5G通信网络及其在智能汽车中的应用：5G与V2X的原理和过程演进
汽车行业正在向联网和自动驾驶汽车发展，这些汽车可以提供许多好处，例如提高安全性、减少交通拥堵、减少环境影响和降低资本支出。这种演变的一个关键推动因素是车联网 (V2X) 通信，它允许车辆与其他车辆、行人、路边设备和互联网进行通信。借助 V2X，可以在车辆之间交换关键信息，以提高态势感知能力，从而避免事故。此外，V2X 还提供对云中可用的大量信息的可靠访问。
V2X 通信已由 3GPP 基于 LTE 第 14 版进行标准化。该技术将支持 V2X基本安全用例的通信。在当前和未来的版本中，3GPP 正致力于指定 5G 技术，以及基于 5G 的 V2X。需要注意的是，5G 无线接入增强功能将支持数据交换的高级用例，但不会复制基于 4G 的 V2X 功能。通过这种方式，5G V2X 服务是对 LTE V2X 基础功能的补充。事实上，5G 将面向未来并向后兼容 LTE V2X。
例如，可以提供实时交通、传感器和高清地图数据，这不仅对当今的驾驶员有用，而且对于未来的自动驾驶汽车导航也至关重要。又如，基于 5G 的 V2X 有望实现非常高的吞吐量、高可靠性、低延迟和准确的位置确定用例。一些用例将涉及 5G 与其他技术（包括摄像头、雷达和激光雷达）协同工作。面向 5G 的蜂窝 V2X 通信描述了这些用例，从 3GPP 中确定的高级驾驶类别开始，包括测距/定位、扩展传感器、远控驾驶、编队行驶、自动驾驶。
V2X的过程演进
汽车行业正处于向生产更了解周围环境的车辆的过渡之中。多年来，我们一直有一个目标，即车辆不仅应该能够与其他车辆 (V2V) 进行通信，而且还应该能够与附近的基础设施 (V2I)、基于互联网的网络 (V2N) 甚至行人 (V2P) 进行通信。这些用例统称为车联网 (V2X) 连接。现在，随着电子、传感技术和机器学习和计算机视觉等计算技术的进步，这种用例开始成为现实。今天的新车能够通过警告驾驶员与迎面而来的潜在碰撞来发挥更积极的作用车辆，协助紧急制动和监控十字路口，仅举几个例子。这代表了从依赖安全带和安全气囊等被动安全功能向前迈出的一大步。
在汽车行业，这一趋势被视为向自动化和最终完全自动驾驶汽车发展的开端。在自动驾驶汽车场景中，车载计算机将完全能够自行执行所有驾驶操作，无需人工监控。这还有几年的时间，但今天我们与特斯拉等提供部分自动化的公司和谷歌的自动驾驶汽车测试条件自动化越来越接近。
然而，DSRC 有几个弱点。无线电标准没有明显的持续演进路径来满足不断变化的技术和消费者需求。此外，由于它是为快速传输短距离基本安全消息而设计的，因此无法满足 V2N 应用的更高带宽需求比如自动驾驶、多媒体服务。 DSRC 也没有必要的带宽来传输原始车辆传感器数据，这些数据将在自动驾驶汽车中变得越来越普遍。 DSRC 的范围也有限：约 300 m。DSRC 将需要部署数万个嵌入或连接到道路基础设施的路边单元 (RSU)，以在全国道路沿线建立有效的网络。考虑到所涉及的距离很远，这在更多的农村地区是一个特别的挑战。虽然 V2V 通信不需要 RSU 来执行崩溃警告功能，但 RSU 需要用于辅助功能，例如证书撤销列表 (CRL) 分发、证书充值以及支持其他更远距离的 V2X 用例。
LTE 和 5G 可用于这些 RSU 功能，从而消除公路当局安装和维护 RSU 的需要。这凸显了 DSRC 的另一个关键劣势：当所有新车都已配备嵌入式蜂窝无线电时，需要另一组无线电。通过在短程和长程使用案例中使用蜂窝技术，OEM 可以降低车辆材料清单 (BOM) 成本，同时满足甚至超过安全要求。
下表对DSRC、Release 14 C-V2X 和 5G C-V2X 进行了较高级别的比较。
