面向無(wú)人駕駛產(chǎn)業(yè)的5G解決方案分析

孫淑斌

摘要：5G技術(shù)的發(fā)展使諸多新業(yè)務(wù)得以開展，其中無(wú)人駕駛是一個(gè)廣受關(guān)注的應(yīng)用場(chǎng)景。本文對(duì)功能下沉、D2D技術(shù)、免調(diào)度技術(shù)、低時(shí)延幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，最后給出了無(wú)人駕駛產(chǎn)業(yè)的5G解決方案設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：5G技術(shù);解決方案;無(wú)人駕駛

中圖分類號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）10-0220-02

如今4G移動(dòng)通信已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模商用，2019年6月6日工信部發(fā)放了5G商用牌照，標(biāo)志著中國(guó)已經(jīng)進(jìn)入5G商用元年。最令人關(guān)注的5G技術(shù)落地場(chǎng)景之一即為無(wú)人駕駛產(chǎn)業(yè)，該產(chǎn)業(yè)不僅有潛力減少交通事故的發(fā)生，而且可以極大地改善交通擁堵問(wèn)題。無(wú)人駕駛依靠單車智能的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)技術(shù)要求過(guò)高，車聯(lián)網(wǎng)成為當(dāng)前最熱門的研究方向，其中5G通信網(wǎng)絡(luò)是核心技術(shù)。本文將分析無(wú)人駕駛產(chǎn)業(yè)中的5G解決方案。

1 5G在無(wú)人駕駛中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)分析

無(wú)人駕駛系統(tǒng)的構(gòu)建對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率要求極高，因此5G在無(wú)人駕駛中的落地必須滿足很高的時(shí)延性要求，理論上時(shí)延必須控制在毫秒級(jí)。為了使5G技術(shù)滿足無(wú)人駕駛應(yīng)用需求，就必須采用全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，進(jìn)而確保單次傳輸時(shí)延足夠低。

1.1 功能下沉

如今LTE系統(tǒng)通常包括E-UTRAN與EPC兩層架構(gòu)，為了減小時(shí)延，則必須對(duì)傳統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，有效的解決方案是把EPC的控制與轉(zhuǎn)發(fā)功能下沉部署，即將EPC下沉至E-UTRAN邊緣，這樣做可以縮短傳輸距離。

1.2 D2D技術(shù)

在傳統(tǒng)通信架構(gòu)中，數(shù)據(jù)一般需要通過(guò)多次轉(zhuǎn)發(fā)，這樣必然會(huì)使時(shí)延增加。因此可以采用D2D技術(shù)來(lái)解決這一問(wèn)題，D2D的核心思想是通過(guò)周邊資源直接實(shí)現(xiàn)端到端通信。該技術(shù)適合解決無(wú)人駕駛問(wèn)題，例如當(dāng)汽車高速運(yùn)行過(guò)程中突然發(fā)現(xiàn)緊急情況，此時(shí)可以借助于D2D這一面向鄰近的通信技術(shù)搜索周邊車輛，同時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，進(jìn)而幫助做出及時(shí)的躲避操作。

1.3 免調(diào)度技術(shù)

數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中實(shí)時(shí)地接收著調(diào)度信息，基站調(diào)度器必須計(jì)算不同終端對(duì)資源的需求，進(jìn)而發(fā)出相應(yīng)調(diào)度信號(hào)，在調(diào)度信息的發(fā)出與執(zhí)行過(guò)程中會(huì)造成一定時(shí)延。為此，可以采用相應(yīng)的免調(diào)度技術(shù)來(lái)解決，其中一種解決方案為免授權(quán)的上行傳輸，通過(guò)設(shè)置免授權(quán)頻段區(qū)域，讓用戶在相應(yīng)區(qū)域內(nèi)部實(shí)現(xiàn)“無(wú)縫”數(shù)據(jù)傳輸，而忽略了調(diào)度請(qǐng)求環(huán)節(jié)，這對(duì)于控制信道開銷有重要意義。然而，當(dāng)兩個(gè)及以上用戶通入收到同一資源時(shí)，理論上是存在沖突的，這是應(yīng)添加競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制。除此之外，還可以采用隨機(jī)接入上行傳輸、隨機(jī)接入下行傳輸以及廣播下行傳輸?shù)让庹{(diào)度技術(shù)。

1.4 低時(shí)延幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了達(dá)到預(yù)期的低時(shí)延性能，可以采用較大子載波間隔的方式降低調(diào)度時(shí)延，可通過(guò)循環(huán)前綴控制子載波干擾，進(jìn)而提高傳輸可靠性。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)幀結(jié)構(gòu)可以直觀地增強(qiáng)低時(shí)延特性，其中關(guān)鍵參數(shù)為時(shí)隙、短時(shí)隙、子載波間隔、TTI以及物理資源塊。

2 無(wú)人駕駛產(chǎn)業(yè)5G解決方案設(shè)計(jì)

無(wú)人駕駛場(chǎng)景對(duì)安全性要求極高，因此對(duì)5G通信方案的要求主要表現(xiàn)為低時(shí)延特性上，因此本節(jié)將著重從增強(qiáng)通信方案時(shí)延性的角度討論技術(shù)方案的設(shè)計(jì)，進(jìn)而滿足無(wú)人駕駛系統(tǒng)對(duì)通信提出的苛刻需求。

