陳天殷，耿殿麗

（美國亞派克機(jī)電 （杭州）有限公司，浙江 杭州 310013）

1 高速無線通信的進(jìn)步的影響

當(dāng)前汽車無線通信應(yīng)用有兩種技術(shù)：專用短程通信（DSRC）和4G蜂窩LTE。因自身速度、帶寬和時延等的局限，無法滿足先進(jìn)的ADAS系統(tǒng)和自動駕駛對關(guān)鍵任務(wù)執(zhí)行的要求。它們皆難以提供千兆比特／秒的數(shù)據(jù)速率、高速移動性支持、大規(guī)模機(jī)器通信和超高可靠性低時延［1］。

高速無線通信的進(jìn)步，推進(jìn)自動駕駛的發(fā)展。5G對車聯(lián)網(wǎng)實質(zhì)性提升的影響可通過一組數(shù)據(jù)對比來看：自動駕駛汽車以60km／h的速度行駛，如果時延是60ms，車的制動距離大概在1m；如果是10ms的時延，車的制動距離是17cm；如果降低到5G的理論時延1ms，制動距離縮短到只有17mm，這樣，自動駕駛理論上也會更安全。5G網(wǎng)絡(luò)的容量相對4G提升1000倍；頻帶寬度提升10倍；頻譜效率提升10倍，實現(xiàn)低能耗全覆蓋。

在技術(shù)測試時，自動駕駛的速度基本不會超過60km／h，若速度過快，信號的接收、處理和發(fā)送之間會存在延遲。5G低延時連接傳輸，時延從4G時代的50ms降低到了1ms，反應(yīng)速度提升了整50倍。

5G的低時延、高帶寬、高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，提升了車輛對環(huán)境的感知、決策、執(zhí)行能力，給車聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛應(yīng)用，尤其是涉及車輛安全控制類的應(yīng)用帶來更好的基礎(chǔ)條件。需要低時延、高可靠性的涉及車輛控制類的高等級自動駕駛功能，如編隊行駛、遠(yuǎn)程控制等；對于需要大帶寬的應(yīng)用，如高精度地圖下載、視頻回傳等。5G蜂窩通信技術(shù)解決方案克服DSRC和4G蜂窩LTE的缺點(diǎn)，實現(xiàn)更安全、更強(qiáng)大的交通運(yùn)作系統(tǒng)。由傳統(tǒng)的人工駕駛藉ADAS提升為先進(jìn)的機(jī)載駕駛輔助系統(tǒng)；人工智能技術(shù)和車聯(lián)網(wǎng)讓車輛進(jìn)入自動駕駛時代。

通信技術(shù)每一次的升級及迭代，更高的網(wǎng)絡(luò)速率是升級重點(diǎn)，速率的提升將被應(yīng)用于眾多垂直行業(yè)中。5G定義了3大業(yè)務(wù)場景：eMBB（增強(qiáng)型移動寬帶）、mMTC（海量機(jī)器類通信）、uRLLC （超可靠低時延通信）［2］。

其中，eMBB主要面向3D／超高清視頻等大流量移動寬帶業(yè)務(wù)，它相當(dāng)于4G網(wǎng)絡(luò)的增強(qiáng)，用戶體驗速率在0.1～1Gb／s，峰值速率為10Gb／s；mMTC場景對應(yīng)的是物聯(lián)網(wǎng)等連接較大的應(yīng)用，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，每平方公里可支持連接100萬個設(shè)備；而uRLLC超可靠、低時延 （低于1ms）的特點(diǎn)則適合自動駕駛、工業(yè)自動化諸方面的場景要求，降低了行車風(fēng)險。大量而充分的數(shù)據(jù)還有助于ADAS系統(tǒng)和自動駕駛汽車能保持最佳安全運(yùn)行狀態(tài)。

