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2019年4月24日 星期三

5G car connectivity V2V, V2X – 
low latency, high bandwidth


源:腾讯科技

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2019年被視為全球「5G元年」。作為新一代行動通信技術,5G將成為支撐未來創新的統一連接架構,賦予經濟成長新動能。

隨著5G商用的到來,人們都期待這項革新技術,將給很多傳統領域帶來全新的面貌。比如對於百年汽車行業而言,這將意味著給自動駕駛、車聯網技術,帶來更多加速和突破,甚至給整個產業,打開更多想像的空間。

5G與車聯網:將改變產業投資方向
首先,讓我們一起瞭解下「車聯網」的概念,車聯網也稱作V2X (Vehicle to Everything),是汽車與萬物互聯,包括車與車(V2V),車與基礎設施(V2I)、車與行人(V2P)以及與網路(V2N)之間的通信。
車聯網就好像是一個,包含有車、交通信號燈等路邊設施、行人和雲端參與的社群,群裡的每一個參與者,都可以將自身的資訊,與其他參與者即時分享,實現彼此間位置和駕駛意圖的識別,對信號燈等交通資訊的告知等,協助群內的車輛,對道路的感知,支撐車輛自動化。

傳統V2X技術產生已久,它作為早期802.11a技術的衍生技術,孕育於21世紀的頭幾年。但是,傳統V2X技術具有明顯的局限性。主要有以下幾點:

首先,它缺乏長期的無線技術演進路線圖。隨著車輛間互聯性越來越高,汽車產業已經擁抱 4G LTE 技術,並向著5G未來不斷邁進,該傳統技術已經脫離,汽車產業的未來願景及發展方向。

其次,對於傳統V2X技術的投資缺乏動力。對於汽車廠商而言,進行一次性的投資並不合算,隨著時間推移,傳統技術將難以為繼;就道路基礎設施而言,傳統V2X技術不能和其他廣泛部署,並不斷創新進步的無線技術,產生協同效應,資金緊張的各級交通部門,很難對其進行投資,並推動基礎設施的升級。

最後,傳統的V2X技術,並沒有預見到,2019-2020年全球5G轉型的加速,而正是由於全球5G技術發展的加速,改變了汽車廠商,和道路基礎設施管理者的投資方向。

鑒於傳統V2X技術的不足,並充分利用蜂窩行動通信的產業規模優勢,全球行動通信標準化組織3GPP,在R14標準版本中定義了C-V2X(蜂窩車聯網)技術。

自從2016年C-V2X技術誕生以來,汽車產業的大多數參與方,都採取了C-V2X,這一能夠全面解決安全和效率問題的技術,它是既適用於未來發展,又符合全球變革路徑的最佳技術。

基於3GPP無線標準的C-V2X,全球無線部署符合5G演進路線,將從終端和基礎設施層面,充分發揮規模效應。C-V2X能整合於車內資訊處理無線模組中,所以汽車廠商的增量成本問題,也得到瞭解決。

道路基礎設施部署,能與5G規模部署產生協同效應,這為各級政府節省了大量支出。相對於傳統技術,C-V2X還具有技術優越性,能夠提供2倍以上的通信範圍及可靠性。

5G帶給自動駕駛的突破:低時延、高可靠、高速率
目前,自動駕駛技術在美國和中國得到高速發展。截止到2018年底,美國加州政府已經向60家企業,發放了自動駕駛測試牌照,中國各地政府也先後向24家企業發放了測試牌照。


在由著名研究機構Navigant research,發佈的最新一年自動駕駛競爭力排行榜中,處於領先位置的公司,多是採用單車智慧的方式,即車輛對環境的感知,和對行駛的決策,都是透過車載的感測器和,計算處理單元來完成,這在交通設施相對完善的城市內道路,或者工作條件相對簡單的高速公路場景上,短時間內可以取得較快的進展。

