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5G與車聯(lián)網(wǎng)將改變未來的交通出行
5G時(shí)代已經(jīng)來臨，走向商用的步伐也在逐漸加快。
2019年被視為全球“5G元年”，中國5G發(fā)展也進(jìn)入沖刺階段。作為新一代移動(dòng)通信技術(shù)，5G將成為支撐未來創(chuàng)新的統(tǒng)一連接架構(gòu)，賦予經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)新動(dòng)能。
隨著5G商用的到來，人們都期待這項(xiàng)革新技術(shù)將給很多傳統(tǒng)領(lǐng)域帶來全新的面貌。比如對(duì)于百年汽車行業(yè)而言，這將意味著給自動(dòng)駕駛、車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)帶來更多加速和突破，甚至給整個(gè)產(chǎn)業(yè)打開更多想象的空間。
5G與車聯(lián)網(wǎng)：將改變產(chǎn)業(yè)投資方向
首先，讓我們一起了解下“車聯(lián)網(wǎng)”的概念，車聯(lián)網(wǎng)也稱作V2X（Vehicle toEverything），是汽車與萬物互聯(lián)，包括車與車（V2V），車與基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）、車與行人（V2P）以及與網(wǎng)絡(luò)（V2N）之間的通信。
車聯(lián)網(wǎng)就好像是一個(gè)包含有車、交通信號(hào)燈等路邊設(shè)施、行人和云端參與的微信群，群里的每一個(gè)參與者都可以將自身的信息與其他參與者即時(shí)分享，實(shí)現(xiàn)彼此間位置和駕駛意圖的識(shí)別，對(duì)信號(hào)燈等交通信息的告知等，協(xié)助群內(nèi)的車輛對(duì)道路的感知，支撐車輛自動(dòng)化。
傳統(tǒng)V2X技術(shù)產(chǎn)生已久，它作為早期802.11a技術(shù)的衍生技術(shù)，孕育于21世紀(jì)的頭幾年。但是，傳統(tǒng)V2X技術(shù)具有明顯的局限性。主要有以下幾點(diǎn)：
- 首先，它缺乏長(zhǎng)期的無線技術(shù)演進(jìn)路線圖。隨著車輛間互聯(lián)性越來越高，汽車產(chǎn)業(yè)已經(jīng)擁抱4GLTE技術(shù)并向著5G未來不斷邁進(jìn)，該傳統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)脫離汽車產(chǎn)業(yè)的未來愿景及發(fā)展方向。
- 其次，對(duì)于傳統(tǒng)V2X技術(shù)的投資缺乏動(dòng)力。對(duì)于汽車廠商而言，進(jìn)行一次性的投資并不合算，隨著時(shí)間推移傳統(tǒng)技術(shù)將難以為繼；就道路基礎(chǔ)設(shè)施而言，傳統(tǒng)V2X技術(shù)不能和其他廣泛部署并不斷創(chuàng)新進(jìn)步的無線技術(shù)產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，資金緊張的各級(jí)交通部門很難對(duì)其進(jìn)行投資并推動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施的升級(jí)。
- 最后，傳統(tǒng)的V2X技術(shù)并沒有預(yù)見到2019-2020年全球5G轉(zhuǎn)型的加速，而正是由于全球5G技術(shù)發(fā)展的加速，改變了汽車廠商和道路基礎(chǔ)設(shè)施管理者的投資方向。
鑒于傳統(tǒng)V2X技術(shù)的不足，并充分利用蜂窩移動(dòng)通信的產(chǎn)業(yè)規(guī)模優(yōu)勢(shì)，全球移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP在R14標(biāo)準(zhǔn)版本中定義了C-V2X（蜂窩車聯(lián)網(wǎng)）技術(shù)。自從2016年C-V2X技術(shù)誕生以來，汽車產(chǎn)業(yè)的大多數(shù)參與方都采取了C-V2X這一能夠全面解決安全和效率問題的技術(shù)，它是既適用于未來發(fā)展又符合全球變革路徑的最佳技術(shù)。
