5G車聯(lián)網(wǎng)將是實現(xiàn)自主智慧交通的必要條件之一

5G車聯(lián)網(wǎng)不僅要實現(xiàn)車路協(xié)同，還要實現(xiàn)“人-車-路-網(wǎng)-云”五維高度協(xié)同。在人方面，以MaaS（Mobility as a Service，出行即服務(wù)）為核心，為消費者提供一站式出行服務(wù)，讓消費者成為自由的人；在車方面，未來的車不僅是數(shù)據(jù)發(fā)送和接收方，還是計算節(jié)點，更是數(shù)據(jù)分享節(jié)點，聰明的車將越來越聰明；在路方面，將兼具各類通訊方式（LTE、5G、LTE-V2X、5G NR-V2X等）、具備集成路側(cè)交通信息采集發(fā)布、具備本地邊緣計算能力等，通過一體化路側(cè)智能設(shè)施打造智慧的路；在網(wǎng)方面，5G網(wǎng)絡(luò)的兩大核心能力，也就是移動邊緣計算和網(wǎng)絡(luò)切片將構(gòu)建靈活的網(wǎng)；在云方面，將構(gòu)建一體化開放數(shù)據(jù)公共服務(wù)平臺和云控平臺，同時通過云邊協(xié)同形成強大的云。

5G車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展終極目標(biāo)

5G車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的終極目標(biāo)是賦能實現(xiàn)自動駕駛和自主交通。

在自動駕駛方面，目前主流車企正從L2/L2.5邁向L3，陸續(xù)發(fā)布L3量產(chǎn)車型，并逐步向L4/L5演進(jìn)。自動駕駛初創(chuàng)公司絕大部分直接切入到L4/L5。要實現(xiàn)自動駕駛L4/L5，存在僅僅依靠單車智能無法解決的場景，比如前方大車遮擋住紅綠燈、大車遮擋探頭、前方幾公里外交通事故無法預(yù)知等場景。這些場景，依靠車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的“上帝視角”可以較好解決。

另外，還存在一些場景，僅僅依靠單車智能雖然能夠較好解決，但依然存在長尾效應(yīng)。所謂長尾效應(yīng)，是指99%的力量用于解決1%的問題。比如依靠單車視覺識別交叉路口紅綠燈信息，由于存在樹木遮擋、強光效應(yīng)、極端天氣等因素，無法做到100%準(zhǔn)確。對于這樣存在自動駕駛長尾效應(yīng)的場景，可以利用車聯(lián)網(wǎng)的車路協(xié)同技術(shù)共同解決。

還有一方面，自動駕駛?cè)绻麅H僅依靠單車智能，還需要依托于多傳感器融合，其中包括視覺、雷達(dá)、激光雷達(dá)和高精度地圖與定位等技術(shù)。采用車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將有效降低實現(xiàn)L4/L5自動駕駛的汽車端成本壓力，可以省掉激光雷達(dá)或者大幅度降低激光雷達(dá)規(guī)格，降低高精地圖采集成本。

以上三方面因素，意味著5G車聯(lián)網(wǎng)是實現(xiàn)L4/L5自動駕駛的必要條件之一。這也是為什么網(wǎng)聯(lián)自動駕駛（CAV），即網(wǎng)聯(lián)（CV，Connected Vehicle）+自動駕駛（AV，Autonomous Vehicle），是美國自動駕駛發(fā)展的重點方向之一。當(dāng)然，現(xiàn)階段車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)按照標(biāo)準(zhǔn)定義僅能實現(xiàn)信息告警類業(yè)務(wù)，還不足以達(dá)成此目標(biāo)，需要車聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)持續(xù)演進(jìn)。

再看智慧交通方面，ITS（Intelligent Transport System，智能交通系統(tǒng)）經(jīng)歷了不同的發(fā)展階段。ITS1.0是信息化階段，ITS2.0是網(wǎng)聯(lián)化+協(xié)同化階段，ITS3.0是自主交通階段。智慧交通的本質(zhì)是實現(xiàn)道路交通安全和出行暢通，ITS1.0主要實現(xiàn)交通各個環(huán)節(jié)信息化，ITS2.0主要實現(xiàn)人、車、路、環(huán)境的網(wǎng)聯(lián)和協(xié)同，ITS3.0主要實現(xiàn)人、車、路、環(huán)境等全要素的自主感知、自主決策和自主控制。

