MEC在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的應(yīng)用探討

1 引言

技術(shù)的快速進(jìn)步讓人們對(duì)生活便利的需求更加強(qiáng)烈，對(duì)車(chē)輛駕駛和出行產(chǎn)生了更高的期待。由谷歌掀起的自動(dòng)駕駛浪潮正在席卷汽車(chē)制造領(lǐng)域和互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。通信技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、人工智能技術(shù)的進(jìn)步為自動(dòng)駕駛奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。自動(dòng)駕駛高度依賴(lài)廣泛的感知、實(shí)時(shí)的處理和智能決策，而傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)集中式的處理機(jī)制無(wú)法滿(mǎn)足其嚴(yán)苛的需求。MEC（多接入邊緣計(jì)算）技術(shù)為自動(dòng)駕駛提供了技術(shù)保障。

本文首先介紹了自動(dòng)駕駛的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和發(fā)展現(xiàn)狀，論述了自動(dòng)駕駛對(duì)MEC的需求，然后介紹了MEC的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展、架構(gòu)及功能。針對(duì)自動(dòng)駕駛的特殊需求，探討了MEC的應(yīng)用場(chǎng)景及能力需求，最后展望了MEC在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的商業(yè)模式。

2 自動(dòng)駕駛技術(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 自動(dòng)駕駛技術(shù)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

NHSTA（美國(guó)國(guó)家高速路安全管理局）和SAE International（即國(guó)際汽車(chē)工程師協(xié)會(huì)）對(duì)自動(dòng)駕駛發(fā)展程度率先給出了分級(jí)定義標(biāo)準(zhǔn)，將智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的無(wú)人駕駛程度由低到高分為幾個(gè)層級(jí)，即無(wú)自動(dòng)駕駛輔助功能（Level 0）、特定自動(dòng)駕駛輔助功能（Level 1）、部分自動(dòng)駕駛輔助功能（Level 2）、有條件自動(dòng)駕駛（Level 3）以及高度自動(dòng)駕駛和無(wú)人駕駛（Level 4和Level 5），如表1所示。

表1 自動(dòng)駕駛分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表1中的SAE J3016標(biāo)準(zhǔn)被美國(guó)交通運(yùn)輸部（DoT）“聯(lián)邦自動(dòng)駕駛汽車(chē)政策”采用的同時(shí)，自動(dòng)駕駛汽車(chē)技術(shù)的其他利益相關(guān)者均參考了該份文件，該文件事實(shí)上已經(jīng)成為全球標(biāo)準(zhǔn)。

2020年3月9日，工信部發(fā)布《汽車(chē)駕駛自動(dòng)化分級(jí)》推薦性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)報(bào)批公示，擬于2021年1月1日開(kāi)始實(shí)施?！镀?chē)駕駛自動(dòng)化分級(jí)》是我國(guó)智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)體系的基礎(chǔ)類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)之一，將為我國(guó)后續(xù)自動(dòng)駕駛相關(guān)法律、法規(guī)、強(qiáng)制類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)提供支撐。

2.2 邁向自動(dòng)駕駛的技術(shù)路徑

在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛方面，互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)與傳統(tǒng)汽車(chē)制造商選擇了截然不同的發(fā)展路徑。傳統(tǒng)汽車(chē)制造商根據(jù)現(xiàn)有的產(chǎn)品（汽車(chē)）從技術(shù)可靠性和成本可行性出發(fā)，選擇從自動(dòng)駕駛的較低階段逐步開(kāi)發(fā)升級(jí)到高級(jí)階段。而互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)則以自動(dòng)駕駛最高階段為目標(biāo)，不考慮成本，直接以高配置零部件和自研的自動(dòng)駕駛核心平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)[1]。兩類(lèi)企業(yè)的實(shí)現(xiàn)路徑如表2所示。

