5G推進(jìn)ADAS和自動(dòng)駕駛發(fā)展進(jìn)程

陳天殷, 耿殿麗

(美國(guó)亞派克機(jī)電(杭州)有限公司, 杭州 310012)

當(dāng)前汽車無(wú)線通信的應(yīng)用有兩種技術(shù)：專用短程通信(DSRC)和 4G 蜂窩 LTE。因自身速度、帶寬、時(shí)延等局限，它們皆難以提供千兆比特/秒的數(shù)據(jù)速率、高速移動(dòng)性支持、大規(guī)模機(jī)器通信和超高可靠性低時(shí)延，無(wú)法滿足先進(jìn)的 ADAS和自動(dòng)駕駛對(duì)關(guān)鍵任務(wù)執(zhí)行的要求[1]。

1 高速無(wú)線通信的進(jìn)步的影響

高速無(wú)線通信的進(jìn)步，推進(jìn)著自動(dòng)駕駛。5G對(duì)車聯(lián)網(wǎng)的實(shí)質(zhì)提升的影響可通過(guò)一組數(shù)據(jù)對(duì)比來(lái)看：自動(dòng)駕駛汽車以60 km/h的速度行駛，如果時(shí)延是60 ms，車的制動(dòng)距離大概在1 m；如果是10 ms的時(shí)延，車的制動(dòng)距離是17 cm；如果降低到5G的理論時(shí)延1 ms，制動(dòng)距離縮短到只有17 mm，這樣自動(dòng)駕駛理論上也會(huì)更安全。另外，5G網(wǎng)絡(luò)的容量相對(duì)4G提升1 000倍；頻帶寬度提升10倍；頻譜效率提升10倍,實(shí)現(xiàn)低能耗全覆蓋。

5G的低時(shí)延、高帶寬、高穩(wěn)定性等能夠提升車輛對(duì)環(huán)境的感知、決策、執(zhí)行能力，供車聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛應(yīng)用，尤其是涉及車輛安全控制類的應(yīng)用帶來(lái)更好的基礎(chǔ)條件。5G 蜂窩通信技術(shù)解決方案克服 DSRC 和 4G 蜂窩 LTE 的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)更安全、更強(qiáng)大的交通運(yùn)作系統(tǒng)。

5G定義了三大業(yè)務(wù)場(chǎng)景：eMBB(增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶)、mMTC(海量機(jī)器類通信)、uRLLC(超可靠低時(shí)延通信)[2]。

其中，eMBB主要面向3D/超高清視頻等大流量移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)，它相當(dāng)于4G網(wǎng)絡(luò)的增強(qiáng)，用戶體驗(yàn)速率在0.1～1 Gbps，峰值速率為10 Gbps；mMTC場(chǎng)景對(duì)應(yīng)的是物聯(lián)網(wǎng)等連接量較大的應(yīng)用，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，每平方公里可支持連接100萬(wàn)個(gè)設(shè)備；而uRLLC超可靠、低時(shí)延(低于1 ms)的特點(diǎn)則適合自動(dòng)駕駛、工業(yè)自動(dòng)化諸方面的場(chǎng)景要求，降低了行車風(fēng)險(xiǎn)。大量而充分的數(shù)據(jù)有助于ADAS和自動(dòng)駕駛汽車能保持最佳安全運(yùn)行狀態(tài)。

5G也是先進(jìn)ADAS的需要。常見的ADAS必含車載導(dǎo)航系統(tǒng)，通常由GPS和TMC(Traffic Movement Control)提供交通實(shí)時(shí)信息。自動(dòng)駕駛有賴于人工智能、視覺計(jì)算、雷達(dá)探測(cè)、監(jiān)控裝置和全球定位系統(tǒng)協(xié)同合作，使汽車電腦能在沒有人類主動(dòng)操作的狀況下，自動(dòng)安全地駕馭汽車，這需要大量的視頻采集、數(shù)據(jù)分析和不斷反饋調(diào)整，并須做到低延時(shí)。若一輛自動(dòng)駕駛汽車以120 km/h的速度高速行駛，必須能及時(shí)探測(cè)出前方100 m范圍內(nèi)汽車的剎車動(dòng)作，方能正確應(yīng)對(duì)，確保安全。

