5G无线通信网络及其在智能汽车中的应用(二)

智能汽车的重要特征之一是自动驾驶，就目前汽车研究与应用的行业现状而言，信息与通信技术（ICT，information and communications technology）应用于驾驶系统的途径有多种。其各自具备如下特点：

1、“激光雷达+基础传感器”模式。它是一种个体行为，缺乏“汽车系统”的整体协调行为。

2、“视觉识别+基础传感器”模式。易受环境影响，与个体行为相同。

3、 Vehicle to Everything（V2X）通信模式。车辆可以与周围的每一个物体“对话”，这样可以轻松让机动车遵循“机动车社会”的行为准则。

4、“高精度定位地图+导航地图”模式。也与个体行为相同。

5、“大数据+边缘云计算+AI”进行远程控制。

从广义上讲，以上所有技术和技术手段都可以认为是某种智能模式，所以只能实现驾驶辅助/部分自动化。只有整合所有这些技术，才有可能实现全自动驾驶。

​​基于5G无线通信网络的C-2X原理​​​

支持V2X服务的5G UE将是同时支持LTE和5G的双模UE。为了加快5G部署，减少运营商所需的初期投资，大多数运营商会采取两阶段的方式部署5G。最初将采用非独立 (NSA) 操作模式，也称为 LTE-NR 双连接 (DC)，然后是独立 (SA) 操作。5G 无线接入网络 (RAN) 的控制计划由 LTE eNode-B (eNB) 托管。利用这种方法，C-V2X 将快速整合 5G NR 功能，提供高吞吐量、宽带载波支持、超低延迟和高可靠性。

5G NR V2X 还将使用大规模 MIMO 和波束成形等先进无线电技术进行直接通信（因此称为 V2V）。这条通往 5G 的演进路径支持先进的 V2X 用例。随着运营商开始将其核心网络升级到新的 5G 核心网络 (5GC)，在网络支持的通信（因此，V2N、V2I）中运行的设备将受益于网络架构的进步，例如垂直切片和 MEC 支持V2N 和通过网络进行的通信是网络切片的典型用例。例如，自动驾驶或安全/紧急服务将需要超可靠低延迟 (URLLC) 网络切片。同时，在流式信息娱乐视频的情况下，一些辅助/舒适或个人移动服务将需要尽力而为切片或 eMBB 切片。给定的车辆可以同时访问不同的切片，乘客观看高清电影，而透视应用程序检测到道路危险并触发紧急消息，让后面或附近的汽车减速或停车以防止发生事故。

下图说明了如何进行V2x高效切片的这种情况。切片可能来自一个“设备”或多个设备。在一个设备的情况下，如下图 5 所示，3GPP 定义给定设备最多可以支持八个不同的切片，所有切片都有一个公共 AMF，每个切片有一个 SMF。三个网络切片连接到同一个设备并共享同一个 AMF 实例。切片 1 是 mIoT，将数据发送到核心和数据网络。2号切片在边缘提供缓存，而 3 号切片提供对边缘 V2X 应用程序的访问。

超传感器探测范围的探测能力

操作C-V2X 可以使用直接通信在网络覆盖范围之外操作，无需提供通用用户身份模块 (USIM)。为了实现无 USIM 通信，汽车原始设备制造商 (OEM) 将使用网络外操作所需的参数预先配置车辆设备，包括：

• 授权使用 V2X ；

• 授权应用类别和频率列表 ；

• 用于直接链路的无线电参数 ；

• 通过蜂窝广播接收 V2X 消息的配置。

例如，多媒体广播/多播服务 (MBMS) 在无 USIM 下可直接通信，允许 C-V2X 在网络覆盖时支持关键安全服务不可用或车辆没有有效的蜂窝网络的服务订阅。如果需要，OEM 也可以像任何其他更新一样安全地更新这些参数。同时，OEM 和移动运营商可以共同确保他们各自提供的参数兼容，从而在一个区域内使用直接链接实现各种车辆设备的协调运行。

新版本的 C-V2X 将整合 5G NR 设计功能，以实现具有更严格要求的自动驾驶新用例。可以将5G C-V2X 作为新型传感器。基于5G NR 的 C-V2X 将提供更高的吞吐量、更低的延迟和更好的可靠性。除了广播通信，5G NR C-V2X 将得到增强，以支持单播和组播。它还将支持宽带测距和定位，以提供更精确（例如亚米级）的定位精度。凭借这些增强的能力，5G 结合C-V2X将成为一种利用车辆作为移动传感器平台的超远距离、高精度的新型传感器。

