5G与自动驾驶：浮华的承诺与复杂的现实

李鑫战略前沿技术

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来源：资本实验室

作者：李鑫

自动驾驶是未来5G最引入瞩目的应用场景之一，可以说承载了无数人的期待和向往。但是，现实情况要复杂得多。

5G新版本-16版本将于明年发布，该版本将可能使得自动驾驶汽车以瞬间驾驶决策的速度获得基于云的智能。与此同时，增强移动宽带（eMBB）将允许自动驾驶汽车在行进中下载软件更新；通过不断共享实时位置和车辆与外界信息连接（V2X,vehicle to everything），自动驾驶汽车可以彼此相安无事地在道路上来往穿梭。

但是，即使这些应用成为现实，没有大量的后端工作也不会实现。首先，在自动驾驶汽车之间建立有用的5G连接将取决于网联汽车（connected cars）的大规模采用，以实现网络效应。

更令人望而生畏的是，在构建5G网络时，自动驾驶汽车需要的低延迟、高吞吐量和高度的可靠性将需要多个层面的改变。

为此，5G和自动驾驶之间的关系将不再像是一场婚礼，而更像是一次家庭长途旅行。在新兴的技术和部署的困难之间，5G在汽车自动化领域的大规模应用可能在未来5年或更长时间内不会实现。

1.可能的冲突

对于全自动驾驶的基本要求，或者它将如何使用蜂窝网络，目前业界还没有达成共识。例如，特斯拉和Waymo主要依靠强大的车载硬件和软件；福特和大众等老牌汽车制造商则正在探索车内计算和联网功能的混合，包括基于网络的服务和V2X——一套直接无线连接到附近车辆和道路基础设施的应用程序。

福特汽车公司联网汽车平台与产品经理Jovan Zagajac表示，即使是最好的网络，也不足以满足自身需求：自动驾驶汽车需要在5G覆盖率不稳定的地方同样能够正常驾驶，因此它们也将具备足够的车载能力，能够使用传感器和V2X，以实现安全运行。他还表示，在可行的情况下，蜂窝网络可以在软件更新和远程操作等应用中发挥重要作用。

诺基亚移动网络汽车业务主管Martin Beltrop表示，“通过将实时数据等基于网络的服务用于决策，汽车制造商将能够减少为做出驾驶决策而在汽车中内置的计算能力和软件智能。……我们将从云端收集的信息中获益，以简化决策。”。但他补充说，“最终的驾驶决策还是在车里。”

随着时间的推移，5G网络可以承载一系列支持大规模自动驾驶的服务，推动这些服务实现的关键特性可能包括网络切片、边缘计算甚至新的业务关系。

2.从4G起步

瑞典移动运营商Telia正在试验一项支持无人驾驶卡车在仓库之间运输货物的服务，爱立信公司为其提供网络基础设施。

这些无人驾驶卡车由瑞典初创企业Einride开发，作为自动化物流系统的一部分，在预先定义的路线上运行。爱立信副总裁兼全球汽车服务主管Claes Herlitz表示，这些卡车可以通过车载传感器的输入自行完成大部分行程，但在一些情况下也无法导航。当这种情况发生时，远程操作中心的人类司机将进行接管，而在许多地区，远程人工驾驶或远程操作将是自动驾驶的一项强制性功能。

在上述案例中，远程操作既需要较高的上行带宽来传输来自卡车的实时视频，也需要较低的延迟，以确保驾驶命令及时到达。目前，该项服务是在一个先进的4G无线网络上运行的，而该网络具有5G核心。据Herlitz介绍，该网络的端到端延迟约为15毫秒，并且能很好地支持该服务。

爱立信公司表示，由于新的频谱频段、波束形成、MIMO技术和改进的用户设备能力，5G无线网络将允许这类服务扩展到更多的车辆，从而提供更高的容量。

3.集中控制

想象在一个主要城市的交叉路口，在给定的时间里有多达1000辆汽车、自行车、摩托车、行人和其他物体在此交汇，在十字路口执行监控的是20个摄像头。

自动交通管理系统将收集这些物体传输的数据，并将所有相关信息发送给自动驾驶汽车，每辆汽车将这些输入与其自身的传感器相结合，以决定是停车、继续行驶还是转弯。由于交通状况不断变化，需要近实时地接收、处理和发送数据。