智慧交通的持續(xù)演進(jìn)，已經(jīng)不能只依靠解決道路側(cè)的問題，而是需要綜合解決人、車、路、環(huán)境的問題。車聯(lián)網(wǎng)恰好可以助力智慧交通從1.0邁向2.0，并進(jìn)一步演進(jìn)到3.0階段。

“人-車-路-網(wǎng)-云“五維協(xié)同

5G車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展需要依托于“人-車-路-網(wǎng)-云“五維協(xié)同，打造自由的人、聰明的車、智慧的路、靈活的網(wǎng)、強大的云，如圖一所示，

自由的人

圖1   5G車網(wǎng)中的”人“

5G車聯(lián)網(wǎng)的目標(biāo)是解放人的雙手雙腳和大腦，讓人類出行變得自由自在。車聯(lián)網(wǎng)提供的業(yè)務(wù)從信息娛樂服務(wù)類業(yè)務(wù)，向安全出行類業(yè)務(wù)和交通效率類業(yè)務(wù)快速迭代發(fā)展，并逐步向支持實現(xiàn)自動駕駛協(xié)同服務(wù)類業(yè)務(wù)的方向演進(jìn)。

早期車聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)的是Telematics車載信息娛樂服務(wù)。通過2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)連入互聯(lián)網(wǎng)，可以進(jìn)行實時導(dǎo)航、網(wǎng)頁瀏覽、在線音視頻、車輛數(shù)據(jù)監(jiān)控、車載APP應(yīng)用，并且可以通過手機APP對車輛進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作等。車載信息娛樂系統(tǒng)（In-Vehicle Infotainment，簡稱IVI）在5G時代來臨后，產(chǎn)品形態(tài)將發(fā)生變化，比如AR導(dǎo)航產(chǎn)品等，而且能提供的業(yè)務(wù)類型也將更加豐富，比如VR實時通訊業(yè)務(wù)等。

除了面向C端車載信息娛樂服務(wù)外，還有大量面向B端的信息娛樂服務(wù)類業(yè)務(wù)，比如TSP（Telematics Service Provider，汽車遠(yuǎn)程服務(wù)提供商）提供車隊管理、共享出行等業(yè)務(wù)；保險公司提供UBI（User-Behavior Insurance，基于用戶行為的車輛保險）業(yè)務(wù)等。

當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)重點關(guān)注的是安全出行類業(yè)務(wù)和交通效率類業(yè)務(wù)。3GPP已經(jīng)發(fā)布了LTE-V2X的27種（3GPP TR 22.885）應(yīng)用場景標(biāo)準(zhǔn)，主要實現(xiàn)輔助駕駛功能，包括主動安全（例如碰撞預(yù)警、緊急剎車等）、交通效率（例如車速引導(dǎo)）、信息服務(wù)等。

中國汽車標(biāo)準(zhǔn)委員會T/CSAE 53-2017應(yīng)用列表中定義了17種典型車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)，包括12種安全類業(yè)務(wù)，4種效率類業(yè)務(wù)，1種近場支付信息服務(wù)。

5G車聯(lián)網(wǎng)定義實現(xiàn)自動駕駛功能的25種（3GPP TR 22.886）應(yīng)用場景，包括車輛編隊、高級駕駛、遠(yuǎn)程駕駛、擴展傳感器四大類功能，加上基礎(chǔ)功能，共25種應(yīng)用場景（來源《3GPP TR 22.886 V15.1.0 (2017-03)》）。

車輛編隊：實現(xiàn)多車自動編隊行駛，編隊中后車通過車-車實時連接。根據(jù)頭車操作而變化駕駛策略，整個車隊以幾米甚至幾十厘米車距編隊行駛。頭車做出剎車指令后，通過V2V實現(xiàn)前后車之間瞬時反應(yīng)，后車甚至可以在前車開始減速前就自動啟動制動，從而實現(xiàn)后車跟隨式自動駕駛。

高級駕駛：實現(xiàn)半自動或全自動駕駛，每輛車都與周邊車輛和路側(cè)RSU共享自己的駕駛意圖，車輛之間可以實現(xiàn)運動軌跡和操作協(xié)同。比如主車在行駛過程中需要變道，將行駛意圖發(fā)送給相關(guān)車道的其它車輛和路側(cè)RSU，其它車輛進(jìn)行加減速動作或者由路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施根據(jù)主車請求統(tǒng)一協(xié)調(diào)，使得車輛能夠順利完成換道動作。

遠(yuǎn)程駕駛：實現(xiàn)對車輛的遠(yuǎn)程駕駛操作，比如駕駛員無法駕駛車輛，或者車輛處于危險環(huán)境等駕駛條件受限場景，也可用于特定封閉園區(qū)、礦山、港口、公共運輸?shù)刃旭傑壽E相對固定的場景。

