關于5G移動通信技術在智慧交通中的應用研究

摘要：隨著通信技術的迅速發展，現階段，對5G移動通信技術的研究、開發和建設已逐漸增強，5G移動通信技術已開始在各個領域中進行廣泛應用，并取得了比較顯著的經濟和社會效益。本文介紹了5G移動通信技術的概念和三大類應用場景，并重點介紹了5G移動通信技術在智慧交通中的應用和對在應用過程中遇到的通用性問題的解決辦法及在智慧交通車路協調系統中使用到的關鍵設施設備，希望為其他研究人員在進行5G移動通信技術應用研究時提供指導和參考。

關鍵字：5G移動通信技術；物聯網卡；智慧交通

一、引言

近年來，隨著我國的移動通信技術高速發展，用戶對移動通信的要求越來越高，信息傳遞的速度隨著技術的不斷發展也越來越快。目前的4G移動通信技術已無法滿足更高速率和更低時延的需求，5G移動通信技術應運而生，為解決智慧交通領域中面臨的諸多問題提供了良好的網絡通信基礎。目前，我國非常重視5G建設，因5G建設是實現建設網絡強國的基礎設施，故早在2018年，國家就將5G建設納入新基建的范圍。在此背景下，5G移動通信技術與智慧交通中的車路協同系統緊密地融合在一起，可為出行者及時提供交通狀態，合理地選擇行車路線，從而有效預防和緩解交通擁堵、實現交通流的均衡分配，提高通行效率。

二、5G移動通信技術的概念

5G是第五代移動通信技術的簡稱，具有高速率、低時延和廣連接的特點，5G通信設施是實現人、機、物互聯的網絡基礎設施。

三、5G移動通信技術的三大類應用場景

隨著移動通信技術的不斷發展，2015年國際電信聯盟定義了5G移動通信技術的eMBB、uRLLC、mMTC三大類應用場景，具體如下：

eMBB：即增強移動寬帶，是利用5G更好的網絡覆蓋及更高的傳輸速率來為用戶提供更好的上網接入服務，使得無線上網具有更高的上網速率和更穩定的傳輸，大幅提升網速，5G網絡下行速率可達20Gbit/s，上行速率可達10Gbit/s。 可廣泛應用于如AR/VR、超高清視頻、云工作、云娛樂等場景。

uRLLC：即低時延高可靠，5G網絡連接時延可達到1ms，可支持高速移動（500km/h）情況下的可靠性（99.999%）連接。可廣泛應用于如工業控制系統、交通和運輸（如無人駕駛）、智能電網和智能家居的管理、交互式的遠程醫療診斷等場景。

mMTC：即海量物聯網通信，5G網絡低功耗、大連接和低時延高可靠的特性很好地適應了面向物聯網的業務，5G網絡滿足100萬/km2連接數密度指標要求。可廣泛應用于如智慧城市、環境監測、智慧農業等數據采集的場景。

四、5G移動通信技術在智慧交通中的應用

智慧交通是對交通管理、運輸、公眾出行等交通領域全方面全過程進行管控支撐，使交通系統在區域時空范圍內具備感知、互聯、分析、預測、控制等能力，以充分保障交通安全、發揮交通基礎設施效能、提升交通系統運行效率和管理水平，提供通暢的公眾出行和可持續經濟發展服務的綜合智慧交通運輸管理系統。

智慧交通的發展正由信號燈控制、電子警察等傳統建設內容，發展至基于交通基礎設施建設之上的采集、感知、傳輸、歸集、分析、控管、預警、評估、運維、管理等更為豐富的車路協同管理系統的建設和應用。在該過程中負責將路側和車側的各種感知和采集設備的信息快速傳輸至客戶數據中心機房的V2X應用平臺，進行歸集、分析、預警、評估，并迅速下發消息和指令給路側和車側設備進行相關處理、控管的通信網絡變得至關重要，特別是在智慧交通的車路協同系統無人駕駛方面，各種信息的安全、大量、迅速、及時傳輸交互極其重要。目前，車路協同無人駕駛要求的時延在10毫秒以內，例如我們以100km/h的時速在路上行駛時，在發現前方有障礙物的緊急情況下，需緊急剎車，普通人的反應速度是0.4秒，反應距離約為11.11米，而在5G網絡情況下的無人駕駛反應速度在10毫秒以內，反應距離在28厘米以內，可見在5G網絡加持下的車路協同無人駕駛反應更快、更安全。5G移動通信技術的高速率、低時延和廣連接的特點，不僅可滿足上述信息傳輸交互的要求，而且還可在路側便捷部署各種前端感知采集和傳輸設備，可節省大量的光纖鋪設和通信管道建設工作，有效節省建設成本和縮短項目工期，并有效降低后期管理運維難度。