NSA非獨(dú)立組網(wǎng)或eMBB，對于高速率、大帶寬的引入，相當(dāng)于4G網(wǎng)絡(luò)的增強(qiáng)，它的優(yōu)勢在于產(chǎn)業(yè)進(jìn)展略快，而劣勢在于不支持uRLLC、mMTC場景，而這也是NSA模式的最大缺陷。依托于4G網(wǎng)絡(luò)的NSA，其時延在幾十毫秒到幾百毫秒，也很難滿足諸如車聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)的需求。從這個角度而言，NSA并非真正的5G，SA才是“真5G”。

5G亦是先進(jìn)ADAS的需要。ADAS輔助駕駛者進(jìn)入安全可靠的汽車駕駛系統(tǒng)，有人機(jī)交互接口時，車輛安全性和道路安全性顯著增加。常見的ADAS必含車載導(dǎo)航系統(tǒng)，通常由GPS和TMC （Traffic movement control，交通控制頻道）提供交通實時信息。自動駕駛有賴于人工智能、視覺計算、雷達(dá)探測、監(jiān)控裝置和全球定位系統(tǒng)協(xié)同合作，使汽車電腦能在沒有人類主動操作的狀況下，自動安全地駕馭汽車，這需要大量的視頻采集、數(shù)據(jù)分析和不斷反饋調(diào)整，并須做到低延時。若一輛自動駕駛汽車以120km／h的速度高速行駛，必須能及時探測出前方100m范圍內(nèi)的汽車有制動動作，方能正確應(yīng)對，確保安全。

5G加人工智能 （AI）讓車輛擁有如同人一般的辨別能力。5G+AI從底層技術(shù)上的深度融合，將能感知覆蓋更多場景、彌補(bǔ)路測數(shù)據(jù)的不足，也將無人駕駛的安全性提高一個數(shù)量級，更快實現(xiàn)技術(shù)的落地和普及，大大提升出行的安全性。

2 5G通信推進(jìn)ADAS和自動駕駛

ADAS核心功能是通過預(yù)警降低碰撞風(fēng)險，將安全置于首位。機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)字化的時代，人機(jī)交互帶來新的倫理問題。自動與互聯(lián)駕駛是全面應(yīng)用人機(jī)交互的創(chuàng)新領(lǐng)域，保護(hù)人類的生命始終擁有最高的優(yōu)先權(quán)。無線通信技術(shù)與交通相結(jié)合具有3大優(yōu)勢：更安全的道路、更高效的交通路線規(guī)劃，以及更多的車內(nèi)便利性。具有無線功能的車輛可以與其他車輛和／或路邊基礎(chǔ)設(shè)施共享道路信息和交通狀況，以更好地預(yù)測潛在的風(fēng)險或路線延誤，而這惟有5G才能保證［3］。

為體現(xiàn)上述優(yōu)勢，交通中的無線通信技術(shù)使用多種通信方法，包括車輛到車輛 （V2V）、車輛到網(wǎng)絡(luò) （V2N）、車輛到基礎(chǔ)設(shè)施 （V2I）、車輛到行人 （V2P）、車輛到電網(wǎng)（V2G）以及最終的車聯(lián)網(wǎng) （V2X）。

傳感技術(shù)與人工智能 （AI）為可靠而安全的自動駕駛系統(tǒng)提供了最先進(jìn)的360°的全景影像。ADAS還包括：自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)、車道偏離警示系統(tǒng)、換車道輔助系統(tǒng)、夜視、自動轉(zhuǎn)向和制動的干預(yù)、防撞警示系統(tǒng)和后方追尾碰撞預(yù)警等，是智能控制的初步，是實現(xiàn)自動駕駛的前提。

2.1 5G克服當(dāng)前V2X的技術(shù)局限

5G信息傳遞速度大幅提升基于如下關(guān)鍵技術(shù)：頻譜擴(kuò)展、全新波形、高階調(diào)制、Massive MIMO、波束成形、全雙工、終端直通、高級信道編碼設(shè)計。5G的快速通信，亦基于基礎(chǔ)設(shè)施側(cè)的超密集的網(wǎng)絡(luò)和小、微基站等技術(shù)的支持。此外，對于萬物互聯(lián)，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化／網(wǎng)絡(luò)切片、無線軟件定義網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)更是5G的熱點(diǎn)。故4G的峰值下載速率為1Gb／s，而5G的峰值速率可達(dá)10Gb／s以上［4］。