LTE Release 14 C-V2X 可以被视为 5G 开发时间线上的必要路径点，因为它支持安全关键用例。随着 5G 技术的演进，基于 5G 的 C-V2X 将能够增强的移动宽带、超可靠的低延迟通信和大规模机器对机器通信的优势，所有这些都将支持更高级的用例。为了向后兼容，支持 5G V2X 的车辆不仅支持这些高级服务，还支持基于 LTE 的 V2X 设计的基本安全性。与技术趋势一样，标准和行业之间存在复杂的相互作用，一个影响另一个，反之亦然。这对于 V2X 技术来说也不例外。
5G通信层标准及应用层标准演进
在标准方面，为了支持 V2X 通信，主要有两种技术：802.11p 和蜂窝（LTE 和即将推出的 5G）。还有第三种选择——低功耗广域网 (LPWAN)——用于 V2I 特殊用例，例如智慧城市停车。下表总结了要考虑的关键标准：
有关 IEEE 802.11p（现称为 IEEE 802.11-2012 参考 V2X Cellular Solutions.9）的更多详细信息。对于 V2N 而言，5G 是支持异构接入共同核心 (5GC) 的融合网络，预计这些不同的技术将与网关共存以在不同元素之间进行交互。通常，使用 802.11p 的车辆可以将数据发送到网关，然后网关将连接到 4G，然后连接到 5GC，或直接连接到 5GC。
许多其他标准支持 V2X 通信网络，例如网络功能虚拟化 (NFV) 和多接入边缘计算 (MEC)，均由 ETSI 开发并被采用通过 3GPP。顾名思义，MEC 使服务更靠近网络边缘：因此，靠近设备的连接点，这正是它与 V2X 相关的原因。该技术的特点是接近无线设备、超低延迟和高带宽支持、位置感知以及对网络和上下文信息的实时访问。
多年来，在交通利益相关者的大力投入下，美国的 SAE DSRC 技术委员会和欧洲的 ETSI ITS 技术委员会开发了一套应用程序和特定的 V2X 消息。需要注意的是，这些标准假定接入层为 DSRC/ITS-G5。如果需要，可以很自然地期望这些标准可以在蜂窝 V2X 上运行，包括 LTE 和 5G 接入层。为此，SAE Cellular-V2X 技术委员会正在制定新的应用层标准 SAE J316110。
预计这种适应和采用周期将扩大设想的联网汽车服务的范围也是合理的。蜂窝 V2X 不仅限于短距离、即席消息广播和接收，而是包括各种高带宽应用。因此，启用的消息和服务类型甚至可能超越 SAE 和 ETSI 中可用的那些组合。
事实上，5G 融合网络以及 V2N 与 V2I 和 V2V 相结合的存在使得更多的参与者、概念和频谱能够包括现有蜂窝系统 (V2N) 与 LTE V2X 直接消息 (V2V、V2I) 的潜在使用或短程上行链路和下行链路 (V2I)。
汽车行业采用了由 SAE 开发的自动驾驶通用框架。下表总结了 SAE 国际标准 J3016 的 11 六个级别的驾驶自动化，以及从人类驾驶员到自动驾驶的执行、监控和回退性能的逐步切换驱动系统。这些自动化水平没有直接映射到通信链路的无线电/传输层的关键性能指标。其中一些自动化水平可能无需 V2V 通信即可实现，而有些则需要 V2V 通信，并且可能需要 5G 传输可以满足的更严格的要求。
随着 5G 成为一种技术，它可以扩展用例范围，一种技术适用于所有情况，预计 V2X 将更广泛地采用 5G 蜂窝，尤其是 V2I 和 V2N。围绕 5G 正在进行许多试验，V2X 是首选用例之一。话虽如此，国际电联和各国需要分配 5G 频谱，运营商需要部署 5G，车载单元 (OBU) 制造商需要在可用时升级其现有产品以支持 5G 新无线电 (NR)，如果希望的话充分利用 5G 的端到端能力。
基于 5G 的 V2X 将从下几方面对智能驾驶产生深远影响。
1、提高运输安全
