劉華楠

一、背景

通信技術(shù)發(fā)展有著悠久的歷史，在古代人們就掌握了飛鴿傳書、烽火狼煙、驛馬傳遞等傳統(tǒng)的通信手段。

1G：使用模擬通信，只能進行語音通話，不能進行短信、數(shù)據(jù)上網(wǎng)等業(yè)務(wù)，使用模擬調(diào)試、頻分多址技術(shù)，頻率復(fù)用度和系統(tǒng)容量都很低，抗干擾性也很差。

2G：開啟了數(shù)字通信時代，主要是GSM網(wǎng)絡(luò)制式，通話質(zhì)量、系統(tǒng)容量以及功能相比1G得到了極大提升，除了語音通信，還可以進行短消息、上網(wǎng)等活動。當前我們依然在使用2G網(wǎng)絡(luò)進行通信。2G的主要缺點在于網(wǎng)絡(luò)速率低，僅支持低速率的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

3G：開啟了移動通信新紀元，在新的頻譜上制定了新的標準，能夠使用更高的傳輸速率，視頻通話、大量數(shù)據(jù)傳輸更為普遍。

4G：LTE（Long Term Evolution，長期演進）引入了正交頻分復(fù)用（OFDM）和多輸入多輸出（MIMO）等關(guān)鍵技術(shù)，顯著提升了數(shù)據(jù)傳輸速率和頻譜效率，也降低了網(wǎng)絡(luò)部署和維護成本，是當前主流的通信技術(shù)。

5G：最新一代的通信技術(shù)，目前還處在研究試驗階段。5G通信技術(shù)將具備高速率，大連接，低時延，高可靠，低功耗的特點，從而使萬物互聯(lián)成為可能。5G將使我們未來生活的方方面面更加美好和便捷，是不可阻擋的發(fā)展趨勢。

在汽車生產(chǎn)出來不久，發(fā)明家們就已經(jīng)開始研究自動駕駛技術(shù)了，1925年美國一家無線電控制公司展示了一個量無線電控制的無人駕駛車輛，這輛車安裝了無線電接收和控制裝置，有人在另一輛車上通過無線電遙控操作，這與我們現(xiàn)在理解的自動駕駛不同，但這是人類在自動駕駛領(lǐng)最早的一次嘗試，表達了人們想要解放雙手，實現(xiàn)無人駕駛的夢想。顯然，在各種技術(shù)中，通信技術(shù)的發(fā)展是實現(xiàn)無人駕駛必不可少的環(huán)節(jié)之一。

5G技術(shù)使得通信的網(wǎng)絡(luò)速率、可靠性、時延得到保障，為車聯(lián)網(wǎng)自動駕駛、AR、VR、觸覺互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制等新應(yīng)用提供支撐。

華為在韓國完成了5G技術(shù)的高低頻組網(wǎng)，連續(xù)覆蓋，移動IPTV，4K視頻，無人機的測試。德國也在進行基于5G網(wǎng)絡(luò)的車聯(lián)網(wǎng)實驗。

自動駕駛的發(fā)展過程可分為不同的三個階段：輔助駕駛階段，這一階段駕駛員仍舊是操作主體，車輛具備車道保持、自適應(yīng)巡航等技術(shù)輔助駕駛；半自動駕駛階段，計算機操縱下的自動駕駛系統(tǒng)完成到達目的地的過程，受限于法律法規(guī)等因素，自動駕駛?cè)耘f不能作為駕駛行為的主體，只可作為備用系統(tǒng)完成行駛；全自動駕駛階段，技術(shù)、成本、法律法規(guī)等因素都允許的條件下，計算機控制的自動駕駛系統(tǒng)，駕駛員也可以隨時對操作系統(tǒng)進行控制工作的交接。

傳統(tǒng)汽車公司，從先進的駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）切入，逐步實現(xiàn)從輔助駕駛到無人駕駛的過渡。以特斯拉（Tesla）為代表的新興汽車公司，也在自動駕駛技術(shù)上取得了突破性進展，采用傳感器與各種具體應(yīng)用場景相結(jié)合。他們研發(fā)的無人駕駛汽車已經(jīng)投入使用了。

自動駕駛技術(shù)需要多個傳感器搜集多個環(huán)境數(shù)據(jù)，并需要把這些大量數(shù)據(jù)發(fā)送給其他車輛以及數(shù)據(jù)中心，當前可用于自動駕駛的通信系統(tǒng)只有DSRC（專用短程通信網(wǎng)絡(luò)）、LTE，目前的通信技術(shù)具有很多缺點，傳輸速率，傳輸時延，連接數(shù)量不能得到保障。

隨著5G技術(shù)的發(fā)展成熟，可以把5G通信技術(shù)應(yīng)用到車聯(lián)網(wǎng)中，實現(xiàn)對當前自動駕駛技術(shù)的通信系統(tǒng)優(yōu)化，提升數(shù)據(jù)傳輸速率、傳輸時延、車輛的連接數(shù)量。5G時代到來，無人駕駛和車聯(lián)網(wǎng)才能真正發(fā)展起來，并進入我們的日常生活。