诺基亚的Beltrop与其他汽车和移动行业高管表示，如果没有5G网络，这样的系统就无法工作。

一些人认为，5G使自动驾驶汽车更接近网络机器人控制。道路运营商与移动运营商合作，则可以建立起有效自动化的交通管理系统。

在这一系统下，联网车辆将把它们的位置、速度和方向传达给管理软件，并创建出一个整体交通状况的模型（道路和附近汽车上的传感器将监测未联网的人类驾驶车辆）。该系统将与每个连接的自动驾驶汽车创建一个虚拟合约，在合约中，车辆将承诺采取停车、加速或转弯等行动。根据这些承诺，另一辆进入道路的自动驾驶汽车可以安全地融入交通流。

4.延迟突破

低延迟是5G赋能自动驾驶最大的吸引力。虽然在相关方面还没有普遍的共识，但经常被引用的目标是端到端的延迟不超过10毫秒。诺基亚的Beltrop表示，这需要视自动驾驶车辆的车载电脑在多大程度上依赖于基于网络的决策服务，这一要求可能低至2毫秒。

这比4G的主要低延迟应用之一VoLTE的要求要严格得多。AT&T物联网副总裁兼首席技术官Cameron Coursey表示，VoLTE可以处理约100毫秒的往返延迟。这就是5G将发挥新的重要作用的原因，因为新规范旨在提供更低的延迟，从运行延迟低至1毫秒开始，而4G的平均延迟为数十毫秒。

低延迟5G的另一个重要部分是其灵活的网络架构，这将允许运营商将计算资源部署到网络的边缘，以避免长途访问遥远的云数据中心。

5.大数据传输

所有自动驾驶车辆都运行着复杂的软件，特别是需要大量更新的深度神经网络（deep neural networks,DNNs）。这些汽车还不断收集大量的车载传感器数据，以及有关驾驶决策结果的信息，汽车制造商和供应商可以收集这些信息来改进自动驾驶软件。这些频繁的下载和上传将受益于5G网络的千兆速度无线连接。

软件更新可能很频繁，集中化的系统可能会快速收集和分析驾驶数据，但这些不太可能实时发生。因此，运营商不一定需要为运行中的自动驾驶车辆提供这种宽带。当车辆静止且处于高速连接范围（例如充电站）时，尤其是在具有密集高频5G覆盖的区域，可以激活大数据传输。

另一个自动化概念要求自动驾驶车辆共享实时传感器数据，以便汽车可以“看穿”前面的车辆，特别是挡住前方交通视线的大卡车。由于它涉及实时流媒体视频，因此在边缘计算的帮助下，这可能需要高速宽带和低延迟。因此，该应用可能会通过广域网而不是直接的V2X连接，因此路边网络（roadside networks）需要变得更快、更强大。

6.确保网络联通

可靠性是自动驾驶应用的一个主要关注点，因为信号丢失或驾驶辅助应用失控都可能会影响驾驶安全。帮助确保性能和可用性的一个重要5G改进是网络切片，它将允许移动运营商通过向应用程序分配虚拟化网络资源来为其设置特定的服务质量（QOS）。由于该安全要求，自动驾驶应用程序可以被分配比其他网络应用程序更高的优先级。

5GAA的Flament说，在未来5年内，自主驾驶服务如果需要5G网络上有保障的QOS，它们可能会使用通用网络切片，就像运行在共享边缘服务器上的其他应用程序所使用的网络切片一样。这种边缘计算基础设施，连同网络切片，将首先部署在密集的城市地区。稍后，当5G进入这些地区以外的高速公路时，如果道路运营商要求，运营商可以为自动驾驶车辆创建专门的网络切片。

7.可靠性挑战

Tolaga Research的分析师Philip Marshall认为，网络切片是一个开始，但要使5G网络足够可靠，以支持自动驾驶将是一项艰巨的任务。实现较低的平均延迟不足以支持像驾驶这样的任务关键型应用程序。我们需要的是持续的低延迟。他说，这将需要比一些人预期的更高的网络密度。

他还说，大规模实施网络切片可能需要几年时间。为了在不为优先应用程序构建单独基础设施的情况下取得成果，需要对网络核心和RAN进行虚拟化。他说，要在开放的道路上使用网络切片技术实现自动驾驶应用，运营商首先必须在广阔的区域内转换为云计算RAN架构，而现在这样做还为时过早。Marshall还认为：“网络切片将与没有广域要求的应用程序一起孵化。……尝试在广域5G网络环境中实现网络切片是疯狂的。”

