基于5G技术的自动驾驶的汽车通信系统优化设计

刘华楠

一、背景

通信技术发展有着悠久的历史，在古代人们就掌握了飞鸽传书、烽火狼烟、驿马传递等传统的通信手段。

1G：使用模拟通信，只能进行语音通话，不能进行短信、数据上网等业务，使用模拟调试、频分多址技术，频率复用度和系统容量都很低，抗干扰性也很差。

2G：开启了数字通信时代，主要是GSM网络制式，通话质量、系统容量以及功能相比1G得到了极大提升，除了语音通信，还可以进行短消息、上网等活动。当前我们依然在使用2G网络进行通信。2G的主要缺点在于网络速率低，仅支持低速率的网络应用。

3G：开启了移动通信新纪元，在新的频谱上制定了新的标准，能够使用更高的传输速率，视频通话、大量数据传输更为普遍。

4G：LTE（Long Term Evolution，长期演进）引入了正交频分复用（OFDM）和多输入多输出（MIMO）等关键技术，显著提升了数据传输速率和频谱效率，也降低了网络部署和维护成本，是当前主流的通信技术。

5G：最新一代的通信技术，目前还处在研究试验阶段。5G通信技术将具备高速率，大連接，低时延，高可靠，低功耗的特点，从而使万物互联成为可能。5G将使我们未来生活的方方面面更加美好和便捷，是不可阻挡的发展趋势。

在汽车生产出来不久，发明家们就已经开始研究自动驾驶技术了，1925年美国一家无线电控制公司展示了一个量无线电控制的无人驾驶车辆，这辆车安装了无线电接收和控制装置，有人在另一辆车上通过无线电遥控操作，这与我们现在理解的自动驾驶不同，但这是人类在自动驾驶领最早的一次尝试，表达了人们想要解放双手，实现无人驾驶的梦想。显然，在各种技术中，通信技术的发展是实现无人驾驶必不可少的环节之一。

5G技术使得通信的网络速率、可靠性、时延得到保障，为车联网自动驾驶、AR、VR、触觉互联网、工业控制等新应用提供支撑。

华为在韩国完成了5G技术的高低频组网，连续覆盖，移动IPTV，4K视频，无人机的测试。德国也在进行基于5G网络的车联网实验。

自动驾驶的发展过程可分为不同的三个阶段：辅助驾驶阶段，这一阶段驾驶员仍旧是操作主体，车辆具备车道保持、自适应巡航等技术辅助驾驶；半自动驾驶阶段，计算机操纵下的自动驾驶系统完成到达目的地的过程，受限于法律法规等因素，自动驾驶仍旧不能作为驾驶行为的主体，只可作为备用系统完成行驶；全自动驾驶阶段，技术、成本、法律法规等因素都允许的条件下，计算机控制的自动驾驶系统，驾驶员也可以随时对操作系统进行控制工作的交接。

传统汽车公司，从先进的驾驶辅助系统（ADAS）切入，逐步实现从辅助驾驶到无人驾驶的过渡。以特斯拉（Tesla）为代表的新兴汽车公司，也在自动驾驶技术上取得了突破性进展，采用传感器与各种具体应用场景相结合。他们研发的无人驾驶汽车已经投入使用了。

自动驾驶技术需要多个传感器搜集多个环境数据，并需要把这些大量数据发送给其他车辆以及数据中心，当前可用于自动驾驶的通信系统只有DSRC（专用短程通信网络）、LTE，目前的通信技术具有很多缺点，传输速率，传输时延，连接数量不能得到保障。

随着5G技术的发展成熟，可以把5G通信技术应用到车联网中，实现对当前自动驾驶技术的通信系统优化，提升数据传输速率、传输时延、车辆的连接数量。5G时代到来，无人驾驶和车联网才能真正发展起来，并进入我们的日常生活。

自动驾驶技术的发展和普及具有重大的现实意义，是顺应时代发展趋势的产物。自动驾驶将大幅提升车辆安全性，减少交通事故，并极大程度的降低交通拥堵。同时，该结束也将释放大量劳动力，推动产业革新。甚至在不久的将来，人们可能不再需要停车场，把乘客送到目的地后，车辆将自动接待下一位乘客或者自行寻找停车点。这样会让出行变得更加便捷，免除出行者的后顾之忧。

二、5G技术和车联网技术的相关原理

5G通信需要建设大量基站，每个基站创建多个小区。在此对小区做一个简单的功能说明，小区基站无线信息的一个扇形服务区域，会提供广播信息和专用信道，以实现手机或者终端的接入和通信。

车联网就是以汽车为载体开展的信息服务，实现人、路、车的协同，是通信技术和信息技术结合体。车将实现自动驾驶，车辆监控，运营管理，安全节油；路将实现道路状况监控，交通服务，电子地图实时更新；人将在车联网自动驾驶技术中将失去主体作用，将作为一个辅助角色，更多的是体验娱乐、信息咨询。

三、车联网V2X通信的实现

（一）信息贡献和移动自组织网络的设计

公路上行驶的车辆来来往往，川流不息。自动驾驶的车与车之间需要交互数据。成千上万汽车的行驶在不同的城市不同的街道，实现所有车辆的信息交互是艰难的，也是浪费通信资源的。比如相隔100公里的两个车辆之间的信息交互，对于每一辆车来说是没有用的数据。所以需要将对彼此交互的信息有用的车辆组织到一个小网络中，形成一个彼此依赖的车辆群，形成移动自组织网络。

