5G网络下实现无线远程控制车辆的应用*

重庆移通学院 霍佳璐 余晓玫

随着5G牌照的发放,中国5G发展进入产业全面冲刺的重要阶段。基于5G网络的无线远程车辆控制系统采用智能移动终端通过车载无线通信模块将控制指令传递给车内电子系统。在满足车载无线通信模块在5G网络信号覆盖下、智能移动终端可通过移动网络访问互联网的前提下,可以不受距离限制即可远程操控汽车,使之完成目标功能,从而可大大提高车辆操控的便捷性、安全性以及舒适性。

0 引言

4G改变生活,5G改变社会。全球的5G部署正在紧锣密鼓地展开,我国工信部早在2019年6月6日就向中国移动、中国联通、中国电信、中国广电发放了5G的商用牌照,这也正标志着我国正式进入5G的商用元年[1]。至此,我国成为继韩国、日本、美国、瑞士、英国等国家后,全球首批提供5G商用服务的国家之一。5G网络的商用部署,必然会促进各行各业信息交流体系的重构,也会释放出更多的应用和行业需求。对于汽车行业而言,如何在5G网络下实现远程控制车辆就显得尤为迫切。

传统的车用远程无线钥匙的遥控有效距离为30-50米以内,这还会受到方位、障碍物等情况的限制。这一点对基于5G网络的远程控制系统而言将不再是痛点,再加之5G的分布式部署,可以使网络资源靠近用户,实现网随人动、人随心动。由于车用无线钥匙并非是生活必需品且外形小、外观较为单调,会面临遗失、错拿、不易寻找等弊端。智能移动终端现已成为人们生活中不可或缺,它不仅可以实现人人间通信,更多的是可以实现对物的通信与控制。将智能移动终端替代传统的车用远程无线钥匙,不啻避免了以上弊端,更实现随时随地能够远程查询汽车当前的状态信息以及驱动车辆来执行相应动作的功能。

1 5G网络

为了适配不同的服务需求,国际电信联盟(International Telecommunication Union,ITU)将5G时代的业务归纳成三种典型的类型,移动超宽带业务(Enhance Mobile Broadband,eMBB)[视频业务]、超高可靠低时延业务(Ultra Reliable and Low Latency Communication,uRLLC)[控制类业务]和大规模物联网(Massive Machine Type Communication,MMTC)[用户采集类][2]。5G网络面向多连接和多样化业务时,可以实现灵活部署,从而便于实现新业务快速上线绝对离不开网络切片技术。网络切片是可以按照组合、灵活地进行功能裁剪,向UE提供特定服务的某个子网络[3]。本研究属于uRLLC场景下的应用,需要利用网络切片技术最大限度体现出“超高可靠、低时延”。由于网络切片技术是端到端的,除了网络侧需要进行切片部署外,智能移动终端需要通过S-NSSAI(Single Network Slice Selection Assistance Information,单一网络切片选择辅助信息)和NSSF(Network Slice Selection Function,网络切片选择功能)提前选择应用组建好的切片业务。

当然,对于无线远程车辆控制这种需要高可靠低时延的场景,5G网络为了满足时延的苛刻要求,核心网和无线侧的功能,用户面和分布单元的功能,5G网络的部署需要尽量下沉。这样一来就可以满足低时延的需求,但是下沉也会带来一定的管理问题,这一点交给面向边缘设备所产生的海量数据的边缘计算模型来完成,大量的数据整合和分析也迎刃而解,从而使得控制指令准确快速执行,车辆信息准确实时显示在移动终端设备上。

在5G网络诸多的关键技术中,D2D通信技术非常值得一提,它颠覆了传统蜂窝通信系统以基站为中心的组网方式,实现了没有基站和核心网的两个UE之间的直接通信。传统蜂窝通信与D2D通信区别示意图如图1所示。D2D通信能够实现较高的数据速率、较低的时延和功耗[4],这主要是由于D2D之间的通信是短距离直接通信,这种通信方式的信道质量高,再加之,广泛分布的终端可以改善覆盖,实现频谱资源高效利用。D2D可以使用蜂窝频谱也可以使用未经许可的频谱。

图1 传统蜂窝通信与D2D通信区别示意图Fig.1 Schematic diagram of the difference between traditional cellular communication and D2D communication

D2D技术直接通信扩展了网络连接和接入方式,在如此灵活的网络结构中,用户范围的覆盖实现了进一步的扩充,可以满足海量用户在不同环境下的业务需求。也正因如此,5G网络远程无线控制车辆的场景不再仅限于基站部署密集的地区,也可以通过D2D在某些信号不强、基站部署不到位或基站出现突发故障情况下实现通信。