基于3GPP無線標(biāo)準(zhǔn)的C-V2X全球無線部署符合5G演進(jìn)路線，將從終端和基礎(chǔ)設(shè)施層面充分發(fā)揮規(guī)模效應(yīng)。C-V2X能集成于車內(nèi)信息處理無線模組中，所以汽車廠商的增量成本問題也得到了解決。道路基礎(chǔ)設(shè)施部署能與5G規(guī)模部署產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，這為各級(jí)政府節(jié)省了大量支出。相對(duì)于傳統(tǒng)技術(shù)，C-V2X還具有技術(shù)優(yōu)越性，能夠提供2倍以上的通信范圍及可靠性。
5G帶給自動(dòng)駕駛的突破：低時(shí)延、高可靠、高速率
目前，自動(dòng)駕駛技術(shù)在中國和美國得到高速發(fā)展。截止到2018年底，美國加州政府已經(jīng)向60家企業(yè)發(fā)放了自動(dòng)駕駛測(cè)試牌照，中國各地政府也先后向24家企業(yè)發(fā)放了測(cè)試牌照。
在由著名研究機(jī)構(gòu)Navigant research 發(fā)布的最新一年自動(dòng)駕駛競(jìng)爭(zhēng)力排行榜中，處于領(lǐng)先位置的公司多是采用單車智能的方式，即車輛對(duì)環(huán)境的感知和對(duì)行駛的決策都是通過車載的傳感器和計(jì)算處理單元來完成，這在交通設(shè)施相對(duì)完善的城市內(nèi)道路或者工作條件相對(duì)簡(jiǎn)單的高速公路場(chǎng)景上短時(shí)間內(nèi)可以取得較快的進(jìn)展。
但僅僅依靠單車智能會(huì)有比較大的局限性，例如對(duì)于交通設(shè)施缺損比較嚴(yán)重、部署不很規(guī)范的道路，或者是交通流量比較大且車速較快的高速公路等復(fù)雜場(chǎng)景，單車智能還很難完成復(fù)雜道路環(huán)境的感知和實(shí)時(shí)決策。但是隨著5G的發(fā)展和應(yīng)用，為自動(dòng)駕駛汽車打破了這些局限性。
得益于中國汽車產(chǎn)業(yè)鏈在5G技術(shù)和應(yīng)用上的不斷深化推進(jìn)，業(yè)界自動(dòng)駕駛研究領(lǐng)域普遍認(rèn)為，自動(dòng)駕駛不僅需要智能的車，還需要智慧的路相配合。利用5G技術(shù)低時(shí)延、高可靠、高速率和大容量的能力，車聯(lián)網(wǎng)不僅可以幫助車輛間進(jìn)行位置、速度、行駛方向和行駛意圖的溝通，更可以利用路邊設(shè)施輔助車輛對(duì)環(huán)境進(jìn)行感知。比如車輛利用自身的攝像頭可能無法保證對(duì)交通信號(hào)燈進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷，進(jìn)而可能會(huì)發(fā)生闖紅燈的違章行為，但是利用車聯(lián)網(wǎng)的V2I技術(shù)，交通信號(hào)燈把燈光信號(hào)以無線信號(hào)的方式發(fā)給周邊的車輛，確保自動(dòng)駕駛汽車準(zhǔn)確了解交通信號(hào)燈的狀態(tài)。
不僅如此，交通信號(hào)燈還可以廣播下次信號(hào)改變的時(shí)間，甚至其他相鄰路口未來一段時(shí)間內(nèi)的信號(hào)狀態(tài)，自動(dòng)駕駛車輛可以據(jù)此精確的優(yōu)化行進(jìn)速度和路線，選擇一條紅燈最少、行駛最快的路線，即優(yōu)化了交通，又可以減少碳排放。
另一個(gè)例子是交叉路口的通行優(yōu)化和橫穿行人告警。今天道路上經(jīng)常發(fā)生橫穿路口的行人/自行車與車輛間的碰撞事故，尤其是左轉(zhuǎn)車輛，由于視線受阻，司機(jī)和車載傳感器經(jīng)常無法觀察到路口內(nèi)橫穿的行人，一個(gè)解決辦法就是通過在路口上安裝雷達(dá)和攝像機(jī)對(duì)路口內(nèi)行人進(jìn)行監(jiān)視，如果檢測(cè)到斑馬線上和路口內(nèi)有行人，并且行人在車輛的行進(jìn)路線上，路邊設(shè)施（RSU）可以將檢測(cè)到的情況即時(shí)通知即將轉(zhuǎn)彎或直行的車輛注意避讓，規(guī)避事故的發(fā)生。
