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一場“交通進化”將至: 5G帶給車聯網與自動駕駛哪些升級?

編者按:5G時代已經來臨,走向商用的步伐也在逐漸加快。騰訊科技聯合優質科技CP以及行業專家推出“5G局中局”系列文章,解讀5G在通訊、物聯網、車聯網、工業聯網、邊緣計算、云服務等各行業的應用,深度剖析5G技術將對行業競爭格局產生什么影響。

此文是車聯網篇,主要講述的是5G在自動駕駛以及車聯網領域的應用與突破。本文作者是美國高通公司技術標準高級總監李儼,著有《5G和車聯網》。

2019年被視為全球“5G元年”,中國5G發展也進入沖刺階段。作為新一代移動通信技術,5G將成為支撐未來創新的統一連接架構,賦予經濟增長新動能。

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。比如對于百年汽車行業而言,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象的空間。

5G與車聯網:將改變產業投資方向

首先,讓我們一起了解下“車聯網”的概念,車聯網也稱作V2X (Vehicle toEverything),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)以及與網絡(V2N)之間的通信。

一場“交通進化”將至: 5G帶給車聯網與自動駕駛哪些升級?

車聯網就好像是一個包含有車、交通信號燈等路邊設施、行人和云端參與的微信群,群里的每一個參與者都可以將自身的信息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,對信號燈等交通信息的告知等,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,孕育于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4GLTE技術并向著5G未來不斷邁進,該傳統技術已經脫離汽車產業的未來愿景及發展方向。

其次,對于傳統V2X技術的投資缺乏動力。對于汽車廠商而言,進行一次性的投資并不合算,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并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并推動基礎設施的升級。

最后,傳統的V2X技術并沒有預見到2019-2020年全球5G轉型的加速,而正是由于全球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。

鑒于傳統V2X技術的不足,并充分利用蜂窩移動通信的產業規模優勢,全球移動通信標準化組織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采取了C-V2X這一能夠全面解決安全和效率問題的技術,它是既適用于未來發展又符合全球變革路徑的最佳技術。

基于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能集成于車內信息處理無線模組中,所以汽車廠商的增量成本問題也得到了解決。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。相對于傳統技術,C-V2X還具有技術優越性,能夠提供2倍以上的通信范圍及可靠性。

5G帶給自動駕駛的突破:低時延、高可靠、高速率

目前,自動駕駛技術在中國和美國得到高速發展。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,中國各地政府也先后向24家企業發放了測試牌照。

在由著名研究機構Navigant research發布的最新一年自動駕駛競爭力排行榜中,處于領先位置的公司多是采用單車智能的方式,即車輛對環境的感知和對行駛的決策都是通過車載的傳感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。

但僅僅依靠單車智能會有比較大的局限性,例如對于交通設施缺損比較嚴重、部署不很規范的道路,或者是交通流量比較大且車速較快的高速公路等復雜場景,單車智能還很難完成復雜道路環境的感知和實時決策。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。

得益于中國汽車產業鏈在5G技術和應用上的不斷深化推進,業界自動駕駛研究領域普遍認為,自動駕駛不僅需要智能的車,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像頭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章行為,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了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,由于視線受阻,司機和車載傳感器經常無法觀察到路口內橫穿的行人,一個解決辦法就是通過在路口上安裝雷達和攝像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,并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。通過選擇“智能的車+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移動通信技術得到增強。

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“我在哪里,我周圍有什么,我是否有危險”。因而首先需要高精度的定位,對于自動駕駛來說,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,因而需要使用基于網絡輔助的差分定位技術,并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,其融合多個汽車傳感器,包含全球導航衛星系統(GNSS)、攝影機、慣性測量單元(IMU)和車輪傳感器,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,精確度小于1米。在精確地掌握了自身位置之后,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移動通信大帶寬的優勢,車輛可以實時獲取最新的高精地圖。

其次,車輛需要了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傳感器,包括攝像機、雷達,甚至激光雷達來感知周邊的物體。但是這些價值不菲的傳感器只能檢測到視距范圍內的物體,并且對氣候條件也比較敏感,比如霧霾天氣攝像機和激光雷達就會失效。而利用V2V車車通信技術,可以把車輛感知范圍擴大到視距之外,比如前后若干車輛的位置,甚至它們緊急剎車的狀態信息,進而可以提前對道路狀況進行判斷,及早采取規避措施避免追尾事故的發生。同時,利用V2I通信,車輛還可以從道路基礎設施那里獲得諸如信號燈和路口內行人等信息,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,可以通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并駛離高速。

