5G對自動駕駛的影響

周天意 葉劍芯

(重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 重慶 400065)

一、引言

自動駕駛能夠依據(jù)技術(shù)的提升實(shí)現(xiàn)快速避免交通事故，這個優(yōu)點(diǎn)是人員駕駛所不具有的，最顯著的好處是減少交通事故。根據(jù)市場監(jiān)管總局發(fā)布的2018年全國汽車安全狀況，截至2018年底，全國機(jī)動車保有量達(dá)3.27億輛，全國車輛事故的死亡人數(shù)仍然超過了3萬人，其中大部分車禍都是由于人為因素造成的。人類只有通過雙眼和雙耳來探測路面情況，環(huán)境感知能力較弱。而自動駕駛汽車可以使用主動與被動感測器持續(xù)做大范圍的探測周圍的環(huán)境，且360度無死角，因此，自動駕駛可以對潛存危機(jī)做出安全的反應(yīng)，且其反應(yīng)較人類駕駛更為迅速。

自動駕駛可以有效避免酒后駕駛。有數(shù)據(jù)指出在2018年全國共有17264人被依法終生禁駕，其中飲酒后或者醉酒駕駛機(jī)動車發(fā)生交通事故構(gòu)成犯罪的有5149人，造成交通事故構(gòu)成犯罪且有逃逸情節(jié)的有12115人[1]。而自動駕駛就不需在意乘客是否喝酒或有身體問題，因此，能有效避免酒后駕駛及所造成的交通危害。

然而目前的自動駕駛技術(shù)還不能夠廣泛推廣，原因主要是因?yàn)楝F(xiàn)有的自動駕駛技術(shù)距離實(shí)際的安全應(yīng)用仍然有一定的距離。如何提升自動駕駛技術(shù)，仍然是一個有意義的研究課題。

二、自動駕駛現(xiàn)在面臨局限性

現(xiàn)在并沒有實(shí)現(xiàn)高度自動駕駛，主要原因包括網(wǎng)絡(luò)延遲較大、數(shù)據(jù)傳輸帶寬不足等，在信息交互方面的約束主要是上述兩個技術(shù)不足。

（一）4G網(wǎng)絡(luò)的延遲分析

4G網(wǎng)絡(luò)的峰值速度100Mbps，網(wǎng)絡(luò)延遲約為50ms，當(dāng)一輛汽車在100Km/h的速度下行進(jìn)，50ms的剎車緊急制動的距離約為1.4m，這在真實(shí)的駕駛環(huán)境中很容易發(fā)生意外。且4G主要側(cè)重于人與人之間的通信，雖然使用的是低頻段覆蓋面廣，但在使用的人多時數(shù)據(jù)傳輸鏈路會出現(xiàn)擁擠現(xiàn)象，這會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)延遲更加嚴(yán)重。4G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)器集中于中心機(jī)房，距離終端遠(yuǎn)，中間需要經(jīng)過多個傳輸節(jié)點(diǎn)，在中間多次處理和轉(zhuǎn)發(fā)信息的過程中會耗費(fèi)時間，增加了端到端的延時。

（二）4G網(wǎng)絡(luò)帶寬分析

排除其它因素，如果客戶端和服務(wù)器端直接通過一個路由器連接，但帶寬只有10Kbps，卻同時有多個應(yīng)用需要傳輸遠(yuǎn)超帶寬的數(shù)據(jù)量200Kbps，這時候會造成大量數(shù)據(jù)丟失，從而表現(xiàn)為響應(yīng)延時。而且自動駕駛是一個連續(xù)的過程，需要實(shí)時將路面情況、周圍車輛信息上傳車聯(lián)網(wǎng)，然后將車聯(lián)網(wǎng)中需要的信息下載下來。因?yàn)槁访媲闆r復(fù)雜，不管是上傳還是下載的都是龐大數(shù)據(jù)量，在等待數(shù)據(jù)傳輸時必定會產(chǎn)生延遲，因此，需要高帶寬來減少延遲。

目前全球已發(fā)生了多起自動駕駛車禍，如Uber自動駕駛車公共道路致路人死亡案件、特斯拉Model S 高速公路追尾消防車案件、谷歌無人駕駛測試車與貨車相撞案件等，說明現(xiàn)在的技術(shù)、政策、設(shè)備還不能實(shí)現(xiàn)自動駕駛的廣泛應(yīng)用。其中，延遲是重要的制約因素之一。

