间必须彼此贯通。互联网公司认为他们研究的自动驾驶汽车的感知能力已经很强，包括车里面自身的感知和通信能力协作式的感知，因而他们直接跳到决策环节讨论自动驾驶的决策问题。但是我们认为，要想真正进入自动驾驶阶段，一定要有网联阶段，因为网联要在除车自身的声光电传感器（如激光雷达、毫米波雷达、超声波和摄像头等）之外，通过互联网的方式和网联汽车的方式为决策提供一些额外的信息，帮助汽车进行决策。实际上，也只有掌握各方面的信息之后才能更智能地、更有效地做出决策。这也是汽车行业的一个基本的看法。

了解基本概念之后，首先来看看紧急救援（eCall）。紧急救援是汽车和通信相结合之后最有特色的一个项目。从国家交通运输部网站和国家卫生健康委员会网站上获得的数据可知，近年来，我国每年发生的涉及人员伤亡的交通事故有二十万余起，造成死亡的人数基本上维持在6万以上。总体看，这几年尽管车辆的保有量不断增长，但随着驾驶员素质的不断提高，交通设施的不断改善，总体来讲我国交通事故的绝对数量稳中有降，但是每起事故的死亡率，过去几年中并没有发生太大的变化，从官方数据来看还是每三起伤亡事故中有一个人死亡。另外，所有由交通事故造成死亡的人员，绝大部分（90%以上）是在到达医院之前就失去了生命，但是，被顺利送达医院的伤员成功救助的概率非常高。同时发现：现在的救援手段非常低效，近几年的改进也非常小。最重要的是，在事故发生之后没有及时地把事故信息传送到救援中心，也没有办法有效地派出消防、医疗、公安人员进行救治，造成很多生命消逝在事故现场。怎么解决这个问题呢?现在，一部分汽车的内后视镜上有一个红色的按钮——SOS，这是一个手工的报警机制。在欧洲已经开始实施一些自动的报警机制，目的是在车辆发生事故的时候，以分钟为单位，尽快地自动完成报警，告诉救援人员需要救援人员所在的地理位置，事故的严重程度，以便尽早组织救援。数据告诉我们，只要能够尽快报警，并让救援人员尽快到达现场，绝大部分受伤人员的生命就可以挽回。紧急救援最早在欧洲提出：2005年，在汽车有了通信能力之后，欧洲人第一个想到的就是怎么降低交通事故的伤亡率，他们研究了如何解决车辆事故的紧急报警问题，并在2008年制定了欧洲标准。这个标准只是第一步，随后进行了多轮测试。2011—2013年，经过大量测试之后确定了这个技术的可用性；2015年，欧盟正式以法律的形式规定：从2018年3月31日开始，欧洲所有的车辆都必须安装紧急自动报警装置，即eCall。实际上，俄罗斯早在2015年就开始强制推行紧急救援设备的安装了。

在欧洲推进的同时，国内的一些机构也认识到这个问题。2012年，中国车载信息产业联盟（TIAA）成立，联盟成立之初很重要的题目就是解决紧急救援问题。2014年，大家对在中国国内的紧急救援的系统结构达成共识，并且做了一些实验加以验证，然后基于这些结果推进标准化。近期，希望能把这些标准落实并进入立项阶段，随后可以根据标准进行研究开发，从而推动产业发展。

那么，什么是欧洲地区的eCall?首先，看看现在的方式。在中国，当发生交通事故之后，一般需要拨打电话给122进行交通事故报警，如果有人员受伤就要拨打120呼叫医疗救护人员进行急救，如果车辆变形严重或者发生了火灾，还需要拨打119把消防人员叫来灭火和破拆。此时，人正处在危急混乱当中，拨打这么多电话，往往会遗失掉很多信息。常常有人在发生事故的时候，救援人员会问他在什么地方，但是他根本说不清楚，这就导致救援人员不能快速到达现场。怎么解决这个问题呢?欧盟委员会的想法就是在车里安装传感器来判断事故的发生，比如，当气囊爆裂时，车机（安装在汽车里面的车载信息娱乐产品的简称）自动拨打欧洲统一的紧急救援电话112，自动把当前的车辆牌号、地理位置、车里的乘客情况、车的前进方向等信息报告给救援中心，即救援中心在接听语音电话之前就已经收到了需待救援的车辆的基本信息。在数据传送之后进行语音通话时，救援人员可以跟车里的乘客或者司机进行沟通，进一步了解事故的情况，然后根据这些信息进行判断并在第一时间制订救援方案，同时组织救援。欧洲地区的eCall采用的技术手段是基于在一个语音通路中传送数据。