但僅僅依靠單車智慧,會有比較大的局限性,例如對於交通設施缺損比較嚴重、部署不很規範的道路,或者是交通流量比較大,且車速較快的高速公路等複雜場景,單車智慧還很難完成,複雜道路環境的感知和即時決策。但是隨著5G的發展和應用,為自動駕駛汽車打破了這些局限性。


自動駕駛研究領域普遍認為,自動駕駛不僅需要智慧的車,還需要智慧的路相配合。利用5G技術低時延、高可靠、高速率和大容量的能力,車聯網不僅可以幫助車輛間,進行位置、速度、行駛方向和行駛意圖的溝通,更可以利用路邊設施輔助車輛,對環境進行感知。

比如車輛利用自身的攝影機,可能無法保證對交通信號燈進行準確的判斷,進而可能會發生闖紅燈的違規行為,但是利用車聯網的V2I技術,交通信號燈把燈光信號,以無線信號的方式發給周邊的車輛,確保自動駕駛汽車準確瞭解,交通信號燈的狀態。

不僅如此,交通信號燈還可以廣播下次信號改變的時間,甚至其他相鄰路口,未來一段時間內的信號狀態,自動駕駛車輛可以據此精確的優化行進速度和路線,選擇一條紅燈最少、行駛最快的路線,即優化了交通,又可以減少碳排放。

另一個例子是,交叉路口的通行優化和橫穿行人告警。今天道路上經常發生,橫穿路口的行人/自行車,與車輛間的碰撞事故,尤其是左轉車輛,由於視線受阻,司機和車載感測器,經常無法觀察到路口內橫穿的行人。

一個解決辦法,就是透過在路口上,安裝雷達和攝影機對路口內行人進行監視,如果檢測到斑馬線上和路口內有行人,並且行人在車輛的行進路線上,路邊設施(RSU)可以將檢測到的情況,即時通知即將轉彎,或直行的車輛注意避讓,規避事故的發生。

5G和車聯網技術,是自動駕駛所必須的技術保障。透過選擇「智慧的車+智慧的路」這一正確的技術路線,充分發揮5G的技術優勢,我們有理由相信5G技術,將在自動駕駛領域發揮其巨大作用。


5G加強自動駕駛的感知、決策和執行
汽車的自動駕駛包括感知/認知、決策和執行,共三個層面,而這三個層面都能夠利用5G行動通信技術得到加強。

首先來看感知/認知層面。感知/認識,就是讓汽車和駕駛者知道「我在哪裡,我周圍有什麼,我是否有危險」。因而首先需要高精度的定位,對於自動駕駛來說,甚至需要亞米級的定位。傳統的衛星定位(GNSS),無法滿足車輛自動化所需的定位精度,因而需要使用基於網路,輔助的差分定位技術,並且結合航跡推演技術,來提升定位精度。

以高通公司推出的視覺增強精確定位(VEPP)技術為例,其融合多個汽車感測器,包含全球導航衛星系統(GNSS)、攝影機、慣性測量單元(IMU)和車輪感測器,以提供更準確的全球車輛定位。

VEPP是車載通訊系統(Telematics)控制單元,和高階定位裝置之間的組合,實現了車道等級準確度,精確度小於1米。在精確地掌握了自身位置之後,我們還需要一張,支持自動駕駛的車道級別的高精地圖,從而知道車輛在道路中的位置,而利用5G行動通信大頻寬的優勢,車輛可以即時獲取最新的高精地圖。

其次,車輛需要瞭解,周邊的道路參與者和障礙物。自動駕駛車輛往往安裝多個先進感測器,包括攝影機、雷達,甚至雷射雷達,來感知周邊的物體。

但是這些價值不菲的感測器,只能檢測到視距範圍內的物體,並且對氣候條件也比較敏感,比如霧霾天氣攝影機和雷射雷達就會失效。

而利用V2V車通信技術,可以把車輛感知範圍,擴大到視距之外,比如前後若干車輛的位置,甚至它們緊急剎車的狀態資訊,進而可以提前對道路狀況進行判斷,及早採取規避措施避免追撞事故的發生。

