基于5G技術的自動駕駛的汽車通信系統優化設計

劉華楠

一、背景

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

1G：使用模擬通信，只能進行語音通話，不能進行短信、數據上網等業務，使用模擬調試、頻分多址技術，頻率復用度和系統容量都很低，抗干擾性也很差。

2G：開啟了數字通信時代，主要是GSM網絡制式，通話質量、系統容量以及功能相比1G得到了極大提升，除了語音通信，還可以進行短消息、上網等活動。當前我們依然在使用2G網絡進行通信。2G的主要缺點在于網絡速率低，僅支持低速率的網絡應用。

3G：開啟了移動通信新紀元，在新的頻譜上制定了新的標準，能夠使用更高的傳輸速率，視頻通話、大量數據傳輸更為普遍。

4G：LTE（Long Term Evolution，長期演進）引入了正交頻分復用（OFDM）和多輸入多輸出（MIMO）等關鍵技術，顯著提升了數據傳輸速率和頻譜效率，也降低了網絡部署和維護成本，是當前主流的通信技術。

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

在汽車生產出來不久，發明家們就已經開始研究自動駕駛技術了，1925年美國一家無線電控制公司展示了一個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，這與我們現在理解的自動駕駛不同，但這是人類在自動駕駛領最早的一次嘗試，表達了人們想要解放雙手，實現無人駕駛的夢想。顯然，在各種技術中，通信技術的發展是實現無人駕駛必不可少的環節之一。

5G技術使得通信的網絡速率、可靠性、時延得到保障，為車聯網自動駕駛、AR、VR、觸覺互聯網、工業控制等新應用提供支撐。

華為在韓國完成了5G技術的高低頻組網，連續覆蓋，移動IPTV，4K視頻，無人機的測試。德國也在進行基于5G網絡的車聯網實驗。

自動駕駛的發展過程可分為不同的三個階段：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、自適應巡航等技術輔助駕駛；半自動駕駛階段，計算機操縱下的自動駕駛系統完成到達目的地的過程，受限于法律法規等因素，自動駕駛仍舊不能作為駕駛行為的主體，只可作為備用系統完成行駛；全自動駕駛階段，技術、成本、法律法規等因素都允許的條件下，計算機控制的自動駕駛系統，駕駛員也可以隨時對操作系統進行控制工作的交接。

傳統汽車公司，從先進的駕駛輔助系統（ADAS）切入，逐步實現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，也在自動駕駛技術上取得了突破性進展，采用傳感器與各種具體應用場景相結合。他們研發的無人駕駛汽車已經投入使用了。

自動駕駛技術需要多個傳感器搜集多個環境數據，并需要把這些大量數據發送給其他車輛以及數據中心，當前可用于自動駕駛的通信系統只有DSRC（專用短程通信網絡）、LTE，目前的通信技術具有很多缺點，傳輸速率，傳輸時延，連接數量不能得到保障。

隨著5G技術的發展成熟，可以把5G通信技術應用到車聯網中，實現對當前自動駕駛技術的通信系統優化，提升數據傳輸速率、傳輸時延、車輛的連接數量。5G時代到來，無人駕駛和車聯網才能真正發展起來，并進入我們的日常生活。

自動駕駛技術的發展和普及具有重大的現實意義，是順應時代發展趨勢的產物。自動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，該結束也將釋放大量勞動力，推動產業革新。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，車輛將自動接待下一位乘客或者自行尋找停車點。這樣會讓出行變得更加便捷，免除出行者的后顧之憂。

二、5G技術和車聯網技術的相關原理

5G通信需要建設大量基站，每個基站創建多個小區。在此對小區做一個簡單的功能說明，小區基站無線信息的一個扇形服務區域，會提供廣播信息和專用信道，以實現手機或者終端的接入和通信。

車聯網就是以汽車為載體開展的信息服務，實現人、路、車的協同，是通信技術和信息技術結合體。車將實現自動駕駛，車輛監控，運營管理，安全節油；路將實現道路狀況監控，交通服務，電子地圖實時更新；人將在車聯網自動駕駛技術中將失去主體作用，將作為一個輔助角色，更多的是體驗娛樂、信息咨詢。

三、車聯網V2X通信的實現

（一）信息貢獻和移動自組織網絡的設計

公路上行駛的車輛來來往往，川流不息。自動駕駛的車與車之間需要交互數據。成千上萬汽車的行駛在不同的城市不同的街道，實現所有車輛的信息交互是艱難的，也是浪費通信資源的。比如相隔100公里的兩個車輛之間的信息交互，對于每一輛車來說是沒有用的數據。所以需要將對彼此交互的信息有用的車輛組織到一個小網絡中，形成一個彼此依賴的車輛群，形成移動自組織網絡。

