认识5G车联网

2017-10-04 14:28:16 C114中国通信网　点击量：评论 (0)

列数近年热门话题，5G、车联网和自动驾驶都在其中。然而，经过和这个行业的深度全方面接触，特别是和5GAA的主要车厂一直以来的双边合作，感觉这个话题还是有点众说纷纭，有必要拿来澄清和探讨下。　　先介

列数近年热门话题，5G、车联网和自动驾驶都在其中。然而，经过和这个行业的深度全方面接触，特别是和5GAA的主要车厂一直以来的双边合作，感觉这个话题还是有点众说纷纭，有必要拿来澄清和探讨下。

　　先介绍下5GAA: 华为、奥迪、宝马、戴姆勒、沃达丰、爱立信、英特尔、诺基亚与高通于2016年9月28日宣布结成了5G汽车联盟（5GAA）。各公司将在车联网通信解决方案的开发、测试、促进销售方面展开合作，并支持标准化，加快商用化和向全球市场推广。目前已涵盖主要车企、运营商与设备商成员40+。

　　再介绍下5G: 国际电信联盟（ITU）对5G的定义，5G网络是能提供20Gbps速率，时延1毫秒，每平方公里100万连接，网络稳定性99.999%的下一代蜂窝无线通讯网络。业内普遍预期5G将在2020年商用。

　　车联网V2X是个啥概念？

　　车联网V2X的名字很直观，就是把车连到网或者把车连成网，包括汽车对汽车（V2V）、汽车对基础设施（V2I）、汽车对互联网（V2N）和汽车对行人（V2P）。这个网里的服务可以说是五花八门，让人眼花缭乱，但从最终的客户来看，不外乎这三个：

　　（1）乘客：用户坐在车里享受的是移动互联网业务，技术词汇叫移动宽带（MBB）。这是移动运营商传统的业务范畴；

　　（2）驾驶员：开车的驾驶员需要的各种智能交通信息服务，包括交通路况，路线选择，这些都可以在传统的MBB业务范畴通过应用来解决，如各类电子地图。此外车联网还向驾驶员提供辅助安全告警信息，例如前方有障碍物有突发事故。这类告警信息对可靠性和时延的保障有一定的要求，是否当前通讯技术就能满足，还存有争议。

　　（3）车：这才是真正意义上的“以车为本”的车联网业务。车驾驶需要的安全辅助信息，半自动到自动驾驶需要信息输入和输出；这块业务会给移动通信带来新的特性和新的需求。包括4G里的LTE-V，以及5G里的uRLLC（超高可靠超低时延通信），5G-V2X等新课题；通常讲的V2X更多的是指这个业务场景。

　　以上服务于乘客和驾驶员的车联网业务，本质上就是传统的MBB业务，只不过就是车这个终端尺寸更大，电源更足，给了技术上发挥的空间，包括车上部署更多的天线实现高阶MIMO，提供更高的数据率，给车内提供高速互联网接入。

　　如果有人在车上做了个联网试验，就说是在搞车联网，那纯属误导。如果有人搞了个交通信号灯提示也说是车联网，你也别以偏概全，车联网的价值远大于此。

　　以下文字重点是对上面的第三个客户“车”的场景进行讨论。

　　V2X和自动驾驶是啥关系？

　　说到车联网与自动驾驶的时候，需要强调的是，自动驾驶的核心是车，而不是网；如同物联网的核心是物，而不是网。没有V2X，驾驶也能自动，但是没有V2X，无法真正的实现全场景自动驾驶。

