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「观点」邬贺铨院士:5G与车路协同

2020-08-07   ChinaEV100

核心观点

5G适于车路协同的发展,但其在车路协同应用中的安全通信距离和通信范围有待深入研究。车联网与公众网之间的诸多差异,给车联网应用带来巨大挑战。车路协同不仅在车与路,还包括与人、IT系统等之间的协同,车路协同的创新将永远在路上。

车路协同及其应用场景对5G的要求

01 什么是车路协同?

车路协同包括了车到车、车到路侧单元、车到行人和车到网络四个协同。

◎ 车到车,主要解决防碰撞的安全系统的问题。

◎ 车到路侧单元,主要包括优化交通信号灯的转换。

◎ 车到行人,照顾到马路上可能出现的一些弱势的交通参与者和行人。

◎ 车到网络,包括提供实时的交通流量路径规划服务。

车路协同涉及到车端,也叫车联网;还有(路侧单元),包括交通信号监控设施;以及网络端,比如移动通信核心网;还有云端,包括交警平台、数字地图平台等等以及各种服务。

跟车有关的通信主要有两种:一是车到车、车到路侧单元以及车到人,这种通信使用的是PC5接口,就是直通。其中关于车到车的通信接口,看上去好像没有通过网络,实际上也是两种情况:一种情况是在5G信号覆盖范围里,还是通过网络由基站作为调度者分配无线资源,用户数据可以在车到车直接连接;另一种情况是在5G网络没有覆盖的地方没有办法通过网络,只能说相当于自组织的来处理。此外,还有与车有关的通信(如车)是直接到网络的,可以用PC5也可以直接用5G接口。实际中5G接口是比较通用的。

02 安全类应用场景大部分是V2V

车路协同主要应用场景按照有关的标准分类,其中安全类有十几种,包括对车速、通信距离、数据更新频率、系统延时、定位精度的一些考虑。其中的一些是在各种场景下要求最高的,车速一般按照130公里每小时,通信距离是按不小于300米,数据更新的频率大部分时间是10赫兹,但是限速预警等场景时是1赫兹,系统延迟大部分为100毫秒,精度有5米的,比较高要求的是1.5米。

这些标准大部分时候是针对V2V场景而言,并不涉及到V2I、V2N或者V2P,而V2V的信令在5G覆盖的时候可能走5G网络,在5G覆盖不到的时候自己连接,但是不论5G信号是否可覆盖,用户数据都是车到车,那么此时数据是不是也要报到网络侧或者云端?如果都通过网络侧,云端可能时延比较长;如果不通过网络侧和云端,就谈不上车路协同了,或者需要备案到网络侧,否则车路协同有空白。

在效率服务类应用场景中,V2I比较多,这与车、路有关系,此外还有一些包括安全类、效率类、服务类的应用场景值得期待,当然这些可能在技术要求上并不会增加更多的、更新的或者更严格的要求。

03 5G能满足目前车路协同标准和要求

根据交通运输部的有关行业标准,基本上无线传输假设在5.9GHz的20兆带宽里,通常丢包率不高于5%,时延20毫秒,通信峰值不低于8兆,可用性99.9%,日志存储按7天算,数据包根据不同场景长短不一,安全通信距离有争议。

目前5G能够支持的最大车速为500公里每小时,传输的最大速率将近1G,时延不大于3毫秒,通信可靠性99.99%。在特别高要求时可做到99.9999%。可见5G能满足交通部门和汽车行业所制定的车路协同的现有的一些标准和要求。

RSU通信距离基本上是根据3GPP通信业务模型评估,安全通信距离为相对车速*4秒,车速按140公里每小时进行要求,对向行驶的相对速度是280公里每小时,计算出安全距离为320米。

从RSU密度来计算安全通信距离,对于车流量大地段部署间距宜200-400米,对于车流量小地段部署间距可400-800米。这两个数字有矛盾,如果RSU间距按照800米计算,而通信安全距离只算300米的话,则车到RSU间有信号盲区;考虑到隧道等没有信号覆盖的场景,通信距离需要1000米甚至更远。所以怎么设置安全通信距离还是值得研究。从通信来讲可能要考虑更大的范围。

5G适用于车路协同,而车路协同也对5G提出诸多挑战

01 5G有助于车路协同,还可扩展到智慧城市

DSRC是IEEE802.11P,容量小不足以应对交通拥堵,干扰管理、覆盖都有短板。目前中国是基于蜂窝的V2X,分为4G、LTE-V2X和LTE-eV2X,更期待5G-V2X。有蜂窝基站参与调度,可以保证数据资源被高效利用,不会发生数据的碰撞。关于5G的NR-V2X频段还没有完全定下来,预计今年能定。

从1G到5G,其复用技术不断演进,目前是多维度的,还包括空分复用,所以5G频谱效率比较高,蜂窝比较密,容量较大,有助于车路协同。同时,5G本身的正常移动宽带高可靠、低时延、广覆盖,一定意义上也能支撑产业互联网和智慧城市。

02 车联网与公众网诸多方面差别巨大

从车路协同的角度来看,5G是面临挑战的。在支撑车路协同方面,5G比现有无线技术好;5G考虑了怎么面向车路协同,但是以下多方面还需要深入思考探讨:

