5G助力讓自動(dòng)駕駛汽車變身移動(dòng)數(shù)據(jù)中心

圖源：Rittis/Shutterstock.com

無人駕駛（即自動(dòng)駕駛）是人類的下一個(gè)十年計(jì)劃。要實(shí)現(xiàn)這一夢(mèng)想，需要一種獨(dú)特的技術(shù)組合來克服自動(dòng)駕駛的首要挑戰(zhàn)。

完美的組合

自動(dòng)駕駛汽車（AV）需要實(shí)時(shí)處理大量信息。例如，為了避免碰撞、檢測(cè)障礙物和行人，以及通知免費(fèi)停車位，車輛需要與城市基礎(chǔ)設(shè)施（例如紅綠燈、公共安全系統(tǒng)）、霧 / 云服務(wù)提供商甚至汽車制造商之間交換大量元數(shù)據(jù)。據(jù)英特爾統(tǒng)計(jì)，一輛這樣的汽車每天需要處理的數(shù)據(jù)量將高達(dá) 3.9TB，相當(dāng)于 2666 名網(wǎng)民每日的數(shù)據(jù)使用量。超聲波、雷達(dá)、全球定位系統(tǒng)、攝像頭和信息娛樂系統(tǒng)等汽車部件都是導(dǎo)致這一數(shù)據(jù)激增的因素。

為確保車對(duì)車（V2V）、車對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）、車對(duì)網(wǎng)絡(luò)（V2N）以及車對(duì)行人（V2P）等統(tǒng)稱為車聯(lián)網(wǎng)（V2X）的技術(shù)實(shí)現(xiàn)安全且可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)交換，以電氣與電子工程師學(xué)會(huì)以及美國交通運(yùn)輸部為主的組織制定了新的標(biāo)準(zhǔn)。

但是，僅靠 V2X 標(biāo)準(zhǔn)是不夠的。為了讓車輛在不破壞道路安全的情況下實(shí)時(shí)做出復(fù)雜、自主的決策，V2X 系統(tǒng)必須配備一個(gè)移動(dòng)通信生態(tài)系統(tǒng)，其速度和數(shù)據(jù)處理能力能夠與人類的反應(yīng)相匹配。近年來報(bào)道的涉及自動(dòng)駕駛道路測(cè)試的事故進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了這一要求，為此第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）制定了 5G 無線標(biāo)準(zhǔn)。
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5G 如何融入到 V2X 用例中

AV 的共同特征是能連續(xù)感知觀察到的環(huán)境，從而實(shí)時(shí)選擇行駛路線。在帶寬受限的無線電環(huán)境中，它們必須能夠處理高水平的噪聲和干擾以及外部實(shí)體的高動(dòng)態(tài)配置。要支持 V2X 用例，僅提高數(shù)據(jù)吞吐量是無法滿足需求的。此外，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施還必須能提供高可靠的低延遲網(wǎng)絡(luò)，并在不同通信范圍內(nèi)確保數(shù)據(jù)安全。

以下常見 V2X 用例的實(shí)現(xiàn)將最終引領(lǐng)汽車步入完全互聯(lián)的自動(dòng)化時(shí)代：

協(xié)同覺察（例如，應(yīng)急車輛警示）；

協(xié)同感知（交換原始感知據(jù)）；

協(xié)同操控（在變道、排隊(duì)、交叉口控制等方面協(xié)調(diào)車輛行駛路線）；

通知弱勢(shì)道路使用者，即行人、騎自行車者等；

交通運(yùn)輸效率（動(dòng)態(tài)更新路線、地圖等）

為了支持這些用例，可能需要一種以上的無線技術(shù)，例如，通過設(shè)備之間的短程直接通信（V2V、V2I 和 V2P），而不通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)度。采用 3GPP Release 12/13 LTE 鄰近服務(wù)技術(shù)的設(shè)備間接口可用于以超低延遲在相鄰車輛之間可靠地傳輸大量數(shù)據(jù)。對(duì)于車對(duì)網(wǎng)絡(luò)（V2N）通信，不僅需要傳統(tǒng)的蜂窩云服務(wù)，還需借助于新型 5G 無線技術(shù)。

連通性和網(wǎng)絡(luò)性能

大規(guī)模的數(shù)據(jù)和設(shè)備是自動(dòng)駕駛時(shí)代的最大挑戰(zhàn)。與 4G/LTE 相比，5G 每單位面積的帶寬提高了 1000 倍、流量提高了 1 萬倍，每單位面積的連接設(shè)備數(shù)也增加了 100 倍。采用毫米波的 5G 小基站技術(shù)具有更高的頻譜效率，這對(duì)于帶寬受限的 V2X 環(huán)境來說是一大優(yōu)勢(shì)。
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可靠性