5G加人工智能(AI)讓車輛擁有如同人一般的辨別能力。5G+AI從底層技術(shù)上的深度融合，將能感知覆蓋更多場(chǎng)景、彌補(bǔ)路測(cè)數(shù)據(jù)的不足，也將無(wú)人駕駛的安全性提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，更快實(shí)現(xiàn)技術(shù)的落地和普及，大大提升出行的安全性。

2 5G通信推進(jìn)ADAS和自動(dòng)駕駛

無(wú)線通信技術(shù)與交通相結(jié)合具有三大優(yōu)勢(shì)：更安全的道路、更高效的交通路線規(guī)劃以及更多的車內(nèi)便利性。具有無(wú)線功能的車輛可以與其他車輛和路邊基礎(chǔ)設(shè)施共享道路信息和交通狀況，以更好地預(yù)測(cè)潛在的風(fēng)險(xiǎn)或路線延誤，而這惟有5G才能保證[3]。

為體現(xiàn)上述優(yōu)勢(shì)，交通中的無(wú)線通信技術(shù)使用多種通信方法，包括車輛到車輛(V2V)、車輛到網(wǎng)絡(luò)(V2N)、車輛到基礎(chǔ)設(shè)施(V2I)、車輛到行人(V2P)、車輛到電網(wǎng)(V2G)以及最終的車聯(lián)網(wǎng)(V2X)。

2.1 5G克服當(dāng)前 V2X 的技術(shù)局限

1)克服DSRC的局限。目前汽車行業(yè)中使用的無(wú)線通信技術(shù)：802.11p DSRC 和基于 LTE(蜂窩網(wǎng)絡(luò))的V2X。這兩種技術(shù)都支持 V2X 通信，但各有利弊，而且當(dāng)前它們都無(wú)法實(shí)現(xiàn)完整的 V2X 體驗(yàn)。DSRC 以 IEEE 802.11p 物理層標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，在美國(guó)還要遵守 1609 車載無(wú)線接入環(huán)境(WAVE)協(xié)議；在歐洲則要符合歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ETSI)的 TC-ITS 歐洲標(biāo)準(zhǔn)。

802.11p DSRC 的兩大主要優(yōu)點(diǎn)是：可立即用于汽車行業(yè)；時(shí)延極低，僅約5 ms。基于成熟的 Wi-Fi 802.11a 技術(shù)，IEEE 于 2010 年批準(zhǔn)了 802.11p 規(guī)范。許多想要部署 V2X(特別是 V2V 和 V2I)通信的汽車制造商現(xiàn)在更青睞 802.11p 的可用性，因?yàn)镈SRC 是基于自組網(wǎng)的通信技術(shù)，不依賴于網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)。但802.11p 需要安裝許多新的接入點(diǎn)(AP)和網(wǎng)關(guān)，這增加了完全部署的時(shí)間和成本。另外DSRC的單車智能改裝成本也較高。由于它基于免費(fèi)的 Wi-Fi 技術(shù)，只是因?yàn)楫?dāng)前還沒有明確的商業(yè)模式，技術(shù)發(fā)展也僅有粗略的方案與方向，因而較難找到愿意支付 AP 部署成本的運(yùn)營(yíng)商。而蜂窩網(wǎng)絡(luò) V2X(C-V2X)是汽車網(wǎng)聯(lián)的新技術(shù)[4]。