單車的智能改裝成本甚巨。研究通用網(wǎng)關(guān)設(shè)備，討論DSRC與4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)和汽車連通性中5G無線通信的優(yōu)勢前，可先回顧認(rèn)識目前汽車行業(yè)中使用的無線通信技術(shù)：802.11p DSRC和基于LTE的蜂窩網(wǎng)絡(luò)V2X。這兩種技術(shù)都支持V2X通信，但各有利弊，而且當(dāng)前它們都無法實現(xiàn)完整的V2X體驗。當(dāng)前的技術(shù)各有優(yōu)勢和局限，DSRC以IEEE 802.11p物理層標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，在美國，還要遵守1609車載無線接入環(huán)境 （WAVE）協(xié)議；在歐洲則要符合歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會 （ETSI）的 TC-ITS歐洲標(biāo)準(zhǔn)。

802.11 p DSRC的兩大主要優(yōu)點(diǎn)是：①可立即用于汽車行業(yè)；②時延極低，僅約5ms?；诔墒斓?Wi-Fi 802.11a技術(shù)，IEEE于2010年批準(zhǔn)了802.11p規(guī)范。許多想要部署V2X（特別是V2V和V2I）通信的汽車制造商現(xiàn)在更青睞802.11p的可用性。因為DSRC是基于自組網(wǎng)的通信技術(shù)，不依賴于網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)。但802.11p需要安裝許多新的接入點(diǎn) （AP）和網(wǎng)關(guān)，這增加了完全部署的時間和成本。由于它基于免費(fèi)的Wi-Fi技術(shù)，只是因為當(dāng)前還沒有明確的商業(yè)模式，技術(shù)發(fā)展也僅有粗略的方案與方向，因而較難找到愿意支付AP部署成本的運(yùn)營商。而蜂窩網(wǎng)絡(luò)V2X（C-V2X）是汽車行業(yè)的新技術(shù)，最新的3GPP第14版定義了一些基于LTE技術(shù)的C-V2X規(guī)范 （也稱為用于車輛的LTE-V）。LTE-V支持汽車與網(wǎng)絡(luò)的無線通信 （V2N），以及V2V和V2P的器件到器件 （D2D）通信。C-V2X的一大優(yōu)勢在于它使用現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，能提供更好的安全性、更大的通信范圍以及從4G到5G及更高代的技術(shù)演進(jìn)的路徑。當(dāng)前4G LTE網(wǎng)絡(luò)上的LTE-V不能提供關(guān)鍵V2V通信所需的低時延 （現(xiàn)在的4G時延在30～100ms之間）。若領(lǐng)頭的汽車發(fā)出了緊急信號，V2V通信卻未能及時通知后續(xù)車輛，安全狀況可能會迅速惡化。

2.2 自動駕駛車輛的5G網(wǎng)關(guān)模組

2.2.1 自動駕駛車載網(wǎng)關(guān)架構(gòu)

車載的5G自動駕駛網(wǎng)關(guān)模組架構(gòu)如圖1所示。

圖1 自動駕駛車載網(wǎng)關(guān)架構(gòu)圖

通用網(wǎng)關(guān)設(shè)備，使自動駕駛車輛具備高效的網(wǎng)聯(lián)能力，可以最大程度減少智能車輛的改裝成本。自動駕駛車輛的單車必須具備的技術(shù)要求是：①集成度高、有通用適配能力（適配任何車型）；②能提供充分接入的能力；③有5G網(wǎng)絡(luò)通信與感知融合能力；④有決策下發(fā)和流量卸載能力；⑤能靈活可靠地進(jìn)行駕駛決策與控制。

