5G互联汽车的未来

引言

近年来，互联汽车的使用显著增长。这些车辆配备了各种传感器，用来收集性能、位置和其他关键参数的数据。这些数据被发送到中央设备进行处理，从而提高车辆的性能和可靠性。传统的车辆跟踪和诊断系统在速度、数据容量和连接性方面极具挑战，难以收集实时数据。因此，它们的效力受到了限制。此外，使用传统的蜂窝网络可能会导致通信不可靠。5G通信技术具有很大优势，它为实时车辆跟踪和诊断提供更快、更稳定的连接。

互联汽车

以下是不同类型的互联汽车技术：

• 车与基础设施（V2I）：包括车辆和道路基础设施之间的通信，用以改善交通流量和安全性。
• 车与车（V2V）：实现车辆之间的通信，通过共享速度、位置和其他相关数据信息来提高安全性。
• 车与云端（V2C）：车辆与云平台之间的各种服务和应用程序数据交换。
• 车与路人（V2P）：为车辆和行人之间搭建桥梁，提高道路安全意识。
• 车与一切（V2X）：包含整体通信框架，包括V2I、V2V、V2C和V2P，创建一个全面的连接生态系统。

车辆、路边基础设施、零部件设备或手持设备均配备了收发器。

在V2X的世界里，我们可以期待什么样的交通体验？

图1展示了未来个人出行的理想示例：

图1：5G V2X的示例、需求和设计注意事项（来源：华为德国研究中心）

1.用户可以通过移动应用程序请求搭车。

2.车辆自动驾驶，或由人或人工智能远程控制。同时，用户的交通应用程序通过移动网络与车辆通信，可自行调整设置。

3.车辆具有自动驾驶的能力，并根据用户的喜好定位最合适的车辆组（车队）。它可以腾挪并加入选定的车队，同时允许汽车以非常短的间隔跟随，从而节省能量。

4.在拥挤的道路上行驶时，车辆通过使用双向导航，接收和提供实时交通信息。

5.用户通过连接导航系统，可以控制车辆退出高速公路，或选择在风景更好的路线上行驶。

6.车辆在到达目的地后，用户下车。

7.车辆可以自动驾驶到自动停车场或驶向另一个用户。

全向天线和信号强度方面的挑战

全向天线和信号强度方面的挑战是开发“智能天线”的主要障碍。移动通信技术与天线技术的有效结合是实现这一目标的关键。传统上，信号通过一般位于驾驶员驾驶舱的电缆连接从车顶天线传输到车载电子设备。然而，带宽需求的激增，特别是随着5G网络使用更广泛的频率范围（从6Ghz到100Ghz），导致通过电缆传输的信号严重丢失。为了解决这个问题，电子设备和信号处理必须靠近天线，要么直接在车顶下，要么在天线内部。然而，这种解决方案带来了新的挑战，暴露在外的电子设备受不同天气条件的影响，可能会影响其性能和使用寿命。

此外，扩大的频率范围导致无线电场衰减增加，只能在较短的距离内接收到信号。这对全向天线来说是一个最直接的挑战：要么收不到信号，要么只能在有限的范围内接收信号。虽然精确地对准天线可以解决这个问题，但这需要在设备上安装大量的天线。 因此，只能利用面向发射机的天线。 此外，路边必须配备定向天线，才能有效地向过往车辆传输信号。

5G和蜂窝物联网

5G技术满足三大类主要服务：

• 增强型移动宽带（eMBB）：这一类别为增强现实、高精度数字地图和持续固件更新等沉浸式车内体验奠定了基础。这些高级特性将推动对更高数据带宽的需求。
• 超可靠低延迟通信（URLLC）：此类别对于任务关键型功能至关重要，例如车辆安全系统、车对车和车对基础设施通信（V2X）以及自动驾驶。这些功能需要超可靠和极低延迟的通信，以确保车辆的性能和安全性。
• 大规模机器式通信（mMTC）：智能城市、家庭和汽车中的众多传感器会产生大量数据，这些数据必须通过网关安全地传输到托管在云端的远程服务和数据服务器中。

5G的天线和无线技术

与以前的蜂窝信号天线相比，5G天线通常尺寸更小，但精度更高、延迟更低。5G技术使用智能功率开关来优化波束形成，这是一种有源天线技术，使用定向无线电链路选择性地同时为移动设备提供高带宽。

5G天线和无线模块支持大规模多输入多输出（MIMO）系统，实现5G发射机之间的定向无线电联系。最新的3D和大规模MIMO设备在一个终端单元内运行多个发射器和接收器，从而实现更快的数据传输。此外，许多5G天线与4G LTE信号兼容。虽然大多数5G汽车天线在外观上与4G天线相似，但前者往往更小、更薄。

5G将使先进的C-V2X成为可能

5G技术的应用特别适合蜂窝V2X（C-V2X）通信。这种通信技术可以实现双向通信，并且借助基于云的传感器共享，有效范围可达1000米。将5G用于C-V2X的关键优势之一是其极低的延迟，响应时间仅为4毫秒甚至更短。相比之下，4G长期演进(LTE)标准的延迟为15毫秒或更短。

5G在互联汽车中的未来

V2X的竞争标准也在发挥作用。下文将介绍其中的两项标准。

IEEE 802.11p

IEEE 802.11p是Wi-Fi的一种变体，在5.9Ghz非授权频段上运行，是初版V2X标准的基础。该技术将V2X通信扩展到传感器视线之外，支持碰撞警告、限速警报、电子停车和通行费支付等V2V和V2I应用。IEEE 802.11p的优点是它不依赖蜂窝网络覆盖。（这要归功于车载单元（OBU）和路边单元（RSU）。它具有短程能力（低于1千米）和低延迟（约2毫秒），并高度可靠，能够适应极端天气条件。

蜂窝V2X

C-V2X（或蜂窝V2X）是IEEE 802.11p发展中的替代品。C-V2X有两种运行模式，涵盖了大多数可能发生的情况。第一种是低延迟的C-V2X直接通信，在5.9Ghz非授权频段上通过PC5接口进行通信，用于获取主动安全信息，如即时道路危险警告和其他短距离V2V、V2I和V2P情况。这种模式类似于目前同样在5.9Ghz频段运行的IEEE 802.11p技术。

第二种模式是通过常规授权频段蜂窝网络上的Uu接口或UMTS空中接口进行通信，可以处理V2N（车对网）应用，如信息娱乐、关于长距离道路危险，或交通状况的延迟容忍警报提示。IEEE 802.11p只能通过与路边基站建立临时连接来匹配这种模式。

图 2：用于交通延迟容忍警报提示的网络通信

下方表1显示了C-V2X相对于IEEE 802.11p的技术优势

表1：C-V2X相对于IEEE 802.pp的技术优势

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