基于5G技術(shù)的自動(dòng)駕駛的汽車通信系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉華楠

一、背景

通信技術(shù)發(fā)展有著悠久的歷史，在古代人們就掌握了飛鴿傳書、烽火狼煙、驛馬傳遞等傳統(tǒng)的通信手段。

1G：使用模擬通信，只能進(jìn)行語音通話，不能進(jìn)行短信、數(shù)據(jù)上網(wǎng)等業(yè)務(wù)，使用模擬調(diào)試、頻分多址技術(shù)，頻率復(fù)用度和系統(tǒng)容量都很低，抗干擾性也很差。

2G：開啟了數(shù)字通信時(shí)代，主要是GSM網(wǎng)絡(luò)制式，通話質(zhì)量、系統(tǒng)容量以及功能相比1G得到了極大提升，除了語音通信，還可以進(jìn)行短消息、上網(wǎng)等活動(dòng)。當(dāng)前我們依然在使用2G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。2G的主要缺點(diǎn)在于網(wǎng)絡(luò)速率低，僅支持低速率的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

3G：開啟了移動(dòng)通信新紀(jì)元，在新的頻譜上制定了新的標(biāo)準(zhǔn)，能夠使用更高的傳輸速率，視頻通話、大量數(shù)據(jù)傳輸更為普遍。

4G：LTE（Long Term Evolution，長期演進(jìn)）引入了正交頻分復(fù)用（OFDM）和多輸入多輸出（MIMO）等關(guān)鍵技術(shù)，顯著提升了數(shù)據(jù)傳輸速率和頻譜效率，也降低了網(wǎng)絡(luò)部署和維護(hù)成本，是當(dāng)前主流的通信技術(shù)。

5G：最新一代的通信技術(shù)，目前還處在研究試驗(yàn)階段。5G通信技術(shù)將具備高速率，大連接，低時(shí)延，高可靠，低功耗的特點(diǎn)，從而使萬物互聯(lián)成為可能。5G將使我們未來生活的方方面面更加美好和便捷，是不可阻擋的發(fā)展趨勢。

在汽車生產(chǎn)出來不久，發(fā)明家們就已經(jīng)開始研究自動(dòng)駕駛技術(shù)了，1925年美國一家無線電控制公司展示了一個(gè)量無線電控制的無人駕駛車輛，這輛車安裝了無線電接收和控制裝置，有人在另一輛車上通過無線電遙控操作，這與我們現(xiàn)在理解的自動(dòng)駕駛不同，但這是人類在自動(dòng)駕駛領(lǐng)最早的一次嘗試，表達(dá)了人們想要解放雙手，實(shí)現(xiàn)無人駕駛的夢想。顯然，在各種技術(shù)中，通信技術(shù)的發(fā)展是實(shí)現(xiàn)無人駕駛必不可少的環(huán)節(jié)之一。

5G技術(shù)使得通信的網(wǎng)絡(luò)速率、可靠性、時(shí)延得到保障，為車聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)駕駛、AR、VR、觸覺互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制等新應(yīng)用提供支撐。

華為在韓國完成了5G技術(shù)的高低頻組網(wǎng)，連續(xù)覆蓋，移動(dòng)IPTV，4K視頻，無人機(jī)的測試。德國也在進(jìn)行基于5G網(wǎng)絡(luò)的車聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)。

自動(dòng)駕駛的發(fā)展過程可分為不同的三個(gè)階段：輔助駕駛階段，這一階段駕駛員仍舊是操作主體，車輛具備車道保持、自適應(yīng)巡航等技術(shù)輔助駕駛；半自動(dòng)駕駛階段，計(jì)算機(jī)操縱下的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)完成到達(dá)目的地的過程，受限于法律法規(guī)等因素，自動(dòng)駕駛?cè)耘f不能作為駕駛行為的主體，只可作為備用系統(tǒng)完成行駛；全自動(dòng)駕駛階段，技術(shù)、成本、法律法規(guī)等因素都允許的條件下，計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，駕駛員也可以隨時(shí)對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行控制工作的交接。

