5G自动驾驶业务网络解决方案探讨

［崔波 滕琳雅 吴坚鹏 孙兵 范才坤］

1 引言

3GPP 2017年底已完成5G R15 NSA标准，2018年中已完成5G R15 SA标准，至此形成第一版完整的5G R15标准（主要面向eMBB场景），2019年底将冻结面向eMBB、mMTC、uRLLC三大场景完整版本的5G R16标准。5G具有超高速率、超低时延、超大连接的特性，将实现经济社会产业跨领域发展和产业融合，垂直行业将依托5G网络产生巨大变革。工信部与国家标准委于2018年6月15日联合印发《国家车联网产业标准体系建设指南》，其中指出，未来将加紧研制自动驾驶及辅助驾驶相关标准、车载电子产品关键技术标准、无线通信关键技术标准、面向车联网产业应用的5G eV2X 关键技术标准制定，满足产业发展需求。以自动驾驶等为代表的uRLLC业务是未来5G可能首先推广并落地应用的产业，也是近年5G试验的重要业务示范方向，其对网络侧的需求以及解决方案有待研究。

2 5G自动驾驶业务需求

自动驾驶是未来车联网的一项关键业务应用，国际自动机工程师学会（简称SAE）将自动驾驶分为L0～L5共6个级别，L0代表没有自动驾驶加入的传统人类驾驶，L5代表完全自动化，L1～L5则随自动驾驶的成熟程度进行细分，具体如表1所示。

在SAE的分类标准中，目前日常使用的大多数汽车处在第0级和第1级之间，自动防碰撞、定速巡航属于第1级的辅助驾驶，自动泊车功能介于第1级和第2级之间。

目前，车企研发的自动驾驶车辆仍处于单车智能的状态，没有车联网的支持，实现L5级别的全场景完全自动驾驶几乎是不可能，5G网络的商用将为未来自动驾驶应用提供更合适的契机，主要体现在更高的可靠性（99.999%）、非常低的端到端时延（空口1ms）、非常高的数据速率（1Gbit/s以上）。自动驾驶业务对移动通信网络的需求如图1所示。

3 5G自动驾驶业务网络架构

典型的5G自动驾驶业务网络实现架构分为终端层、网络层和平台层，如图2所示。

表1 SAE自动驾驶分级

终端层主要包括车辆及车载模组、协同式路边设施、告知型路边设施。车辆及车载模组主要包括车辆、车载通信模块、高精度定位模块、自动驾驶系统等。协同式路边设施主要部署在交叉路口、匝道口等位置，作为智能交通设施完成交通信息收集、上报、控制等功能，进一步发展可具备车车、车路协同能力，以及局部智能交通决策能力等。告知型路边设施主要部署在如急弯限速区域、施工区域等，以信息告知为主，如车速限制、施工告示、弯道告警。

图1 移动通信网络适配自动驾驶业务需求示意

图2 5G自动驾驶业务网络实现架构

网络层主要由5G无线基站及传输、核心网组成，在有网络覆盖的情况下，可通过基站实现车车通信，而在无网络覆盖的情况下，可通过V2V实现车车之间直接通信。为了增强基于基站通信的低时延高可靠业务，加强对自动驾驶业务的掌控，根据业务需求在网络不同位置引入边缘云计算（MEC）[1]，实现用户面的业务下沉，降低网络传输时延。在5G建网初期或业务试点时，MEC可部署在覆盖区域的站点机房，实现快速部署，针对特定用户群进行本地分流。远期通过核心网CU分离实现集中式控制面和分布式转发，将核心网的用户面功能下沉到MEC，结合针对业务需求的灵活策略，由核心网用户面负责MEC的数据转发，降低网络传输时延。

平台层主要用于部署各种业务应用服务器，完成信息娱乐、智能交通决策等功能，例如自动驾驶应用服务器、远程驾驶应用服务器、车辆编队应用服务器、智能停车应用服务器、高清视频应用服务器等。实际上应用服务器既可以部署在平台层，也可以部署在MEC上。

