基于5G的車聯(lián)網(wǎng)可靠通信方法研究

范文博，周 壯，蔡 超，戴 鵬，邱佳慧，柯騰輝（.中國(guó)聯(lián)通深圳分公司，廣東 深圳 58000；.中國(guó)聯(lián)通智網(wǎng)創(chuàng)新中心，北京 00048）

1 概述

隨著我國(guó)“十四五”規(guī)劃的逐步落地，各地政府陸續(xù)加大智慧交通建設(shè)的資金投入，車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)也隨之進(jìn)入快速發(fā)展期，已成為國(guó)內(nèi)新一輪科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的風(fēng)口［1］。車聯(lián)網(wǎng)行業(yè)正在催生出大量的新技術(shù)、新產(chǎn)品、新模式、新服務(wù)，推動(dòng)著包括芯片模組、行業(yè)終端、整車制造、應(yīng)用平臺(tái)、高精度定位、安全認(rèn)證在內(nèi)的產(chǎn)業(yè)鏈條不斷成熟。在5G技術(shù)的加持下，車聯(lián)網(wǎng)行業(yè)迎來(lái)更加蓬勃的發(fā)展，各省市的智能網(wǎng)聯(lián)示范區(qū)、先導(dǎo)區(qū)不斷落地［2］。

目前車聯(lián)網(wǎng)通信主要包括人、車、路、云平臺(tái)的全方位連接和信息交互的車聯(lián)網(wǎng)通信［3］，其中涉及車與車、車與路、車與人之間的通信，國(guó)內(nèi)主要采用基于移動(dòng)蜂窩通信系統(tǒng)的C-V2X（Cellular-Vehicle to Everything）技術(shù)，包含LTE-V2X 和NR-V2X 2 種技術(shù)演進(jìn)［4］。另外涉及到車與云平臺(tái)的通信應(yīng)用場(chǎng)景，多采用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)車端與云端平臺(tái)之間的通信。由于互聯(lián)網(wǎng)的開放性和不穩(wěn)定性，車聯(lián)網(wǎng)通信面臨著假冒網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)攻擊、數(shù)據(jù)竊取等安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也會(huì)遇到傳輸網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)時(shí)延大、數(shù)據(jù)丟失等風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)大大影響車聯(lián)網(wǎng)通信的可靠性。

為了降低上述車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)，車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需要對(duì)數(shù)據(jù)來(lái)源的合法性進(jìn)行安全認(rèn)證，防止網(wǎng)絡(luò)攻擊，同時(shí)需要對(duì)傳輸網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，確保車聯(lián)網(wǎng)通信數(shù)據(jù)傳輸安全可信，傳輸質(zhì)量可靠高效［5］。

2 車聯(lián)網(wǎng)通信基本原理

2.1 車聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

如圖1所示，車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)主要分為“端”“管”“云”3層架構(gòu)［6］，通過(guò)車端和路端的傳感器實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知和數(shù)據(jù)采集、通過(guò)車端域控制器、路端的邊緣云和云端控制中心的協(xié)同作業(yè)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合計(jì)算和決策控制，從而為最終用戶提供安全、可靠、高效、便捷的智慧交通服務(wù)。

圖1 車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)架構(gòu)圖

端：指實(shí)際參與到交通服務(wù)的實(shí)體元素，包括具備通信功能的車載OBU、路端RSU 等，具備感知功能的攝像頭、雷達(dá)等，以及路側(cè)智能交通基礎(chǔ)設(shè)施包括紅綠燈、智能燈桿、電子公告牌、電子站牌等。

管：指實(shí)現(xiàn)車、路、人、云之間通信的網(wǎng)絡(luò)，包括移動(dòng)蜂窩4G/5G 網(wǎng)絡(luò)、C-V2X 網(wǎng)絡(luò)等，需靈活配合業(yè)務(wù)的需求變化，同時(shí)保障可靠安全的數(shù)據(jù)傳輸。

云：指實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)匯集、分析、計(jì)算和決策，并實(shí)現(xiàn)基本業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)和運(yùn)維管理功能的平臺(tái)，可根據(jù)業(yè)務(wù)需求部署在云端或邊緣側(cè)。