自動駕駛技術(shù)的發(fā)展和普及具有重大的現(xiàn)實意義，是順應(yīng)時代發(fā)展趨勢的產(chǎn)物。自動駕駛將大幅提升車輛安全性，減少交通事故，并極大程度的降低交通擁堵。同時，該結(jié)束也將釋放大量勞動力，推動產(chǎn)業(yè)革新。甚至在不久的將來，人們可能不再需要停車場，把乘客送到目的地后，車輛將自動接待下一位乘客或者自行尋找停車點。這樣會讓出行變得更加便捷，免除出行者的后顧之憂。

二、5G技術(shù)和車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的相關(guān)原理

5G通信需要建設(shè)大量基站，每個基站創(chuàng)建多個小區(qū)。在此對小區(qū)做一個簡單的功能說明，小區(qū)基站無線信息的一個扇形服務(wù)區(qū)域，會提供廣播信息和專用信道，以實現(xiàn)手機或者終端的接入和通信。

車聯(lián)網(wǎng)就是以汽車為載體開展的信息服務(wù)，實現(xiàn)人、路、車的協(xié)同，是通信技術(shù)和信息技術(shù)結(jié)合體。車將實現(xiàn)自動駕駛，車輛監(jiān)控，運營管理，安全節(jié)油；路將實現(xiàn)道路狀況監(jiān)控，交通服務(wù)，電子地圖實時更新；人將在車聯(lián)網(wǎng)自動駕駛技術(shù)中將失去主體作用，將作為一個輔助角色，更多的是體驗娛樂、信息咨詢。

三、車聯(lián)網(wǎng)V2X通信的實現(xiàn)

（一）信息貢獻和移動自組織網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

公路上行駛的車輛來來往往，川流不息。自動駕駛的車與車之間需要交互數(shù)據(jù)。成千上萬汽車的行駛在不同的城市不同的街道，實現(xiàn)所有車輛的信息交互是艱難的，也是浪費通信資源的。比如相隔100公里的兩個車輛之間的信息交互，對于每一輛車來說是沒有用的數(shù)據(jù)。所以需要將對彼此交互的信息有用的車輛組織到一個小網(wǎng)絡(luò)中，形成一個彼此依賴的車輛群，形成移動自組織網(wǎng)絡(luò)。

移動自組織網(wǎng)絡(luò)是一種的臨時性自治網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)變化，由于車輛隨機移動、隨時熄火停車、網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)隨時可能發(fā)生變化，而且變化的方式和速度都是不可預(yù)測的。需要設(shè)計一套移動自組織網(wǎng)絡(luò)的方案，既要保證網(wǎng)絡(luò)的組建靈活，還需要保證通信的可靠。

自組織網(wǎng)絡(luò)組建的方案設(shè)計： 每個車輛都會接入一個小區(qū)，把自己的一些基本信息（含GPS位置信息）上報給小區(qū)，小區(qū)將這些信息廣播發(fā)送，接入該小區(qū)的其他車輛就會收到這些信息，每個車輛都可以保存這些車輛的信息，接入同一個小區(qū)車輛就自組織形成一個網(wǎng)絡(luò)，也就是一個群，群內(nèi)的車輛都可以發(fā)送自己傳感器探測到的數(shù)據(jù)給其他車輛。當車輛駛出該小區(qū)的覆蓋范圍時，切換到另一個小區(qū)時，就加入另一個小區(qū)下的組織網(wǎng)絡(luò)，和該小區(qū)下的所以車輛通信。

5G通信技術(shù)，支持大鏈接，接入到同一個小區(qū)下的車輛不會因為系統(tǒng)容量而受限無法加入自組織網(wǎng)絡(luò)；短時延特性，支持車輛間交互滿足毫秒級要求。

（二）互聯(lián)和海量連接的管理實現(xiàn)

自動駕駛不但要求車與車要互聯(lián)，還要求車與物的互聯(lián)，比如車與路測裝置互聯(lián)。車與物的互聯(lián)形式也是多樣的動態(tài)的。

車與路測裝置的互聯(lián)：路測裝置安裝帶運營商SIM卡的終端，通過某個小區(qū)接入移動網(wǎng)絡(luò)。路測裝置會把這一段路程的信息通過小區(qū)廣播出去，比如路面承重，限高，前方隧道，前方急轉(zhuǎn)彎，路面濕滑等信息，車輛接收信息后進行決策，采取一定措施，比如路面濕滑就會降速。

車與物的互聯(lián)靈活多樣，針對突發(fā)情況，亦可以增加帶通信功能的裝置實現(xiàn)，比如某些情況要對某個街道交通管制，就可以在臨近路口臨時放置裝置，接入移動網(wǎng)絡(luò)，通知經(jīng)過車輛前方交通管制，讓自動駕駛車輛及時重新規(guī)劃線路。