8.谁该为网络失败负责

爱立信的Herlitz说，当5G网络开始支持自动驾驶时，网络正常运行时间将成为一个更大的问题，特别是对物流和废物管理公司等企业客户来说。

这些客户将需要服务水平协议（SLA）比现在提供的任何东西更好，特别是关于停机问题。在这种情况下，移动运营商将需要融入客户的业务中，由技术人员在现场立即解决影响网络可用性的问题。他说，当客户的核心业务依赖于机器人卡车时，48小时不提供服务的成本将高得惊人。

目前，汽车供应商大陆集团展示了一种帮助车辆预防上述问题的系统。该公司称，预测性连接“利用网络性能的历史信息和车辆路线的预测来判断车辆可能在哪些地方超出覆盖范围。然后，汽车可以切换到不同的网络，优先使用正在使用的应用程序，甚至可以切换到故障转移模式，在这种模式下，它依赖于内置的传感器和计算能力。”

至于移动运营商、汽车制造商、应用程序提供商或其他实体是否会对依赖网络的自动驾驶应用程序失败负责，Herlitz和其他人表示，现在还为时过早。即使没有网络因素，涉及自动驾驶的交通事故责任已经是一个远未解决的热门话题。

9.设置时间表

将5G和自动驾驶汽车结合起来，将涉及网络和汽车领域多方力量的多项艰巨的技术任务。Flament表示，5GAA正在与网络供应商和汽车制造商合作，以集中他们的时间计划，这样无论是汽车还是网络都不会被困在等待之中。

Flament认为，虽然首批5G调制解调器应该在2022年开始出现在新车上，但支持URLLC和新的高频无线电的调制解调器可能要到2025年才会出现。同时，在2025年左右，5G基础设施才能与这些调制解调器进行通信，以实现自动驾驶。他还说，新一代的车间通讯（V2V）可以让车辆共享更多的数据，更加可靠，更好地支持自动驾驶，可能会在同一时间到来。

随着5G将移动网络的角色从主要的消费者语音和数据服务扩展到新兴的关键任务（如自动驾驶），网络需求不断增长，基础设施变得更加复杂。虽然5G和自动驾驶的路线图仍在制定中，但5G显然有可能推动汽车自动化的发展。

10.面向未来的C-V2X

5G在车辆自动化方面的一些应用可能会对运营商的网络提出新的要求，而其他功能则将使用车辆、道路基础设施和行人设备之间的直接连接。

高通、宝马、福特等公司正致力于将蜂窝汽车通信（C-V2X）扩展到5G之上。这项技术目前正在4G无线网络上测试，是基于IEEE802.11p无线局域网标准的V2X系统的蜂窝替代品，包括直接短程通信（DSRC）。

两个系统都允许网联汽车和其他道路使用者进行通信，即使在蜂窝网络覆盖薄弱或不存在的情况下。它们有多种操作模式，旨在使联网的人类人驾驶汽车，以及后来的自动驾驶汽车更安全地协同工作。

例如，自动驾驶汽车可以互相警告前方的障碍物，如建筑区或停滞不前的汽车。交通信号灯可以将其状态告知自动驾驶汽车，并对其变化进行计时，以改善交通模式。急救车可能会迫使自动驾驶汽车在经过时靠边停车。行人口袋里的V2X智能手机可以在行人过街时通知汽车。路边信标可以向过往的汽车发送交通、天气信息，以及实时高清地图。

支持者说C-V2X比802.11p具有更长的范围和更高的可靠性，加上5G的演进，它还可以搭载用于娱乐、信息和诊断的车载调制解调器。

高通公司称，针对3GPP 5G标准第16版的增强将允许C-V2X的延迟小于1毫秒。但美国和欧盟仍在权衡授权或认可哪种技术。

据5GAA称，C-V2X可以在不受拥塞的情况下实现持续的低延迟。高通公司表示，该系统可以根据具体实施提供4毫秒或更低的延迟。为了满足延迟要求，该系统可以使用确定性的资源调度，在多辆车共享的频谱范围内优化分配资源。

虽然C-V2X有一种模式，可以通过蜂窝网络上的基站管理车辆之间的直接链路，但它也允许车载无线电自行管理。无需通过运营商的网络向云端发送数据包，低延迟更容易实现。

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