移動自組織網絡是一種的臨時性自治網絡系統，網絡拓撲結構動態變化，由于車輛隨機移動、隨時熄火停車、網絡拓撲結構隨時可能發生變化，而且變化的方式和速度都是不可預測的。需要設計一套移動自組織網絡的方案，既要保證網絡的組建靈活，還需要保證通信的可靠。

自組織網絡組建的方案設計： 每個車輛都會接入一個小區，把自己的一些基本信息（含GPS位置信息）上報給小區，小區將這些信息廣播發送，接入該小區的其他車輛就會收到這些信息，每個車輛都可以保存這些車輛的信息，接入同一個小區車輛就自組織形成一個網絡，也就是一個群，群內的車輛都可以發送自己傳感器探測到的數據給其他車輛。當車輛駛出該小區的覆蓋范圍時，切換到另一個小區時，就加入另一個小區下的組織網絡，和該小區下的所以車輛通信。

5G通信技術，支持大鏈接，接入到同一個小區下的車輛不會因為系統容量而受限無法加入自組織網絡；短時延特性，支持車輛間交互滿足毫秒級要求。

（二）互聯和海量連接的管理實現

自動駕駛不但要求車與車要互聯，還要求車與物的互聯，比如車與路測裝置互聯。車與物的互聯形式也是多樣的動態的。

車與路測裝置的互聯：路測裝置安裝帶運營商SIM卡的終端，通過某個小區接入移動網絡。路測裝置會把這一段路程的信息通過小區廣播出去，比如路面承重，限高，前方隧道，前方急轉彎，路面濕滑等信息，車輛接收信息后進行決策，采取一定措施，比如路面濕滑就會降速。

車與物的互聯靈活多樣，針對突發情況，亦可以增加帶通信功能的裝置實現，比如某些情況要對某個街道交通管制，就可以在臨近路口臨時放置裝置，接入移動網絡，通知經過車輛前方交通管制，讓自動駕駛車輛及時重新規劃線路。

5G的大鏈接技術，保證了海量連接成為可能。

（三）安全、高可靠、低時延的安全保障

車輛高速行駛過程中，能夠及時快速的做出響應至關重要。比如時速80公里/小時行駛的汽車，計算可以得出每秒就可以前進22.22米，如果車聯網消息按照秒級相應，每秒22米就已經沖出去了，事故可能已經形成。

各個制式的網絡端到端通信的時延遲，當前可用網絡時延最小的4G LTE網絡也有100毫秒的時延。

我們來計算下，什么樣數量級的時間才能滿足安全保障，80公里/小時，80×1000米/60分鐘/60秒/1000毫秒=2厘米，既1毫秒可以前進2厘米，所以我們必須在毫秒級別實現各種事務的相應。

如果自動駕駛的多輛車依次行駛在路上，前方車輛出現異常，后續車輛需要在幾個毫秒內收到消息，并作出正確決策，才能避免事故發生。只有5G技術的高可靠低時延（uRLLC）的特性才能保證交互信息在毫秒內完成。1毫秒，這是5G網絡端到端時延要求，這1毫秒，汽車的制動距離可以控制在2厘米里面，這將是車聯網自動駕駛技術安全的重要保障。

四、車聯網數據中心

車聯網數據中心包括數據管理、設備管理和運營管理，實現統一安全的網絡接入、各種終端的靈活適配、海量數據的采集分析。車輛裝配多種的傳感器數據，采集的各種數據和GPS信息，通過5G網絡上報數據中心，數據中心通過計算，可以實時獲取車輛狀態信息、車輛位置等信息。數據中心可以有以下幾個功能：

車輛監測——隨時隨地的對車輛進行監測，采集多種車輛數據，對車輛進行實時管理。

城市交通指揮——能夠整體了解整個城市車輛的動態，大數據分析，能及時掌握道路擁堵狀況，及時的對信號系統進行調整。

數據推送——數據中心可以推送各種數據到車輛，比如限行信息，道路擁堵狀況，車輛能夠自動作出決策。

車輛網數據中心，是各種數據的匯總，大數據的挖掘，必將關聯行業的發展。更多數據的使用需要進一步挖掘。

五、總結與展望

各個機構和公司正在如火如荼的研究5G，國內外的一些運營商已經展開了測試，但是3GPP的5G標準正式版還沒有發布，待5G標準發布后，可以根據5G標準，使用5G通信技術進一步優化自動駕駛通信系統。如下幾方面可以進一步研究優化：

多個運營商時自動駕駛通信系統需要進一步研究優化，相鄰的兩輛車使用了不同運行商的網絡，運營商與運營商雖然都是5G標準，但跨運營商，仍然有時間消耗，時延需要進一步優化。

小區邊緣車輛的網絡組織，基站可以創建一個或者多個小區，多個基站創建的小區就可以覆蓋整個城市，整個鄉村，整個國家了，自動駕駛的汽車是移動，必然會在多個小區間切換，當車輛移動到小區邊緣時，時延可能增大，速率降低，小區邊緣車輛的通信需要考慮進一步優化。

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