擴展傳感器：實現(xiàn)車端和路側(cè)傳感器采集的數(shù)據(jù)或?qū)崟r視頻數(shù)據(jù)在車輛、行人、路側(cè)RSU和云平臺之間的交換，從而擴展車輛傳感器探測范圍，使得車輛對周邊情況，甚至是幾公里以外情況能有更全面的了解。

聰明的車 

聰明的車不僅是車本身聰明，而且車還能和外界實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)交互，即聰明的車=單車智能+智能網(wǎng)聯(lián)。

單車智能主要包括決策層、高精度地圖和定位、傳感器、處理器等核心組件。L4/L5自動駕駛決策層主要依靠AI算法、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)，為車輛提供駕駛行為決策判斷；高精度地圖和定位是實現(xiàn)自動駕駛的關(guān)鍵能力之一，是對自動駕駛傳感器的有效補充；傳感器是自動駕駛的眼睛，主要包括攝像頭、毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)等；處理器是汽車的大腦，車載計算平臺包括芯片、顯卡、硬盤、內(nèi)存等，如圖2所示。

圖2   5G車聯(lián)網(wǎng)中的“車”

智能網(wǎng)聯(lián)主要通過OBU（On Board Unit）實現(xiàn)。OBU是一種安裝在車輛上用于實現(xiàn) V2X 通信的硬件設(shè)備，可實現(xiàn)和其他車輛OBU（PC5）、路側(cè)RSU（PC5）、行人（PC5）和V2X平臺（Uu）之間的通訊。OBU上需要集成通訊網(wǎng)絡(luò)，包括4G/5G Uu通信芯片和模組，LTE-V2X/5G NR-V2X通信芯片和模組。

OBU基本功能包括業(yè)務(wù)功能、管理功能和安全功能，業(yè)務(wù)功能主要包括數(shù)據(jù)收發(fā)、協(xié)議轉(zhuǎn)換、讀取CAN總線數(shù)據(jù)、定位、時鐘同步等。

交互的數(shù)據(jù)主要包括上報類信息BSM（Basic Safety Message，車輛安全消息），發(fā)送頻率10Hz；下發(fā)類信息SPAT（Signal Phase And Timing Message，信號燈消息），發(fā)送頻率2Hz；下發(fā)類信息MAP（Map，地圖消息），發(fā)送頻率2Hz；下發(fā)類消息RSI（Road Side Information，路側(cè)單元消息），發(fā)送頻率1Hz；下發(fā)類消息RSM（Road Side Message，路側(cè)安全消息），發(fā)送頻率1Hz。

目前的LTE-V2X OBU主要做消息展示與提醒，對應(yīng)前裝和后裝有不同的產(chǎn)品形態(tài)。

在前裝方面，除了C-V2X功能集成到T-BOX外，消息顯示與提醒可以放到液晶儀表盤或者中控顯示屏。2019年4月15日，廣汽、上汽、東風(fēng)、長安、一汽、北汽、江淮、長城、東南、眾泰、江鈴集團(tuán)新能源、比亞迪、宇通等13家車企共同宣布支持C-V2X商用路標(biāo)，并規(guī)劃于2020年下半年到2021年上半年實現(xiàn)C-V2X技術(shù)支持汽車的規(guī)模化量產(chǎn)。福特在2019年9月6日新聞宣布計劃于明年上半年推出基于C-V2X的部分預(yù)商用功能，即基于中國道路交通法規(guī)與實際路況，結(jié)合駕駛者意圖、速度、距離等信息對算法模型進(jìn)行優(yōu)化，為車主準(zhǔn)確、適時、智能地推送道路交通信息與最佳駕駛方案，避免不必要的信息干。作為國內(nèi)首家進(jìn)行V2X交通信號燈信息演示的車企奧迪，也在無錫展示了城市交通環(huán)境下的全新自動駕駛功能。

前裝方面還有另外一個趨勢，除了乘用車，C-V2X OBU會在商用車型先行部署，包括出租車、公交車、物流卡車、礦卡、港口車輛等。這些類型的商用車型，相對乘用車型來說具有更為清晰的商業(yè)模式。以物流行業(yè)為例，高昂的人力成本為物流行業(yè)引入自動駕駛和車聯(lián)網(wǎng)提供了最基本的驅(qū)動力。

