基于5G智慧園區(qū)的車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用示范*

劉琪，洪高風(fēng)，梁鵬，夏俊杰，許幸榮，宋蒙，曾傳鑫

（1.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司智能城市研究院，北京 100048；2.北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京 100044）

0 引言

近年來，隨著5G技術(shù)的商業(yè)化落地以及智慧交通相關(guān)標準體系的進一步完善，智慧交通的商業(yè)化落地方案也被提上日程。5G網(wǎng)絡(luò)由于其具備的超大帶寬、超低時延、超大連接特性，可以很好地支持車聯(lián)網(wǎng)場景下高移動性的智能網(wǎng)聯(lián)汽車對低時延網(wǎng)絡(luò)性能的需求。與此同時，我國已建成多個國家級的智能網(wǎng)聯(lián)汽車測試示范區(qū)用于協(xié)助和推進相關(guān)企業(yè)開展網(wǎng)聯(lián)汽車路試工作[1]，這為車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展帶來歷史性的機遇。然而，考慮到智慧交通系統(tǒng)的商業(yè)化仍面臨著資金需求大、實際運營需求不清晰等一系列問題，在短期內(nèi)難以實現(xiàn)大規(guī)模的部署。

智慧園區(qū)作為智慧城市的重要功能載體，其中的運營管理模式以及車聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的應(yīng)用場景都有著較為明確的限定，現(xiàn)階段可較好地實現(xiàn)全時空、全方位、全要素的數(shù)字化建設(shè)，進而成為智慧城市建設(shè)的示范案例[2]。

當(dāng)下，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)界基于5G車聯(lián)網(wǎng)研究已將5G網(wǎng)絡(luò)作為實現(xiàn)車、路、云實時信息交互的重要載體[3]。在新型車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，路端的基礎(chǔ)設(shè)施需要實現(xiàn)全面信息化；車載終端需要實現(xiàn)智能化；云端則需要具備一體化管控能力。本文將以首鋼冬奧園區(qū)為部署場景，提出了一套基于5G+C-V2X的智慧園區(qū)車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，對該系統(tǒng)下的應(yīng)用需求以及涉及到的技術(shù)進行了詳細介紹，并給出了相關(guān)的應(yīng)用案例。

1 5G賦能智慧交通

5G的大帶寬、低延時、超大連接等特性，為交通設(shè)備、基礎(chǔ)設(shè)施、運輸服務(wù)和管理提供了全新的技術(shù)方案，為傳統(tǒng)交通向智慧化方向發(fā)展提供了新動能，降低了傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的延遲，提升了網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性和吞吐量。與此同時，5G移動通信中具備具有大帶寬、低延時、本地化等特點的移動邊緣計算（MEC,Mobile Edge Computing）技術(shù)，可以有效地提高傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的邊緣計算和存儲能力，從而實現(xiàn)在移動網(wǎng)絡(luò)邊緣部署應(yīng)用服務(wù)環(huán)境，使智能車輛更加接近相應(yīng)的服務(wù)平臺。這些都為車聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的高級V2X應(yīng)用落地提供了有力的支持。與傳統(tǒng)的V2X技術(shù)相比，5G-V2X技術(shù)在端到端時延、可靠性、負載、數(shù)據(jù)傳輸率、傳輸距離等性能上都有了較大的提升，具體性能參數(shù)對比如表1所示：