在新型的“端—管—云”交通架構(gòu)下，車端和路端基礎(chǔ)設(shè)施將實(shí)現(xiàn)全面的電子化和信息化，完成交通實(shí)體與控制中心的數(shù)字化映射；5G+C-V2X的聯(lián)合組網(wǎng)可構(gòu)建廣域蜂窩通信和短距離直連通信融合的協(xié)同作業(yè)網(wǎng)絡(luò)，使得智慧交通業(yè)務(wù)更加連續(xù)。大數(shù)據(jù)和人工智能的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)海量交通數(shù)據(jù)的分析與快速?zèng)Q策，從而建立一體化的智能交通管控系統(tǒng)［7］。

2.2 車聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

車聯(lián)網(wǎng)通信主要是解決車、路、人、網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)通信，為車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境感知、數(shù)據(jù)融合計(jì)算和決策控制等業(yè)務(wù)模塊交互，提供安全、可靠、高效的通信服務(wù)，如圖2 所示。車聯(lián)網(wǎng)的通信接口可分為2 種，包括Uu接口（蜂窩通信接口）和PC5接口（直連通信接口）［8］。

圖2 車聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)示意圖

Uu接口：車載終端、路側(cè)單元、智能可穿戴設(shè)備在處于移動(dòng)蜂窩網(wǎng)覆蓋區(qū)域時(shí)，可通過(guò)Uu接口接入移動(dòng)蜂窩網(wǎng)無(wú)線基站和核心網(wǎng)系統(tǒng)，再通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或?qū)＞€連接部署在云端的車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)云控平臺(tái)。

PC5接口：主要用于車與車、車與路之間直接通過(guò)PC5 接口進(jìn)行V2X 業(yè)務(wù)通信，可快速實(shí)現(xiàn)車輛行駛的動(dòng)態(tài)信息（包括車輛位置、車速、行駛方向等）及路側(cè)交通信息（信號(hào)燈、擁塞狀態(tài)、事故等）的快速?gòu)V播和信息交換，通信實(shí)體以O(shè)BU（On Board Unit）、RSU（Road Side Unit）為主。

2.3 車聯(lián)網(wǎng)通信安全分析

從車聯(lián)網(wǎng)通信的可靠性方面來(lái)看，主要包括車聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)接入和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，可通過(guò)車載設(shè)備、路側(cè)終端與網(wǎng)絡(luò)側(cè)建立基于IPSec（Internet Protocol Security）、TLS（Transport Layer Security）等標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議的通信連接，并協(xié)同網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和云網(wǎng)協(xié)同能力，保障通信過(guò)程中數(shù)據(jù)可靠安全的傳輸［9］。

從車聯(lián)網(wǎng)通信的安全性方面來(lái)看，主要包括終端設(shè)備的合法性甄別和數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)安全以及車聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的安全防護(hù)。可基于數(shù)字證書機(jī)制為車載設(shè)備、路側(cè)設(shè)備等提供有效的數(shù)字身份憑證，實(shí)現(xiàn)雙向的身份識(shí)別和鑒別認(rèn)證。同時(shí)可通過(guò)數(shù)字簽名和數(shù)字摘要等手段確保交互數(shù)據(jù)的完整性和有效性，保證車聯(lián)網(wǎng)通信終端的身份可信、數(shù)據(jù)有效［10］。車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)安全可通過(guò)部署網(wǎng)絡(luò)防火墻、入侵檢測(cè)和防護(hù)系統(tǒng)、Web 防護(hù)墻等安全設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩雷o(hù)。車聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)匯聚點(diǎn)，可以通過(guò)IP 黑白名單過(guò)濾、訪問(wèn)端口控制、賬戶認(rèn)證、病毒監(jiān)測(cè)等方面保障車聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的通信安全。

本文重點(diǎn)闡述車聯(lián)網(wǎng)通信中數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)可靠性和安全方面的解決方案。

3 車聯(lián)網(wǎng)可靠通信方案

3.1 車聯(lián)網(wǎng)可靠通信方法

本方案主要實(shí)現(xiàn)車端/路側(cè)單元與云控平臺(tái)之間的可靠通信，包括5G可靠通信終端和運(yùn)營(yíng)商云網(wǎng)協(xié)同的方法，如圖3 所示?；?G 網(wǎng)絡(luò)大帶寬、低時(shí)延、高移動(dòng)性優(yōu)勢(shì)，能夠滿足車端/路側(cè)單元與中心云控平臺(tái)之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信需求；基于5G可靠通信終端與運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)之間建立的基于IPSec 的通信連接，可保障數(shù)據(jù)的可靠傳輸；同時(shí)利用運(yùn)營(yíng)商的跨域云網(wǎng)協(xié)同能力，保證終端側(cè)和云控平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性［11］。