智慧交通車路協同系統中路側和車側使用到的關鍵設施設備如下：

5G專網，是充分發揮5G移動通信技術高速率、低時延和廣連接的特點，建立覆蓋智慧交通車路協同區域的5G獨立網絡，可采用“宏站+微站”相結合建設方式，根據覆蓋范圍及信號強度針對性布設微站，對整個區域進行無縫覆蓋。在智慧交通車路協同系統中將部署在路側桿件上的槍球一體機、激光雷達、路面狀況傳感器、氣象監測傳感器及環境監測傳感器等感知設備信息，通過在桿件上部署的接入交換機進行匯聚，并接入5G RSU設備，5G RSU設備和車側的5G OBU設備均通過5G物聯網卡經由Uu口接入就近的5G基站網絡，在客戶端數據中心機房內下沉部署專用的UPF設備，通過CRAN架構下的SPN傳輸設備與該UPF設備連通，形成數據閉環的網絡基礎設施，數據信息經由專用DNN進行業務隔離，確保數據信息安全，并實現數據不出場的目的。在5G基站選址過程中需注意以下幾點：需充分考慮到智慧交通車路協同區域內路側和車側的感知設備類型、數量和帶寬要求，結合基站信號的有效覆蓋范圍，在合理的站間距區間內設站，避免出現超近站和超遠站的情況；合理設置基站的發射功率值、天線覆蓋方向、同一基站不同扇區之間保持合理的夾角來實現覆蓋區域的完美鑲嵌，減少重疊，消除黑洞；將站址建設在有穩定供電、交通便捷的地方，不能建在大功率無線電發射臺、雷達站或其他干擾源附近，盡量遠離樹林處，避免信號的快速衰減。

RSU（Road Side Unit）設備，是部署在路側的通信網關，其可通過5G無線通信的方式接收交通信號機/應用服務器下發的路況信息等實時交通信息，并動態播報給相關裝有OBU設備的車輛，避免或減少交通事故，提升交通通行效率。

OBU（On Board Unit）設備，是安裝在車輛上的集V2X、高精度定位、5G移動通信等多功能的5G智能車載終端，可實現BSM消息的上報、V2X消息的接收與解析、CAN數據的讀取與解析、消息的展示與提醒，是車載終端的核心單元。

槍球一體機可實現違章取證抓拍、交通事件檢測、交通數據采集、支持過車抓拍，進行車牌識別，并對車輛進行全結構化分析。兩個槍機攝像頭可獨立自由調整角度，分別覆蓋來去兩個車道方向，球機攝像頭可根據需要設置動態覆蓋桿件下面的盲區。

激光雷達作為路側重要的感知設備，其與槍球一體機進行互補，實現全天候交通檢測，其具有極高的距離分辨率、角分辨率和速度分辨率，能完整、準確感知交通環境中的各種車輛、人員、基礎設施的狀態，能生成點云數據進行3D建模，用于實時采集獲取路面周圍環境信息，實時分析路面機動車、非機動車、行人等的相對位置關系，判斷障礙物的危險指數，有效的提前預警。

遙感式路面狀況傳感器監測系統，通過非接觸式遙感檢測，能夠采集路面實時溫度、濕度、結冰狀態、水膜厚度、路面介電特征參數等，基于實時監測數據，能夠實現路面積水和結冰的預測和預警功能。

微氣象環境監測傳感系統由氣象傳感器、氣象數據采集儀、5G通信系統、供電系統、整體支架、計算機氣象軟件六部分組成。是集氣象數據采集、存儲、傳輸和管理于一體的無人值守的氣象采集系統，采集的氣象數據包括：溫度、濕度、風速、風向、氣壓、降雨量、降雪量、能見度等。微型氣象站將采集到的氣象數據通過5G無線通信的方式傳輸至數據中心進行分析、評估和預警，并通過5G無線通信的方式迅速下發消息和指令給路側和車側設備進行相關處理，輔助決策和預警，為車路協同提供氣象數據支撐。