通用自動駕駛車輛網(wǎng)關(guān)有如下6大特點(diǎn)。

1）專為車輛設(shè)計。為自動駕駛專項研發(fā)，更好符合車輛連接方式。

2）高精度定位服務(wù)。支持GPS、BOS、GLONASS，配備慣導(dǎo)模塊，厘米級定位。

3）高速網(wǎng)絡(luò)通信。內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)模塊，4G／5G／Wi-Fi，報告并標(biāo)定定位結(jié)果，實時圖像。

4）可視化配置。采用可視化配置方式，降低使用難度。

5）多功能接口設(shè)計。CAN口、POE口、RS222，支持車載設(shè)備連接。

6）內(nèi)置LINNX設(shè)計。有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，支持內(nèi)部程序二次開發(fā)。

2.2.2 自動駕駛車載網(wǎng)關(guān)

自動駕駛必須做到全場景高精度定位。

高精度地圖與全場景高精度定位是實現(xiàn)L5級別自助駕駛路徑規(guī)劃的前提條件。高精度定位的目的是為了提供“我在何處”的高精度位置。高精度地圖能為車輛環(huán)境感知提供輔助，告知超視距路況信息，并幫助車輛進(jìn)行規(guī)劃決策。高精度定位將自動駕駛汽車的環(huán)境感知結(jié)果與高精度地圖進(jìn)行對比，得到車輛在高精度地圖中的精確位置和姿態(tài)。單一定位方式存在局限性，需要多傳感器融合接入，借助RTK-GPS圖像定位及基站信號慣性導(dǎo)航，而融合算法需要強(qiáng)大的計算資源，又需由通信將數(shù)據(jù)傳輸?shù)組EC上，這皆需5G解決，以便能讓車輛隨時隨地知曉自己在地圖上不同環(huán)境和工況的精準(zhǔn)位置，能精準(zhǔn)標(biāo)定自身在地圖平面里，“此刻，我在這個點(diǎn)上”。

隧道中，差分GPS信號較弱，慣導(dǎo)也會產(chǎn)生累積誤差，要靠圖像和基站為車輛提供精確定位；高速公路上，可通過差分GPS、圖像和基站定位融合感知車輛的位置；在夜晚圖像感知能力較差，主要得依靠基站和差分GPS獲取車輛的位置。

差分GPS、慣導(dǎo)、圖像、基站等多種定位手段獲得的位置數(shù)據(jù)，通過5G網(wǎng)絡(luò)上傳到移動邊緣計算服務(wù)器進(jìn)行融合計算，得出車輛的精確位置，再通過5G網(wǎng)絡(luò)將位置信息回傳給車輛。高精度精準(zhǔn)定位涉及多種定位技術(shù)的融合計算，需強(qiáng)大計算資源。單車計算能力有限，需將數(shù)據(jù)傳輸?shù)組EC上。

2.3 5G通信推動邊緣計算與自動駕駛?cè)诤?/h3>

5G自動駕駛的技術(shù)演進(jìn)和測試需要通用自動駕駛網(wǎng)關(guān)。5G推動新一代通信與自動駕駛?cè)诤稀?/p>

圖2表示，從設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)層直到服務(wù)層，5G為自動駕駛提供整套的基礎(chǔ)通信、位置和計算能力，推動新一代通信技術(shù)與自動駕駛深度融合。