在后裝方面，在國家第一個車聯(lián)網(wǎng)先導(dǎo)區(qū)無錫，中國移動發(fā)布了YJ801后視鏡V2X試商用版本，能夠?qū)崿F(xiàn)紅綠燈信號推送、導(dǎo)航、定位等功能；在美國懷俄明州交通局（WYDOT）DSRC項目中使用Onboard HMI設(shè)備，可以看到嚴(yán)重告警信息（例如極端大霧天氣、道路施工等）、普通告警信息（例如雨雪天氣等）、限速信息、前向碰撞預(yù)警、車輛速度信息等；在美國佛羅里達(dá)州Tampa，由坦帕-希爾斯堡高速公路管理局（THEA）牽頭的DSRC項目中部署智能后視鏡HMI設(shè)備，可顯示前車緊急剎車信息、限速信息、車輛速度信息等。

智慧的路 

車聯(lián)網(wǎng)路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施主要包括：①通信基礎(chǔ)設(shè)施，4G/5G蜂窩基站；②C-V2X專用通信基礎(chǔ)設(shè)施，RSU（Road Side Unit）；③路側(cè)智能設(shè)施，包括交通信號燈、標(biāo)志、標(biāo)線、護(hù)欄等交通控制設(shè)施智能化，以及在路側(cè)部署攝像頭、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)和各類環(huán)境感知設(shè)備；④MEC設(shè)備，如圖3所示。

一體化路側(cè)智能設(shè)施由上述4類設(shè)備綜合構(gòu)成，除了第①類明確由運營商投資建設(shè)外，②、③、④類涉及的投資規(guī)模巨大，投資建設(shè)主體碎片化。截至2018年，中國高速公路里程為14.26萬公里，國道里程為36.30萬公里，省道里程為37.22萬公里，農(nóng)村公路里程403.97萬公里，城市道路超過40萬公里，有50多萬個城市路口。以每公里智能化改造費用100萬元保守測算，僅高速公路智能化改造投入即高達(dá)1400多億元。如果需要覆蓋全國的高速公路和城市道路，基礎(chǔ)建設(shè)投資預(yù)計在3000億元以上。

圖3   5G車聯(lián)網(wǎng)中的“路”

C-V2X RSU是部署在路側(cè)的通信網(wǎng)關(guān)。RSU基本功能包括業(yè)務(wù)功能、管理功能和安全功能。業(yè)務(wù)功能主要包括數(shù)據(jù)收發(fā)、協(xié)議轉(zhuǎn)換、定位、時鐘同步等。

RSU具有不同的產(chǎn)品形態(tài)?；A(chǔ)版本支持LTE-V2X PC5通信能力，匯集路側(cè)智能設(shè)施和道路交通參與者的信息，上傳至云平臺，并將V2X消息廣播給道路交通參與者。RSU還有LTE Uu + LTE-V2X PC5雙模版本。5G時代到來后，RSU產(chǎn)品形態(tài)將更加多樣化。

除此之外，交通部主推的ETC路側(cè)設(shè)備，公安部主推的汽車電子標(biāo)識路側(cè)設(shè)備，甚至是交通信號燈都存在和V2X合一的產(chǎn)品形態(tài)。

RSU產(chǎn)品形態(tài)除了豐富通信能力外，還有一種可能，向智能化RSU演進(jìn)，即RSU上集成智能化邊緣計算能力。

從部署的節(jié)奏看，預(yù)測未來2到3年將以LTE-V2X PC5 RSU + 5G Uu蜂窩基站這樣的網(wǎng)絡(luò)部署為主，即點對點（V2I）通過LTE-V2X專網(wǎng)支撐，蜂窩（V2N）通過5G網(wǎng)絡(luò)或者已有的4G網(wǎng)絡(luò)支撐。

路側(cè)智能設(shè)施包括智能化交通控制設(shè)施（交通信號燈、標(biāo)志、標(biāo)線、護(hù)欄等）和攝像頭、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、各類環(huán)境感知設(shè)備等。

采用單一傳感器存在諸多挑戰(zhàn)，比如攝像頭沒有深度信息、受外界條件影響大；毫米波雷達(dá)沒有高度信息、行人探測效果弱（多適用于高速公路）；激光雷達(dá)距離有限（16線約100米，32線約200米）、角分辨率不足（識別小動物能力遠(yuǎn)弱于視覺方式）、環(huán)境敏感度高（受大雪、大雨、灰塵影響）等。

因此路側(cè)可以考慮采取多傳感器融合方式，比如大于200米采用毫米波雷達(dá)，200米以內(nèi)采用激光雷達(dá)+毫米波雷達(dá)，80米以內(nèi)采用攝像頭+激光雷達(dá)+毫米波雷達(dá)。

毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)實時采集環(huán)境信息，分析路面所有大機動車、小機動車、非機動車、行人等的位置、速度、角度和距離，判斷障礙物的危險系數(shù)，有效提前預(yù)警。雷達(dá)和攝像頭安裝得越近越好，有利于激光雷達(dá)三維坐標(biāo)標(biāo)定到圖像上，這樣攝像頭可以為雷達(dá)檢測到的障礙物提供融合識別數(shù)據(jù)，并能提供障礙物真實的圖像信息，如圖4所示。

圖4   5G車聯(lián)網(wǎng)中的路側(cè)智能設(shè)施

靈活的網(wǎng) 

5G網(wǎng)絡(luò)兩大核心技術(shù)移動邊緣計算和網(wǎng)絡(luò)切片將與車聯(lián)網(wǎng)深度融合，為C-V2X提供靈活性高、頑健性強的網(wǎng)絡(luò)能力。

5G車聯(lián)網(wǎng)的MEC需要具備多設(shè)備連接能力，接入RSU、OBU、智能化交通控制設(shè)施（交通信號燈、標(biāo)志、標(biāo)線、護(hù)欄等）、攝像頭、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、各類環(huán)境感知設(shè)備的信息，同時向上連接云平臺；MEC需要具備多傳感器融合處理能力，比如攝像頭+激光雷達(dá)+毫米波雷達(dá)融合分析算法；MEC還需要具備ITS相關(guān)協(xié)議處理能力，比如針對交叉路口防碰撞預(yù)警業(yè)務(wù)，在車輛經(jīng)過交叉路口時，MEC通過對車輛位置、速度及軌跡分析研判，分析出可能存在的碰撞風(fēng)險，通過RSU傳輸?shù)杰囕vOBU，起到預(yù)警目的，如圖5所示。

圖5    5G車聯(lián)網(wǎng)中的“網(wǎng)”

網(wǎng)絡(luò)切片是SDN/NFV技術(shù)應(yīng)用于5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵服務(wù)，一個網(wǎng)絡(luò)切片將構(gòu)成一個端到端的邏輯網(wǎng)絡(luò)，涵蓋所有網(wǎng)段，包括無線網(wǎng)絡(luò)、有線網(wǎng)絡(luò)、傳輸網(wǎng)、核心網(wǎng)、業(yè)務(wù)應(yīng)用，按切片需求方的需求靈活地提供一種或多種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

5G網(wǎng)絡(luò)可以為車聯(lián)網(wǎng)提供eMBB、mMTC、uRLLC不同類型的網(wǎng)絡(luò)切片。eMBB切片可以承載車載VR實時通訊、全景合成等業(yè)務(wù)；mMTC切片可以承載汽車分時租賃等業(yè)務(wù)；uRLLC切片可以承載AR導(dǎo)航等業(yè)務(wù)。

網(wǎng)絡(luò)切片在5G SA網(wǎng)絡(luò)中由運營商投資建設(shè)。未來需要在LTE-V2X PC5 + 5G NR-V2X PC5專網(wǎng)部署和5G網(wǎng)絡(luò)切片上承載兩種方案中做出選擇。

強大的云

強大的云將構(gòu)建一體化開放數(shù)據(jù)公共服務(wù)平臺和云控平臺，可為車載終端、一體化路側(cè)智能設(shè)施、第三方車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺提供高并發(fā)接入、實時計算、應(yīng)用托管、數(shù)據(jù)開放、決策控制等能力。

海量微觀數(shù)據(jù)和宏觀數(shù)據(jù)處理。比如微觀的個人駕駛行為數(shù)據(jù)和宏觀的交通數(shù)據(jù)等將接入云平臺。車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)經(jīng)過清洗、脫敏、建模、分析以及可視化后，一方面可用于提供一體化開放數(shù)據(jù)公共服務(wù)，衍生出大量面向主機廠、Tier 1、運營商、行業(yè)客戶、政府管理者、普通消費者的增值服務(wù)；另外一方面可用于提供云控服務(wù)，實現(xiàn)智能決策和實時調(diào)控，如圖6所示。

圖6   5G車聯(lián)網(wǎng)中的“云”

“人-車-路-網(wǎng)-云”五維協(xié)同發(fā)展，將賦能5G車聯(lián)網(wǎng)探索個人服務(wù)、行業(yè)服務(wù)和公共管理服務(wù)。