5G和車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是自動(dòng)駕駛所必須的技術(shù)保障。通過選擇“智能的車+智慧的路”這一正確的技術(shù)路線，充分發(fā)揮5G的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，我們有理由相信5G技術(shù)將在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域發(fā)揮其巨大作用。
5G加強(qiáng)自動(dòng)駕駛的感知、決策和執(zhí)行
汽車的自動(dòng)駕駛包括感知/認(rèn)知、決策和執(zhí)行共三個(gè)層面，而這三個(gè)層面都能夠利用5G移動(dòng)通信技術(shù)得到增強(qiáng)。
首先來看感知/認(rèn)知層面。感知/認(rèn)識(shí)就是讓汽車和駕駛者知道“我在哪里，我周圍有什么，我是否有危險(xiǎn)”。因而首先需要高精度的定位，對(duì)于自動(dòng)駕駛來說，甚至需要亞米級(jí)的定位。傳統(tǒng)的衛(wèi)星定位（GNSS）無法滿足車輛自動(dòng)化所需的定位精度，因而需要使用基于網(wǎng)絡(luò)輔助的差分定位技術(shù)，并且結(jié)合航跡推演技術(shù)來提升定位精度。
以高通公司推出的視覺增強(qiáng)精確定位（VEPP）技術(shù)為例，其融合多個(gè)汽車傳感器，包含全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)、攝影機(jī)、慣性測(cè)量單元(IMU)和車輪傳感器，以提供更準(zhǔn)確的全球車輛定位。
VEPP是車載通訊系統(tǒng)(telematics)控制單元和高階定位裝置之間的組合，實(shí)現(xiàn)了車道等級(jí)準(zhǔn)確度，精確度小于1米。在精確地掌握了自身位置之后，我們還需要一張支持自動(dòng)駕駛的車道級(jí)別的高精地圖，從而知道車輛在道路中的位置，而利用5G移動(dòng)通信大帶寬的優(yōu)勢(shì)，車輛可以實(shí)時(shí)獲取最新的高精地圖。
其次，車輛需要了解周邊的道路參與者和障礙物。自動(dòng)駕駛車輛往往安裝多個(gè)先進(jìn)傳感器，包括攝像機(jī)、雷達(dá)，甚至激光雷達(dá)來感知周邊的物體。但是這些價(jià)值不菲的傳感器只能檢測(cè)到視距范圍內(nèi)的物體，并且對(duì)氣候條件也比較敏感，比如霧霾天氣攝像機(jī)和激光雷達(dá)就會(huì)失效。而利用V2V車車通信技術(shù)，可以把車輛感知范圍擴(kuò)大到視距之外，比如前后若干車輛的位置，甚至它們緊急剎車的狀態(tài)信息，進(jìn)而可以提前對(duì)道路狀況進(jìn)行判斷，及早采取規(guī)避措施避免追尾事故的發(fā)生。同時(shí)，利用V2I通信，車輛還可以從道路基礎(chǔ)設(shè)施那里獲得諸如信號(hào)燈和路口內(nèi)行人等信息，形成完整的對(duì)道路環(huán)境的感知。
5G技術(shù)不僅可以提高自動(dòng)駕駛車輛的環(huán)境感知能力，還可以利用車輛間無線連接，讓多個(gè)車輛進(jìn)行協(xié)作式?jīng)Q策，合理規(guī)劃行動(dòng)方案。比如，在高速公路內(nèi)側(cè)車道上車輛，在其需要駛離高速公路時(shí)，可以通過車車通信與周邊車輛協(xié)商，要求周邊車輛避讓以便其能夠向外側(cè)車道變線并駛離高速。
如前所述，僅依靠單車智能，L4/L5只是存在理論上的可行性。讓機(jī)器學(xué)會(huì)準(zhǔn)確識(shí)別道路上的所有標(biāo)識(shí)、信號(hào)和道路參與者是一件幾乎無法完成的任務(wù)，讓機(jī)器學(xué)會(huì)處理所有可能的偶發(fā)事件也需要付出難以承受的代價(jià)。只有通過基于5G技術(shù)的車車/車路協(xié)同，充分發(fā)揮基礎(chǔ)設(shè)施的能力，才能以較低的代價(jià)和成本讓自動(dòng)駕駛車輛實(shí)現(xiàn)對(duì)駕駛環(huán)境的感知和行駛的決策。
另外，從人工智能的角度來看，機(jī)器無法完全替代人類的決策，在一些偶發(fā)的復(fù)雜場(chǎng)景需要人類參與決策，即“man in the loop”。但是對(duì)于自動(dòng)駕駛車輛來講，車內(nèi)的乘員可能并不會(huì)駕駛汽車，也無法參加決策。