首先，目前所有移动运营商都在向全IP过渡，主流运营商已经部署或正在计划部署长期演进语音承载（Voice over Long-Term Evolution，VoLTE）语音服务。考虑到VoLTE部署后2G网络会陆续退网，紧急救援也需要向LTE和全IP化过渡，未来会采用基于IMS的下一代紧急呼叫技术，不仅可以传送基本救援信息，甚至可以传送事故现场的照片或者进行视频辅助救援。

其次，需要谈谈紧急救援服务的商业模式。整个欧洲紧急救援服务体系的建设，是由欧盟委员会强制各个国家的政府建立紧急救援呼叫中心来完成的，实行电话统一接听，并由他们负责接警和统一服务。2018年，欧盟委员会积极推进eCall的落实。那么，紧急救援模式在中国怎么推进呢?欧洲经验是可以借鉴的。一方面，需要建立紧急救援的国家标准，并且积极推动政府出台法规，强制车辆安装紧急救援设备，要真正实施并完成可能需要比较长的时间。另一方面，可能还需要一些PPP的模式，引入民间资本来帮助政府建立公共服务。借鉴欧洲eCall的架构，在此基础上进行适当的调整和改进，使之更适合中国模式。可以把救援和通信部分拆分，把通信部分交给汽车主机厂商及其合作的信息服务商，由其负责给车辆提供eCall设备和通信能力，并且开通呼叫中心来接受报警。接警中心（TSP）接警之后了解事故信息，但是他们没有很好的调度派遣能力，那么他们把收集到的信息传给一个业务代理。在中国，这个业务代理可能是一个商业机构，它有能力跟所有的紧急救援机构对接，包括公安、消防、医疗，完成救援派遣。这两者各自都可以形成一些商业机构，独立运行。在这个模式做好之后，国内现在开始陆陆续续有企业提供这样的服务。比如，上海博泰悦臻网络技术服务有限公司等国内的TSP已经采用这种架构，跟远盟康健科技有限公司等救援派遣服务商对接，由后者组织救援。

这种紧急救援服务关注在事故发生之后，怎么通过通信的手段进行救援，降低伤亡率。

紧急救援，是在事故发生之后提供救援，有没有手段降低事故发生的概率，让交通出行变得更加可靠和安全呢?在这种需求下，可以在4G移动通信网络的基础上，结合车联网技术，解决、改善车车、车路、车人的通信，以此降低交通事故发生率。

今天，几乎人人都在使用4G手机，现在已开始把具有3G、4G能力的终端安装到汽车上，预计2021年全球60%的车辆都会有4G通信能力。基于这样的想法，可以利用这些技术来改善交通状况。

对未来汽车的理解，通信行业和汽车行业的认识目前是比较一致的。未来汽车首先是永远连接的，是一种基于连接的体系；在连接之后，汽车行业和互联网公司一起努力让汽车不断地增强自动化的能力。同时，未来汽车会非常的智能，通过网联汽车获取大量的数据，并对数据进行实时处理。汽车具有了数据处理的能力，结合连接性、自动化能力之后，整个社会的经济和生活都将发生巨大的改变，未来的交通会非常安全。美国前总统奥巴马和他的团队在推动V2V技术的时候曾经说，希望通过V2V技术把美国非酒精类事故率降低85%，甚至把伤亡率降低到零。未来车辆出行更加环保，交通效率更高，汽车会非常智能地找到最佳的路线行驶，减少碳排放，同时通行时间变得更加可测。提高交通效率是今天面临的重要问题，比如在北京，从一个地点到另一个地点，在深夜交通状况良好的时候，可能只要15分钟就可以到达，但是在白天可能需要90分钟甚至更长才能到达。很显然，在白天的交通通勤时间是不可预测的。当汽车有了网联能力之后，这些问题将会大幅改善。

未来车的趋势体现在两个方面：一方面，连接性不断增强，除了从3G到4G的演进，将来还有5G，车里面提供强大的Wi-Fi、广播能力；另一方面，车里面的车载系统的功能会非常强大，会有更加强大的计算能力引入到车里面，给车提供基于计算机的识别能力、虚拟现实能力、增强现实能力，给车和驾驶者提供更多的信息。这两个方面结合在一起，能够给车提供自动驾驶能力，给驾驶人员提供更多信息的能力。