三、5G網(wǎng)絡(luò)特征分析

4G已經(jīng)不能滿足自動駕駛需要的低時延。2019年5G的面世帶來了一個更加先進(jìn)的信息時代，5G具有低延遲、高帶寬的特點(diǎn)，帶來了自動駕駛的新時代。

（一）5G網(wǎng)絡(luò)寬帶特征

通信都是通過電磁波來完成的，而電磁波的頻率是有限的，由香農(nóng)公式可知帶寬取決于工作頻譜帶寬和信噪比。而5G的頻率范圍包括兩個頻段：5G sub-6GHz（450MHz-6000MHz）、5G毫米波頻段（24250MHz-52600MHz），優(yōu)先使用了3.5G頻段和mmWave，因此，擁有了高帶寬、高速率。可以看出5G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于以前的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，最高可達(dá)10Gbit/s，比4G網(wǎng)絡(luò)快100倍，這個優(yōu)勢也是我們在日常生活中最能體會到的。

（二）5G網(wǎng)絡(luò)時延特征

5G低時延的實(shí)現(xiàn)主要遵循：一是需要大幅降低空口傳輸時延，二是減少源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的距離，盡可能縮減轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)[2]。

新型幀結(jié)構(gòu)技術(shù)（shorted TTl）。該技術(shù)主要考慮采用更短的子幀長度，以實(shí)現(xiàn)更短時延的傳輸，即傳輸時間間隔。從LTE的系統(tǒng)設(shè)計(jì)看，傳輸時間間隔是數(shù)據(jù)傳輸時長的主要來源。因此，降低子幀長度可以降低數(shù)據(jù)傳輸時長，如果重新設(shè)計(jì)子載波間隔和一個子幀中包括的OFDM符號數(shù)量，使得一個子幀對應(yīng)時長變短，就可降低數(shù)據(jù)傳輸時長[2]。

MEC技術(shù)（移動邊緣計(jì)算）。除去網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部時延，還需要減少往返傳輸時延。減少往返時延需要將網(wǎng)絡(luò)下沉，讓用戶可以就近訪問。移動邊緣計(jì)算通過網(wǎng)絡(luò)側(cè)功能和應(yīng)用部署能力下沉至距離用戶設(shè)備最近的無線接入網(wǎng)邊緣，為應(yīng)用開發(fā)商和內(nèi)容供應(yīng)商提供云計(jì)算能力和lT服務(wù)環(huán)境，使得應(yīng)用部署更加靈活、網(wǎng)絡(luò)能力按需編排、業(yè)務(wù)處理更靠近用戶，更好地滿足高回傳寬帶、低時延等應(yīng)用需求[3]。

核心網(wǎng)功能下沉。5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)思想使龐大的接入網(wǎng)更加集中化、協(xié)作化、云端化以及綠色化。為了進(jìn)一步降低時延，5G網(wǎng)絡(luò)將核心網(wǎng)用戶面部分功能下沉至基站，由原來的集中式核心網(wǎng)演變成分散式核心網(wǎng)。這樣原來中心控制的核心網(wǎng)功能在地理位置上就會更靠近終端，達(dá)到降低時延的目的[2]。

四、5G網(wǎng)絡(luò)下的自動駕駛

5G對于延時的最低要求是1毫秒。當(dāng)一輛汽車在100Km/h的速度下行進(jìn)，50ms的延時會導(dǎo)致車沖出1.4m，而1ms的延時車會沖出0.028m，因此，在5G下的自動駕駛可以在毫米之間停下，將避免很多交通事故。有數(shù)據(jù)指出自動駕駛未來每秒將傳輸多達(dá)0.75GB，而5G的理想帶寬為20Gpbs，5G的大帶寬可以支撐自動駕駛時的大數(shù)據(jù)傳輸。

五、小結(jié)

目前自動駕駛不能廣泛應(yīng)用的主要原因包括網(wǎng)絡(luò)延遲大和網(wǎng)絡(luò)帶寬不足。而5G技術(shù)應(yīng)用新型幀結(jié)構(gòu)技術(shù)、MEC技術(shù)實(shí)現(xiàn)核心網(wǎng)功能下沉和采用5G sub-6GHz頻段、5G毫米波頻段（24250MHz-52600MHz）實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)低時延和網(wǎng)絡(luò)高帶寬。因此，5G技術(shù)的出現(xiàn)讓自動駕駛的廣泛應(yīng)用成為可能。