例如，在典型的“透视”用例场景中，前方能见度有限的大型卡车后面的车辆可以从安装在后备箱或其他附近车辆上的摄像头接收高质量的实时视频，以获得能见度。在另一个示例中，可以建立基于云的传感器分析平台，以提供仅在视距条件下运行的传统单个传感器无法比拟的可见性和准确性。

使用 5G结合C-V2X，这个传感器云平台可以从一个区域的车辆中收集大量原始和/或处理后的传感器数据。然后实时分析数据（例如，使用人工智能）以识别重要的对象和事件并确定它们的位置。然后将结果与其他相关数据（例如高清地图）一起实时流式传输到车辆。除了增强的可见性和准确性外，这种新的 C-V2X 传感器还为配备功能较弱的车载传感器的车辆提供高质量传感器数据的访问，从而进一步提高道路安全性。

C-V2X在ADAS场景开发中的优势分析

V2X早期主要是基于DSRC，全称是Dedicated Short Range Communication，专用短距离通信技术。DSRC在美国已经经过多年开发测试，后期随着蜂窝移动通信技术发展才出现了C-V2X（Cellular V2X，即以蜂窝通信技术为基础的V2X）技术。

本文将重点比较 C-V2X 和 DSRC，重点是为更远距离和增强可靠性用例实现车辆安全，以便在拥挤情况下保持一致的性能以及实现先进的车辆通信用例。与 DSRC 相比，C-V2X 具有几个关键优势，包括：

• 更长的续航里程和更高的可靠性，从而提高安全性； 

• 在交通拥堵情况下更一致的性能 ；

• 面向新兴应用的 5G 演进路径；

• 与其他技术更好地共存；

C-V2X 具备更长的探测范围和更佳的可靠性，从而可以增强自动驾驶行车安全。根据链路级仿真分析，与DSRC 分别为 240 m 和 60 m相比，C-V2X 可以分别实现 443 m 和 107 m 的视线 (LOS) 和非 LOS (NLOS) V2V 范围。更远的距离可以直接转化为更早的警报以及对意外和潜在危险情况更好的可见性。它还允许车辆以更高的速度行驶，同时仍然能够及时停车以避免危险情况。

下图说明了一种跟车转弯场景，其中转弯后的出现故障车，跟随前车行驶的车辆在结冰和正常路况下都向接近的车辆发送警报。

如果使用 DSRC，接近的车辆必须在结冰和正常路况下分别保持低于 28 mph 和 46 mph 的速度，以便在收到警报后及时停止以避免发生事故。借助 C-V2X，来车可以在更远的距离更早地收到警报。因此，即使它以更高的速度行驶（例如，结冰和正常路况分别为 38 mph 和 63 mph），它也可以在到达残疾车辆之前停止。

下图说明了一个禁止超车用例场景，其中一辆跟随大型卡车的车辆对对面交通的能见度有限。同时，第二辆车正在从相邻车道接近第一辆车。车速越高，两辆车越接近对方，如果第一辆车选择通过卡车，情况就越危险。

通过 V2V 通信，第二辆车可以发送警告警报，由第一辆车用来决定是否应该通过卡车。与上面的第一个示例一样，更长的 C-V2X 范围允许第一辆车更早地收到警报，因此与使用 DSRC 的情况相比，即使它以更高的速度行驶，它也可以安全地通过卡车。

即使在拥塞条件下也需要保持一致的 C-V2X 性能。安全消息通常在给定的持续时间内或多或少地周期性地传输。C-V2X 旨在利用这些准周期性流量到达模式为后续流量到达确定性地预分配资源。这种半持久的调度机制确保了流量到达时资源是可用的。后续流量无需经过资源争用程序，即使车辆密度增加，C-V2X 也能保持低延迟。

此外，为了在流量负载较高时改善通道访问，C-V2X 会选择最佳资源，而不是第一个可用的资源进行流量传输。有待通行的车辆首先测量相对可用无线电资源块的能量水平在短时间内平均值。然后，它对无线电资源块进行排序，并在具有最低相对能量水平的那些中选择一个进行传输。这种最低能量的资源选择方案在存在其他发射车辆的情况下提供更好的信号质量。