表2 自動(dòng)駕駛研發(fā)路徑

互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)和汽車(chē)制造商的大量經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)證明，基于“單車(chē)智能”的方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛存在著成本高昂，系統(tǒng)復(fù)雜和安全短板等問(wèn)題。從SAE的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容看，劃分了人和系統(tǒng)的責(zé)任和權(quán)限，但沒(méi)有考慮到人、車(chē)與環(huán)境的交互協(xié)同，因此越來(lái)越多的從業(yè)者提出自動(dòng)駕駛需要從“單車(chē)智能”逐步向“車(chē)路協(xié)同”發(fā)展和演進(jìn)。兩種方式的特點(diǎn)如表3所示。

表3 單車(chē)智能和車(chē)路協(xié)同特點(diǎn)

3 自動(dòng)駕駛對(duì)網(wǎng)絡(luò)能力的需求

自動(dòng)駕駛需要感知和采集大量的數(shù)據(jù)。從傳感器數(shù)量來(lái)看，L2級(jí)自動(dòng)駕駛通常需要3顆以上雷達(dá)，以及至少一顆攝像頭；而五級(jí)自動(dòng)駕駛，至少需要10顆雷達(dá)、8顆攝像頭以及1顆激光雷達(dá)，其次還需要配置超聲波傳感器及車(chē)內(nèi)攝像頭。英特爾推算，全自動(dòng)駕駛時(shí)代，每輛汽車(chē)每天產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量高達(dá)4 000 GB。大量的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫耍枰W(wǎng)絡(luò)提供高帶寬，低時(shí)延的傳輸能力。

自動(dòng)駕駛需要實(shí)時(shí)采集海量傳感器數(shù)據(jù)，對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行極速處理，根據(jù)采集到的傳感器數(shù)據(jù)做出合理決策，并實(shí)時(shí)將決策發(fā)送至執(zhí)行部件，計(jì)算力需求急劇增加。同時(shí)，非自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的技術(shù)演進(jìn)也對(duì)計(jì)算力提出了要求。虛擬數(shù)字儀表板、高分辨率屏幕、語(yǔ)音識(shí)別及手勢(shì)操作等部件和功能的引入，對(duì)計(jì)算力的需求也越來(lái)越高。據(jù)報(bào)道“自動(dòng)駕駛級(jí)別每升高一級(jí)，對(duì)計(jì)算力的需求至少增加十倍”。

低延時(shí)同樣是自動(dòng)駕駛必不可少的前提條件。只有能夠做到毫秒級(jí)的響應(yīng)，才能夠及時(shí)分析、處理、決策和執(zhí)行，從而保證駕駛安全。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，輔助駕駛時(shí)延不超過(guò)100 ms，自動(dòng)駕駛時(shí)延不超過(guò)20 ms。

4 MEC的功能和架構(gòu)

4.1 MEC的提出

MEC是歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)ETSI 2013年提出并主推的概念，其基本思想是通過(guò)將能力下沉到網(wǎng)絡(luò)邊緣，在靠近用戶(hù)的位置上，提供IT的服務(wù)、環(huán)境和云計(jì)算能力，以滿(mǎn)足低時(shí)延、高帶寬的業(yè)務(wù)需求[3]。

2017年底，ETSI MEC標(biāo)準(zhǔn)化組織已經(jīng)完成了第一階段（Phase I）基于傳統(tǒng)4G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的部署，定義了MEC的應(yīng)用場(chǎng)景、參考架構(gòu)、邊緣計(jì)算平臺(tái)應(yīng)用支撐API、應(yīng)用生命周期管理與運(yùn)維框架、以及無(wú)線(xiàn)側(cè)能力服務(wù)API（RNIS/定位/帶寬管理）。2018年9月完成了第二階段（Phase II）的工作內(nèi)容，主要聚焦于包括5G、Wi-Fi、固網(wǎng)在內(nèi)的多接入邊緣計(jì)算系統(tǒng)，重點(diǎn)完成了MEC in NFV融合的標(biāo)準(zhǔn)化參考模型、端到端邊緣應(yīng)用移動(dòng)性、網(wǎng)絡(luò)切片支撐、合法監(jiān)聽(tīng)、基于容器的應(yīng)用部署、V2X支撐、Wi-Fi與固網(wǎng)能力開(kāi)放等研究項(xiàng)目[5]。