比如由 V2V 和 V2I 启用的安全应用程序可以消除或减轻高达 80% 的非受损碰撞的严重性，包括交叉路口或变道时的碰撞。
2、可以提升交通效率
跨车辆、基础设施和智能应用程序通过 V2X 技术进行通信、分析和反应的能力使城市能够提供各种智能交通解决方案。包括交通流量优化、减少拥堵、危险保护和减少交通规则违规。
3、基础设施节省
除了提高车辆安全性和交通效率外，基于 5G 的 V2X 技术还将显着节省资本和运营支出。城市交通系统可以收集实时数据，分析交通模式并应用确定性交通拥堵算法来改善道路
管理和改进基础设施规划。从系统各个节点收集的道路天气信息将由交通管理中心收集和分析，以便提前预警和更有效地部署交通部 (DoT) 的道路工作人员。这些好处预计将随着采用V2X蜂窝通信。V2X 技术通过例如减少增加污染的交通拥堵来使环境受益。车辆和基础设施之间的协调也将减少不必要的交叉路口制动和停车，进一步减少燃料消耗和排放。这对于碳中和也是不可或缺的福音。
基于5G的V2x通信模式
5G 将支持广泛的 V2X 和非 V2X 用例，包括增强型移动宽带 (eMBB)、大规模物联网 (mIoT) 和关键任务服务。这些用例具有不同的要求，包括 eMBB 的高数据速率、mIoT 的低功耗和高可扩展性，以及任务关键型服务的超低延迟和高可靠性通信 (URLLC)。
同时，不断增长的移动数据流量意味着 5G 必须支持更多的频段和类型，从 sub-6GHz 到毫米波，以及许可、共享和非许可分配。为了在一个平台下满足这些多样化甚至有时是严格的要求，5G 空中接口必须具备强大的能力，能够灵活地适应目标用例和频谱。 5G 系统是在 3GPP Release 15 中引入的。5G 无线电接口被称为 5G 新无线电 (NR)。这种新的无线电接口将支持一系列高级功能，例如可扩展的正交频分复用 (OFDM) 参数、灵活的自包含时分双工 (TDD) 子帧、大规模多输入多输出 (MIMO)、多样化频谱频段和带宽、V2X 等。这些特性共同提供了具有更低延迟、更高可靠性和更高频谱效率的无线电接口和更大的数据吞吐量。
5G 系统也正在向端到端基础设施发展，该基础设施能够在各种用例的异构环境中提供一致的用户体验质量，使用包括 5G 无线电以及 3G-4G、Wi- Fi、LPWAN 和固定网络。引入了许多技术，例如 NFV/软件定义网络 (SDN)、控制-用户平面分离 (CUPS)、MEC、网络切片、自动化以及开发和运营 (DevOps)。这些允许更大的灵活性并从当前的单一核心网络转移到为不同类型的服务动态分配的虚拟资源共享池。
由 ETSI NFV 定义的 NFV 已开始在当前网络中实施。 3GPP 采用 NFV 来支持 5G，允许跨计算、内存/存储和网络资源的资源共享和动态可扩展性。 SDN 也是 3GPP 最新规范的一部分，支持 CUPS 并允许以编程方式访问以控制数据流，提供集中式控制平面，降低网络结构的成本并为每个数据包级别带来粒度。
5G 网络也将使用 MEC。正如 ETSI MEC 所定义的，引入了一些新的概念和技术。第一个是网络边缘的云托管环境，可以将虚拟化网络功能和第三方应用程序部署到更靠近用户和设备的位置。其次是一组应用程序接口 (API)，主要是暴露给第三方应用程序的无线电和位置 API。
总结
车联网和自动驾驶汽车的技术正在迅速改进。对日常生活的好处是显而易见且广泛的，包括提高安全性、减少交通拥堵、减少对环境的影响以及为驾驶员和乘客提供更多的生物舒适度。 V2X 技术是这一演变的关键推动力。通过第三代合作伙伴计划 (3GPP) 的“新无线电 (NR)”接入，V2X 向 5G 的演进清晰可见的技术。这些服务将释放联网和自动驾驶汽车的真正潜力和协同作用，因为 5G 将提供前所未有的服务质量，包括低延迟、增强的宽带接入和无处不在的连接。
出品：焉知汽车