基于5G通信的车联网自动驾驶关键技术

文/范鹏飞

1 前言

2018年11月，工业和信息化部印发了《车联网（智能网联汽车5905-5925MHz）直连通信使用5905-5925MHz频段管理规定（暂行）》，规划了频段共20MHz带宽的专用频率资源，用于C-V2X（基于蜂窝技术的车辆联网通信）智能网联汽车的直连通信技术。福特汽车宣布自2022年起，福特将在美国销售的每一辆新车和卡车上都内置C-V2X技术；而近期又宣布将于2021年在中国量产首款搭载C-V2X技术的车型。吉利宣布计划在2021年发布其首批支持5G和C-V2X的量产车型。工信部苗圩部长出席博鳌亚洲论坛2019年年会时表示，以无人驾驶为代表的车联网将是5G的一项重要应用，工信部正在与交通运输部合作，积极推动中国公路系统的数字化、智能化改造，利用5G技术发挥车路协同优势。

2 车联网与自动驾驶

截止2018年底，中美两国政府已向近百家企业发放了自动驾驶测试牌照。目前的自动驾驶大多采用单车智能方式，由车载传感器和计算处理单元完成感知和决策，这在交通设施较为完善、交通条件相对简单的场景上可以取得较快的进展。但单车智能最大的局限性在于其很难完成对复杂道路环境的感知和实时决策。5G和车联网技术是自动驾驶所必须的技术保障。通过选择“智能的车+智慧的路”这一正确的技术路线，可以充分发挥5G的技术优势。

车联网也称作V2X(Vehicle toEverything),是汽车与万物互联，包括车与车（V2V），车与基础设施（V2I）、车与行人（V2P）以及与网络（V2N）之间的通信。可以将车联网比作一个包含有车、信号灯等基础设施、行人和云端参与的微信群，群内参与者都可以将自身的信息即时广播，实现彼此间位置、意图等信息的共享识别，支撑车辆自动化。随着通信技术的不断发展，作为早期802.11a技术衍生技术的传统V2X技术具有明显的局限性：

（1）缺乏长期的无线技术演进路线图。目前汽车产业已经拥抱4GLTE技术并向着5G未来不断迈进，传统V2X技术偏离了产业的未来愿景及发展方向。

（2）对传统V2X技术的投资不足。传统V2X技术不能和其他广泛部署并不断创新进步的无线技术产生协同效应，对汽车产业的一次性投资也并不合算，对传统V2X技术的投资缺乏动力将使得传统技术难以为继。

（3）传统V2X技术并没有预见到5G技术发展的加速，而5G技术发展的加速又进一步改变的汽车产业和道路基础设施的投资。

考虑到传统V2X技术的局限，全球移动通信标准化组织3GPP在R14标准版本中定义了C-V2X（蜂窝车联网）技术。基于3GPP无线标准的C-V2X全球无线部署符合5G演进路线，C-V2X集成于车内信息处理无线模组中，5G规模部署与道路基础设施产生协同效应，使得在终端和基础设施层面同时发挥规模效应，解决了汽车厂商和政府部门的增量成本问题。同时相对于传统技术，C-V2X能够提供2倍以上的通信范围及可靠性，是符合全球变革路径的最佳技术。

3 5G在车联网自动驾驶的应用

汽车的自动驾驶包括感知、决策和执行共三个层面，而这三个层面都能够利用5G移动通信技术得到增强。本文主要从感知、决策两方面进行分析。

3.1 感知层面

感知就是让自动驾驶汽车知道“我在哪里，我周围有什么”。因而首先需要高精度亚米级定位。传统的卫星定位（GNSS）无法满足该定位精度，目前主要使用基于网络辅助的差分定位，并结合航迹推演技术来提升定位精度。在精确掌握自身位置之后，还需要与定位相匹配的高精度地图，从而获取车辆在道路中的位置，5G正好可以满足该要求。

其次，车辆需要感知实时的交通环境。5G技术低时延、高速率、高可靠和大容量的能力，可以有效实现车辆间位置、速度、行驶意图等信息的沟通，还可以利用路边设施辅助车辆对环境进行感知。单车智能依赖的传感器只能检测到视距范围内的物体，受天气等条件的制约难以获取准确的信息。而基于5G的V2V车车通信、V2I通信技术则可以把车辆感知范围扩大到视距之外，实现对交通环境全面、准确的感知。

3.2 决策层面

5G技术可以让多个自动驾驶车辆进行协作式决策，合理规划行动方案。比如，在高速公路内侧车道上车辆，在其需要驶离高速公路时，可以通过车车通信与周边车辆协商，要求周边车辆避让以便其能够向外侧车道变线并驶离高速。

另一方面，仅依靠人工智能处理所有可能的偶发事件需要付出难以预料的代价。从人工智能的角度来看，机器无法完全替代人类的决策，在一些偶发的复杂场景需要人类参与决策，即“man in the loop”。5G技术可以让处于远端服务中心的人员参与到自动驾驶车辆的决策中来。利用5G的低时延大带宽，将现场的实时图像和传感器信息传送给服务中心的专业人员，由专业人员在虚拟现实的场景下，远端控制自动驾驶车辆，直到驾驶系统能够再次接管车辆。

4 亟待解决的问题

目前，基于3GPP R14版本的车联网已经基本完成量产前的技术准备，当然在大规模商用前还有一些政策和技术上的问题急需解决。

4.1 信息安全和隐私问题有待解决

对消费者而言，在关注车联网带来的诸多便利的同时，也更加关心其涉及的信息安全和隐私问题。为保护车主隐私，提高网络安全系数，C-V2X设计了匿名密钥体制，周期性变更标识和信息签名，为此需要在车辆中安装几百甚至几千个证书。由于涉及到信息安全问题，迫切需要国家多个相关部门的相互协作，制定出适合我国国情的证书管理和分发体制。

4.2 芯片处理能力有待提高

在C-V2X信息安全方面要求使用我国自行开发的SM2/3加密算法，该算法已广泛应用，具有一定的产业基础。但现有支持SM2/3算法的芯片在处理能力上尚且无法满足C-V2X所需的每秒上千次的签名和验签的要求。因此，需要进一步从政策和资金上推动高处理能力车规级芯片的研发。

2019年3月，3GPP通过了标准立项，计划在R16版本中开发基于5G新空口的V2X技术，利用5G新空口所具有的高带宽，低时延和高可靠能力，进一步提升C-V2X技术的能力，支撑高级别自动驾驶技术。R16版本C-V2X标准计划于2019年底完成，相信在标准完成后芯片厂商也会尽快推出符合R16版本的芯片，进而展开更高级别自动驾驶车辆的开发和测试。

5 结语

自动驾驶技术可以将我们从繁重的驾驶任务中解放出来，使我们的出行更加安全、高效、环保。5G技术将大大增强自动驾驶车辆的感知能力，是更高级的自动驾驶不可替代的必要手段。虽然5G应用车联网到目前还没有真正的实现，但也已经走在实现的路上。可以肯定的是，在未来几年内，我国城市交通基础设施将基于C-V2X技术进行升级改造，并与5G网络建设同步展开。5G和AI等新兴技术的结合必将让我们体会到C-V2X技术带来的更加便利畅通的交通、更加安全的驾驶体验和更加高效的节能减排方式，赋能整个交通生态的进化。