同時,利用V2I通信,車輛還可以從道路基礎設施那裡,獲得諸如信號燈,和路口內行人等資訊,形成完整的對道路環境的感知。


5G技術不僅可以提高,自動駕駛車輛的環境感知能力,還可以利用車輛間無線連接,讓多個車輛進行協作式決策,合理規劃行動方案。

比如,在高速公路內側車道上車輛,在其需要駛離高速公路時,可以透過車車通信與周邊車輛協商,要求周邊車輛避讓以便其能夠向外側車道變線並駛離高速。

如前所述,僅依靠單車智慧,L4/L5只是存在理論上的可行性。讓機器學會準確辨識,道路上的所有標識、信號和道路參與者,是一件幾乎無法完成的任務,讓機器學會處理所有可能的偶發事件,也需要付出難以承受的代價。

只有透過基於5G技術的車車/車路協同,充分發揮基礎設施的能力,才能以較低的代價和成本,讓自動駕駛車輛,實現對駕駛環境的感知和行駛的決策。

另外,從人工智慧的角度來看,機器無法完全替代人類的決策,在一些偶發的複雜場景,需要人類參與決策,即「man in the loop」。但是對於自動駕駛車輛來講,車內的乘員可能並不會駕駛汽車,也無法參加決策。

但有了5G技術,我們就可以讓遠端服務中心的人員,參與到決策中來。比如在一些特殊的場景,機器無法完成駕駛而造成脫離(Disgagement),就像今天車輛發生故障時,我們呼叫救援中心一樣,車輛可以利用5G網路,呼叫遠端的服務中心,利用5G的低時延大頻寬,將現場的即時圖像,和感測器資訊,傳送給服務中心的專業人員,由專業人員在虛擬現實的場景下,遠端控制車輛駛離複雜路況,直到駕駛系統能夠再次接管車輛。

當然我們並不是說,只有L4/L5這樣的高度自動化才,需要5G技術,實際上車聯網技術,對以人類駕駛為中心的低級別自動化,也有極大的幫助。

例如前面提及的多項感知技術,都可以應用到當前的車輛中,為駕駛員提供駕駛輔助(ADAS),例如基於車載雷達,和V2V技術融合的前撞預警,和緊急自動剎車等。


5G應用車聯網,有兩大問題亟待解決
當然在大規模商用前,還有一些政策和技術上的問題急需解決。自動駕駛技術,可以將我們從繁重的駕駛任務中解放出來,使我們的旅程更加安全、更加環保。

5G車聯網,將大大增強自動駕駛車輛的感知能力,促進自動駕駛車輛的盡早量產。更高級的自主駕駛需要車車/車路的廣泛協同,而5G技術更是自主駕駛不可替代的必要手段。

5G應用車聯網,落地可期
雖然5G應用車聯網到目前還沒有真正的實現,但也已經走在實現的路上。

今年消費電子展(CES)期間,福特汽車宣佈自2022年起,福特將在美國銷售的每一輛新車和卡車上,都內置C-V2X技術;而近期又宣佈,將於2021年在中國量產,首款搭載C-V2X技術的車型。

在今年2月世界行動通信大會期間,中國吉利宣佈計劃在2021年發佈,其首批支持5G和C-V2X的量產車型。部分中國車企也都積極跟進,考慮在兩年內量產的部分車型中,率先支持C-V2X技術。


我們有理由相信,在未來兩年內,與5G網路建設同步展開,多數城市和高速公路會採用C-V2X技術,對交通基礎設施進行升級改造。

2020起量產的具備C-V2X功能的車輛,將能夠率先感受到C-V2X技術,帶來的便利的交通、安全的駕駛提示,和更加優化的節能減排。5G和AI等新興技術的結合,必將激發汽車行業的創新浪潮,賦能整個汽車生態的進化。

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