5G对自动驾驶的影响

2020-01-07周天意叶剑芯

科学咨询 2020年14期

周天意叶剑芯

(重庆邮电大学通信与信息工程学院重庆 400065)

一、引言

自动驾驶能够依据技术的提升实现快速避免交通事故，这个优点是人员驾驶所不具有的，最显著的好处是减少交通事故。根据市场监管总局发布的2018年全国汽车安全状况，截至2018年底，全国机动车保有量达3.27亿辆，全国车辆事故的死亡人数仍然超过了3万人，其中大部分车祸都是由于人为因素造成的。人类只有通过双眼和双耳来探测路面情况，环境感知能力较弱。而自动驾驶汽车可以使用主动与被动感测器持续做大范围的探测周围的环境，且360度无死角，因此，自动驾驶可以对潜存危机做出安全的反应，且其反应较人类驾驶更为迅速。

自动驾驶可以有效避免酒后驾驶。有数据指出在2018年全国共有17264人被依法终生禁驾，其中饮酒后或者醉酒驾驶机动车发生交通事故构成犯罪的有5149人，造成交通事故构成犯罪且有逃逸情节的有12115人[1]。而自动驾驶就不需在意乘客是否喝酒或有身体问题，因此，能有效避免酒后驾驶及所造成的交通危害。

然而目前的自动驾驶技术还不能够广泛推广，原因主要是因为现有的自动驾驶技术距离实际的安全应用仍然有一定的距离。如何提升自动驾驶技术，仍然是一个有意义的研究课题。

二、自动驾驶现在面临局限性

现在并没有实现高度自动驾驶，主要原因包括网络延迟较大、数据传输带宽不足等，在信息交互方面的约束主要是上述两个技术不足。

（一）4G网络的延迟分析

4G网络的峰值速度100Mbps，网络延迟约为50ms，当一辆汽车在100Km/h的速度下行进，50ms的刹车紧急制动的距离约为1.4m，这在真实的驾驶环境中很容易发生意外。且4G主要侧重于人与人之间的通信，虽然使用的是低频段覆盖面广，但在使用的人多时数据传输链路会出现拥挤现象，这会导致网络延迟更加严重。4G网络应用服务器集中于中心机房，距离终端远，中间需要经过多个传输节点，在中间多次处理和转发信息的过程中会耗费时间，增加了端到端的延时。

（二）4G网络带宽分析

排除其它因素，如果客户端和服务器端直接通过一个路由器连接，但带宽只有10Kbps，却同时有多个应用需要传输远超带宽的数据量200Kbps，这时候会造成大量数据丢失，从而表现为响应延时。而且自动驾驶是一个连续的过程，需要实时将路面情况、周围车辆信息上传车联网，然后将车联网中需要的信息下载下来。因为路面情况复杂，不管是上传还是下载的都是庞大数据量，在等待数据传输时必定会产生延迟，因此，需要高带宽来减少延迟。

目前全球已发生了多起自动驾驶车祸，如Uber自动驾驶车公共道路致路人死亡案件、特斯拉Model S 高速公路追尾消防车案件、谷歌无人驾驶测试车与货车相撞案件等，说明现在的技术、政策、设备还不能实现自动驾驶的广泛应用。其中，延迟是重要的制约因素之一。

三、5G网络特征分析

4G已经不能满足自动驾驶需要的低时延。2019年5G的面世带来了一个更加先进的信息时代，5G具有低延迟、高带宽的特点，带来了自动驾驶的新时代。

（一）5G网络宽带特征

通信都是通过电磁波来完成的，而电磁波的频率是有限的，由香农公式可知带宽取决于工作频谱带宽和信噪比。而5G的频率范围包括两个频段：5G sub-6GHz（450MHz-6000MHz）、5G毫米波频段（24250MHz-52600MHz），优先使用了3.5G频段和mmWave，因此，拥有了高带宽、高速率。可以看出5G网络的数据传输速度远远高于以前的蜂窝网络，最高可达10Gbit/s，比4G网络快100倍，这个优势也是我们在日常生活中最能体会到的。

（二）5G网络时延特征

5G低时延的实现主要遵循：一是需要大幅降低空口传输时延，二是减少源节点到目的节点的距离，尽可能缩减转发节点[2]。

新型帧结构技术（shorted TTl）。该技术主要考虑采用更短的子帧长度，以实现更短时延的传输，即传输时间间隔。从LTE的系统设计看，传输时间间隔是数据传输时长的主要来源。因此，降低子帧长度可以降低数据传输时长，如果重新设计子载波间隔和一个子帧中包括的OFDM符号数量，使得一个子帧对应时长变短，就可降低数据传输时长[2]。

MEC技术（移动边缘计算）。除去网络内部时延，还需要减少往返传输时延。减少往返时延需要将网络下沉，让用户可以就近访问。移动边缘计算通过网络侧功能和应用部署能力下沉至距离用户设备最近的无线接入网边缘，为应用开发商和内容供应商提供云计算能力和lT服务环境，使得应用部署更加灵活、网络能力按需编排、业务处理更靠近用户，更好地满足高回传宽带、低时延等应用需求[3]。

核心网功能下沉。5G网络架构设计思想使庞大的接入网更加集中化、协作化、云端化以及绿色化。为了进一步降低时延，5G网络将核心网用户面部分功能下沉至基站，由原来的集中式核心网演变成分散式核心网。这样原来中心控制的核心网功能在地理位置上就会更靠近终端，达到降低时延的目的[2]。

四、5G网络下的自动驾驶

5G对于延时的最低要求是1毫秒。当一辆汽车在100Km/h的速度下行进，50ms的延时会导致车冲出1.4m，而1ms的延时车会冲出0.028m，因此，在5G下的自动驾驶可以在毫米之间停下，将避免很多交通事故。有数据指出自动驾驶未来每秒将传输多达0.75GB，而5G的理想带宽为20Gpbs，5G的大带宽可以支撑自动驾驶时的大数据传输。