5G網(wǎng)絡(luò)下實(shí)現(xiàn)無(wú)線遠(yuǎn)程控制車輛的應(yīng)用*

重慶移通學(xué)院 霍佳璐 余曉玫

隨著5G牌照的發(fā)放,中國(guó)5G發(fā)展進(jìn)入產(chǎn)業(yè)全面沖刺的重要階段。基于5G網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線遠(yuǎn)程車輛控制系統(tǒng)采用智能移動(dòng)終端通過(guò)車載無(wú)線通信模塊將控制指令傳遞給車內(nèi)電子系統(tǒng)。在滿足車載無(wú)線通信模塊在5G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋下、智能移動(dòng)終端可通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)訪問互聯(lián)網(wǎng)的前提下,可以不受距離限制即可遠(yuǎn)程操控汽車,使之完成目標(biāo)功能,從而可大大提高車輛操控的便捷性、安全性以及舒適性。

0 引言

4G改變生活,5G改變社會(huì)。全球的5G部署正在緊鑼密鼓地展開,我國(guó)工信部早在2019年6月6日就向中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通、中國(guó)電信、中國(guó)廣電發(fā)放了5G的商用牌照,這也正標(biāo)志著我國(guó)正式進(jìn)入5G的商用元年[1]。至此,我國(guó)成為繼韓國(guó)、日本、美國(guó)、瑞士、英國(guó)等國(guó)家后,全球首批提供5G商用服務(wù)的國(guó)家之一。5G網(wǎng)絡(luò)的商用部署,必然會(huì)促進(jìn)各行各業(yè)信息交流體系的重構(gòu),也會(huì)釋放出更多的應(yīng)用和行業(yè)需求。對(duì)于汽車行業(yè)而言,如何在5G網(wǎng)絡(luò)下實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制車輛就顯得尤為迫切。

傳統(tǒng)的車用遠(yuǎn)程無(wú)線鑰匙的遙控有效距離為30-50米以內(nèi),這還會(huì)受到方位、障礙物等情況的限制。這一點(diǎn)對(duì)基于5G網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)而言將不再是痛點(diǎn),再加之5G的分布式部署,可以使網(wǎng)絡(luò)資源靠近用戶,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)隨人動(dòng)、人隨心動(dòng)。由于車用無(wú)線鑰匙并非是生活必需品且外形小、外觀較為單調(diào),會(huì)面臨遺失、錯(cuò)拿、不易尋找等弊端。智能移動(dòng)終端現(xiàn)已成為人們生活中不可或缺,它不僅可以實(shí)現(xiàn)人人間通信,更多的是可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物的通信與控制。將智能移動(dòng)終端替代傳統(tǒng)的車用遠(yuǎn)程無(wú)線鑰匙,不啻避免了以上弊端,更實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地能夠遠(yuǎn)程查詢汽車當(dāng)前的狀態(tài)信息以及驅(qū)動(dòng)車輛來(lái)執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作的功能。

1 5G網(wǎng)絡(luò)

為了適配不同的服務(wù)需求,國(guó)際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union,ITU)將5G時(shí)代的業(yè)務(wù)歸納成三種典型的類型,移動(dòng)超寬帶業(yè)務(wù)(Enhance Mobile Broadband,eMBB)[視頻業(yè)務(wù)]、超高可靠低時(shí)延業(yè)務(wù)(Ultra Reliable and Low Latency Communication,uRLLC)[控制類業(yè)務(wù)]和大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)(Massive Machine Type Communication,MMTC)[用戶采集類][2]。5G網(wǎng)絡(luò)面向多連接和多樣化業(yè)務(wù)時(shí),可以實(shí)現(xiàn)靈活部署,從而便于實(shí)現(xiàn)新業(yè)務(wù)快速上線絕對(duì)離不開網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)切片是可以按照組合、靈活地進(jìn)行功能裁剪,向UE提供特定服務(wù)的某個(gè)子網(wǎng)絡(luò)[3]。本研究屬于uRLLC場(chǎng)景下的應(yīng)用,需要利用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)最大限度體現(xiàn)出“超高可靠、低時(shí)延”。由于網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)是端到端的,除了網(wǎng)絡(luò)側(cè)需要進(jìn)行切片部署外,智能移動(dòng)終端需要通過(guò)S-NSSAI(Single Network Slice Selection Assistance Information,單一網(wǎng)絡(luò)切片選擇輔助信息)和NSSF(Network Slice Selection Function,網(wǎng)絡(luò)切片選擇功能)提前選擇應(yīng)用組建好的切片業(yè)務(wù)。