在ETSI制定的“MEC全球標(biāo)準(zhǔn)003版本”（GS MEC 003）中，ETSI定義了移動(dòng)邊緣計(jì)算基于網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）的參考架構(gòu)，其服務(wù)器端結(jié)構(gòu)如圖1所示[10,13]。

圖1 移動(dòng)邊緣服務(wù)器（MEC Host）

① 虛擬化基礎(chǔ)架構(gòu)（Virtualization Infrastructure）基于通用服務(wù)器的計(jì)算、存儲(chǔ)等物理資源，為應(yīng)用層提供了靈活高效、獨(dú)立運(yùn)行的平臺(tái)環(huán)境；

② 移動(dòng)邊緣平臺(tái)（MEC Platform）負(fù)責(zé)提供移動(dòng)邊緣應(yīng)用程序（MEC APP）所需的基礎(chǔ)環(huán)境，如移動(dòng)邊緣服務(wù)發(fā)現(xiàn)、公布、消費(fèi)和提供，提供包括域名、路由規(guī)則管控、數(shù)據(jù)分流、存儲(chǔ)及時(shí)間管理服務(wù)。

③ 移動(dòng)邊緣應(yīng)用（MEC APP）是基于虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施形成的虛擬應(yīng)用程序，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序接口和第3方應(yīng)用程序?qū)?，并為用?hù)提供服務(wù)。

4.2 MEC的主要特點(diǎn)和應(yīng)用

根據(jù)MEC規(guī)劃的目標(biāo)和特點(diǎn)，可以劃分為兩大類(lèi)主要應(yīng)用。

（1）信息匯聚和分發(fā)類(lèi)：MEC部署在網(wǎng)絡(luò)邊緣，天然具備高帶寬低時(shí)延的能力，能夠提高業(yè)務(wù)質(zhì)量，降低業(yè)務(wù)時(shí)延，提升業(yè)務(wù)安全等級(jí)。如V2V、V2I的信息轉(zhuǎn)發(fā)、車(chē)輛與車(chē)輛直接的感知數(shù)據(jù)共享（如See Through場(chǎng)景），動(dòng)態(tài)高精地圖及影音視頻流的下發(fā)等。

（2）信息處理與增強(qiáng)類(lèi)：利用MEC的存儲(chǔ)及計(jì)算能力進(jìn)行信息處理、增強(qiáng)以及合成。如視頻流的實(shí)時(shí)分析與處理、AR/VR、在線(xiàn)游戲、違章預(yù)警、危險(xiǎn)駕駛處理、交叉路口通信及大范圍協(xié)同調(diào)度等。

5 自動(dòng)駕駛中MEC的應(yīng)用場(chǎng)景

MEC在自動(dòng)駕駛中的應(yīng)用有很多，下面選取4個(gè)典型場(chǎng)景進(jìn)行說(shuō)明。

5.1 動(dòng)態(tài)高精度地圖

傳統(tǒng)地圖提供地理位置、路線(xiàn)、POI等信息，主要以人為使用者進(jìn)行設(shè)計(jì)的。想實(shí)現(xiàn)L3級(jí)別和更高的自動(dòng)駕駛，必須要使用到高精度地圖。高精度地圖將大量的行車(chē)輔助信息存儲(chǔ)為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包含如更加精確的車(chē)道線(xiàn)的位置、類(lèi)型、寬度、坡度和曲率等車(chē)道信息，除此之外還包含周邊道路環(huán)境的點(diǎn)云模型信息等，高精度道路導(dǎo)航地圖的數(shù)據(jù)量是普通地圖的105倍甚至更多。