通过5G网络,智能网络汽车必定可实现“安全、节能、高效、舒适”行驶,并最终可实现替代人来操作的新一代汽车[5]。

2 基于5G的远距离车辆无线控制系统

如图2所示,该系统由微处理器模块、车载无线通信模块、智能移动终端、电源模块、车内电子系统、定位模块组成。微处理器模块是整个远距离车辆无线控制系统的核心,相当于人类的大脑,起到总领全局的作用,其他各模块(除智能移动终端外)都需要通过提前预先定义好的API接口与其相连,向其上传信息或执行相应具体操作。智能移动终端与车载无线通信模块进行信息交互,用户可以通过智能移动终端向车辆下达命令,同时,车载无线通信模块将车辆情况及时上传到智能移动终端,用户可直接查询车辆信息。电源模块主要是在车辆未启动时为各模块供能,待车辆启动后由车辆自身供电设备完成供能任务。

图2 远距离车辆无线控制系统框图Fig.2 Block diagram of long-distance vehicle wireless control system

2.1 微处理器模块

采集车内电子系统的状态信息,并将采集到的相关信息及识别号通过车载无线通信模块经5G移动网络传输至智能移动终端。微处理器采用可采用单片机或ARM。本研究更倾向于采用ARM,主要原因在于ARM较单片机而言,在软件编写方面更方便、更安全、更高效;在硬件方面更是单片机无法相提并论的,ARM芯片大多集成了SDRAM、LCD等控制器,在引入嵌入式操作系统后,更是可以完成很多单片机系统无法完成的功能,这样更利于后期的系统升级。换言之,单片机是微控制器,ARM才是真正的微处理器。值得关注的是ARM公司在2021年公布了全新的ARMv9架构,ARM公司CEO Simon Segars表示v9架构将提升安全性和信任度,并为未来十年的计算机技术奠定基础。ARM公司表示,在未来的两次芯片迭代中,ARMv9架构将会带来30%的性能提升。这在将会在一定程度上提高汽车行业在安全方面的技术。

2.2 车载无线通信模块

车载无线通信模块中接入5G移动通信系统,尝试采用5G T-box通信模组。5G T-box是智能车联网的重要组成,通过5G网络实现远程无线通讯,它可以采集行车数据、行驶记录、车况等信息,它也可以实现远程控制查询等功能,所采集的数据信息和控制查询等指令通过5G通信模组实现数据交互。5G T-box与传统T-box相比,由于5G网络的加入,它应用的场景更广泛,兼容性更强,可以实现与云服务平台的结合。能够实现智能汽车与智能移动终端之间提供可靠的连接及服务。5G T-box结构如图3所示。

图3 5G T-box结构示意图Fig.3 5G T-box structure diagram

2.3 智能移动终端

智能移动终端包括用户登录模块、用户信息显示模块、汽车状态查询模块以及功能预设模块。该智能移动终端预计采用插有5G SIM卡的智能手机,5G SIM卡与传统SIM卡相比具有超大容量、安全存储的功能。智能手机通过5G网络与车载无线通信模块进行信息交互必须通过专属App才能完成。

2.4 电源模块

用于给其他模块的运行提供能量。该电源管理模块将采用可充电的锂离子电池组供电,它不仅不含有金属态的锂,并且其安全性、比容量、自放电率都具有明显优势,尤其是性价比高,使其成为主流。

2.5 车内电子系统

在天气寒冷的冬天,可以通过智能移动终端的App实现不出家门就完成热车工作;或者在临时停车时,也可以通过App了解到车内情况,为车内等待的家人播放音乐或视频。以上场景,除了智能移动终端App外,还离不开车内电子系统。车内电子系统包括车身控制系统和车载娱乐系统,车身控制系统主要为用于远程控制、启动后车身控制、车况等数据采集,车载娱乐系统可以受控远程也可由车内按键实现控制。

2.6 定位模块

设想这样一个场景,你所处在一家商场的停车区域,停车场内环境复杂,人们需要花较长时间才能找到车辆,如果此时可以借助移动终端设备上的App寻到车辆,且定位出车辆与人位置差距,那么寻车将是一件轻松的事情。本研究的定位模块采用GPS定位模块及北斗定位模块,GPS+北斗双模定位,帮助移动终端能够更快、更精准定位车辆所在的位置。

3 结语

综上所述,在汽车行业乃至更多行业中应用5G网络是时代发展的必然趋势,5G三大应用场景中的低时延uRLLC促使了远程低时延应用的大量出现,无线远程车辆控制是其典型的应用。汽车行业应用5G技术实现创新与技术突破,除了可为当今处于低迷阶段的汽车行业带来前所未有的发展机遇,也为汽车行业建设“智能企业、创新企业”发挥决定性作用。

引用

[1] 江南.5G在视频场景下的典型应用[J].数字通信世界,2020(5):30-31.

[2] 杨德龙,孟萨出拉,丁慧霞,等.5G网络切片技术能源互联网应用分析[J].无线通信,2018,8(6):252-257.

[3] 王振世.一本书读懂5G技术[M].北京:机械工业出版社,2020.

[4] 黄龙才.5G网络应用前景与关键技术[J].通讯世界,2018(5):110-111.

[5] 李俨等.5G与车联网[M].北京:电子工业出版社,2019.