當(dāng)然,對(duì)于無(wú)線遠(yuǎn)程車輛控制這種需要高可靠低時(shí)延的場(chǎng)景,5G網(wǎng)絡(luò)為了滿足時(shí)延的苛刻要求,核心網(wǎng)和無(wú)線側(cè)的功能,用戶面和分布單元的功能,5G網(wǎng)絡(luò)的部署需要盡量下沉。這樣一來(lái)就可以滿足低時(shí)延的需求,但是下沉也會(huì)帶來(lái)一定的管理問題,這一點(diǎn)交給面向邊緣設(shè)備所產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)的邊緣計(jì)算模型來(lái)完成,大量的數(shù)據(jù)整合和分析也迎刃而解,從而使得控制指令準(zhǔn)確快速執(zhí)行,車輛信息準(zhǔn)確實(shí)時(shí)顯示在移動(dòng)終端設(shè)備上。

在5G網(wǎng)絡(luò)諸多的關(guān)鍵技術(shù)中,D2D通信技術(shù)非常值得一提,它顛覆了傳統(tǒng)蜂窩通信系統(tǒng)以基站為中心的組網(wǎng)方式,實(shí)現(xiàn)了沒有基站和核心網(wǎng)的兩個(gè)UE之間的直接通信。傳統(tǒng)蜂窩通信與D2D通信區(qū)別示意圖如圖1所示。D2D通信能夠?qū)崿F(xiàn)較高的數(shù)據(jù)速率、較低的時(shí)延和功耗[4],這主要是由于D2D之間的通信是短距離直接通信,這種通信方式的信道質(zhì)量高,再加之,廣泛分布的終端可以改善覆蓋,實(shí)現(xiàn)頻譜資源高效利用。D2D可以使用蜂窩頻譜也可以使用未經(jīng)許可的頻譜。

圖1 傳統(tǒng)蜂窩通信與D2D通信區(qū)別示意圖Fig.1 Schematic diagram of the difference between traditional cellular communication and D2D communication

D2D技術(shù)直接通信擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)連接和接入方式,在如此靈活的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,用戶范圍的覆蓋實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步的擴(kuò)充,可以滿足海量用戶在不同環(huán)境下的業(yè)務(wù)需求。也正因如此,5G網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程無(wú)線控制車輛的場(chǎng)景不再僅限于基站部署密集的地區(qū),也可以通過(guò)D2D在某些信號(hào)不強(qiáng)、基站部署不到位或基站出現(xiàn)突發(fā)故障情況下實(shí)現(xiàn)通信。

通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò),智能網(wǎng)絡(luò)汽車必定可實(shí)現(xiàn)“安全、節(jié)能、高效、舒適”行駛,并最終可實(shí)現(xiàn)替代人來(lái)操作的新一代汽車[5]。

2 基于5G的遠(yuǎn)距離車輛無(wú)線控制系統(tǒng)

如圖2所示,該系統(tǒng)由微處理器模塊、車載無(wú)線通信模塊、智能移動(dòng)終端、電源模塊、車內(nèi)電子系統(tǒng)、定位模塊組成。微處理器模塊是整個(gè)遠(yuǎn)距離車輛無(wú)線控制系統(tǒng)的核心,相當(dāng)于人類的大腦,起到總領(lǐng)全局的作用,其他各模塊(除智能移動(dòng)終端外)都需要通過(guò)提前預(yù)先定義好的API接口與其相連,向其上傳信息或執(zhí)行相應(yīng)具體操作。智能移動(dòng)終端與車載無(wú)線通信模塊進(jìn)行信息交互,用戶可以通過(guò)智能移動(dòng)終端向車輛下達(dá)命令,同時(shí),車載無(wú)線通信模塊將車輛情況及時(shí)上傳到智能移動(dòng)終端,用戶可直接查詢車輛信息。電源模塊主要是在車輛未啟動(dòng)時(shí)為各模塊供能,待車輛啟動(dòng)后由車輛自身供電設(shè)備完成供能任務(wù)。

圖2 遠(yuǎn)距離車輛無(wú)線控制系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of long-distance vehicle wireless control system

2.1 微處理器模塊

采集車內(nèi)電子系統(tǒng)的狀態(tài)信息,并將采集到的相關(guān)信息及識(shí)別號(hào)通過(guò)車載無(wú)線通信模塊經(jīng)5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳輸至智能移動(dòng)終端。微處理器采用可采用單片機(jī)或ARM。本研究更傾向于采用ARM,主要原因在于ARM較單片機(jī)而言,在軟件編寫方面更方便、更安全、更高效;在硬件方面更是單片機(jī)無(wú)法相提并論的,ARM芯片大多集成了SDRAM、LCD等控制器,在引入嵌入式操作系統(tǒng)后,更是可以完成很多單片機(jī)系統(tǒng)無(wú)法完成的功能,這樣更利于后期的系統(tǒng)升級(jí)。換言之,單片機(jī)是微控制器,ARM才是真正的微處理器。值得關(guān)注的是ARM公司在2021年公布了全新的ARMv9架構(gòu),ARM公司CEO Simon Segars表示v9架構(gòu)將提升安全性和信任度,并為未來(lái)十年的計(jì)算機(jī)技術(shù)奠定基礎(chǔ)。ARM公司表示,在未來(lái)的兩次芯片迭代中,ARMv9架構(gòu)將會(huì)帶來(lái)30%的性能提升。這在將會(huì)在一定程度上提高汽車行業(yè)在安全方面的技術(shù)。