在MEC部署的區(qū)域，車(chē)載雷達(dá)、視頻等傳感器，路測(cè)攝像頭等設(shè)備采集到的實(shí)時(shí)環(huán)境信息，可以實(shí)時(shí)上傳至MEC進(jìn)行高精度地圖的制作。行駛過(guò)程中，車(chē)輛向MEC發(fā)送自身位置和目標(biāo)地理位置請(qǐng)求，MEC根據(jù)請(qǐng)求向車(chē)輛推送目標(biāo)位置的高精度地圖。此外，當(dāng)傳感器檢測(cè)到現(xiàn)實(shí)環(huán)境信息與高精度地圖不匹配時(shí)也會(huì)將采集到的信息上傳給MEC，由MEC更新補(bǔ)充高精度地圖。

5.2 軟件升級(jí)服務(wù)

空中下載技術(shù)（OTA）是自動(dòng)駕駛汽車(chē)必須具備的能力。通過(guò)OTA可以更新和升級(jí)地圖導(dǎo)航、信息娛樂(lè)操作系統(tǒng)、車(chē)機(jī)Tbox軟件、媒體應(yīng)用程序以及自動(dòng)駕駛應(yīng)用軟件等。

MEC部署在網(wǎng)絡(luò)邊緣，靠近用戶(hù)終端，基于MEC的軟件升級(jí)服務(wù)能夠降低核心網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，提高升級(jí)速度。由于MEC位于運(yùn)營(yíng)商通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，與外部互聯(lián)網(wǎng)隔離，天然具有高安全性，因此基于MEC的OTA的安全性、可靠性能夠得到有效保障。

5.3 車(chē)載信息增強(qiáng)

自動(dòng)駕駛技術(shù)能夠解放駕駛?cè)藛T的手、眼和腦，讓司乘人員有更多時(shí)間去體驗(yàn)和享受各種應(yīng)用和樂(lè)趣?；贛EC的車(chē)載信息增強(qiáng)場(chǎng)景比比皆是。比如，在行駛過(guò)程中乘客發(fā)現(xiàn)感興趣的車(chē)外建筑或場(chǎng)所，并將視線(xiàn)固定于目標(biāo)時(shí)，人工智能技術(shù)會(huì)用視線(xiàn)追蹤功能調(diào)取乘客感興趣的建筑或場(chǎng)所信息，在屏幕上形成AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）體驗(yàn)[7]。在路況擁塞時(shí)，后車(chē)可以請(qǐng)求共享前車(chē)的視頻圖像信息，實(shí)時(shí)了解擁塞狀況和原因。MEC可以為這種前后車(chē)See-Through提供高算力和低時(shí)延能力。其他如車(chē)內(nèi)的視頻直播、實(shí)時(shí)游戲等也需要MEC的支持。

5.4 大范圍協(xié)同調(diào)度

在交叉路口或者更大范圍的交通繁忙區(qū)域，道路、車(chē)輛、行人等情況復(fù)雜，如果沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)則和系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度，各自按照個(gè)體認(rèn)為的最優(yōu)方案行進(jìn)，可能會(huì)造成更大的混亂。在MEC上部署協(xié)同調(diào)度功能，根據(jù)區(qū)域內(nèi)車(chē)輛密度、道路擁堵嚴(yán)重程度、擁堵節(jié)點(diǎn)位置以及車(chē)輛、行人目標(biāo)位置等信息，與城市交通云智慧中心協(xié)同，以全局最優(yōu)為出發(fā)點(diǎn)，利用優(yōu)化算法開(kāi)展交通調(diào)度功能，能夠達(dá)到安全、高效的調(diào)度目標(biāo)[9]。

由于車(chē)輛行駛過(guò)程中發(fā)生不同基站、不同MEC區(qū)域的切換，因此移動(dòng)性場(chǎng)景下，保證用戶(hù)會(huì)話(huà)以及業(yè)務(wù)的連續(xù)性是保障用戶(hù)體驗(yàn)的關(guān)鍵。解決思路主要有基于行駛路徑預(yù)測(cè)技術(shù)和輕量級(jí)VM和數(shù)據(jù)遷移技術(shù)[11]。目前ETSI和各大廠商也在逐步解決移動(dòng)性問(wèn)題，相信隨著研究的不斷深入，移動(dòng)性問(wèn)題會(huì)得到全方位解決。