但有了5G技術(shù)，我們就可以讓遠(yuǎn)端服務(wù)中心的人員參與到?jīng)Q策中來。比如在一些特殊的場(chǎng)景，機(jī)器無法完成駕駛而造成脫離（disgagement），就像今天車輛發(fā)生故障時(shí)我們呼叫救援中心一樣，車輛可以利用5G網(wǎng)絡(luò)呼叫遠(yuǎn)端的服務(wù)中心，利用5G的低時(shí)延大帶寬，將現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)圖像和傳感器信息傳送給服務(wù)中心的專業(yè)人員，由專業(yè)人員在虛擬現(xiàn)實(shí)的場(chǎng)景下，遠(yuǎn)端控制車輛駛離復(fù)雜路況，直到駕駛系統(tǒng)能夠再次接管車輛。
當(dāng)然我們并不是說只有L4/L5這樣的高度自動(dòng)化才需要5G技術(shù)，實(shí)際上車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)以人類駕駛為中心的低級(jí)別自動(dòng)化也有極大的幫助。例如前面提及的多項(xiàng)感知技術(shù)都可以應(yīng)用到當(dāng)前的車輛中，為駕駛員提供駕駛輔助（ADAS），例如基于車載雷達(dá)和V2V技術(shù)融合的前撞預(yù)警和緊急自動(dòng)剎車等。
5G應(yīng)用車聯(lián)網(wǎng)，有兩大問題亟待解決
目前，在工信部和交通部的大力推動(dòng)下，基于3GPP R14版本的車聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)基本完成量產(chǎn)前的技術(shù)準(zhǔn)備，當(dāng)然在大規(guī)模商用前還有一些政策和技術(shù)上的問題急需解決。
首先，是信息安全和隱私方面。對(duì)于大眾消費(fèi)者來講，除了關(guān)注車聯(lián)網(wǎng)帶給我們的諸多便利和道路安全，也更加關(guān)心車聯(lián)網(wǎng)所設(shè)計(jì)的信息安全和隱私問題。為保護(hù)車主的隱私，提高網(wǎng)絡(luò)的安全系數(shù)，C-V2X設(shè)計(jì)了匿名密鑰體制，周期性變更標(biāo)識(shí)和信息簽名，為此需要在車輛中安裝幾百甚至幾千個(gè)證書。由于涉及到信息安全問題，迫切需要國家多個(gè)相關(guān)部門的相互協(xié)作，制定出題套適合我國國情的證書管理和分發(fā)體制。
此外，在C-V2X信息安全方面要求使用我國自行開發(fā)的SM2/3加密算法，該算法已廣泛應(yīng)用于銀行等系統(tǒng)，具有一定的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。但是，國內(nèi)現(xiàn)有支持SM2/3算法的芯片在處理能力上尚且無法滿足C-V2X所需的每秒上千次的簽名和驗(yàn)簽的要求，并且多數(shù)從事安全芯片開發(fā)的國內(nèi)企業(yè)還缺乏開發(fā)車規(guī)級(jí)產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)。而國外芯片廠商盡管已經(jīng)從國標(biāo)體系獲取了SM2/3算法，但由于不完全了解國密算法所涉及的認(rèn)證環(huán)節(jié)以及相關(guān)的認(rèn)證風(fēng)險(xiǎn)，故而遲遲未能給出支持C-V2X安全規(guī)范的產(chǎn)品規(guī)劃。因此，需要進(jìn)一步從政策和資金上進(jìn)行推動(dòng)，期望國內(nèi)外從事安全芯片設(shè)計(jì)開發(fā)的公司盡快拿出支持國密SM2/3算法的高處理能力的車規(guī)級(jí)芯片。
基于3GPP R14版本的C-V2X可以增強(qiáng)自動(dòng)駕駛車輛對(duì)環(huán)境的感知，為低級(jí)別自動(dòng)駕駛提供更加準(zhǔn)確的駕駛輔助信息。L4/L5高級(jí)自動(dòng)駕駛所需的協(xié)作式?jīng)Q策，將對(duì)V2X通信提出更高的要求，需要V2X提高更高的帶寬，更短的時(shí)延，最重要的是需要提供更高的可靠性（>99%）。