　　如当前的谷歌、特斯拉、Mobileye自动驾驶系统，基于传感器、雷达和摄像头的各种信息输入，通过人工智能技术决策，单车本身在一定程度上即可以自动驾驶。但是单车本身也有很大的局限性，在晚上、雨雪天，雾天等恶劣天气下，在交叉路口、拐弯处等场景，雷达、摄像头看不见、看不清、看不准。特斯拉曾发生过的一次致命事故，即为在强烈的日照条件下，自动驾驶未能识别卡车的白色车身，因此未能及时启动刹车系统所导致。针对这些场景开发性能更强的传感器，成本会高到消费者无法承受的地步。这就需要车联网里的V2X通信（V2N,V2I,V2V,V2P），提供远超出当前传感器感知范围的信息。本质上可以把V2X视为一个拉长拉远的“传感器”，通过和周边车辆、道路、基础设施的通讯，获取比单车能得到的更多的信息，大大增强对周围环境的感知。5G网络本身具有的超大带宽超低时延特性，可以实时搜集传输更多更精确的环境信息，使用云化的计算能力用以车辆本身自动驾驶的决策。

　　认识到上面这一点就理解了，在实现车辆自动驾驶场景中，V2X是一个必要且增值的使能技术；换句话说，即便车辆本身就可以实现部分自动驾驶，通过车联网技术依然可以进一步提升性能，且可以降低单车部署传感器的成本，减少对高精度传感器的依赖。

　　同时据非官方数据，车企内部验证的结果是基于多车信息汇总的决策会比单车信息基础上的决策在可靠性上提高三个数量级。（注意这里并没有要求路上所有的车辆都拥有V2X功能，车流中的部分车辆进行信息共享即可在一定程度上提高单车与整体决策的可靠性）。这是V2X的又一重要价值所在。

　　所以在未来很长一段时间，尽管路上会是V2X与非V2X车辆共存的局面，单车由V2X技术所带来的增益会随V2X车型渗透率提高而逐步提升，从而正向驱动非V2X车辆的升级和替换。

　　自动驾驶需要通过V2X传输什么信息？

　　如上文所述可知，由V2X使能的自动驾驶场景中，各种决策还是来自车辆本身。这一点决定了在车联网这个环境里车本身是个独立的决策主体，即使是车连上了网或者连成了网。这个结果是由两个事实决定的：

　　第一，车主不会希望将自己的安危交给其它车或者第三方决定。周边车提供的信息只是给本车做参考用。最终的决策还是在本车实现。周边车辆的指令信息，特别是类似于“前车指令后车刹车”等决策信息是不会被本车直接采信的，此类信息必须是经过几层过滤，和本车上传感器的信息对比以后才会由本车决定采纳或拒绝。

　　第二，从商业角度考虑，车厂之间是互为竞争关系的，而且会有意识的凸显不同品牌之间的差异性，自动驾驶的性能好坏也是体现差异性的特征之一。基于V2X的自动驾驶功能、对应的决策算法、硬件上比如天线数的差异性，都是体现品牌优越性的手段。所以车厂不会愿意把决策机制和算法分布到不同厂家的车上，甚至不愿意分布到自己高端和低端品牌的车上。

　　因此V2X之于自动驾驶，需要传递和交互的不会是最终抉择指令，只会是周边车辆与环境的状态信息。例如在超车等场景下需要周边车辆的传感器信息共享，并道等场景下需要周边车辆驾驶操作状态信息分享。这也符合前面所述V2X之于自动驾驶是一种“拉长”的传感器的定位。

　　本质上无论哪种应用场景，需要V2X传递的信息其实就是这两种：传感器信息共享与周边车辆驾驶操作状态信息分享。可以说，所有的V2X自动驾驶消息都是这两种信息的不同表达形式。

　　另外，自动驾驶的单车决策模式也可以导出另外一个事实：

　　V2X的通信模式会以多播广播通信模式为主，以此更高效的分享周边的信息，而不是传统意义上的基于应答确认式的单播点对点通信方式（unicast）。

　　自动驾驶的1毫秒时延意味着什么？

　　3GPP定义了若干个1毫秒到几个毫秒的低时延场景，主要集中在自动驾驶上。自动驾驶中制动等反应时间，是个系统响应时间，其中包括了给网络云端计算处理、车间协商处理的时间，也包括了车辆本身系统计算及制动处理时间。如果要做到时速100km制动距离不超过30cm，那么系统整体响应时间不能超过10毫秒，而人类最好的F1车手的反应时间在100毫秒左右。从保障安全的角度，系统响应时间当然越低越好，其中对通讯时延的要求会更高。未来5G网络能够在提供99.999%稳定性的同时做到小于1毫秒的通讯时延，则自动驾驶车辆的低时延场景更需要系统其它环节的配合来实现。