如前所述,僅依靠單車智能,L4/L5只是存在理論上的可行性。讓機器學會準確識別道路上的所有標識、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。只有通過基于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,從人工智能的角度來看,機器無法完全替代人類的決策,在一些偶發的復雜場景需要人類參與決策,即“man in the loop”。但是對于自動駕駛車輛來講,車內的乘員可能并不會駕駛汽車,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網絡呼叫遠端的服務中心,利用5G的低時延大帶寬,將現場的實時圖像和傳感器信息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,遠端控制車輛駛離復雜路況,直到駕駛系統能夠再次接管車輛。

當然我們并不是說只有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),例如基于車載雷達和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

目前,在工信部和交通部的大力推動下,基于3GPP R14版本的車聯網已經基本完成量產前的技術準備,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。

首先,是信息安全和隱私方面。對于大眾消費者來講,除了關注車聯網帶給我們的諸多便利和道路安全,也更加關心車聯網所設計的信息安全和隱私問題。為保護車主的隱私,提高網絡的安全系數,C-V2X設計了匿名密鑰體制,周期性變更標識和信息簽名,為此需要在車輛中安裝幾百甚至幾千個證書。由于涉及到信息安全問題,迫切需要國家多個相關部門的相互協作,制定出題套適合我國國情的證書管理和分發體制。

此外,在C-V2X信息安全方面要求使用我國自行開發的SM2/3加密算法,該算法已廣泛應用于銀行等系統,具有一定的產業基礎。但是,國內現有支持SM2/3算法的芯片在處理能力上尚且無法滿足C-V2X所需的每秒上千次的簽名和驗簽的要求,并且多數從事安全芯片開發的國內企業還缺乏開發車規級產品的經驗。而國外芯片廠商盡管已經從國標體系獲取了SM2/3算法,但由于不完全了解國密算法所涉及的認證環節以及相關的認證風險,故而遲遲未能給出支持C-V2X安全規范的產品規劃。因此,需要進一步從政策和資金上進行推動,期望國內外從事安全芯片設計開發的公司盡快拿出支持國密SM2/3算法的高處理能力的車規級芯片。

基于3GPP R14版本的C-V2X可以增強自動駕駛車輛對環境的感知,為低級別自動駕駛提供更加準確的駕駛輔助信息。L4/L5高級自動駕駛所需的協作式決策,將對V2X通信提出更高的要求,需要V2X提高更高的帶寬,更短的時延,最重要的是需要提供更高的可靠性。

2019年3月,3GPP通過了標準立項,計劃在R16版本中開發基于5G新空口的5G V2X技術,利用5G新空口所具有的高帶寬,低時延和高可靠能力,進一步提升C-V2X技術的能力,支撐高級別自動駕駛技術。R16版本C-V2X標準計劃于2019年底完成,相信在標準完成后芯片廠商也會盡快推出符合R16版本的芯片,配合車企進行L4/L5高級別自動駕駛車輛的開發和測試。

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。2017年6月3GPP發布R14版本的C-V2X標準之后,產業界迅速展開C-V2X產品的開發和相關測試驗證工作。當年9月,高通公司發布了基于3GPP R14版本的9150 C-V2X芯片組,并基于該芯片組在全球范圍內開展廣泛測試。

2018年11月,工業和信息化部印發了《車聯網(智能網聯汽車5905-5925MHz)直連通信使用5905-5925MHz頻段管理規定(暫行)》,規劃了頻段共20MHz帶寬的專用頻率資源,用于C-V2X(車與車、車與人、車與路之間的直連通信)智能網聯汽車的直連通信技術,同時,對相關頻率、臺站、設備、干擾協調的管理作出了規定,這使我國成為全球范圍內首個明確為C-V2X技術分配專用頻率的國家。該頻段的劃分,徹底掃清了車聯網推廣中政策上的不確定性,將極大促進車企投入到C-V2X技術的量產車輛開發。

今年消費電子展(CES)期間,福特汽車宣布自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;而近期又宣布將于2021年在中國量產首款搭載C-V2X技術的車型。

在今年2月世界移動通信大會期間,吉利宣布計劃在2021年發布其首批支持5G和C-V2X的量產車型。部分國內車企也都積極跟進,考慮在兩年內量產的部分車型中率先支持C-V2X技術。

3月28日,工信部苗圩部長出席博鰲亞洲論壇2019年年會時表示,以無人駕駛為代表的車聯網將是5G的一項重要應用,工信部正在與交通運輸部合作,積極推動中國公路系統的數字化、智能化改造,利用5G技術發揮車路協同優勢。

我們有理由相信,在未來兩年內,與5G網絡建設同步展開,我國多數城市和高速公路會采用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。

責任編輯:李蘭松

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