表1 性能參數(shù)對比

3GPP定義了5G車聯(lián)網(wǎng)中的相關(guān)應(yīng)用及網(wǎng)絡(luò)性能需求，并制定了相關(guān)的標準[4]。早先發(fā)布的5G V2X Release 14版本中定義了用于支持相應(yīng)的智慧交通用例，如前向碰撞警告等。后續(xù)發(fā)布的Release 15版本中的新用例更專注于自動駕駛相關(guān)的業(yè)務(wù)需求，包括排隊、傳感器和地圖共享、部分/有條件、高/全自動駕駛的信息共享，以及遠程駕駛等相關(guān)。這些應(yīng)用可能需要高達50pps的傳輸，最大可容忍延遲介于3～10 ms，以及高達99.99%的可靠性（根據(jù)PDR定義）。為了支持這些需求，3GPP從不同層面對5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)展開了針對性的研究。在接入層，提出了基于5G通信的可變幀結(jié)構(gòu)，其中子載波的間隔可變，可通過增大子載波間隔來減小slot的長度，與60 kHz的子載波間隔相對應(yīng)的為0.125 ms的slot。從時域上來看，從4G對應(yīng)的1 ms到5G對應(yīng)的0.125 ms，大大地縮短了傳輸時間。在核心網(wǎng)架構(gòu)方面，提出了網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，可以根據(jù)對時延、帶寬、可靠性等方面的需求將物理網(wǎng)絡(luò)劃分為多個虛擬網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)每一個虛擬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)于不同的業(yè)務(wù)，具備很強的靈活性。

2 園區(qū)智慧交通需求分析

本節(jié)將以首鋼冬奧智慧園區(qū)相關(guān)的智慧交通業(yè)務(wù)需求為主要研究目標，首先對當(dāng)前園區(qū)內(nèi)的基本環(huán)境進行了介紹，在此基礎(chǔ)之上對園區(qū)內(nèi)的智慧交通業(yè)務(wù)場景以及需求進行了分析。

2.1 園區(qū)內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境

首鋼冬奧園區(qū)是北京2022年冬奧會和冬殘奧會組織委員會駐地，2018年10月中國聯(lián)通和首鋼集團完成戰(zhàn)略合作伙伴簽約，將聯(lián)手把首鋼園區(qū)打造成國內(nèi)首個5G示范園區(qū)，并在建設(shè)5G產(chǎn)業(yè)園區(qū)、推動智慧園區(qū)規(guī)劃設(shè)計和示范應(yīng)用、自動駕駛等方面展開戰(zhàn)略合作[5]。目前，首鋼冬奧園內(nèi)智慧交通相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施包含了5G基站、路側(cè)單元（RSU,Road Side Unit）、雷達、攝像頭和MEC服務(wù)器等。其中，由中國聯(lián)通部署的17個5G基站已實現(xiàn)園區(qū)5G網(wǎng)絡(luò)全覆蓋。

2.2 園內(nèi)業(yè)務(wù)需求分析

首鋼冬奧園區(qū)作為國家級訓(xùn)練場和冬奧會比賽所在地，會有大量的工作人員、運動員、觀眾等冬奧會參與群體的出行及接駁需求，以及在園生活期間時日用品采購及運輸需求。園區(qū)人流、車流、物流呈現(xiàn)高流量、高密度及潮汐特征。根據(jù)不同的業(yè)務(wù)場景，我們從業(yè)務(wù)運營及網(wǎng)聯(lián)環(huán)境搭建兩個角度分析對園內(nèi)智能車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)的需求。

（1）業(yè)務(wù)運營

1）接駁擺渡

無人接駁擺渡車可根據(jù)事前規(guī)劃好的路線，在園區(qū)實現(xiàn)自動巡航行駛。車輛具備車內(nèi)監(jiān)控（客流監(jiān)控、車身狀態(tài)監(jiān)控）、電子支付、信息發(fā)布（天氣、賽況轉(zhuǎn)播）等能力。用戶可通過APP預(yù)約上車站點，系統(tǒng)會為其預(yù)留座位，減少用戶在站點排隊候車時間。

2）無人零售

在園區(qū)主干道實現(xiàn)流動售貨，滿足園區(qū)不同人群對日用品、零食、紀念品的隨機采購需求。車輛能夠?qū)崿F(xiàn)巡航售賣、招手即停等。用戶能夠?qū)崟r查詢車輛位置，按需采購。

3）物資派送

實現(xiàn)小件商品（如外賣、小型包裹等）的快速配送。小車可自主靈活穿梭人流，自動進入樓宇、酒店。配送車輛具備掃碼取貨、掃碼在線支付等能力。

4）自主泊車

用戶在下車后啟動一鍵泊車程序，車輛自動駕駛完成在停車場的泊車入位；用戶準備回家時啟動“一鍵取車”功能，車輛自動駕駛從車位駛出，來到用戶身邊，實現(xiàn)自主接駕。停車場管理平臺對車位、繳費實現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)管。