一是通信地域范围。公众网既有短距离也有国际长途,车联网实际上1公里足够,实际对5G要求不高;但是从另一个角度,5G很多优点是靠核心网支撑的,现在1公里范围内,5G的核心网优势不容易发挥。

二是移动性。公众通信网用户80%时间是在房子里,而车路协同下的应用80%都是在行驶中。

三是在线时长。在公众通信网中只有通信时才占用信道,而车联网不是人联网而是物联网,所以行驶中是永远在线的。

四是信令通道。公众通信网数据和信令都通过网络,而在车路协同上,特别是V2V的场景下,信令可通过网络也可车辆间直通。

五是接入方式。公众通信网基本是点到点的接入,而在车联网V2V的场景,一车到多车,点到多点,甚至多点到点和广播,所以需要更多的频点,这种情况下20兆带宽是不是够可能是一个问题。

六是上下行比例。公众通信网上行少、下行多,大多数是从网上传输视频下来。而在车联网上,是上行多、下行少。如果说我们把车路协同用的5G跟公众通信网的5G放在同一个载频下,变成TDD的上下行配置是交叉的,这样会产生干扰,所以从这点看可能需要单独的载频。

七是被叫方身份。在公众通信网被叫方是已知的,而在车路协同中是未知的,所以需要增加安全认证的要求。

八是运营商间连接。公众网上通信经常要跨运营商,目前全国设置了13个省间直联点,有些地区需要跨省才能直联。如果是车联网,马路上相邻的几个车,分别接移动、联通、电信,如果车与车之间的互联还要绕到省间直联点,会增加时延,所以车路协同的5G网间直联点必须本地化,这会带来成本问题。

九是运营支撑系统。公众互联网运营管理系统可以是全网一个中心或者再有一层省中心,而车路协同情况下,即便到省中心仍然时延太大,运营支撑系统也要下沉到本地。

十是网络安全。公众通信网涉及到终端安全、网络安全、业务安全;车路协同情况下,除了原有的网络安全以外,V2V、V2I增加了很多安全风险,而且这种安全的影响比对公众通信网的消费者的影响还要严峻。

十一是网络责任主体。公众通信网的责任主体是网络运营商,比较明确。在车路协同情况下,涉及到网络运营商、汽车驾驶员、车企、交通部、公安部等很多部门,将来责任认定本身也是个难题。

十二是商业模式。公众通信网的收费模式是对数据而言的,现在基本上是预付费或者按需付费,比如按流量或者包月。但是在车路协同情况下,用什么样的商业模式还值得探索。

另外,车路协同尤其关系车载终端和路侧设备的安全。因为设备很多,存在接入认证的问题,是一辆车、一辆车的认证?还是群体认证?怎么防止认证的信令风暴?这些都是问题。而且车与车之间还要有位置身份隐私的保护,同时路侧设备还要防止被拆掉;传输的设备需要加密,还有采用数字签名、认证等等。一方面我们对安全应该更加重视,但是从另一个角度,安全也是占内存占时间的,安全加进去不能太复杂,否则处理时间太长,所以这也是很大的挑战。

当务之急是要尽快完善5G-V2X标准,然后需要面向车联网做更多的创新和试验。5G虽然比其他无线技术更适合车路协同,但离支撑车路协同应用还有很多不足,不能说现在5G就能满足车路协同的需求,所以还要做很多5G的创新,5G跟车路协同的协同还需要下更大努力。

03 车路协同还应该包括更多的协同

车路协同不仅仅是车和路的系统,还要与5G形成协同。车路协同主要是车和路,现在说中间用5G来传输,车路协同对5G提出了跟公众网应用不同的挑战,比如在频率规划上20兆是不够的,另外交通安全、商业模式等都是特别值得关注的问题。

车路协同还需要与人之间的协同。城市马路上不仅有汽车,还有行人和弱势的交通参与者,而面对中国马路上的复杂状态,我们不能要求所有行人一定带手机,那么车怎么跟人协同?

车路协同还要与IT系统形成协同。智能驾驶的效果需要5G与车联网感知系统及车载电子的无缝融合,目前车载电子以及相应的汽车软件是我国显著的短板。我们很难了解汽车总线里边各种各样的安排,很难导出这些数据和实现对汽车的控制。目前差距很大,而且现在车联网的感知系统成本也比较高。

车路协同要求信息技术之间要协同,信息技术和汽车技术要配合,才能满足安全节能和效率的要求。

车联网的产品跟服务要协同。仅仅开发产品还不能解决商业模式的问题,必须开发车联网的服务。麦肯锡咨询公司之前提到的车联网服务范围很宽、很大,实际现在还没有完全去开发它,所以要加强车路协同的服务、开发、创新商业模式。

车路协同涉及到跨行业的协同,需要互联网企业、通信设备供应商、网络供应商和车企的协同。考虑到车联网可能优先用在矿山、港口、大型施工现场、农场、林场等,所以还需要跨行业的合作。

最后车路协同还需要跨部门的协同。除了技术问题,政府跨部门间的数据共享与管理协同是更大的挑战。

总之,车路协同的创新永远在路上。

* 本文整理自6月28日百人会于线上举办的第六期汽车产业形势与政策高端研讨会——“车路协同在中国如何进一步发展”嘉宾发言速记,关注VX:ChinaEV100-2016,加入百人会研习社了解更多会议内容(速记内容未经本人审核)。