MEC移動邊緣計算平臺是指通過在路側采集和感知設備的近端部署專用邊緣計算服務器，作為移動核心網下沉的用戶面網元，在路側近端提供云計算能力。

隨著智能交通車路協同系統的示范區范圍不斷擴大，在路側需不斷部署大量的高清槍球機、激光雷達、毫米波雷達及各種傳感設備，導致路側需要傳輸和交互的數據信息量猛增，如將上述所有數據信息全部通過5G網絡上傳到客戶數據中心進行存儲和分析處理，將導致成本和時延較高，為降低網絡傳輸負擔和減少時延，在路側近端通過5G網絡和MEC移動邊緣計算平臺相結合的部署方式，可以滿足10 ms級的實時感知分析處理反饋要求，起到提升網絡運營效率、提高業務分發、傳送能力，改善用戶體驗的良好效果。

在智慧交通的車路協同示范區域內，進行完整的5G網絡覆蓋，通過在車側安裝5G OBU設備，在路側桿件端安裝5G RSU設備，安裝的RSU和OBU均具備LTE-V2X PC5 和5G Uu 雙模通信能力，RSU和OBU之間通過PC5空口實現時間同步，實現 OBU與OBU及OBU與RSU 之間的直接通信，RSU和OBU通過設備上的5G物理網卡經由Uu口接入就近的5G基站網絡，在客戶端數據中心機房內下沉部署專用的UPF設備，通過CRAN架構下的SPN傳輸設備與該UPF設備連通，形成數據閉環的網絡基礎設施，數據信息經由專用DNN進行業務隔離，確保數據信息安全。將各種前端數據快速安全地傳輸至客戶數據中心機房的V2X應用平臺，結合北斗高精度定位網、高精度地圖、三維城市建模等應用服務，對各種車側和路側感知數據進行歸集、分析、評估和預警，并迅速下發消息和指令給路側的5G RSU設備和車側的5G OBU設備，方便駕駛員及時獲知路上的交通狀態，進行行車路線的選擇，達到高效預防和緩解交通擁堵、提高通行效率。

在智慧交通車路協同系統中大量投入使用的無人駕駛公交車、無人駕駛出租車、無人駕駛物流車、無人駕駛環衛車、無人駕駛售貨車等各種自動駕駛車輛，均需依托覆蓋完善的5G網絡和車路協同系統管理平臺，讓城市管理者實時掌控上述各種車輛的運行狀況，通過智能調度算法，自動下發車輛運行路線，方便城市管理者在車路協同系統管理平臺上顯示和追蹤車輛歷史軌跡，對上述車輛進行及時管控，可達到節能減排，保護環境，提高交通運行效率目的，也可為汽車生產廠家和自動駕駛企業研發自動駕駛技術提供有力的支撐環境，推動單車智能向車路協同式智能駕駛的發展，構建完善的人、車、路、網、云一體化系統平臺的建設。在進行智慧交通車路協同系統的5G網絡建設和應用時，經常會遇到一些操作層面的問題，通過大量的項目實踐和研究分析后，現將可能會遇到的一些通用性的問題和產生原因及解決辦法總結如下，以供其他研究人員參考。

五、結束語

綜上所述，隨著通信技術的不斷發展，5G移動通信技術在我國社會和經濟發展中起到的作用越發明顯。5G移動通信技術已為我國智慧交通系統的應用和建設發揮了重要的作用，為實現信息的高效交互和共享奠定了良好的基礎，使車輛可實時對外廣播自身定位、運行狀態等基本安全消息，交通燈或電子標志標識等可廣播交通管理與指示信息，可實現路口碰撞預警、紅綠燈誘導通行等應用，有效規避交通擁堵，達到省時、環保、節能、提升通行交通安全和交通效率的作用。

作者單位：楊濤 中國移動通信集團湖北有限公司武漢分公司

參" 考" 文" 獻

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楊濤（1983.02.28-），男，漢族，陜西，碩士研究生，中級通信工程師，研究方向：政企行業的各類通信專網建設、大型數據中心建設、5G通信技術的行業應用、各類ICT系統集成項目建設及智慧城市等信息化項目的建設工作。