2)克服LTE技術(shù)的局限。最新的 3GPP 第 14 版定義了一些基于 LTE 技術(shù)的 C-V2X 規(guī)范(也稱為用于車輛的 LTE-V)。LTE-V 支持汽車與網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線通信(V2N)，以及 V2V 和 V2P 的器件到器件(D2D)通信。C-V2X 的一大優(yōu)勢(shì)在于它使用現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，能提供更好的安全性、更大的通信范圍以及從 4G 到 5G 及更高代的技術(shù)演進(jìn)的路徑。當(dāng)前 4G LTE 網(wǎng)絡(luò)上的 LTE-V不能提供關(guān)鍵V2V通信所需的低時(shí)延(現(xiàn)在4G的時(shí)延在 30～100 ms 之間)，若領(lǐng)頭的汽車發(fā)出了緊急信號(hào)，V2V 通信卻未能及時(shí)通知后續(xù)車輛，安全狀況可能會(huì)迅速惡化[5]。

2.2 自動(dòng)駕駛車輛的5G網(wǎng)關(guān)模組

1)自動(dòng)駕駛車載網(wǎng)關(guān)架構(gòu)。自動(dòng)駕駛車載5G網(wǎng)關(guān)模組架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 自動(dòng)駕駛車載網(wǎng)關(guān)架構(gòu)圖

采用通用網(wǎng)關(guān)設(shè)備，使自動(dòng)駕駛車輛具備高效的網(wǎng)聯(lián)能力，可以大大減少智能車輛的改裝成本。自動(dòng)駕駛車輛的單車網(wǎng)關(guān)模組必須具備以下技術(shù)要求：集成度高、有通用適配能力(適配任何車型)，能提供充分接入；有5G網(wǎng)絡(luò)通信與感知融合能力；有決策下發(fā)和流量卸載能力，能靈活可靠地進(jìn)行駕駛決策與控制。

自動(dòng)駕駛車輛網(wǎng)關(guān)有如下六大特點(diǎn)：①專為自動(dòng)駕駛車輛設(shè)計(jì)研發(fā)，更符合車輛連接方式；②高精度定位服務(wù)，支持GPS、BOS、GLONASS，配備慣導(dǎo)模塊，厘米級(jí)定位；③高速網(wǎng)絡(luò)通信，內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)模塊，支持4G/5G/Wi-Fi，報(bào)告并標(biāo)定定位結(jié)果，實(shí)時(shí)顯示圖像；④可視化配置，降低使用難度，輕松上手；⑤多功能接口設(shè)計(jì)，CAN口、POE網(wǎng)口、RS222，支持車載的設(shè)備連接；⑥內(nèi)置Unux系統(tǒng)，具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，支持內(nèi)部程序二次開發(fā)。

2)自動(dòng)駕駛網(wǎng)關(guān)必須做到全場(chǎng)景高精度定位。高精度地圖與全場(chǎng)景高精度定位是實(shí)現(xiàn)L5級(jí)別自助駕駛路徑規(guī)劃的前提條件。高精度地圖能為車輛環(huán)境感知提供輔助，告知超視距路況信息，并幫助車輛進(jìn)行規(guī)劃決策。高精度定位將自動(dòng)駕駛汽車的環(huán)境感知結(jié)果與高精度地圖進(jìn)行對(duì)比，得到車輛在高精度地圖中的精確位置和姿態(tài)。

單一定位方式存在局限性，需要多傳感器融合接入，借助RTK-GPS圖像定位及基站信號(hào)慣性導(dǎo)航，而融合算法需要強(qiáng)大的計(jì)算資源，又需由通訊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)組EC上，這皆需5G解決，以讓車輛隨時(shí)隨地知曉自己在地圖上不同環(huán)境和工況下的精確位置，并能精準(zhǔn)清晰地將自身標(biāo)注在地圖平面上。

隧道中，差分GPS信號(hào)較弱，慣導(dǎo)也會(huì)產(chǎn)生累積誤差，要靠圖像和基站為車輛提供精準(zhǔn)定位；高速公路上，可通過(guò)差分GPS,圖像和基站定位融合感知車輛的位置；在夜晚圖像感知能力較差，主要得依靠基站和差分GPS獲取車輛的位置。

