5G时代——不要让网速限制了的车联网技术的想象

2019年6月6日中国工信部向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电4家电信企业正式发放了5G商用牌照,标志着中国正式进入5G商用元年,这在中国移动通信发展史上具有里程碑式的意义。

这次牌照发放是直接略过试商用进入商用阶段,明显有加速推进5G商用进程之意。在经历了2G时代跟随,3G时代参与,4G时代突破之后,中国在5G时代已经成功地跻身第一梯队。

其实早在2013年欧盟就已经着手5G通信系统的研发工作,而ITU国际电信联盟则是于2015年10月在瑞士日内瓦召开的2015无线电通信全会上,正式确定了5G的法定名称是“IMT-2020”。

IMT是International Mobile Telecommunications(国际移动通信)的缩写,而此前的3G和4G标准分别IMT-2000和IMT-Advanced。2017年11月ITU国际电信联盟正式确立了IMT-2020的技术规范。

按照IMT-2020标准,5G技术包括了8项关键性能指标,其中最主要的就是5G蜂窝设备将允许单个移动基站至少达到20Gb/s的下行速度和10Gb/s的上行速度。当然对于一个用户来说这只是理论速度,作为比较,目前通常一个小区的所有用户可以共享20Gb/s的总线带宽速度。

其次,5G运营商则必须至少有100 MHz的空闲频谱,在可行的情况下还可以扩大到1Ghz。以各地频谱划分情况来说,100 MHz频谱对2.5 GHz区间很难实现,但到了4GHz-6GHz区间就会容易得多。

同时,5G网络也能至少支持每平方公里100万用户,也就是平均每平米一个用户,而这也就为万物互联提供了基础。而且每个用户实际传输速率必须达到

下载100 Mb/s、上传速度50 Mb/s。目前LTE-advanced的下载速度偶尔也能达到100 Mb/s的水平,但到了5G就不能只是靠运气了。

理想情况下5G网络延迟应低于1毫秒,最大不能超过4毫秒,而相比而言,4G网络对延时的要求为20毫秒。除此之外,数据包必须在1毫秒内到达基站,切换基站终端时间为0毫秒,也就是瞬时切换,不允许数据丢失。

因此在移动性方面,5G必须能够支持终端设备以500公里/小时(如高铁)高速移动。同时,为了保持高能效,5G还要求设备在空闲状态时能够在10毫秒内完成从全速模式到节能模式下的切换。

由全球主要电信标准化组织联合成立的3GPP(3rd Generation Partnership Project)随后也在2017年12月和2018年6月分别公布了NSA非独立组网版本5G NR标准和SA独立组网版本5G NR标准。此外3GPP还定义了5G应用场景的三大方向——eMBB移动宽带增强、mMTC大规模物联网、uRLLC超高可靠超低时延通信。简单来说,5G网络在传输中会呈现出明显的高速率、高可靠、低时延、低功耗的特点。

这些特点无疑都对今后智能驾驶和车联网提供了强大的支持,华为在今年早些时间发布的全球首款5G车载模块MH5000无疑也证明了这一点。基于巴龙(Balong)5000基带芯片的MH5000车载模块不仅支持3.2G/s的数据峰值传输速率,更是集成了C-V2X(Cellular Vehicle-to-Everything)技术。

V2X是指车与外界的信息交换,包括V2V(车与车)、V2R(汽与路)、V2I(车与设施)、V2P(车与人)、V2M(车与摩托)及V2T(车与公交)等六大类。V2X与自主式雷达、摄像头同等地位,功能互补,共同组成未来自动驾驶的基础。

自动驾驶汽车的工作流程大致是:感知层对环境系统的感知传输给决策层,决策层对环境感知的结果做解析,然后决策层制定驾驶策略传输给执行层。而其中感知层的根本基础就是高精度地图,它不仅要提供的路线规划、轨迹规划,同时高精度地图还可以通过对周围静态的环境进行精确描述,来延伸传感器的感知范围,以更为精细的尺度帮助汽车了解所处的位置、周围的环境状况。

相比传统导航地图,高精度地图图层更多,地图信息量更大。从图层数量上看,高精度地图包含图层数更多,可以包含诸如道路级别、交通设施等更多的数据;从图层质量上看,高精度地图每一图层的描绘更精细,从而可以实现厘米级导航

高精地图提供自动驾驶所需专用道路信息,带来机器必需的信息。高精度地图除了拥有传统导航地图具备的道路形状,通行方向,车道等信息,高精度地图包含了诸如车道分隔物类型、交通标志、限速等信息,和一些道路几何的三维信息,像弯道、斜坡等。