　　仔细分析这些自动驾驶的场景就会发现，现有技术下自动驾驶操作本身所需的时间，包括数据采集、分析、算法决策、机器传动，都远远大于1毫秒。通讯所带来的时延在整个时间链里占的比例是非常小的。另外，外部环境的变化对车辆系统时延的影响也远大于1毫秒，比方说，雨雪天路面对刹车制动的影响都在几秒到几十秒以上。因此从整体上考虑，是应该投入大量资源苛求V2X现阶段在超低时延通讯上得到突破，还是致力于改进其它环节，比方说把图像处理时延从100毫秒降到90毫秒，答案是显而易见的。

　　因此在现阶段，端到端的低时延更取决于传感器、处理器、算法及机器传动的改进。而在超低时延的5G网络规模部署后，相信更先进的通讯技术会给车企带来更多的创新，让车辆更加安全。

　　自动驾驶最需要什么？V2V还是V2N？

　　回答这个问题要从两个维度上分析。

　　一个是技术维度：自动驾驶的基本要求是V2V的通讯必须随处可用，包括没有网络覆盖的环境，所以V2V的直联是V2X的基本功能。IEEE下面有IEEE 802.11p（DSRC），LTE下面有 LTE-V PC5，都支持V2V直联。许多自动驾驶场景下（如编队行驶、并道等），因为收发车辆的距离近，V2V的直联是更好的通讯模式。

　　另一个是商业维度，这个最终决定了V2X是否能被成功部署。一直以来，车企担心依赖蜂窝技术的V2X会导致自动驾驶业务被电信运营商所控制，所以V2V直联也会是车厂的首选。

　　然而，完全没有网络辅助的V2V在拥塞、干扰管理和覆盖上有很多的问题。这些缺陷在IEEE 802.11p的系统分析上已经多次被验证了。比较可行的解决方案是在提供V2V直连通讯能力的同时，由蜂窝网络提供辅助，通过V2N的通讯大幅疏解热点地区的通讯压力，保障车联网通讯稳定性。

　　V2N同时可以用于地图更新、交通管理，以及提供一定距离以外的路况环境等信息。此外，车厂也希望能通过V2N收集车辆的驾驶和传感器信息，在网络中进行大数据分析，这更接近于5G的mMTC（海量物联网通信）场景，随着5G的到来，V2N的能力会进一步加强，更有助于自动驾驶信息的获取与传输。

　　V2V通信：11p与C-V2X谁更优秀？

　　11p又叫做DSRC，是基于IEEE 802.11p的用于V2V通信的协议。许多车厂在DSRC系统上已经做了几乎10年的研究和测试评估活动，在各个车厂内部也相应的培养了一批支持者，但是商用进展一直不理想。近年来来蜂窝阵营加入这个角逐，推出了C-V2X技术包括LTE-V及未来的5G-V2X同11p PK，更上升为中欧合作共同对抗美国标准的政治高度。

　　蜂窝阵营一直以来都在极力证明基于蜂窝技术的性能比11p好，而且可以复用运营商基站，减少路测设备投资，加快车联网商用。然而车厂并不买账，甚至个别车厂因为5GAA明确以蜂窝技术为主导，而不愿意加入5GAA。经过深入沟通才发现，实际上车厂都很清楚技术层面蜂窝技术比11p好，真正的原因还是担心蜂窝技术V2X会导致车厂被电信运营商控制。直到MAO架构在5GAA被提出，平衡了V2X中各方势力的划分，这部分车厂才基本打消了他们对蜂窝网V2X的顾虑。

　　什么是基于5G切片的MAO架构？

　　从技术维度上来讲，网络辅助的V2V方案，例如LTE-V Mode 3和Mode 4，都需要在车载终端和基站上定义新的信令，由基站来调度和管理V2V的资源。这样，对车载终端和基站就有了升级和匹配的要求。