从远景的展望当中可以看到，车联网充当着一个非常重要的角色。在通信行业里，把车联网叫作V2X，这里的V就是汽车，X就是指将来与车连接的一切事物。未来汽车，不仅车和车之间会互相通信，而且车还可能跟周边万物进行沟通，比如：车和车彼此之间沟通，“你要当心，我要刹车了，你要小心不要撞上我”，同时车跟行人沟通，行人说“我要过马路了，车要当心”；车会跟路进行沟通，路会告诉它前方有一个红灯，这个红灯可能五秒钟会变绿，所以你不用开那么快，你到路口才可能绿灯通过。因此，通过这种方式能够提高交通的安全性。

从汽车行业看连接性，最重要的就是先进驾驶员辅助系统（Advanced Driver Assistance Systems，ADAS）。今天的汽车行业围绕汽车自身的感知能力做了很多工作。采用了激光雷达、毫米波雷达和各种超声波传感器，还有基于摄像头的主动识别技术。装备了这些设备的汽车能感知很多信息，但是这些感知结果有一个共同的局限，即它们都是在视觉范围内的。换而言之，装备这些设备的汽车可以看到车周边的十几米范围内的情况，但是，如果右边出现一个大卡车，就会把整个右侧的方向阻挡掉，上述的感知设备无法看到被阻挡的物体。在通信能力引入之后，汽车的感知能力会得到极大扩展，在几百米的通信范围内，即便被卡车或建筑遮挡，装备了V2X模块的车辆依然可以互相通信。可以说，V2X解决了视线被遮挡的难题，为车辆提供了较远距离获取信息的能力。

有了这样一个能力后，不妨通过几个场景，再来看V2X到底能给汽车行业带来什么变化。首先是上文提到前向碰撞预警，即前方出现了事故。第一辆车出现事故，第二辆车司机看到后会及时刹车，避免撞到第一辆车。但通常第三辆车的驾驶员会觉得非常突然，有时会来不及刹车，与第二辆车发生追尾。这个场景就像在学习开车的时候，教练都会说开车的时候要留足够的安全距离，避免出现紧急情况反应不及。当驾驶员水平有所提升，教练会告诉他说你不能只盯着前面的车，还要看到更远那辆车的行驶状态，它如果刹车你也赶快刹车。当驾驶员的感知能力跨越前面那辆车看得更远的时候，就能很自信地把车开得更快。今天装备了上述感知设备的汽车，由于只能获得视线内的信息，所以今天的自动驾驶汽车往往行驶比较慢，像谷歌的汽车，现在智能性很强，但是速度并不高。特斯拉是一个特例，可以开得很快，但是不幸发生几起事故。其中一个例子就是左转场景，大卡车左转的时候把道路封闭了，特斯拉的传感器看不到。如果有V2X的通信能力，大卡车在左转，会给周边的车一个提示，告诉他这个道路暂时被占用了，其他车辆要小心。如果特斯拉有通信能力，几百米外就可以感知到，相应地进行减速或者停下来，就可以避免事故发生。另外一个很重要的场景叫借道超车。今天在很多国道、省道或者乡村道路可以看到双向两车道行驶，如果前面有一辆车开得很慢，驾驶员想超车必须临时占用逆向车道。这时如果前面有大卡车挡住视线，就非常危险。有了V2X通信能力的汽车会彼此交换信息，在借道超车之前会跟要超车的汽车说，对向车道有车，不能借道超车，这时候会大量减少安全事故。同时，车可以做到自动驾驶、电动汽车可以自动寻找充电桩充电等等，一系列应用都可以实现。

为了给汽车提供通信能力，美国在1999年已经分配了汽车通信的专用频谱，并基于IEEE 802.11协议增加了低时延等特性，完成专用短距离通信（Dedicated Short Range Communication，DSRC）标准。该产业目前已经可以提供成熟的产品给汽车生产、设计企业使用。但是，不得不说DSRC是十几年前的技术，今天看起来已经有点落后，它能做一些事情，但是有些限制，特别对有些应用场景处理起来就比较困难。在这种情况下，3GPP就基于今天的4G技术设计出一个新的车联网技术，我们把它叫作基于蜂窝的车联网技术（Cellular V2X，C-V2X）。2016年6月，3GPP已经完成所有标准的制定，它的目标就是在性能上超越DSRC，并解决DSRC在测试中发现的不足。