差分GPS、慣導(dǎo)、圖像、基站等多種定位手段獲得的位置數(shù)據(jù)，通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)上傳到移動(dòng)邊緣計(jì)算服務(wù)器進(jìn)行融合計(jì)算，得出車輛的精確位置，再通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)將位置信息回傳給車輛。高精度精準(zhǔn)定位涉及多種定位技術(shù)的融合計(jì)算，需強(qiáng)大計(jì)算資源。單車計(jì)算能力有限，需將數(shù)據(jù)傳輸?shù)組EC上。

2.3 5G通信推動(dòng)邊緣計(jì)算與自動(dòng)駕駛?cè)诤?/h3>

5G自動(dòng)駕駛的技術(shù)演進(jìn)和測(cè)試需要通用自動(dòng)駕駛網(wǎng)關(guān)。如圖2所示，從設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)層直到服務(wù)層，5G為自動(dòng)駕駛提供整套的基礎(chǔ)通信、位置和計(jì)算能力，推動(dòng)新一代通信技術(shù)與自動(dòng)駕駛深度融合[6]。

圖2 網(wǎng)聯(lián)自動(dòng)駕駛的基礎(chǔ)能力

5G核心網(wǎng)的控制面和數(shù)據(jù)面徹底分離，NFV(Network Function Virtualization，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化)將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功能從網(wǎng)絡(luò)硬件中解耦出來(lái)；數(shù)據(jù)平面可編程，令網(wǎng)絡(luò)部署更加靈活，而使能分布式的邊緣計(jì)算(MEC)部署。邊緣計(jì)算將更多的數(shù)據(jù)計(jì)算和存儲(chǔ)從“核心”下沉到“邊緣”，部署于接近數(shù)據(jù)源的地方，眾多數(shù)據(jù)不必再經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)到達(dá)云端處理，因而降低時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，也提升了數(shù)據(jù)安全性和隱私性。這對(duì)于時(shí)延要求甚高、數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)量極大的自動(dòng)駕駛領(lǐng)域而言，至關(guān)重要。未來(lái)對(duì)于靠近車輛的移動(dòng)通信設(shè)備，如基站、路邊單元等架構(gòu)或都將部署車聯(lián)網(wǎng)的邊緣計(jì)算，以完成本地端的數(shù)據(jù)處理、加密和決策，并提供實(shí)時(shí)、高可靠的通信能力。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)具備邊緣計(jì)算能力后，各核心層和終端層的計(jì)算負(fù)荷都可以整合到邊緣層進(jìn)行，極大地降低網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，同時(shí)也為低時(shí)延賦能。車輛終端層決策的最大優(yōu)勢(shì)為時(shí)延小，常用于進(jìn)行與車輛安全性緊密相關(guān)的決策，如緊急制動(dòng)等。對(duì)邊緣決策計(jì)算系統(tǒng)而言，該層配備的MEC平臺(tái)具有強(qiáng)大的計(jì)算能力和虛擬化能力，能夠承載多種自動(dòng)駕駛應(yīng)用。并且能夠?qū)緮?shù)據(jù)進(jìn)行匹配分流，在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)邊緣完成對(duì)自動(dòng)駕駛車輛數(shù)據(jù)分析處理。而核心層覆蓋范圍極廣，其計(jì)算能力最為強(qiáng)大，但因距離機(jī)動(dòng)車較遠(yuǎn)，傳輸時(shí)延相對(duì)較大，主要進(jìn)行對(duì)時(shí)延要求不是特別敏感的初始規(guī)劃、道路級(jí)別的規(guī)劃、宏觀交通調(diào)度、車輛大數(shù)據(jù)監(jiān)管、全局路徑規(guī)劃和全局高精度地圖的管理，優(yōu)化道路整個(gè)交通網(wǎng)的車流等[7]。