（2）網(wǎng)聯(lián)環(huán)境搭建

1）交通基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)聯(lián)升級。包括在路側(cè)布設(shè)RSU、感知設(shè)備（攝像頭、雷達等）、接入交通信號燈等。通過交通基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)聯(lián)化和智慧化升級實現(xiàn)動靜態(tài)交通環(huán)境信息的實時采集。

2）5G+C-V2X通信系統(tǒng)。在園區(qū)部署5G+C-V2X融合通信網(wǎng)絡(luò)，并在園區(qū)實現(xiàn)連續(xù)覆蓋，網(wǎng)絡(luò)時延能夠達到10 ms以內(nèi)，帶寬超過1 G/s。以及助力園區(qū)自動駕駛車輛實現(xiàn)網(wǎng)聯(lián)式高級別自動駕駛和遠程駕駛。

3）高精度定位網(wǎng)絡(luò)。在園區(qū)實現(xiàn)遮擋環(huán)境和非遮擋環(huán)境下高精度定位網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)覆蓋，定位精度需達到厘米級。

綜上，從業(yè)務(wù)運營需求和網(wǎng)聯(lián)環(huán)境搭建角度，需要完成5G+智能車聯(lián)網(wǎng)在融合組網(wǎng)、高精度定位、智能交通基礎(chǔ)設(shè)施升級、L4自動駕駛研發(fā)等角度的關(guān)鍵技術(shù)研究、產(chǎn)品研發(fā)、建設(shè)等，并在無人接駁、無人零售、自動泊車等關(guān)鍵場景下開展業(yè)務(wù)示范，為冬奧會提供安全高效的出行環(huán)境。

3 智能車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

本節(jié)將介紹針對面向首鋼冬奧園區(qū)典型出行業(yè)務(wù)需求提出的一套安全高效的智能車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括基于5G+C-V2X融合組網(wǎng)、5G+北斗高精度定位網(wǎng)絡(luò)、L4自動駕駛車輛以及面向園區(qū)運營的主系統(tǒng)平臺等核心功能。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于5G+C-V2X+北斗的智能車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

3.1 基于5G和C-V2X的車聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)

園區(qū)內(nèi)車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)基于5G+C-V2X融合組網(wǎng)解決方案，打造基于5G+C-V2X的全域交通態(tài)勢感知車路協(xié)同系統(tǒng)?；贛EC的5G網(wǎng)絡(luò)，可實現(xiàn)時延小于10 ms的網(wǎng)絡(luò)傳輸，以保證車端與平臺的實時信息交互，滿足智能駕駛安全需求。5G網(wǎng)絡(luò)提供的大帶寬傳輸特性，能夠?qū)崿F(xiàn)車端路端視頻、激光雷達點云數(shù)據(jù)的實時上傳，上行數(shù)據(jù)速率達到150 Mbps以上，有效支撐車路協(xié)同及交通態(tài)勢預(yù)測。此外，5G與C-V2X融合組網(wǎng)，通過全局與區(qū)域通信的優(yōu)勢互補，構(gòu)建安全高效智能車聯(lián)網(wǎng)，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時通過研發(fā)智能路側(cè)融合感知算法并將其部署在路側(cè)MEC上，實現(xiàn)視頻、雷達、RSU等多源數(shù)據(jù)的本地實時處理，實現(xiàn)全域交通態(tài)勢感知車路協(xié)同。方案架構(gòu)如圖2所示：

圖2 基于5G和C-V2X的融合通信網(wǎng)絡(luò)

本方案中車路協(xié)同點位于園區(qū)主要干道兩側(cè)及關(guān)鍵路口，通過部署攝像頭、雷達等感知設(shè)備、對接信號燈等實現(xiàn)全域交通路況信息采集，路側(cè)MEC內(nèi)部署了基于感知的多源異構(gòu)融合感知算法，并針對冬奧場景開展算法研發(fā)與優(yōu)化，可實現(xiàn)大雪、多霧等天氣下的交通視頻檢測及跟蹤。含有5G和LTE-V通信模塊的RSU可為智能網(wǎng)聯(lián)車輛、自動駕駛車輛提供路側(cè)高精度定位信息播發(fā)和高精度地圖下載能力，助力車輛構(gòu)建“場端+車端”的全域協(xié)同感知和定位導(dǎo)航體系。車路協(xié)同多源異構(gòu)融合感知體系架構(gòu)如圖3所示：