今天标准化的情况分两方面，解决两件事情：一方面要解决车和车互相能沟通；另一方面要解决车和车之间互相沟通的时候传播距离受限的问题，即怎么样才能传得更远。具体方案可以经过网络转发把事故相关的信息或者其他诸如修路信息传得更远。车与车直接通信和网络转发两种模式同时存在。说到车和车直接通信，也从技术的角度分成两种模式：第一种模式是网络覆盖外（Out-of-Coverage），即没有基站覆盖，车和车自己要组成网络相互沟通，这也是DSRC技术一开始就具有的能力，这种通信方式是基本能力；第二种是网络覆盖内（In-Coverage）、利用基站的辅助提供更好的通信能力。基于蜂窝的车联网技术这两种方式都会采用。

目前C-V2X已经在2016年完成第一个版本（3GPP Release 14），这个版本主要利用ADAS解决主动安全问题，目前3GPP正在制定基于5G新空口（5G New Radio，5G-NR）的V2X通信标准，目标是为部分的自动驾驶场景提供支持。

3GPP制定的C-V2X技术可以实现车辆高速相对而行的场景，另外可以解决大量车辆场景下的通信拥塞，以及在有严重遮挡时的车车通信场景，C-V2X通过GPS实现节点同步之后可提高通信效率，这都是DSRC系统所不具备的。本书在后面的章节中会专门对这两种技术进行比较，其中的一个观察结果是：与DSRC的物理层技术IEEE 802.11p相比，C-V2X可以将有效通信距离增加一倍。对于用户来讲，这个距离就是碰撞前的预警时间，如果用DSRC所能做到的预警时间是3～4 s，有了C-V2X，预警时间可以增加到8 s以上，驾驶员就有更多时间对碰撞进行预测，并进行及时反应决策，当驾驶员多了3～5 s的决策时间，会更从容地应对现场的情况，降低事故发生率。汽车制造企业听到这个结果，它们同样有兴趣了解并采用C-V2X技术。同时，由于天然的优势，C-V2X不仅仅解决车对车（Vehicle to Vehicle，V2V）的问题，还能非常自然地解决车对网络（Vehicle to Network，V2N）的问题。

3GPP的C-V2X和IEEE的802.11p都是底层通信的协议。从应用的角度看，我们的目标是让C-V2X取代DSRC的物理层技术，完全跟DSRC的上层应用协议对接，而这部分采用今天国际自动机工程师学会定义的通信消息协议：SAE J2375和SAE J2945.1。

1.1.2 车联网的商业模式及发展

说到商业模式，车和车之间通信传递的是为保障安全所需要的信息，而这些安全类的服务，一般来讲是一种公共性的服务，几乎没有办法收费。那么行业为什么还要做这个事情，怎么提供盈利的商业模式?C-V2X除车和车之外还希望把车和云连接起来，使得运营商介入到这里面，提供一些增值性的服务，把这个市场做大。未来这个市场的商业模式分三个方向，第一种是运营商模式，通过增值服务方式把LTE和5G通信模块装进去，有了这个能力之后再增加V2V，运营商从通信角度带动V2V的发展。第二种模式，在美国，政府通过立法强制安装，目的是把交通事故降下来，解决伤亡率的问题。欧洲也是类似思路，正在考虑强制安装。第三种模式，在中国也极有可能发生，就是以路基模式I2V和V2I推动，运营商部署V2N、V2I，通过政府或运营商在各个城市建立智能交通系统，比如电子路牌、电子信号灯，用户采用ETC的升级的方式安装C-V2X设备，并且基于这个能力带动车和车之间沟通的能力。三种模式在中国都有可能发生。但是具体落地还需要时间才能明确。我国在2015年9月29日国务院会议之后，国内成立了多个政府资助的示范工程，这里面有汽车制造企业、运营商和交通系统的介入，它们会在试验中不断碰撞融合，也许最后会总结出一些适合中国国情的商业模式。

另外，现在在其他一些场景中已经开始谈论5G，5G的出现跟车联网有什么关系?在前面已经说了，C-V2X有两个模式，一个是V2N的模式，另一个是车对车（V2V）直接通信的模式，这两个模式整体组合造成了今天的C-V2X。未来5G是对现在讨论方案的一个增强补充。目前的LTE V2X在通信能力上还有一些改进的空间，5G增加这方面能力之后使汽车将来能够做一些更智能的事情，比如编队巡航。

说到车联网的未来发展，不得不说到频谱，在全球范围内达成的共识就是用5.9 GHz附近的频段支持智能交通系统。目前，我国已经正式发布车联网的使用频谱规定，同时还在研究5G V2X需要的频谱。