　　从商业维度上看，现在的LTE-V，以及未来的5G-V2X都存在一个分批部署和兼容的问题。汽车产品生命周期比智能手机长得多，需要提前N年部署准备。然而没有匹配的蜂窝网络，仅有车载终端也无法开展业务。但同时如果没有明确的业务，运营商也不愿先投入成本专门部署或升级V2X蜂窝网络。

　　一个可行的解决办法是把蜂窝网络提供的V2V通信需要的辅助无线资源管理和调度功能上移到云端，V2V资源调配和管理的功能可以通过Cloud Server云化服务器来实现，整体上这个架构我们称之为MAO（Mobile Automotive Operator移动汽车运营商）架构。

　　这个Cloud Server可以集中或分布式部署在运营商网络内或外，可由车企，移动运营商或第三方来运营，从而跨运营商跨车厂。而V2V资源调配和管理的信息通过已有的MBB或5G eMBB管道在Cloud Server和车载终端之间传输。这种针对某个特定行业提供特定网络特性的业务，正是未来5G网络架构所擅长的，我们称之为5G网络切片。

　　MAO架构方案可以实现V2X车载终端、V2X网络的分别演进，各自的创新与升级都会加速自动驾驶的实现。LTE-V/5G终端可先期部署到车上，不影响车厂的测试和产品发布。随着LTE/LTE-V向5G网络的演进，可以提供更高的V2X性能，支持更多应用场景。

　　5G能给车联网技术及商业模式带来什么？

　　根据华为发布的最新5G外场测试结果，当前5G网络已经可以在保障高稳定性与移动性下，实现下行吞吐率超过25Gbps，用户界面时延小于0.5毫秒。性能已经超过了ITU对5G的定义。

　　我们不妨围绕将来自动驾驶发生后系统审视下对未来通信网络的需求：

　　（1）围绕汽车驾驶及安全相关的“网”：V2N作为传统传感器的延伸，车车直接通信（V2V）结合V2N的协助（MAO架构），安全性和稳定性会得到5G网络的极大加强。

　　（2）围绕道路交通信息管理的“网”：今天讨论较多的V2I，本质上可以在V2N管道的应用层去做创新。5G带来的超高性能网络会进一步使能新的应用。

　　（3）围绕汽车这个载体里的人需要的宽带“网”：自动驾驶发生后，车已经不是车了，电影院、游戏厅、在线诊所…，V2N的需求可以想象，这个是5G增强型移动宽带发力的天然场景。

　　从整体商业价值出发，只要车连上了网，就会有新的商业机会。

　　对于终端领域来讲，以支持自动驾驶的V2X通讯模块为入口，进一步整合车内的各种功能模块，包括车内计算，存储等功能，构筑新的车载电子业务领域，这也可以说是芯片公司的商业范畴。打造更高性能更安全的联网汽车，更快实现自动驾驶，提供更好的车内乘客互联体验，成为管理车内应用的软硬件平台，则是车厂差异化竞争力所在。

　　对于无线网络来讲，车联上网之后，无论车车通信使用了哪种技术，车辆产生的大量数据需要通过V2N来分流，传感器感知距离外更多更精密的信息需要V2N来承载，各类业务的创新必然会推动对网络数据传输更高的需求，以及在此基础上对低时延，高可靠V2N更高的需求（如上述的MAO架构基础上的对V2V调度的性能保证）。同时因为V2N业务的特殊性，也对5G切片网络提出了新的诉求。？

　　综上，只有从以上诸多角度理解清楚5G-V2X在自动驾驶中的价值、定位、技术诉求与商业模式才相对容易在电信行业和汽车行业达成一致理解和共识，才能推动产业落地。现实情况是以上诸多角度的问题理解还存在偏差，有些还停留在概念层面，无论是5GAA内的某些参与成员，还是车联网生态圈的一些参与者都还未真正理解问题的本质，这也是5GAA需要承担的使命。