圖3 車路協(xié)同多源異構(gòu)融合感知體系

3.2 基于5G+北斗的室內(nèi)外一體化高精度定位網(wǎng)絡(luò)

本方案針對遮擋環(huán)境下難以實現(xiàn)衛(wèi)星高精度定位的問題，提出了5G、北斗、車輛傳感等多種技術(shù)融合的定位方案，形成了一套基于5G+北斗的室內(nèi)外一體化高精度定位體系架構(gòu)。該體系架構(gòu)用于研發(fā)車輛高精度定位設(shè)備與云服務(wù)，實現(xiàn)了在首鋼園區(qū)遮擋環(huán)境下0.1 m定位精度的技術(shù)突破，并且為園區(qū)無人駕駛車輛提供無縫的室內(nèi)外高精度定位及路徑導(dǎo)航。體系架構(gòu)如圖4所示。

圖4 基于5G+北斗的室內(nèi)外一體化高精度定位體系

通過在園區(qū)內(nèi)部署5G基站、北斗地基增強站以及搭載了定位能力的智能路側(cè)設(shè)備，可構(gòu)建基于5G+北斗的多源融合高精定位體系。通過高精度位置服務(wù)平臺，可實現(xiàn)厘米級精準定位、實時軌跡跟蹤、動態(tài)路徑規(guī)劃等業(yè)務(wù)。云端位置信息和車載自身感知能力的有機結(jié)合，助力園區(qū)內(nèi)的L4自動駕駛小汽車、無人巴士及無人零售車實現(xiàn)高精準的自動駕駛。在地下停車場部署了基于5G+北斗+UWB室內(nèi)外一體化高精度定位系統(tǒng)，助力實現(xiàn)自主泊車業(yè)務(wù)，包括車位的快速尋找、駛?cè)腭偝黾熬珳释？康裙δ堋?/p>

3.3 L4級別自動駕駛

L 4 是目前業(yè)內(nèi)最高自動駕駛級別，本系統(tǒng)基于5G+C-V2X+北斗高精度定位的智能車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，開展限定條件城市道路和共享出行L4級自動駕駛，以及限定條件城市道路、地上/地下停車場、封閉園區(qū)、半封閉園區(qū)等場景下應(yīng)用的代客泊車的技術(shù)開發(fā)與研究，自動駕駛車輛能夠?qū)⒔煌ōh(huán)境信息與車載傳感器感知信息相結(jié)合，實現(xiàn)基于融合感知的駕駛行為實時決策，打破了單純依賴車身感知實現(xiàn)車輛自動駕駛導(dǎo)致的視距窄、成本高、存在安全風(fēng)險等局限，實現(xiàn)車輛防碰撞預(yù)警、變道預(yù)警、限速提醒、路徑規(guī)劃、綠波通行、路況提醒、自主泊車、無人接駁擺渡自動駕駛等功能，其功能結(jié)構(gòu)示意如圖5所示。

圖5 L4級別自動駕駛功能示意圖

3.4 智能車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)平臺主系統(tǒng)