移动自组织网络是一种的临时性自治网络系统，网络拓扑结构动态变化，由于车辆随机移动、随时熄火停车、网络拓扑结构随时可能发生变化，而且变化的方式和速度都是不可预测的。需要设计一套移动自组织网络的方案，既要保证网络的组建灵活，还需要保证通信的可靠。

自组织网络组建的方案设计： 每个车辆都会接入一个小区，把自己的一些基本信息（含GPS位置信息）上报给小区，小区将这些信息广播发送，接入该小区的其他车辆就会收到这些信息，每个车辆都可以保存这些车辆的信息，接入同一个小区车辆就自组织形成一个网络，也就是一个群，群内的车辆都可以发送自己传感器探测到的数据给其他车辆。当车辆驶出该小区的覆盖范围时，切换到另一个小区时，就加入另一个小区下的组织网络，和该小区下的所以车辆通信。

5G通信技术，支持大链接，接入到同一个小区下的车辆不会因为系统容量而受限无法加入自组织网络；短时延特性，支持车辆间交互满足毫秒级要求。

（二）互联和海量连接的管理实现

自动驾驶不但要求车与车要互联，还要求车与物的互联，比如车与路测装置互联。车与物的互联形式也是多样的动态的。

车与路测装置的互联：路测装置安装带运营商SIM卡的终端，通过某个小区接入移动网络。路测装置会把这一段路程的信息通过小区广播出去，比如路面承重，限高，前方隧道，前方急转弯，路面湿滑等信息，车辆接收信息后进行决策，采取一定措施，比如路面湿滑就会降速。

车与物的互联灵活多样，针对突发情况，亦可以增加带通信功能的装置实现，比如某些情况要对某个街道交通管制，就可以在臨近路口临时放置装置，接入移动网络，通知经过车辆前方交通管制，让自动驾驶车辆及时重新规划线路。

5G的大链接技术，保证了海量连接成为可能。

（三）安全、高可靠、低时延的安全保障

车辆高速行驶过程中，能够及时快速的做出响应至关重要。比如时速80公里/小时行驶的汽车，计算可以得出每秒就可以前进22.22米，如果车联网消息按照秒级相应，每秒22米就已经冲出去了，事故可能已经形成。

各个制式的网络端到端通信的时延迟，当前可用网络时延最小的4G LTE网络也有100毫秒的时延。

我们来计算下，什么样数量级的时间才能满足安全保障，80公里/小时，80×1000米/60分钟/60秒/1000毫秒=2厘米，既1毫秒可以前进2厘米，所以我们必须在毫秒级别实现各种事务的相应。

如果自动驾驶的多辆车依次行驶在路上，前方车辆出现异常，后续车辆需要在几个毫秒内收到消息，并作出正确决策，才能避免事故发生。只有5G技术的高可靠低时延（uRLLC）的特性才能保证交互信息在毫秒内完成。1毫秒，这是5G网络端到端时延要求，这1毫秒，汽车的制动距离可以控制在2厘米里面，这将是车联网自动驾驶技术安全的重要保障。

四、车联网数据中心

车联网数据中心包括数据管理、设备管理和运营管理，实现统一安全的网络接入、各种终端的灵活适配、海量数据的采集分析。车辆装配多种的传感器数据，采集的各种数据和GPS信息，通过5G网络上报数据中心，数据中心通过计算，可以实时获取车辆状态信息、车辆位置等信息。数据中心可以有以下几个功能：

车辆监测——随时随地的对车辆进行监测，采集多种车辆数据，对车辆进行实时管理。

城市交通指挥——能够整体了解整个城市车辆的动态，大数据分析，能及时掌握道路拥堵状况，及时的对信号系统进行调整。

数据推送——数据中心可以推送各种数据到车辆，比如限行信息，道路拥堵状况，车辆能够自动作出决策。

车辆网数据中心，是各种数据的汇总，大数据的挖掘，必将关联行业的发展。更多数据的使用需要进一步挖掘。

五、总结与展望

各个机构和公司正在如火如荼的研究5G，国内外的一些运营商已经展开了测试，但是3GPP的5G标准正式版还没有发布，待5G标准发布后，可以根据5G标准，使用5G通信技术进一步优化自动驾驶通信系统。如下几方面可以进一步研究优化：

多个运营商时自动驾驶通信系统需要进一步研究优化，相邻的两辆车使用了不同运行商的网络，运营商与运营商虽然都是5G标准，但跨运营商，仍然有时间消耗，时延需要进一步优化。

小区边缘车辆的网络组织，基站可以创建一个或者多个小区，多个基站创建的小区就可以覆盖整个城市，整个乡村，整个国家了，自动驾驶的汽车是移动，必然会在多个小区间切换，当车辆移动到小区边缘时，时延可能增大，速率降低，小区边缘车辆的通信需要考虑进一步优化。

车辆网自动驾驶技术，将从根本上改变传统车辆控制方式，可以大大提高交通系统的效率和安全性，各个车企和公司在大力发展自动驾驶技术，自动驾驶技术是未来汽车发展的重要方向。随着传感器探测技术的日渐成熟，5G通信技术的普及，让车联网信息交互更快更可靠。使用5G通信技术的车辆网支持的自动驾驶技术将在不久的将来进入我们的日常生活。