5G的大鏈接技術(shù)，保證了海量連接成為可能。

（三）安全、高可靠、低時延的安全保障

車輛高速行駛過程中，能夠及時快速的做出響應(yīng)至關(guān)重要。比如時速80公里/小時行駛的汽車，計算可以得出每秒就可以前進22.22米，如果車聯(lián)網(wǎng)消息按照秒級相應(yīng)，每秒22米就已經(jīng)沖出去了，事故可能已經(jīng)形成。

各個制式的網(wǎng)絡(luò)端到端通信的時延遲，當前可用網(wǎng)絡(luò)時延最小的4G LTE網(wǎng)絡(luò)也有100毫秒的時延。

我們來計算下，什么樣數(shù)量級的時間才能滿足安全保障，80公里/小時，80×1000米/60分鐘/60秒/1000毫秒=2厘米，既1毫秒可以前進2厘米，所以我們必須在毫秒級別實現(xiàn)各種事務(wù)的相應(yīng)。

如果自動駕駛的多輛車依次行駛在路上，前方車輛出現(xiàn)異常，后續(xù)車輛需要在幾個毫秒內(nèi)收到消息，并作出正確決策，才能避免事故發(fā)生。只有5G技術(shù)的高可靠低時延（uRLLC）的特性才能保證交互信息在毫秒內(nèi)完成。1毫秒，這是5G網(wǎng)絡(luò)端到端時延要求，這1毫秒，汽車的制動距離可以控制在2厘米里面，這將是車聯(lián)網(wǎng)自動駕駛技術(shù)安全的重要保障。

四、車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心

車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心包括數(shù)據(jù)管理、設(shè)備管理和運營管理，實現(xiàn)統(tǒng)一安全的網(wǎng)絡(luò)接入、各種終端的靈活適配、海量數(shù)據(jù)的采集分析。車輛裝配多種的傳感器數(shù)據(jù)，采集的各種數(shù)據(jù)和GPS信息，通過5G網(wǎng)絡(luò)上報數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心通過計算，可以實時獲取車輛狀態(tài)信息、車輛位置等信息。數(shù)據(jù)中心可以有以下幾個功能：

車輛監(jiān)測——隨時隨地的對車輛進行監(jiān)測，采集多種車輛數(shù)據(jù)，對車輛進行實時管理。

城市交通指揮——能夠整體了解整個城市車輛的動態(tài)，大數(shù)據(jù)分析，能及時掌握道路擁堵狀況，及時的對信號系統(tǒng)進行調(diào)整。

數(shù)據(jù)推送——數(shù)據(jù)中心可以推送各種數(shù)據(jù)到車輛，比如限行信息，道路擁堵狀況，車輛能夠自動作出決策。

車輛網(wǎng)數(shù)據(jù)中心，是各種數(shù)據(jù)的匯總，大數(shù)據(jù)的挖掘，必將關(guān)聯(lián)行業(yè)的發(fā)展。更多數(shù)據(jù)的使用需要進一步挖掘。

五、總結(jié)與展望

各個機構(gòu)和公司正在如火如荼的研究5G，國內(nèi)外的一些運營商已經(jīng)展開了測試，但是3GPP的5G標準正式版還沒有發(fā)布，待5G標準發(fā)布后，可以根據(jù)5G標準，使用5G通信技術(shù)進一步優(yōu)化自動駕駛通信系統(tǒng)。如下幾方面可以進一步研究優(yōu)化：

多個運營商時自動駕駛通信系統(tǒng)需要進一步研究優(yōu)化，相鄰的兩輛車使用了不同運行商的網(wǎng)絡(luò)，運營商與運營商雖然都是5G標準，但跨運營商，仍然有時間消耗，時延需要進一步優(yōu)化。

小區(qū)邊緣車輛的網(wǎng)絡(luò)組織，基站可以創(chuàng)建一個或者多個小區(qū)，多個基站創(chuàng)建的小區(qū)就可以覆蓋整個城市，整個鄉(xiāng)村，整個國家了，自動駕駛的汽車是移動，必然會在多個小區(qū)間切換，當車輛移動到小區(qū)邊緣時，時延可能增大，速率降低，小區(qū)邊緣車輛的通信需要考慮進一步優(yōu)化。

車輛網(wǎng)自動駕駛技術(shù)，將從根本上改變傳統(tǒng)車輛控制方式，可以大大提高交通系統(tǒng)的效率和安全性，各個車企和公司在大力發(fā)展自動駕駛技術(shù)，自動駕駛技術(shù)是未來汽車發(fā)展的重要方向。隨著傳感器探測技術(shù)的日漸成熟，5G通信技術(shù)的普及，讓車聯(lián)網(wǎng)信息交互更快更可靠。使用5G通信技術(shù)的車輛網(wǎng)支持的自動駕駛技術(shù)將在不久的將來進入我們的日常生活。