方案基于上述功能構(gòu)建車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)平臺主系統(tǒng)，實現(xiàn)對園區(qū)智能網(wǎng)聯(lián)交通環(huán)境的實時呈現(xiàn)，支持對自動駕駛車輛進行運營管理等，包括車輛智能駕駛模塊、人-車-路-環(huán)境協(xié)同服務(wù)模塊、高精度地圖與定位模塊三個子模塊，支撐園區(qū)智慧交通業(yè)務(wù)協(xié)同運營。車輛智能駕駛模塊對接多種自動駕駛車輛，實現(xiàn)對車輛的環(huán)境信息、控制信息下發(fā)等，實現(xiàn)云端對車輛的遠程駕駛、智能調(diào)度、路徑規(guī)劃等功能。人-車-路-環(huán)境協(xié)同服務(wù)模塊通過5G+V2X網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對RSU、路側(cè)感知單元（攝像頭、雷達等）、OBU、路側(cè)MEC平臺信息交互與運維管理，可實現(xiàn)對全域道路信息的感知、預(yù)測、分析、基礎(chǔ)設(shè)施故障監(jiān)控等業(yè)務(wù)。高精度地圖與定位模塊能夠匯聚車端、路端動態(tài)數(shù)據(jù)，并在云端結(jié)合高靜態(tài)地圖數(shù)據(jù)，完成動態(tài)信息的清洗、分類、計算及靜態(tài)地圖數(shù)據(jù)的匹配計算，為自動駕駛車輛提供高精度動態(tài)交通信息服務(wù)、高精度位置服務(wù)、動態(tài)信息態(tài)勢服務(wù)及高精度地圖發(fā)布服務(wù)。主系統(tǒng)架構(gòu)如圖6所示。

圖6 智能車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)平臺主系統(tǒng)

業(yè)務(wù)平臺主系統(tǒng)采用微服務(wù)架構(gòu)，可支撐多種業(yè)務(wù)并發(fā)運行，便于各功能模塊獨立維護，提高開發(fā)和部署效率。模塊之間采用輕量級的交互機制實現(xiàn)通信，按照既定的接口規(guī)范實現(xiàn)信息高效傳輸。平臺具備不少于5萬輛車動態(tài)信息接入能力，峰值處理能力不低于5萬次/秒，支撐不少于10種出行業(yè)務(wù)在冬奧會期間的示范運營。

4 相關(guān)應(yīng)用示范

本文提出的智慧系統(tǒng)覆蓋首鋼冬奧園區(qū)面積超過200萬平方米，可支持的傳輸時延小于10 ms，實現(xiàn)0.1 m級別車輛定位精度，支持冬奧期間不少于4種類型、不少于1 000輛車同時接入，服務(wù)于基于車路協(xié)同的無人自主泊車等10個以上應(yīng)用場景的部署，并在2022年北京冬奧會期間實現(xiàn)整體應(yīng)用和示范。這將是奧運歷史上首次將L4級別的無人接駁擺渡、自主泊車、無人運輸?shù)戎悄苘嚶?lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)實現(xiàn)整體應(yīng)用，為冬奧會不同人群提供綠色、高效、安全的出行。應(yīng)用示范系統(tǒng)架構(gòu)如圖7所示。

圖7中的相關(guān)應(yīng)用將基于5G、北斗、C-V2X等的高速率、高精度定位和智能車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合云端的園區(qū)智慧交通業(yè)務(wù)平臺為冬奧參與者提供平穩(wěn)、安全、高效的無人駕駛出行體驗，滿足他們在冬奧園區(qū)的全天候便捷出行需求，實現(xiàn)人員、車輛、物資的靈活調(diào)度及運輸。

圖7 面向冬奧園區(qū)應(yīng)用的業(yè)務(wù)示范

5 結(jié)束語

智慧園區(qū)由于具有場景相對固定、建設(shè)運營主體相對明確等特點，可作為一個快速建立商業(yè)模式的平臺以實現(xiàn)相關(guān)系統(tǒng)或業(yè)務(wù)的商業(yè)化落地。本文提出的5G智慧園區(qū)的車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用示范可為智慧車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)商業(yè)化落地提供重要的參考。系統(tǒng)的創(chuàng)新成果包括車路協(xié)同全域感知技術(shù)、融合定位技術(shù)、多車協(xié)同路徑規(guī)劃技術(shù)等，都會為智能汽車產(chǎn)業(yè)帶來巨大變革，促進真正意義上的汽車智能化和自動駕駛進入快車道，并產(chǎn)生新的商業(yè)生態(tài)模式。該系統(tǒng)還將國內(nèi)自主研發(fā)的芯片、終端、平臺、應(yīng)用等車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈重要元素構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)整體應(yīng)用與示范，助力打造5G+智慧交通標桿行業(yè)應(yīng)用案例。