2.1 網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

為了滿足無(wú)人駕駛對(duì)數(shù)據(jù)傳輸及時(shí)性的要求，如今的LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)無(wú)法勝任，所以應(yīng)當(dāng)采用全新的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來(lái)達(dá)到毫秒級(jí)的傳輸要求。在已有的LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基礎(chǔ)上，可以把EPC與eNB進(jìn)行融合以后才部署，也就是實(shí)現(xiàn)了EPC功能下沉。與此同時(shí)，可以基于D2D技術(shù)實(shí)現(xiàn)車與車之間的及時(shí)通信，整體架構(gòu)就實(shí)現(xiàn)了小區(qū)內(nèi)車與車以及小區(qū)間車與車的通信功能。在改系統(tǒng)架構(gòu)中，應(yīng)對(duì)無(wú)人車終端與應(yīng)用層間（5G-V）的接口協(xié)議進(jìn)行制訂，進(jìn)而達(dá)到二者通信管理的目的。無(wú)人車終端與應(yīng)用層間協(xié)議棧包括了介質(zhì)訪問(wèn)控制、數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議、GTP-U協(xié)議以及無(wú)線鏈路控制這4個(gè)部分，除了GTP-U是面向隧道數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊酝?，其?個(gè)協(xié)議均起到資源調(diào)度、管理的作用。

2.2 車與車空口協(xié)議棧

對(duì)于無(wú)人駕駛產(chǎn)業(yè)而言，無(wú)需對(duì)X2、S1接口進(jìn)行維護(hù)，下文討論僅圍繞空中接口，也就是Uu接口與Un接口。在車與車的通信網(wǎng)絡(luò)中，由于接口兩端均為UE實(shí)體，因此必須對(duì)空中接口重新界定，且應(yīng)具備D2D的通信與發(fā)現(xiàn)功能。對(duì)于車與車而且，空口協(xié)議棧同樣可以劃分為發(fā)現(xiàn)與通信兩種功能。對(duì)于前者，目的是感知周圍車輛及其他障礙物，該功能的實(shí)現(xiàn)需要建立介質(zhì)訪問(wèn)控制層與物理層，進(jìn)而達(dá)到和高層交互的目的，并獲得發(fā)現(xiàn)信息;對(duì)于后者，其目的是讓通信變得更加直接，為此可以基于廣播傳播機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.3 5G空口設(shè)計(jì)

如今LTE系統(tǒng)空口遠(yuǎn)遠(yuǎn)難以達(dá)到無(wú)人駕駛所需的低時(shí)延要求，因此必須從空口物理層入手，做出改進(jìn)設(shè)計(jì)。

2.3.1 傳輸參數(shù)集

5G的空口系統(tǒng)參數(shù)對(duì)傳輸速度、信號(hào)延遲等性能影響很大，其中核心參數(shù)為載波間隔與CP類型，根據(jù)當(dāng)前研究成果可知，子載波間隔設(shè)計(jì)為60kHz是可以滿足需求的。

2.3.2 調(diào)度時(shí)序設(shè)計(jì)

合理的設(shè)計(jì)調(diào)度時(shí)序，能夠起到降低傳輸時(shí)延的目的，讓重傳次數(shù)最大化。在5G技術(shù)的幫助下，eNB與UE處理時(shí)間容易控制到0.2ms以內(nèi)。單次環(huán)回傳輸時(shí)延與數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)間正相關(guān)，且滿足下式：

2.3.3 幀結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

面向無(wú)人駕駛產(chǎn)業(yè)的幀結(jié)構(gòu)可以為Type2幀結(jié)構(gòu)，各無(wú)線幀長(zhǎng)度取1.25ms，將各無(wú)線幀劃分為2個(gè)半幀，各半幀又分別包括五個(gè)子幀。子幀1與6均包含3個(gè)特殊時(shí)隙，即DwPTS、UpPTS以及GP。這3個(gè)特殊時(shí)隙中，前兩者基于《LTE物理層協(xié)議》中的表格4.2-1進(jìn)行子幀0與5的設(shè)計(jì)。

2.3.4 新多載波技術(shù)設(shè)計(jì)

多載波技術(shù)的革新是5G通信時(shí)代的一個(gè)標(biāo)志性研究方向，對(duì)于無(wú)人駕駛產(chǎn)業(yè)而言更是不可或缺的一部分，最先進(jìn)的新型載波技術(shù)包括正交頻分復(fù)用、UFMC等，其核心思想是通過(guò)濾波機(jī)制降低頻譜泄露。正交頻分復(fù)用對(duì)OFDM兼容良好，但是在適配信道上靈活性較差。作為改進(jìn)，F(xiàn)BMC技術(shù)得到更多的關(guān)注，由于無(wú)CP，進(jìn)而降低信令開銷，提供靈活可配的新空口。

3 結(jié)語(yǔ)

基于5G通信技術(shù)的無(wú)人駕駛產(chǎn)業(yè)落地是全球關(guān)注的熱點(diǎn)，本文針對(duì)無(wú)人駕駛對(duì)通信提出的苛刻的低時(shí)延要求展開技術(shù)方案討論，給出了相應(yīng)的技術(shù)路線。然而，5G通信技術(shù)的發(fā)展必然是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，未來(lái)還有待針對(duì)eNB與EPC協(xié)議框架展開更加深入的研究。

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