傳統(tǒng)汽車公司，從先進(jìn)的駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）切入，逐步實(shí)現(xiàn)從輔助駕駛到無人駕駛的過渡。以特斯拉（Tesla）為代表的新興汽車公司，也在自動(dòng)駕駛技術(shù)上取得了突破性進(jìn)展，采用傳感器與各種具體應(yīng)用場景相結(jié)合。他們研發(fā)的無人駕駛汽車已經(jīng)投入使用了。

自動(dòng)駕駛技術(shù)需要多個(gè)傳感器搜集多個(gè)環(huán)境數(shù)據(jù)，并需要把這些大量數(shù)據(jù)發(fā)送給其他車輛以及數(shù)據(jù)中心，當(dāng)前可用于自動(dòng)駕駛的通信系統(tǒng)只有DSRC（專用短程通信網(wǎng)絡(luò)）、LTE，目前的通信技術(shù)具有很多缺點(diǎn)，傳輸速率，傳輸時(shí)延，連接數(shù)量不能得到保障。

隨著5G技術(shù)的發(fā)展成熟，可以把5G通信技術(shù)應(yīng)用到車聯(lián)網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前自動(dòng)駕駛技術(shù)的通信系統(tǒng)優(yōu)化，提升數(shù)據(jù)傳輸速率、傳輸時(shí)延、車輛的連接數(shù)量。5G時(shí)代到來，無人駕駛和車聯(lián)網(wǎng)才能真正發(fā)展起來，并進(jìn)入我們的日常生活。

自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展和普及具有重大的現(xiàn)實(shí)意義，是順應(yīng)時(shí)代發(fā)展趨勢的產(chǎn)物。自動(dòng)駕駛將大幅提升車輛安全性，減少交通事故，并極大程度的降低交通擁堵。同時(shí)，該結(jié)束也將釋放大量勞動(dòng)力，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)革新。甚至在不久的將來，人們可能不再需要停車場，把乘客送到目的地后，車輛將自動(dòng)接待下一位乘客或者自行尋找停車點(diǎn)。這樣會(huì)讓出行變得更加便捷，免除出行者的后顧之憂。

二、5G技術(shù)和車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的相關(guān)原理

5G通信需要建設(shè)大量基站，每個(gè)基站創(chuàng)建多個(gè)小區(qū)。在此對(duì)小區(qū)做一個(gè)簡單的功能說明，小區(qū)基站無線信息的一個(gè)扇形服務(wù)區(qū)域，會(huì)提供廣播信息和專用信道，以實(shí)現(xiàn)手機(jī)或者終端的接入和通信。

車聯(lián)網(wǎng)就是以汽車為載體開展的信息服務(wù)，實(shí)現(xiàn)人、路、車的協(xié)同，是通信技術(shù)和信息技術(shù)結(jié)合體。車將實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛，車輛監(jiān)控，運(yùn)營管理，安全節(jié)油；路將實(shí)現(xiàn)道路狀況監(jiān)控，交通服務(wù)，電子地圖實(shí)時(shí)更新；人將在車聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)駕駛技術(shù)中將失去主體作用，將作為一個(gè)輔助角色，更多的是體驗(yàn)娛樂、信息咨詢。

三、車聯(lián)網(wǎng)V2X通信的實(shí)現(xiàn)

（一）信息貢獻(xiàn)和移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

公路上行駛的車輛來來往往，川流不息。自動(dòng)駕駛的車與車之間需要交互數(shù)據(jù)。成千上萬汽車的行駛在不同的城市不同的街道，實(shí)現(xiàn)所有車輛的信息交互是艱難的，也是浪費(fèi)通信資源的。比如相隔100公里的兩個(gè)車輛之間的信息交互，對(duì)于每一輛車來說是沒有用的數(shù)據(jù)。所以需要將對(duì)彼此交互的信息有用的車輛組織到一個(gè)小網(wǎng)絡(luò)中，形成一個(gè)彼此依賴的車輛群，形成移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)。

移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)是一種的臨時(shí)性自治網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化，由于車輛隨機(jī)移動(dòng)、隨時(shí)熄火停車、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時(shí)可能發(fā)生變化，而且變化的方式和速度都是不可預(yù)測的。需要設(shè)計(jì)一套移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)的方案，既要保證網(wǎng)絡(luò)的組建靈活，還需要保證通信的可靠。