4 5G低时延技术保障手段

支持5G自动驾驶业务的协议标准将在3GPP R16中完成，其中超低时延是5G自动驾驶业务最关键的要求，以下将对5G网络低时延技术手段进行探讨。

移动通信系统时延主要包括：空口时延、承载网时延以及核心网时延，其中承载网时延、核心网时延相对较大。

4.1 空口时延保障

降低空口时延的技术手段主要包括超短帧、自包含子帧、V2V等技术。

（1）超短帧

用户面单向时延（DUP）可按公式计算[2]：DUP_typical（ms）=(4+p×8)×TTI，其中 p是数据传输出错概率（BLER），TTI是最小数据传输间隔。可以看出在p一定时，DUP与TTI成正比，为降低DUP，可减小TTI。对于4G系统，TTI固定为1ms，而对于5G系统的NR帧结构，TTI对应一个slot，采用不同的子载波间隔将对应不同的slot，如采用60KHz子载波间隔的帧结构，则TTI对应0.125ms（一个slot的长度），相比4G的1ms最小数据传输间隔缩短了88%，明显降低传输时延。

（2）自包含子帧

自包含子帧（Self-contained subframe）帧结构内包含UL/DL，即一个TTI中同时包含上行和下行信息，通过把数据的传输（transmission）和确认（acknowledgement）包含在一个子帧内，不需要跨时隙的确认（ACK），实现快速发现和解码，从而保障低时延。

（3）V2V技术

V2V（Vehicle-to-Vehicle，车辆间通信）基于D2D（Device to Device，设备间通信）技术[3][4]，从3GPP R12和R13版本的短距离通信服务（ProSe，Proximity Services ）演进，期间引入发现（Discovery）机制，在R14 LTE-V2X技术中定义了D2D的新交互空口，即PC5（物理层对应SideLink），通过PC5实现终端间的直接通信，实现车辆与周边车辆和路侧基础设施的低时延、高可靠通信，满足碰撞预警、紧急避让等辅助行车安全性应用要求。

4.2 承载网时延保障

承载网时延一般相比空口时延更大，现网实测网络轻载端到端时延约2～3 ms，所以更需要尽量控制。一方面进一步降低设备处理时延，一方面降低转发时延，如通过FlexE交叉或者光层直通提供低时延转发通道。802.1TSN+低时延转发，设备转发延时可下降一个数量级，达到5-10μs级别；采用Flex带宽隔离技术，设备转发时延最低可到百纳秒级。除去设备处理与转发时延外，承载网时延主要取决于传输距离，将在4.3节具体介绍。

4.3 核心网时延保障

核心网时延相比空口时延、承载网时延更大，甚至可达s级，因此降低核心网时延是保障5G端到端时延的一个重要环节。核心网时延保障手段主要包括核心网功能下沉以及边缘计算技术（MEC）。

（1）MEC

基于本地缓存、本地应用、业务优化、数据服务等业务需求，业界提出MEC（边缘计算）概念，通过本地化具备计算能力来满足低时延、传输节省、创新业务（如CDN）等目的。MEC将业务能力部署到网络边缘，实现应用与无线网络更紧密的结合，缩短数据处理时间和传输时延。关于MEC在第3章已有阐述。

（2）核心网功能下沉

5G核心网控制和转发分离，进一步扁平，控制更加集中，用户面简化，可分布式部署。将核心网控制功能集中部署、集中管控、集中优化，简化信令拓扑，提升信令处理效率；核心网转发平面进一步简化下沉，根据不同场景结合业务需求按需分散部署，同时将业务相关的数据存储和计算功能下移到网络边缘，以满足低时延的业务要求。可以看出，对于5G自动驾驶等低时延业务，用户面下沉的边缘位置非常重要，要求尽量靠近用户侧，以节省传输距离带来的时延。通过对传输时延分析，假定业务汇聚机房至基站距离10公里，业务汇聚机房至普通汇聚机房30公里，普通汇聚机房至重要汇聚机房80公里，SPTN设备转发时延10μs，光纤时延5μs/km，对于uRLLC业务，传送网时延不超过0.125ms，则用户面应下沉至业务汇聚机房以下，同时配合MEC的部署，以尽可能满足端到端低时延需求。

图3 传输时延与业务下沉位置示意

5 结束语

5G新技术是当前业界研究的焦点，5G自动驾驶等uRLLC业务是当前业界正在探索的5G应用方向，本文主要介绍了自动驾驶业务对5G网络的需求，5G自动驾驶业务网络实现架构，探讨了相关低时延保障技术手段，对未来5G自动驾驶业务的网络实现提供一定的参考意义。