圖2 網(wǎng)聯(lián)自動駕駛的基礎(chǔ)能力

5G核心網(wǎng)的控制面和數(shù)據(jù)面徹底分離，NFV（Network Function Virtualization，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功能從網(wǎng)絡(luò)硬件中解耦出來；數(shù)據(jù)平面可編程）令網(wǎng)絡(luò)部署更加靈活，而使能分布式的邊緣計算部署。邊緣計算將更多的數(shù)據(jù)計算和存儲從“核心”下沉到“邊緣”，部署于接近數(shù)據(jù)源的地方，眾多數(shù)據(jù)不必再經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)到達(dá)云端處理，因而降低時延和網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，也提升了數(shù)據(jù)安全性和隱私性。這對于時延要求甚高、數(shù)據(jù)處理和存儲量極大的自動駕駛領(lǐng)域而言，至關(guān)重要。未來對于靠近車輛的移動通信設(shè)備，如基站、路邊單元等架構(gòu)或都將部署車聯(lián)網(wǎng)的邊緣計算，以完成本地端的數(shù)據(jù)處理、加密和決策，并提供實時、高可靠的通信能力。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)具備邊緣計算能力后，各核心層和終端層的計算負(fù)荷都可以整合到邊緣層進(jìn)行，極大地降低網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，同時也為低時延賦能。車輛終端層決策的最大優(yōu)勢為時延小，常用于進(jìn)行與車輛安全性緊密相關(guān)的決策，如緊急制動等。對邊緣決策計算系統(tǒng)而言，該層配備的MEC平臺具有強(qiáng)大的計算能力和虛擬化能力，能夠承載多種自動駕駛應(yīng)用，并且能夠?qū)緮?shù)據(jù)進(jìn)行匹配分流，在移動網(wǎng)絡(luò)邊緣完成對自動駕駛車輛數(shù)據(jù)分析處理。而核心層覆蓋范圍極廣，其計算能力最為強(qiáng)大，但因距離機(jī)動車較遠(yuǎn)，傳輸時延相對較大，主要進(jìn)行對時延要求不是特別敏感的初始規(guī)劃、道路級別的規(guī)劃、宏觀交通調(diào)度、車輛大數(shù)據(jù)監(jiān)管、全局路徑規(guī)劃和全局高精度地圖的管理，優(yōu)化道路整個交通網(wǎng)的車流等［8］。

5G的邊緣計算可分邊緣層部署，區(qū)域?qū)硬渴鸷秃诵膶硬渴?種類型。3種類型的邊緣計算見圖3。

圖3 3種類型的邊緣計算

3 5G為自動駕駛系統(tǒng)提升交通安全性

精準(zhǔn)定位是實現(xiàn)自動駕駛安全的基礎(chǔ)，不斷提升5G的各項基本技術(shù)性能指標(biāo)更是完善和確保交通安全的保障。

聯(lián)合國負(fù)責(zé)信息和通信技術(shù)的專門機(jī)構(gòu)——國際電信聯(lián)盟 （ITU-R）的無線通信部門確定了5G的3種主要應(yīng)用場景：增強(qiáng)移動多千兆比特寬帶、大規(guī)模高密度機(jī)器類連接以及超高可靠性低時延 （99.999%）通信。場景中的技術(shù)指標(biāo)提供了自動駕駛系統(tǒng)所需的峰值數(shù)據(jù)速率、時延、頻譜效率和連接密度，為改造駕駛體驗帶來巨大優(yōu)勢。

速度高達(dá)500km／h（310m／h）時僅有1ms的超低時延；速度高達(dá)500km／h （310m／h） 時具有20Gb／s的高峰值速率；最高可連接1000000輛汽車和器件的極高密度。

正因5G的超低時延在汽車連通性中發(fā)揮關(guān)鍵作用，推動新一代通信與自動駕駛?cè)诤?，保護(hù)人身安全。例如，在突然制動的場景中，自動駕駛系統(tǒng)和ADAS的安全功能應(yīng)立即向后續(xù)車輛發(fā)出警告，以防止連環(huán)追尾。只有當(dāng)領(lǐng)頭車的消息能夠及時傳達(dá)到跟隨車輛以便其采取規(guī)避行動時，才能實現(xiàn)這一目標(biāo)。此外，低時延的5G技術(shù)能夠更好地預(yù)防事故；特別是在非視距 （NLOS）情況下，因為基于攝像機(jī)、激光雷達(dá)或常規(guī)雷達(dá)的大多數(shù)當(dāng)前傳感器融合技術(shù)只能探測到視線 （LOS）內(nèi)的目標(biāo)。