圖3 車聯(lián)網(wǎng)可靠通信示意圖

下面以車端與云平臺(tái)的可靠通信場(chǎng)景為例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

在車端部署5G 可靠通信終端，通過(guò)內(nèi)置的5G SIM 卡，向運(yùn)營(yíng)商核心網(wǎng)進(jìn)行注冊(cè)，與運(yùn)營(yíng)商的路由器之間建立起IPSec安全連接。同時(shí)5G可靠通信終端通過(guò)以太網(wǎng)與車載域控制器相連，車載域控制器通過(guò)Can 總線與車內(nèi)的智能系統(tǒng)進(jìn)行通信交互后，將需要上傳的車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)傳輸?shù)?G 可靠通信終端，再通過(guò)5G 可靠通信終端與運(yùn)營(yíng)商之間的IPSec安全連接，將數(shù)據(jù)向云端控制平臺(tái)進(jìn)行回傳。

在云端控制平臺(tái)側(cè)可通過(guò)專線與運(yùn)營(yíng)商的路由器之間建立起IPSec 安全連接，云端控制平臺(tái)結(jié)合整體交通大數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，給出交通指示信令，并通過(guò)平臺(tái)與運(yùn)營(yíng)商之間的IPSec 安全連接，將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)端的車輛，實(shí)現(xiàn)智能交通的遠(yuǎn)程管控和駕駛輔助［12］。

在運(yùn)營(yíng)商側(cè)，分別和車輛及云端控制平臺(tái)之間建立IPSec 安全連接，提供數(shù)據(jù)加密和專有承載保護(hù)，防止車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)被竊取。同時(shí)將IPSec 網(wǎng)關(guān)終結(jié)在運(yùn)營(yíng)商，減少云端控制平臺(tái)的資源消耗。通過(guò)SDN 和NFV化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，結(jié)合中心云和邊緣云的協(xié)同作業(yè)，實(shí)現(xiàn)車輛和云端之間傳輸路由的智能動(dòng)態(tài)調(diào)整，確保選擇最優(yōu)的傳輸路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)通過(guò)環(huán)網(wǎng)、雙節(jié)點(diǎn)、雙平面等網(wǎng)絡(luò)保障手段，確保網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)故障時(shí)路由自動(dòng)切換，提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕?3］。

此外，云端控制平臺(tái)與車輛之間可通過(guò)自定義的固定私網(wǎng)IP 進(jìn)行通信，車輛終端無(wú)須向云端控制平臺(tái)服務(wù)器持續(xù)發(fā)送心跳消息進(jìn)行狀態(tài)通知，簡(jiǎn)化了業(yè)務(wù)邏輯。減少了海量車載終端用戶模型下對(duì)云端控制平臺(tái)服務(wù)器的流量沖擊，避免海量消息引發(fā)的服務(wù)器過(guò)載甚至宕機(jī)風(fēng)險(xiǎn)，從而提升了車聯(lián)網(wǎng)通信的整體安全等級(jí)。

3.2 車聯(lián)網(wǎng)可靠通信網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)分析

車聯(lián)網(wǎng)通信端到端的網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)，包括無(wú)線網(wǎng)、核心網(wǎng)、傳輸網(wǎng)以及應(yīng)用層業(yè)務(wù)交互的網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)，其中：

a）無(wú)線網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)主要包括終端處理和無(wú)線基站處理（如無(wú)線資源調(diào)度、信號(hào)處理等）。

b）核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)主要包括基站到核心網(wǎng)回傳鏈路的網(wǎng)絡(luò)路由以及核心網(wǎng)的信令處理。

c）傳輸網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)主要包括核心網(wǎng)到云端應(yīng)用服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸，包括本地城域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸以及跨域的骨干網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸。

d）應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)主要包括應(yīng)用服務(wù)器的處理和系統(tǒng)交互。

無(wú)線網(wǎng)和核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)：參考3GPP TS 36.881和IMT-2020（5G）推進(jìn)組發(fā)布的《5G 承載需求白皮書》中分別給出的4G 和5G 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延組成數(shù)據(jù)，4G 網(wǎng)絡(luò)下無(wú)線網(wǎng)和核心網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延一般在20 ms 以上，5G 網(wǎng)絡(luò)下無(wú)線網(wǎng)和核心網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延一般在10 ms 內(nèi)［14］。相較之下，5G 可靠通信方案采用5G 無(wú)線接入方式，其網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)會(huì)優(yōu)于4G等無(wú)線接入方式。

