基于5G通信的車聯網自動駕駛關鍵技術

文/范鵬飛

1 前言

2018年11月，工業和信息化部印發了《車聯網（智能網聯汽車5905-5925MHz）直連通信使用5905-5925MHz頻段管理規定（暫行）》，規劃了頻段共20MHz帶寬的專用頻率資源，用于C-V2X（基于蜂窩技術的車輛聯網通信）智能網聯汽車的直連通信技術。福特汽車宣布自2022年起，福特將在美國銷售的每一輛新車和卡車上都內置C-V2X技術；而近期又宣布將于2021年在中國量產首款搭載C-V2X技術的車型。吉利宣布計劃在2021年發布其首批支持5G和C-V2X的量產車型。工信部苗圩部長出席博鰲亞洲論壇2019年年會時表示，以無人駕駛為代表的車聯網將是5G的一項重要應用，工信部正在與交通運輸部合作，積極推動中國公路系統的數字化、智能化改造，利用5G技術發揮車路協同優勢。

2 車聯網與自動駕駛

截止2018年底，中美兩國政府已向近百家企業發放了自動駕駛測試牌照。目前的自動駕駛大多采用單車智能方式，由車載傳感器和計算處理單元完成感知和決策，這在交通設施較為完善、交通條件相對簡單的場景上可以取得較快的進展。但單車智能最大的局限性在于其很難完成對復雜道路環境的感知和實時決策。5G和車聯網技術是自動駕駛所必須的技術保障。通過選擇“智能的車+智慧的路”這一正確的技術路線，可以充分發揮5G的技術優勢。

車聯網也稱作V2X(Vehicle toEverything),是汽車與萬物互聯，包括車與車（V2V），車與基礎設施（V2I）、車與行人（V2P）以及與網絡（V2N）之間的通信。可以將車聯網比作一個包含有車、信號燈等基礎設施、行人和云端參與的微信群，群內參與者都可以將自身的信息即時廣播，實現彼此間位置、意圖等信息的共享識別，支撐車輛自動化。隨著通信技術的不斷發展，作為早期802.11a技術衍生技術的傳統V2X技術具有明顯的局限性：

（1）缺乏長期的無線技術演進路線圖。目前汽車產業已經擁抱4GLTE技術并向著5G未來不斷邁進，傳統V2X技術偏離了產業的未來愿景及發展方向。

（2）對傳統V2X技術的投資不足。傳統V2X技術不能和其他廣泛部署并不斷創新進步的無線技術產生協同效應，對汽車產業的一次性投資也并不合算，對傳統V2X技術的投資缺乏動力將使得傳統技術難以為繼。

（3）傳統V2X技術并沒有預見到5G技術發展的加速，而5G技術發展的加速又進一步改變的汽車產業和道路基礎設施的投資。

考慮到傳統V2X技術的局限，全球移動通信標準化組織3GPP在R14標準版本中定義了C-V2X（蜂窩車聯網）技術。基于3GPP無線標準的C-V2X全球無線部署符合5G演進路線，C-V2X集成于車內信息處理無線模組中，5G規模部署與道路基礎設施產生協同效應，使得在終端和基礎設施層面同時發揮規模效應，解決了汽車廠商和政府部門的增量成本問題。同時相對于傳統技術，C-V2X能夠提供2倍以上的通信范圍及可靠性，是符合全球變革路徑的最佳技術。

3 5G在車聯網自動駕駛的應用

汽車的自動駕駛包括感知、決策和執行共三個層面，而這三個層面都能夠利用5G移動通信技術得到增強。本文主要從感知、決策兩方面進行分析。

3.1 感知層面

感知就是讓自動駕駛汽車知道“我在哪里，我周圍有什么”。因而首先需要高精度亞米級定位。傳統的衛星定位（GNSS）無法滿足該定位精度，目前主要使用基于網絡輔助的差分定位，并結合航跡推演技術來提升定位精度。在精確掌握自身位置之后，還需要與定位相匹配的高精度地圖，從而獲取車輛在道路中的位置，5G正好可以滿足該要求。

其次，車輛需要感知實時的交通環境。5G技術低時延、高速率、高可靠和大容量的能力，可以有效實現車輛間位置、速度、行駛意圖等信息的溝通，還可以利用路邊設施輔助車輛對環境進行感知。單車智能依賴的傳感器只能檢測到視距范圍內的物體，受天氣等條件的制約難以獲取準確的信息。而基于5G的V2V車車通信、V2I通信技術則可以把車輛感知范圍擴大到視距之外，實現對交通環境全面、準確的感知。

3.2 決策層面

5G技術可以讓多個自動駕駛車輛進行協作式決策，合理規劃行動方案。比如，在高速公路內側車道上車輛，在其需要駛離高速公路時，可以通過車車通信與周邊車輛協商，要求周邊車輛避讓以便其能夠向外側車道變線并駛離高速。

另一方面，僅依靠人工智能處理所有可能的偶發事件需要付出難以預料的代價。從人工智能的角度來看，機器無法完全替代人類的決策，在一些偶發的復雜場景需要人類參與決策，即“man in the loop”。5G技術可以讓處于遠端服務中心的人員參與到自動駕駛車輛的決策中來。利用5G的低時延大帶寬，將現場的實時圖像和傳感器信息傳送給服務中心的專業人員，由專業人員在虛擬現實的場景下，遠端控制自動駕駛車輛，直到駕駛系統能夠再次接管車輛。

4 亟待解決的問題

目前，基于3GPP R14版本的車聯網已經基本完成量產前的技術準備，當然在大規模商用前還有一些政策和技術上的問題急需解決。

4.1 信息安全和隱私問題有待解決

對消費者而言，在關注車聯網帶來的諸多便利的同時，也更加關心其涉及的信息安全和隱私問題。為保護車主隱私，提高網絡安全系數，C-V2X設計了匿名密鑰體制，周期性變更標識和信息簽名，為此需要在車輛中安裝幾百甚至幾千個證書。由于涉及到信息安全問題，迫切需要國家多個相關部門的相互協作，制定出適合我國國情的證書管理和分發體制。

4.2 芯片處理能力有待提高

在C-V2X信息安全方面要求使用我國自行開發的SM2/3加密算法，該算法已廣泛應用，具有一定的產業基礎。但現有支持SM2/3算法的芯片在處理能力上尚且無法滿足C-V2X所需的每秒上千次的簽名和驗簽的要求。因此，需要進一步從政策和資金上推動高處理能力車規級芯片的研發。

2019年3月，3GPP通過了標準立項，計劃在R16版本中開發基于5G新空口的V2X技術，利用5G新空口所具有的高帶寬，低時延和高可靠能力，進一步提升C-V2X技術的能力，支撐高級別自動駕駛技術。R16版本C-V2X標準計劃于2019年底完成，相信在標準完成后芯片廠商也會盡快推出符合R16版本的芯片，進而展開更高級別自動駕駛車輛的開發和測試。

5 結語

自動駕駛技術可以將我們從繁重的駕駛任務中解放出來，使我們的出行更加安全、高效、環保。5G技術將大大增強自動駕駛車輛的感知能力，是更高級的自動駕駛不可替代的必要手段。雖然5G應用車聯網到目前還沒有真正的實現，但也已經走在實現的路上。可以肯定的是，在未來幾年內，我國城市交通基礎設施將基于C-V2X技術進行升級改造，并與5G網絡建設同步展開。5G和AI等新興技術的結合必將讓我們體會到C-V2X技術帶來的更加便利暢通的交通、更加安全的駕駛體驗和更加高效的節能減排方式，賦能整個交通生態的進化。