大多數(shù)駕駛員至少需要經(jīng)過700ms的時間，方能對危險情況做出反應(yīng)，采取規(guī)避或預(yù)防行動。憑借1ms的低時延，基于5G的自動駕駛汽車和ADAS將使事故的數(shù)量大大減少，從而降低交通風(fēng)險并保護(hù)人身安全。5G還將以極快的速度向自動駕駛導(dǎo)航系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)，憑借高達(dá)20Gb／s的峰值數(shù)據(jù)速率，5G將幫助自動駕駛汽車實現(xiàn)實時的視頻和音頻娛樂。但更重要的是，5G快速可靠的數(shù)據(jù)連接可以近乎實時地下載復(fù)雜的3D地圖。除傳感器融合技術(shù)之外，自動駕駛汽車還非常依賴于精確且極為詳細(xì)的3D地圖導(dǎo)航。但是，將全省或全國的大型地圖數(shù)據(jù)集合存儲在車輛中將是一項挑戰(zhàn)。人們自然想到的解決方案是使用5G數(shù)據(jù)連接下載附近地區(qū)的最新3D地圖。人們也希望5G能在擁擠不堪的市區(qū)或人煙稀少的農(nóng)村可靠運(yùn)行，無論用戶身在何處，都能始終在線。無論您的自動駕駛汽車是停在停車場中還是在德國的高速公路上飛馳，即使速度高達(dá)500km／h（310m／h），5G都能確保所有關(guān)鍵任務(wù)無線服務(wù)無縫運(yùn)行［10］。

為使容量與覆蓋皆能大幅提升，5G還在邊入網(wǎng)邊發(fā)展邊提升，通過擴(kuò)展頻譜帶寬來提升系統(tǒng)容量、頻段范圍和安全性。頻段范圍擴(kuò)展到毫米波，單載波帶寬提升至100MHz以上。通過技術(shù)創(chuàng)新，不斷提升頻譜效率：①計劃用于5G（R16版）基于非正交性設(shè)計的NOMA，每個UE可使用所有的資源，不論基于碼域或功率域的方式，基站皆準(zhǔn)確對各UE的信道分組分配功率；②機(jī)器學(xué)習(xí)，尤其是深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)，可以基于流量狀況和無線環(huán)境動態(tài)地作出5G優(yōu)化決策，以使網(wǎng)絡(luò)始終保持最佳狀態(tài)，機(jī)器學(xué)習(xí)通過學(xué)習(xí)復(fù)雜的失真模式，實現(xiàn)以較低的SINR解調(diào)更高階的調(diào)制方式，提升系統(tǒng)的頻譜效率；③稱為“渦旋電磁波”O(jiān)AM模式因無線電波相互正交，互不干擾，在同一頻點(diǎn)上可傳輸多路調(diào)制在不同的OAM模式上的信號，從而提升頻譜效率。理論上，有幾十個不同的OAM值調(diào)制無線信號，可有效地將頻譜效率提升幾十倍；④實現(xiàn)真正全雙工，在同一頻段下同時進(jìn)行上下行信號傳輸，大幅提升頻譜效率，還能縮短傳輸時延。分離發(fā)射和接收天線，彼此間隔安裝，并由天線旁瓣抑制等辦法來實現(xiàn)去耦，再加空間路徑損耗，充分減少自干擾，提高安全性。

4 結(jié)束語

5G時代已經(jīng)到來，技術(shù)的進(jìn)步讓5G能加速自動駕駛實施，為整個交通生態(tài)圈、城市規(guī)劃帶來重大影響。中國打造“5G+智能駕駛”的智能網(wǎng)聯(lián)交通系統(tǒng)，實現(xiàn)L5級別智能駕駛的安全可商用運(yùn)營，將綜合解決混合交通環(huán)境下城市交通的安全和效率，把智能網(wǎng)聯(lián)交通系統(tǒng)，列入一體化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃［11］。