为了实现高精地图的实时更新,就需要将传感器、摄像头采集到的信息通过通讯手段(比如 5G 网络)与云端进行交互,能使得地图更加智能。基于智能地图信息的路径规划,通行效率更高。而高精地图Gb/km级别或以上的数据量就需要通过超高速带宽才能在最短的时间内完成更新和传送。

高精地图还可以通过雷达提供红绿灯、限速、路面状况(积水、结冰、破损)以及视觉探测距离之外(NLOS)的行人和车辆的信息,从而最大限度确保无人车在开放道路上的安全问题。而这部分信息都需要云端决策或者云端辅助决策,因此也就对车-云-车之间的通信延时提出了极高的要求,5G时代Gb/s级的超高速率和毫秒级的超低时延就显得至关重要。

此外,自动驾驶的大部分应用场景还需要V2P、V2I、V2V、V2N 等多路通信同时进行,需要瞬间进行大量的数据处理,并及时做出决策。5G网络10Gb/s的峰值速率、毫秒级低时延、99.999%的高可靠性以及高精度定位等能力则能同时满足这些条件。

例如车辆编队控制在近年来就是广受关注的一个问题,尤其在客运、货运和港口物流等场景中,通过对车辆队形、间距、速度和协同驾驶一致性的自动化控制,能够有效提升公路交通的效率和安全性,并降低运输成本和运输风险。

在之前自动驾驶测试中,基于5G网络的车辆编队已经可以顺利完成了紧急制动、紧密跟踪、协同变道等多个场景演示。在这些场景演示中,两辆车或多辆车同向行驶,前车作为领航车,有人驾驶,后车为无人驾驶。前车在进行紧急制动、变道、转弯时,实时将操控信号通过5G基站传达到后车,后车在极低时延下收到信号指令,及时做出与前车协同一致的动作。

现场测试表明,基于5G的高可靠和超低时延的V2X方案,前车和后车指令传输的端到端时延最低可以控制在5毫秒,大大缩短后车延迟反应的时间,从而使整个车辆编队步调一致,车辆间的安全距离也可缩小,同时使整个车队的安全性也得到保障。

5G在该应用场景中,5毫秒以内的端到端低时延以及99.999%的可靠性,是安全高效车辆编队行驶的关键。在车辆编队行驶中,车与车通信的端到端时延直接决定了车车之间的最小安全距离。得益于5G技术的高密度车辆编队不仅可以节省司机的人力成本,更可以有效的提高道路的使用能力。

同时,远程驾驶也可作为自动驾驶的补充,比如在租车和共享汽车场景中,一名驾驶员可以管理多辆汽车,通过远程驾驶将汽车从偏远区域移到人员密集区域,提高车辆利用率。

基于5G网络数据传输的远程遥控驾驶可以通过多个摄像头将240°视角的高清视频以50 Mb/s的网速传送到远程驾驶台后,远程驾驶员再根据视频对方向盘、油门、刹车进行控制,所有操作都会在10毫秒以内的反馈到车辆。

得益于5G网络大带宽、低时延能力的远程自动驾驶在未来具有广泛的应用价值。对于在恶劣环境和危险区域如矿区、垃圾运送区域、地基压实区等人类驾驶员难以达到的区域,进行远程驾驶操控可以提升效率并节省人力。

按照中国三大运营商的计划,移动和联通都将会在2020年实现5G正式商用,中国电信也将于2020年在重点城市实现规模商用。这一切也都为真正的万物互联打下了坚实的基础。

随着5G网络在各个领域的渗透,交通工具在不久的将来除了可以和交通设施、周边环境深度融合,还可以和智能家居、办公环境、医疗教育等各个领域实现关联,从而最终成为智慧城市大场景中不可缺少的重要环节。例如在不久前的长宁地震中,全国首个5G应急救援系统已经投入到灾区抢救伤员的工作中。

以5G急救车为基础,配合人工智能、AR、VR和无人机等应用打造的全方位医疗急救体系可以让随车医生可以利用5G医疗设备第一时间完成验血、心电图、B超等一系列检查,并通过5G网络将医学影像、病人体征、病情记录等大量生命信息实时回传到医院。实现院前院内无缝联动,快速制定抢救方案,提前进行术前准备,大大缩短抢救响应时间,为病人争取更大生机。

根据统计,全球已经有140亿部终端实现了网络连接,但还有至少1000亿部设备尚未实现网联,因此万物互联发展空间仍然十分巨大,而5G网络革新性的技术特点刚好为这一构想提供了充分的无线网络支撑。

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