自組織網(wǎng)絡(luò)組建的方案設(shè)計(jì)： 每個(gè)車輛都會(huì)接入一個(gè)小區(qū)，把自己的一些基本信息（含GPS位置信息）上報(bào)給小區(qū)，小區(qū)將這些信息廣播發(fā)送，接入該小區(qū)的其他車輛就會(huì)收到這些信息，每個(gè)車輛都可以保存這些車輛的信息，接入同一個(gè)小區(qū)車輛就自組織形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，也就是一個(gè)群，群內(nèi)的車輛都可以發(fā)送自己傳感器探測到的數(shù)據(jù)給其他車輛。當(dāng)車輛駛出該小區(qū)的覆蓋范圍時(shí)，切換到另一個(gè)小區(qū)時(shí)，就加入另一個(gè)小區(qū)下的組織網(wǎng)絡(luò)，和該小區(qū)下的所以車輛通信。

5G通信技術(shù)，支持大鏈接，接入到同一個(gè)小區(qū)下的車輛不會(huì)因?yàn)橄到y(tǒng)容量而受限無法加入自組織網(wǎng)絡(luò)；短時(shí)延特性，支持車輛間交互滿足毫秒級(jí)要求。

（二）互聯(lián)和海量連接的管理實(shí)現(xiàn)

自動(dòng)駕駛不但要求車與車要互聯(lián)，還要求車與物的互聯(lián)，比如車與路測裝置互聯(lián)。車與物的互聯(lián)形式也是多樣的動(dòng)態(tài)的。

車與路測裝置的互聯(lián)：路測裝置安裝帶運(yùn)營商SIM卡的終端，通過某個(gè)小區(qū)接入移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。路測裝置會(huì)把這一段路程的信息通過小區(qū)廣播出去，比如路面承重，限高，前方隧道，前方急轉(zhuǎn)彎，路面濕滑等信息，車輛接收信息后進(jìn)行決策，采取一定措施，比如路面濕滑就會(huì)降速。

車與物的互聯(lián)靈活多樣，針對(duì)突發(fā)情況，亦可以增加帶通信功能的裝置實(shí)現(xiàn)，比如某些情況要對(duì)某個(gè)街道交通管制，就可以在臨近路口臨時(shí)放置裝置，接入移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，通知經(jīng)過車輛前方交通管制，讓自動(dòng)駕駛車輛及時(shí)重新規(guī)劃線路。

5G的大鏈接技術(shù)，保證了海量連接成為可能。

（三）安全、高可靠、低時(shí)延的安全保障

車輛高速行駛過程中，能夠及時(shí)快速的做出響應(yīng)至關(guān)重要。比如時(shí)速80公里/小時(shí)行駛的汽車，計(jì)算可以得出每秒就可以前進(jìn)22.22米，如果車聯(lián)網(wǎng)消息按照秒級(jí)相應(yīng)，每秒22米就已經(jīng)沖出去了，事故可能已經(jīng)形成。

各個(gè)制式的網(wǎng)絡(luò)端到端通信的時(shí)延遲，當(dāng)前可用網(wǎng)絡(luò)時(shí)延最小的4G LTE網(wǎng)絡(luò)也有100毫秒的時(shí)延。

我們來計(jì)算下，什么樣數(shù)量級(jí)的時(shí)間才能滿足安全保障，80公里/小時(shí)，80×1000米/60分鐘/60秒/1000毫秒=2厘米，既1毫秒可以前進(jìn)2厘米，所以我們必須在毫秒級(jí)別實(shí)現(xiàn)各種事務(wù)的相應(yīng)。

如果自動(dòng)駕駛的多輛車依次行駛在路上，前方車輛出現(xiàn)異常，后續(xù)車輛需要在幾個(gè)毫秒內(nèi)收到消息，并作出正確決策，才能避免事故發(fā)生。只有5G技術(shù)的高可靠低時(shí)延（uRLLC）的特性才能保證交互信息在毫秒內(nèi)完成。1毫秒，這是5G網(wǎng)絡(luò)端到端時(shí)延要求，這1毫秒，汽車的制動(dòng)距離可以控制在2厘米里面，這將是車聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)駕駛技術(shù)安全的重要保障。