5G 承諾可以實(shí)現(xiàn)低于 1 毫秒的超低延遲，可滿足任務(wù)關(guān)鍵型 V2X 用例的可靠性期望。相對(duì)而言，無線數(shù)據(jù)更容易被攔截，也更容易受到中間人攻擊。5G 有望通過包括相互認(rèn)證、本地安全元件、傳輸層安全、99.999%的網(wǎng)絡(luò)可用性以及固件空中更新來提高 5G 電子產(chǎn)品的安全性。
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網(wǎng)絡(luò)切片

就像虛擬化硬件平臺(tái)上的虛擬機(jī)一樣，5G 的網(wǎng)絡(luò)切片功能可以讓不同供應(yīng)商通過同一基礎(chǔ)設(shè)施提供不同類別的汽車服務(wù)。例如，它將允許電信運(yùn)營商、道路運(yùn)營商和汽車制造商在同一個(gè) 5G 基礎(chǔ)設(shè)施上為車輛及其乘客提供不同的服務(wù)。
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5G V2X 的要求及設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

為了連接車輛和后端基礎(chǔ)設(shè)施，5G V2X 應(yīng)用對(duì)通信系統(tǒng)提出了新的設(shè)計(jì)要求，因此在 3GPP Release 16 中制定了 5G V2X 規(guī)范。

3GPP 和 5G 汽車協(xié)會(huì)等行業(yè)論壇已經(jīng)確定了 5G V2X 系統(tǒng)在延遲、可靠性和數(shù)據(jù)速率方面的特定于用例的性能要求。3GPP 確定了 5G V2X 的以下五類要求：

• 常規(guī)用途：適用于所有 V2X 場(chǎng)景的互聯(lián)、通信相關(guān)要求車輛排隊(duì)：以超小間距緩慢行駛的車輛高級(jí)駕駛：半自動(dòng)或全自動(dòng)駕駛擴(kuò)展傳感器：所有支持 V2X 的設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)元件間的信息交換遠(yuǎn)程駕駛：由駕駛員遠(yuǎn)程操縱（例如，在危險(xiǎn)環(huán)境下）

需要注意的是，5G V2X 系統(tǒng)的要求取決于用例場(chǎng)景（圖 1）。與緊急情況下的協(xié)同操控相比，常規(guī)變道操作對(duì)延遲和可靠性的要求要少得多。

圖 1：該圖顯示了 3GPP 指南中定義的 V2X 對(duì) 5G 延遲和數(shù)據(jù)速率的要求，這些要求會(huì)根據(jù)汽車原始設(shè)備制造商的輸入進(jìn)行微調(diào)（來源：arxiv.org 網(wǎng)站上的 Use Cases，Requirements，and Design Considerations for 5G/V2X）
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結(jié)論 AV 實(shí)質(zhì)上是移動(dòng)的數(shù)據(jù)中心；它們高度依賴邊緣計(jì)算能力。要通過高級(jí) Wi-Fi 連接傳輸自動(dòng)駕駛汽車一周的數(shù)據(jù)，大概需要 230 天的時(shí)間。因此，用于新的無線電和天線架構(gòu)的產(chǎn)品和應(yīng)用特定集成電路處理技術(shù)方面的顛覆性創(chuàng)新，對(duì)于支持 5G V2X 來說至關(guān)重要。

作者：Sravani Bhattacharjee

Sravani Bhattacharjee 是一名數(shù)據(jù)通信技術(shù)專家，有著 20 多年的從業(yè)經(jīng)歷。她是《Practical Industrial IoT Security》（工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)安全）一書的作者，這是第一本有關(guān)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)安全的出版書。Sravani 曾擔(dān)任 Cisco 的技術(shù)主管直到 2014 年，在此期間領(lǐng)導(dǎo)主持了多個(gè)企業(yè)云 / 數(shù)據(jù)中心解決方案的架構(gòu)設(shè)計(jì)和安全評(píng)估工作。作為 Irecamedia.com 公司的負(fù)責(zé)人，她目前致力于與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新力量合作，通過撰寫各種評(píng)論和技術(shù)營銷內(nèi)容，來推動(dòng)相關(guān)認(rèn)識(shí)和商業(yè)決策的進(jìn)步。Sravani 擁有電子工程專業(yè)碩士學(xué)位。她是一名 IEEE 物聯(lián)網(wǎng)小組成員，一位作者，還是一位演說家。