5G助力让自动驾驶汽车变身移动数据中心

贸泽电子设计圈 2020-12-30 00:00

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图源：Rittis/Shutterstock.com

无人驾驶（即自动驾驶）是人类的下一个十年计划。要实现这一梦想，需要一种独特的技术组合来克服自动驾驶的首要挑战。

完美的组合

自动驾驶汽车（AV）需要实时处理大量信息。例如，为了避免碰撞、检测障碍物和行人，以及通知免费停车位，车辆需要与城市基础设施（例如红绿灯、公共安全系统）、雾/云服务提供商甚至汽车制造商之间交换大量元数据。据英特尔统计，一辆这样的汽车每天需要处理的数据量将高达3.9TB，相当于2666名网民每日的数据使用量。超声波、雷达、全球定位系统、摄像头和信息娱乐系统等汽车部件都是导致这一数据激增的因素。

为确保车对车（V2V）、车对基础设施（V2I）、车对网络（V2N）以及车对行人（V2P）等统称为车联网（V2X）的技术实现安全且可扩展的数据交换，以电气与电子工程师学会以及美国交通运输部为主的组织制定了新的标准。

但是，仅靠V2X标准是不够的。为了让车辆在不破坏道路安全的情况下实时做出复杂、自主的决策，V2X系统必须配备一个移动通信生态系统，其速度和数据处理能力能够与人类的反应相匹配。近年来报道的涉及自动驾驶道路测试的事故进一步强调了这一要求，为此第三代合作伙伴计划（3GPP）制定了5G无线标准。

5G如何融入到V2X用例中

AV的共同特征是能连续感知观察到的环境，从而实时选择行驶路线。在带宽受限的无线电环境中，它们必须能够处理高水平的噪声和干扰以及外部实体的高动态配置。要支持V2X用例，仅提高数据吞吐量是无法满足需求的。此外，网络基础设施还必须能提供高可靠的低延迟网络，并在不同通信范围内确保数据安全。

以下常见V2X用例的实现将最终引领汽车步入完全互联的自动化时代：

协同觉察（例如，应急车辆警示）；
协同感知（交换原始感知据）；
协同操控（在变道、排队、交叉口控制等方面协调车辆行驶路线）；
通知弱势道路使用者，即行人、骑自行车者等；
交通运输效率（动态更新路线、地图等）

为了支持这些用例，可能需要一种以上的无线技术，例如，通过设备之间的短程直接通信（V2V、V2I和V2P），而不通过网络进行调度。采用3GPP Release 12/13 LTE邻近服务技术的设备间接口可用于以超低延迟在相邻车辆之间可靠地传输大量数据。对于车对网络（V2N）通信，不仅需要传统的蜂窝云服务，还需借助于新型5G无线技术。

连通性和网络性能

大规模的数据和设备是自动驾驶时代的最大挑战。与4G/LTE相比，5G每单位面积的带宽提高了1000倍、流量提高了1万倍，每单位面积的连接设备数也增加了100倍。采用毫米波的5G小基站技术具有更高的频谱效率，这对于带宽受限的V2X环境来说是一大优势。

可靠性

5G承诺可以实现低于1毫秒的超低延迟，可满足任务关键型V2X用例的可靠性期望。相对而言，无线数据更容易被拦截，也更容易受到中间人攻击。5G有望通过包括相互认证、本地安全元件、传输层安全、99.999%的网络可用性以及固件空中更新来提高5G电子产品的安全性。

网络切片

就像虚拟化硬件平台上的虚拟机一样，5G的网络切片功能可以让不同供应商通过同一基础设施提供不同类别的汽车服务。例如，它将允许电信运营商、道路运营商和汽车制造商在同一个5G基础设施上为车辆及其乘客提供不同的服务。

5G V2X的要求及设计注意事项

为了连接车辆和后端基础设施，5G V2X应用对通信系统提出了新的设计要求，因此在3GPP Release 16中制定了5G V2X规范。

3GPP和5G汽车协会等行业论坛已经确定了5G V2X系统在延迟、可靠性和数据速率方面的特定于用例的性能要求。3GPP确定了5G V2X的以下五类要求：

常规用途：适用于所有V2X场景的互联、通信相关要求
车辆排队：以超小间距缓慢行驶的车辆
高级驾驶：半自动或全自动驾驶
扩展传感器：所有支持V2X的设备和网络元件间的信息交换
远程驾驶：由驾驶员远程操纵（例如，在危险环境下）

需要注意的是，5G V2X系统的要求取决于用例场景（图1）。与紧急情况下的协同操控相比，常规变道操作对延迟和可靠性的要求要少得多。

图1：该图显示了3GPP指南中定义的V2X对5G延迟和数据速率的要求，这些要求会根据汽车原始设备制造商的输入进行微调（来源：arxiv.org网站上的Use Cases，Requirements，and Design Considerations for 5G/V2X）

结论

AV实质上是移动的数据中心；它们高度依赖边缘计算能力。要通过高级Wi-Fi连接传输自动驾驶汽车一周的数据，大概需要230天的时间。因此，用于新的无线电和天线架构的产品和应用特定集成电路处理技术方面的颠覆性创新，对于支持5G V2X来说至关重要。

作者：Sravani Bhattacharjee

Sravani Bhattacharjee是一名数据通信技术专家，有着20多年的从业经历。她是《Practical Industrial IoT Security》（工业物联网安全）一书的作者，这是第一本有关工业物联网安全的出版书。Sravani曾担任Cisco的技术主管直到2014年，在此期间领导主持了多个企业云/数据中心解决方案的架构设计和安全评估工作。作为Irecamedia.com公司的负责人，她目前致力于与工业物联网创新力量合作，通过撰写各种评论和技术营销内容，来推动相关认识和商业决策的进步。Sravani拥有电子工程专业硕士学位。她是一名IEEE物联网小组成员，一位作者，还是一位演说家。

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