5G的邊緣計(jì)算可分邊緣層部署、區(qū)域?qū)硬渴鸷秃诵膶硬渴?種類型。如圖3所示。

圖3 3種類型的邊緣計(jì)算

2.4 5G為自動(dòng)駕駛系統(tǒng)提升交通安全性

精準(zhǔn)定位是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛安全的基礎(chǔ)，不斷提升5G的各項(xiàng)基本技術(shù)性能指標(biāo)更是完善和確保交通安全的保障。

正因5G的超低時(shí)延在汽車連通性中發(fā)揮關(guān)鍵作用,推動(dòng)新一代通信與自動(dòng)駕駛?cè)诤?，保護(hù)人身安全。例如，在突然剎車場(chǎng)景中，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)和 ADAS 的安全功能應(yīng)立即向后續(xù)車輛發(fā)出警告，以防止連環(huán)追尾。只有當(dāng)領(lǐng)頭車的消息能夠及時(shí)傳達(dá)到跟隨車輛以便其采取規(guī)避行動(dòng)時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。此外，低時(shí)延的 5G 技術(shù)能夠更好地預(yù)防事故，特別是在非視距(NLOS)情況下，因?yàn)榛跀z像機(jī)、激光雷達(dá)或常規(guī)雷達(dá)的大多數(shù)當(dāng)前傳感器融合技術(shù)只能探測(cè)到視線(LOS)內(nèi)的目標(biāo)[8]。大多數(shù)駕駛員至少需要經(jīng)過(guò)700 ms，方能對(duì)危險(xiǎn)情況做出反應(yīng)，采取規(guī)避或預(yù)防行動(dòng)。憑借1 ms的低時(shí)延，基于 5G 的自動(dòng)駕駛汽車和 ADAS 將使事故的數(shù)量大大減少，從而降低交通風(fēng)險(xiǎn)并保護(hù)人身安全。

5G 還將以極快的速度向自動(dòng)駕駛導(dǎo)航系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)，憑借高達(dá) 20 Gbps 的峰值數(shù)據(jù)速率，5G 將幫助自動(dòng)駕駛汽車實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的視頻和音頻娛樂。但更重要的是，5G 快速可靠的數(shù)據(jù)連接可以近乎實(shí)時(shí)地下載復(fù)雜的 3D 地圖。除傳感器融合技術(shù)之外，自動(dòng)駕駛汽車還非常依賴于精確且極為詳細(xì)的 3D 地圖導(dǎo)航。但是，將全省或全國(guó)的大型地圖數(shù)據(jù)集合存儲(chǔ)在車輛中將是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。人們自然想到的解決方案是使用 5G 數(shù)據(jù)連接下載附近地區(qū)的最新 3D 地圖。人們也希望 5G能在擁擠不堪的市區(qū)或人煙稀少的農(nóng)村可靠運(yùn)行，無(wú)論用戶身在何處，都能始終在線。無(wú)論您的自動(dòng)駕駛汽車是停在停車場(chǎng)中還是在高速公路上飛馳，即使速度高達(dá) 500 km/h(310 mph)，5G 都能確保所有關(guān)鍵任務(wù)無(wú)線服務(wù)無(wú)縫運(yùn)行[9]。

3 結(jié)束語(yǔ)

5G時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，技術(shù)的進(jìn)步讓5G能加速自動(dòng)駕駛實(shí)施，為整個(gè)交通生態(tài)圈、城市規(guī)劃帶來(lái)重大影響。為使容量與覆蓋皆能大幅提升，5G還在邊入網(wǎng)邊發(fā)展邊提升，通過(guò)擴(kuò)展頻譜帶寬來(lái)提升系統(tǒng)容量、頻段范圍和安全性。我國(guó)打造“5G+智能駕駛”的智能網(wǎng)聯(lián)交通系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)L5級(jí)別智能駕駛的安全可商用運(yùn)營(yíng)，將綜合解決混合交通環(huán)境下城市交通的安全和效率，把智能網(wǎng)聯(lián)交通系統(tǒng)列入一體化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃[10]。