6 自動(dòng)駕駛中的MEC商業(yè)模式

6.1 參與方及需求

在自動(dòng)駕駛服務(wù)的生態(tài)鏈中，MEC作為服務(wù)的一個(gè)重要元素，被眾多參與者集成，并以多樣化的商品形式為最終用戶(hù)提供服務(wù)。可以將基于MEC的自動(dòng)駕駛服務(wù)提供方分為3類(lèi)，如圖2所示。

圖2 自動(dòng)駕駛服務(wù)的參與方

（1）MEC能力服務(wù)商

MEC作為一種基礎(chǔ)硬件資源，一般由電信運(yùn)營(yíng)商負(fù)責(zé)建設(shè)并對(duì)外提供基礎(chǔ)能力。MEC的能力可以通過(guò)能力開(kāi)放平臺(tái)對(duì)外部使用者所調(diào)用。隨著電信行業(yè)的逐步開(kāi)放，也會(huì)產(chǎn)生一些專(zhuān)業(yè)的MEC能力提供商，他們或者在電信運(yùn)營(yíng)商的MEC能力覆蓋的地方補(bǔ)強(qiáng)MEC能力，或者在某些特定的行業(yè)領(lǐng)域提供個(gè)性化、差異化的MEC能力，彌補(bǔ)電信運(yùn)營(yíng)商通用能力的不足。

（2）基礎(chǔ)應(yīng)用服務(wù)提供商

自動(dòng)駕駛服務(wù)需要集成眾多的應(yīng)用能力，如高精度地圖、高精度定位、圖像視頻分析、AR增強(qiáng)等能力。而這些應(yīng)用服務(wù)提供商同樣也需要MEC的能力進(jìn)行服務(wù)增強(qiáng)。如高精度地圖服務(wù)商需要MEC提供大帶寬、低時(shí)延的下載服務(wù)，圖像視頻分析等服務(wù)需要MEC提供強(qiáng)大的算力等。

（3）自動(dòng)駕駛服務(wù)提供商

典型的自動(dòng)駕駛服務(wù)提供商包含汽車(chē)制造商和自動(dòng)駕駛運(yùn)營(yíng)服務(wù)提供商，前者如生產(chǎn)和售賣(mài)支持自動(dòng)駕駛功能的車(chē)企，如寶馬、上汽、廣汽等；后者主要以互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)為主，如百度、滴滴、文遠(yuǎn)知行等。

6.2 商業(yè)模式分析

MEC作為一種基礎(chǔ)資源能力，既可以直接服務(wù)最終用戶(hù)（如算力、帶寬），也可以被眾多的自動(dòng)駕駛參與方集成以多樣化的自動(dòng)駕駛服務(wù)對(duì)外提供服務(wù)。由于參與方眾多，存在多種服務(wù)提供模式分析如表4所示。

表4 MEC的商業(yè)模式和計(jì)費(fèi)方式

7 結(jié)束語(yǔ)

MEC能夠降低智能汽車(chē)自身的算力要求，降低時(shí)延，為自動(dòng)駕駛賦能，但在安全性、可靠性等方面還需要進(jìn)一步研究[8]。ETSI、3GPP等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織正在研究MEC如何與5G網(wǎng)絡(luò)相互融合，以滿(mǎn)足5G的關(guān)鍵性能指標(biāo)要求及特定的業(yè)務(wù)場(chǎng)景需求[15]。未來(lái)，MEC的應(yīng)用將會(huì)更加延伸到其他各個(gè)行業(yè)如游戲、旅游、體育、交通、工業(yè)控制等領(lǐng)域。MEC技術(shù)也將隨著行業(yè)應(yīng)用的深入得到進(jìn)一步發(fā)展，商業(yè)模式也會(huì)得到更廣泛的創(chuàng)新和驗(yàn)證。