四、車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心

車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心包括數(shù)據(jù)管理、設(shè)備管理和運(yùn)營管理，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一安全的網(wǎng)絡(luò)接入、各種終端的靈活適配、海量數(shù)據(jù)的采集分析。車輛裝配多種的傳感器數(shù)據(jù)，采集的各種數(shù)據(jù)和GPS信息，通過5G網(wǎng)絡(luò)上報(bào)數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心通過計(jì)算，可以實(shí)時(shí)獲取車輛狀態(tài)信息、車輛位置等信息。數(shù)據(jù)中心可以有以下幾個(gè)功能：

車輛監(jiān)測——隨時(shí)隨地的對(duì)車輛進(jìn)行監(jiān)測，采集多種車輛數(shù)據(jù)，對(duì)車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)管理。

城市交通指揮——能夠整體了解整個(gè)城市車輛的動(dòng)態(tài)，大數(shù)據(jù)分析，能及時(shí)掌握道路擁堵狀況，及時(shí)的對(duì)信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。

數(shù)據(jù)推送——數(shù)據(jù)中心可以推送各種數(shù)據(jù)到車輛，比如限行信息，道路擁堵狀況，車輛能夠自動(dòng)作出決策。

車輛網(wǎng)數(shù)據(jù)中心，是各種數(shù)據(jù)的匯總，大數(shù)據(jù)的挖掘，必將關(guān)聯(lián)行業(yè)的發(fā)展。更多數(shù)據(jù)的使用需要進(jìn)一步挖掘。

五、總結(jié)與展望

各個(gè)機(jī)構(gòu)和公司正在如火如荼的研究5G，國內(nèi)外的一些運(yùn)營商已經(jīng)展開了測試，但是3GPP的5G標(biāo)準(zhǔn)正式版還沒有發(fā)布，待5G標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布后，可以根據(jù)5G標(biāo)準(zhǔn)，使用5G通信技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化自動(dòng)駕駛通信系統(tǒng)。如下幾方面可以進(jìn)一步研究優(yōu)化：

多個(gè)運(yùn)營商時(shí)自動(dòng)駕駛通信系統(tǒng)需要進(jìn)一步研究優(yōu)化，相鄰的兩輛車使用了不同運(yùn)行商的網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)營商與運(yùn)營商雖然都是5G標(biāo)準(zhǔn)，但跨運(yùn)營商，仍然有時(shí)間消耗，時(shí)延需要進(jìn)一步優(yōu)化。

小區(qū)邊緣車輛的網(wǎng)絡(luò)組織，基站可以創(chuàng)建一個(gè)或者多個(gè)小區(qū)，多個(gè)基站創(chuàng)建的小區(qū)就可以覆蓋整個(gè)城市，整個(gè)鄉(xiāng)村，整個(gè)國家了，自動(dòng)駕駛的汽車是移動(dòng)，必然會(huì)在多個(gè)小區(qū)間切換，當(dāng)車輛移動(dòng)到小區(qū)邊緣時(shí)，時(shí)延可能增大，速率降低，小區(qū)邊緣車輛的通信需要考慮進(jìn)一步優(yōu)化。

車輛網(wǎng)自動(dòng)駕駛技術(shù)，將從根本上改變傳統(tǒng)車輛控制方式，可以大大提高交通系統(tǒng)的效率和安全性，各個(gè)車企和公司在大力發(fā)展自動(dòng)駕駛技術(shù)，自動(dòng)駕駛技術(shù)是未來汽車發(fā)展的重要方向。隨著傳感器探測技術(shù)的日漸成熟，5G通信技術(shù)的普及，讓車聯(lián)網(wǎng)信息交互更快更可靠。使用5G通信技術(shù)的車輛網(wǎng)支持的自動(dòng)駕駛技術(shù)將在不久的將來進(jìn)入我們的日常生活。