下图左边展示了 C-V2X 允许车辆 A 和 B 传输的场景，同时发给各自的收件人。右图 说明了当车辆 A 发射时相应的 DSRC 场景，车辆 B 后退以避免碰撞。C-V2X 可以在遇到拥塞的情况下进行适当的降级（即适当减小发射范围），而在 DSRC 中，数据包传输速率会及时发生更突然的变化，在极端情况下会导致传输能力不足。

要在高拥塞、高流量的环境中进行测试，在这种环境中可能存在大量车辆争夺空中链路资源。需要直接比较 DSRC 和 C-V2X 的大规模性能，以确定直接通信技术的功效，以及哪条路径对汽车行业更有意义，以实现最佳安全性，同时确保 V2X 的经济可行性。甚至可以研究 DSRC 和 C-V2X 之间的共存、协调、通信和互通，以最好地了解 V2X 的最佳安全性。

基于5G的C-V2x的应用案例分析

5G网络为实现服务和自动驾驶提供保障，基于异构协同网络的车联网，CU云服务，支持更多智能出行场景。本节概述了基于 5G 的通信的一些高级 V2X 用例类别。

1、具有意图/轨迹共享的高级自动驾驶

高级驾驶可实现半自动或完全自动驾驶。假设车辆间距离更长，每个车辆和/或 RSU 与附近的车辆可以共享从其本地传感器获得的数据，从而允许车辆共享相互之间的轨迹或实时动作。此外，本车与附近的车辆还可很好的共享其驾驶意图。这个用例组的好处是更安全的旅行、避免碰撞和提高交通效率。如下图表示了几种典型的V2x落地场景功能图。

2、V2x中的扩展传感器提升自动驾驶性能

扩展传感器是指车辆获取有关其周围物体信息的能力，这些物体位于其自身车载传感器的视野之外可以检测到这些物体的其他附近车辆对其进行处理，然后将它们广播出去以帮助周围的其他车辆建立一个世界的全貌。总体而言，这为区域内的车辆提供了更完整的交通环境图。

例如，车辆向其他车辆发送提供非视线 (NLOS) 感知的消息。这是特别重要的交叉路口/匝道，或者环境条件（例如，雨、雾、雪）影响车载传感器范围的地方。在下图中，红色汽车警告后面的骑自行车的人，黄色汽车看不到。

如上图，扩展传感器可以支持在车辆、RSU、行人和 V2X 应用服务器之间共享原始和处理后的传感器数据（例如，摄像头、雷达、激光雷达）。车辆可以共享的传感器数据范围可以是从感知对象的图片到实时的视频流。来自多个不同来源的传感器数据的可用性增强了对车辆和行人的态势感知，从而提高了道路安全。扩展传感器还支持新的特性和功能，例如协同驾驶和精确定位，这是自动驾驶所必需的。

3、V2x中的行驶编队

编队使车辆形成紧密协调的“列车”，显着缩短车辆间距，从而提高道路通行能力和效率。它还提高了燃油效率，降低了事故率，并通过释放驾驶员执行其他任务来提高生产力。车队内的车辆必须能够定期交换信息（例如，共享速度和航向等状态信息）并发送制动和加速等事件通知。

5G有可能成为统一的连接技术，满足未来共享汽车、远程操作、自动和协作驾驶等连接要求，替代或者补充现有连接技术（例如目前正在美国被授权使用V2V技术的5.9GHz DSRC）。

总结

在车联时代，全面的无线连接可以将诸如导航系统等附加服务集成到车辆中，以支持车辆控制系统与云端系统之间频繁的信息交换，减少人为干预。

C-V2X 和 DSRC 支持车辆和基础设施之间的低延迟和可靠的消息交换，以提高安全性和效率。然而，这只是向未来车辆发展的开始，预计未来车辆将越来越具有许多先进的安全和非安全功能。这种演变将需要额外的 V2X 通信能力，例如更高的容量、超低延迟、超高可靠性、更远的范围和更高的数据速率。V2X 技术需要不断进步才能满足新兴需求。例如，传感器共享被设想为未来车辆的一项重要功能，以显着提高车辆在其直接视线 (LOS) 附近的可见性。传感器共享需要车辆甚至基础设施之间交换大量数据（例如，一系列对象或摄像头馈送），并且在许多情况下，非常低的延迟和高可靠性是确保接收数据的及时性和准确性所必需的。鉴于在许多拥挤的城市地区，预计车辆密度会很高，因此需要一种能够支持非常高的容量和数据速率以及低延迟的演进 V2X 技术来实现传感器共享。

文章转载自公众号：焉知智能汽车