2019年3月，3GPP通過了標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)，計(jì)劃在R16版本中開發(fā)基于5G新空口的5G V2X技術(shù)，利用5G新空口所具有的高帶寬，低時(shí)延和高可靠能力，進(jìn)一步提升C-V2X技術(shù)的能力，支撐高級(jí)別自動(dòng)駕駛技術(shù)。R16版本C-V2X標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃于2019年底完成，相信在標(biāo)準(zhǔn)完成后芯片廠商也會(huì)盡快推出符合R16版本的芯片，配合車企進(jìn)行L4/L5高級(jí)別自動(dòng)駕駛車輛的開發(fā)和測(cè)試。
自動(dòng)駕駛技術(shù)可以將我們從繁重的駕駛?cè)蝿?wù)中解放出來，使我們的旅程更加安全、更加環(huán)保。5G車聯(lián)網(wǎng)將大大增強(qiáng)自動(dòng)駕駛車輛的感知能力，促進(jìn)自動(dòng)駕駛車輛的盡早量產(chǎn)。更高級(jí)的自主駕駛需要車車/車路的廣泛協(xié)同，而5G技術(shù)更是自主駕駛不可替代的必要手段。
5G應(yīng)用車聯(lián)網(wǎng)，落地可期
雖然5G應(yīng)用車聯(lián)網(wǎng)到目前還沒有真正的實(shí)現(xiàn)，但也已經(jīng)走在實(shí)現(xiàn)的路上。2017年6月3GPP發(fā)布R14版本的C-V2X標(biāo)準(zhǔn)之后，產(chǎn)業(yè)界迅速展開C-V2X產(chǎn)品的開發(fā)和相關(guān)測(cè)試驗(yàn)證工作。當(dāng)年9月，高通公司發(fā)布了基于3GPP R14版本的9150 C-V2X芯片組，并基于該芯片組在全球范圍內(nèi)開展廣泛測(cè)試。
2018年11月，工業(yè)和信息化部印發(fā)了《車聯(lián)網(wǎng)（智能網(wǎng)聯(lián)汽車5905－5925MHz）直連通信使用5905－5925MHz頻段管理規(guī)定（暫行）》，規(guī)劃了頻段共20MHz帶寬的專用頻率資源，用于C-V2X（車與車、車與人、車與路之間的直連通信）智能網(wǎng)聯(lián)汽車的直連通信技術(shù)，同時(shí)，對(duì)相關(guān)頻率、臺(tái)站、設(shè)備、干擾協(xié)調(diào)的管理作出了規(guī)定，這使我國成為全球范圍內(nèi)首個(gè)明確為C-V2X技術(shù)分配專用頻率的國家。該頻段的劃分，徹底掃清了車聯(lián)網(wǎng)推廣中政策上的不確定性，將極大促進(jìn)車企投入到C-V2X技術(shù)的量產(chǎn)車輛開發(fā)。
今年消費(fèi)電子展（CES）期間，福特汽車宣布自2022年起，福特將在美國銷售的每一輛新車和卡車上都內(nèi)置C-V2X技術(shù)；而近期又宣布將于2021年在中國量產(chǎn)首款搭載C-V2X技術(shù)的車型。
在今年2月世界移動(dòng)通信大會(huì)期間，吉利宣布計(jì)劃在2021年發(fā)布其首批支持5G和C-V2X的量產(chǎn)車型。部分國內(nèi)車企也都積極跟進(jìn)，考慮在兩年內(nèi)量產(chǎn)的部分車型中率先支持C-V2X技術(shù)。
3月28日，工信部苗圩部長(zhǎng)出席博鰲亞洲論壇2019年年會(huì)時(shí)表示，以無人駕駛為代表的車聯(lián)網(wǎng)將是5G的一項(xiàng)重要應(yīng)用，工信部正在與交通運(yùn)輸部合作，積極推動(dòng)中國公路系統(tǒng)的數(shù)字化、智能化改造，利用5G技術(shù)發(fā)揮車路協(xié)同優(yōu)勢(shì)。
我們有理由相信，在未來兩年內(nèi)，與5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)同步展開，我國多數(shù)城市和高速公路會(huì)采用C-V2X技術(shù)對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行升級(jí)改造。2020起量產(chǎn)的具備C-V2X功能的車輛，將能夠率先感受到C-V2X技術(shù)帶來的便利的交通、安全的駕駛提示和更加優(yōu)化的節(jié)能減排。5G和AI等新興技術(shù)的結(jié)合必將激發(fā)汽車行業(yè)的創(chuàng)新浪潮，賦能整個(gè)汽車生態(tài)的進(jìn)化。
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