2.2 車載無(wú)線通信模塊

車載無(wú)線通信模塊中接入5G移動(dòng)通信系統(tǒng),嘗試采用5G T-box通信模組。5G T-box是智能車聯(lián)網(wǎng)的重要組成,通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線通訊,它可以采集行車數(shù)據(jù)、行駛記錄、車況等信息,它也可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制查詢等功能,所采集的數(shù)據(jù)信息和控制查詢等指令通過(guò)5G通信模組實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。5G T-box與傳統(tǒng)T-box相比,由于5G網(wǎng)絡(luò)的加入,它應(yīng)用的場(chǎng)景更廣泛,兼容性更強(qiáng),可以實(shí)現(xiàn)與云服務(wù)平臺(tái)的結(jié)合。能夠?qū)崿F(xiàn)智能汽車與智能移動(dòng)終端之間提供可靠的連接及服務(wù)。5G T-box結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 5G T-box結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 5G T-box structure diagram

2.3 智能移動(dòng)終端

智能移動(dòng)終端包括用戶登錄模塊、用戶信息顯示模塊、汽車狀態(tài)查詢模塊以及功能預(yù)設(shè)模塊。該智能移動(dòng)終端預(yù)計(jì)采用插有5G SIM卡的智能手機(jī),5G SIM卡與傳統(tǒng)SIM卡相比具有超大容量、安全存儲(chǔ)的功能。智能手機(jī)通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)與車載無(wú)線通信模塊進(jìn)行信息交互必須通過(guò)專屬App才能完成。

2.4 電源模塊

用于給其他模塊的運(yùn)行提供能量。該電源管理模塊將采用可充電的鋰離子電池組供電,它不僅不含有金屬態(tài)的鋰,并且其安全性、比容量、自放電率都具有明顯優(yōu)勢(shì),尤其是性價(jià)比高,使其成為主流。

2.5 車內(nèi)電子系統(tǒng)

在天氣寒冷的冬天,可以通過(guò)智能移動(dòng)終端的App實(shí)現(xiàn)不出家門就完成熱車工作;或者在臨時(shí)停車時(shí),也可以通過(guò)App了解到車內(nèi)情況,為車內(nèi)等待的家人播放音樂或視頻。以上場(chǎng)景,除了智能移動(dòng)終端App外,還離不開車內(nèi)電子系統(tǒng)。車內(nèi)電子系統(tǒng)包括車身控制系統(tǒng)和車載娛樂系統(tǒng),車身控制系統(tǒng)主要為用于遠(yuǎn)程控制、啟動(dòng)后車身控制、車況等數(shù)據(jù)采集,車載娛樂系統(tǒng)可以受控遠(yuǎn)程也可由車內(nèi)按鍵實(shí)現(xiàn)控制。

2.6 定位模塊

設(shè)想這樣一個(gè)場(chǎng)景,你所處在一家商場(chǎng)的停車區(qū)域,停車場(chǎng)內(nèi)環(huán)境復(fù)雜,人們需要花較長(zhǎng)時(shí)間才能找到車輛,如果此時(shí)可以借助移動(dòng)終端設(shè)備上的App尋到車輛,且定位出車輛與人位置差距,那么尋車將是一件輕松的事情。本研究的定位模塊采用GPS定位模塊及北斗定位模塊,GPS+北斗雙模定位,幫助移動(dòng)終端能夠更快、更精準(zhǔn)定位車輛所在的位置。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,在汽車行業(yè)乃至更多行業(yè)中應(yīng)用5G網(wǎng)絡(luò)是時(shí)代發(fā)展的必然趨勢(shì),5G三大應(yīng)用場(chǎng)景中的低時(shí)延uRLLC促使了遠(yuǎn)程低時(shí)延應(yīng)用的大量出現(xiàn),無(wú)線遠(yuǎn)程車輛控制是其典型的應(yīng)用。汽車行業(yè)應(yīng)用5G技術(shù)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新與技術(shù)突破,除了可為當(dāng)今處于低迷階段的汽車行業(yè)帶來(lái)前所未有的發(fā)展機(jī)遇,也為汽車行業(yè)建設(shè)“智能企業(yè)、創(chuàng)新企業(yè)”發(fā)揮決定性作用。

引用

[1] 江南.5G在視頻場(chǎng)景下的典型應(yīng)用[J].數(shù)字通信世界,2020(5):30-31.

[2] 楊德龍,孟薩出拉,丁慧霞,等.5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用分析[J].無(wú)線通信,2018,8(6):252-257.

[3] 王振世.一本書讀懂5G技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2020.

[4] 黃龍才.5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用前景與關(guān)鍵技術(shù)[J].通訊世界,2018(5):110-111.

[5] 李儼等.5G與車聯(lián)網(wǎng)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2019.