傳輸網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)：由于傳輸網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)與路由節(jié)點(diǎn)的數(shù)量和傳輸距離相關(guān)，傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)傳輸方式經(jīng)過(guò)的路由節(jié)點(diǎn)多，傳輸路徑長(zhǎng)，并且受到承載業(yè)務(wù)量波動(dòng)的影響，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延等網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)較差且不穩(wěn)定。5G 可靠通信方案通過(guò)終端和云端之間傳輸路由的智能動(dòng)態(tài)調(diào)整，環(huán)網(wǎng)、雙平面的冗余保障以及健康的承載業(yè)務(wù)量，同時(shí)結(jié)合MEC 的本地分流，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點(diǎn)最優(yōu)，時(shí)延等網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)優(yōu)于4G 等傳統(tǒng)通信方案。

應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)：應(yīng)用層因各應(yīng)用服務(wù)器的處理不同，網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)無(wú)法評(píng)估，本文不做分析。

4 車聯(lián)網(wǎng)安全通信方案

本方案主要實(shí)現(xiàn)車端/路側(cè)單元與云控平臺(tái)之間通信的網(wǎng)絡(luò)安全，包括車聯(lián)網(wǎng)終端和云平臺(tái)之間的安全認(rèn)證以及車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的安全防護(hù)如訪問(wèn)控制、異常流量監(jiān)控、云WAF智能防護(hù)等。

車聯(lián)網(wǎng)終端和云平臺(tái)之間的安全認(rèn)證，多基于PKI 證書認(rèn)證系統(tǒng)，車端和路端設(shè)備在首次開機(jī)進(jìn)行通信連接的時(shí)候，云平臺(tái)的車聯(lián)網(wǎng)智能系統(tǒng)會(huì)簽發(fā)可信證書寫入車端和路端的設(shè)備中。在后續(xù)的車端和路端設(shè)備與云平臺(tái)之間的通信中，會(huì)對(duì)身份證書進(jìn)行合法性認(rèn)證，同時(shí)車聯(lián)網(wǎng)智能系統(tǒng)具備對(duì)證書的修改和撤銷的能力，保證終端在受到物理入侵時(shí)，能快速進(jìn)行安全防護(hù)。

針對(duì)車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全的防護(hù)，可通過(guò)運(yùn)營(yíng)商在網(wǎng)絡(luò)邊界部署的安全設(shè)備及完整的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)能力，可監(jiān)控和分析全網(wǎng)路由設(shè)備的NetFlow 數(shù)據(jù)，有效識(shí)別網(wǎng)絡(luò)中的DDos攻擊等異常事件，對(duì)正常的訪問(wèn)流量予以放行，對(duì)異常流量進(jìn)行清洗和限制訪問(wèn)。對(duì)于惡意攻擊的IP流量采取完全的丟棄，同時(shí)將其加入IP黑名單，阻斷其后續(xù)的違法行為，保障車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的安全性［15］。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著5G智慧交通的大力發(fā)展，車聯(lián)網(wǎng)行業(yè)也迎來(lái)了越來(lái)越多的商業(yè)機(jī)會(huì)。通過(guò)5G 賦能OBU、RSU、車載網(wǎng)關(guān)等車聯(lián)網(wǎng)終端，并與數(shù)據(jù)融合算法相結(jié)合，車聯(lián)網(wǎng)已在自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程駕駛、編隊(duì)行駛等業(yè)務(wù)中凸顯價(jià)值。同時(shí)車聯(lián)網(wǎng)的安全性及可靠性也越來(lái)越被重視，有助于智慧交通項(xiàng)目的實(shí)際落地和商用運(yùn)營(yíng)。

本方案對(duì)車聯(lián)網(wǎng)通信的可靠性和安全性進(jìn)行研究，依托于5G、安全隧道能力以及運(yùn)營(yíng)商的云網(wǎng)協(xié)同能力，為車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供安全可靠的數(shù)據(jù)傳輸方法，并分析了5G可靠通信的性能指標(biāo)。當(dāng)前由于5G技術(shù)仍處于發(fā)展期，國(guó)內(nèi)的5G基站覆蓋和優(yōu)化還有可提升的空間。未來(lái)隨著5G 技術(shù)的成熟發(fā)展，5G 可靠通信的網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)預(yù)期也會(huì)有所提升，能夠更好地滿足車聯(lián)網(wǎng)各項(xiàng)應(yīng)用的通信需求，為智慧交通更多的重要應(yīng)用落地保駕護(hù)航。