为什么5G对自动驾驶和安全至关重要

今天，由无线网络传输的数据量正在不断扩大，主要是因为机器对机器的通信（M2M 通信）的不断增加。尤其是在汽车领域，全自动驾驶是推动这一发展趋势的主要因素。对于当前已实现高度网络化的汽车行业，每小时传输的数据量还处于千兆字节（GB）范围，而到了2025 年，每小时可传输的数据量就将达到多个兆兆字节（TB）。

5G 网络在处理大量数据方面将起到至关重要的作用，相比于 3G 和 4G 或LTE无线网络，5G 网络更能够满足 M2M 通信的特点和性能要求。5G网络的数据传输速率更高，可达到 20 GB /s，远远高于目前的 1 GB/s。此外，5G 网络的延迟时间（提交查询和获得响应之间的时间差）也从10 毫秒减少到只有1毫秒，这也就意味着实现了几乎实时的数据传输。这一点对于机器人远程控制或自动驾驶功能等许多技术应用都具有决定意义，因为只有强大的实时网络系统才能够实现这些新功能。

但是，传统的网络拓扑结构通常都以中央计算机中心为基础，因此 5G 网络在理论上节省的时间远不足以抵消各基站之间因较远的数据传输路程而造成的延迟。因此，为了实现最短的延迟，5G 网络采用分散式解决方案，即每个基站均配备一台独立的计算机，用于接收数据、处理数据以及自主发送数据。这就形成了多个单独的微云计算，即所谓的“Cloudlet”，这种方法也被称为移动边缘计算（Mobile Edge Computing），即云端和计算机都位于移动网络的边缘。此外，5G 网络中的机器在需要时可以直接相互建立通信，而不再需要通过基站进行中转，从而进一步缩短了数据传输时间。

5G 网络还具有另一个优点：与 4G 相比，5G网络在每个无线小区内可以覆盖更多的终端设备。5G 网络可为用户应用程序设置优先级并相应地调整数据传输速度，在必要时也能够调整传输负载。对响应时间要求更高的应用程序将比其他数据得到更快的传输，例如私人用户的视频流。

原则上，自动驾驶功能的设计出于安全原因必须确保在行驶过程中发生的所有可能的事件只能由车辆自身的辅助系统进行处理和掌控，无论高速公路、州县公路还是市内道路均应如此。在极端情况下，例如能见度较差或交通状况较复杂时，车辆可以与基础设施或其他车辆交换数据（即所谓的C2X 通信），由此显著提高车载辅助系统的性能。

保时捷工程公司旗下“Connected Car”部门负责人 Jaime Arveras 表示，“汽车传感器技术目前只能覆盖车辆周围最远 300 米的范围。借助其他车辆和基础设施的传感器数据，信息可以覆盖整条道路。由此，车辆的行驶机动性能够更好地根据需求进行调整，也能够及早识别危险情况。”这种方式为驾驶辅助系统开辟了新前景，例如在 C2X 通信的帮助下，转向辅助系统在车辆转向之前就能识别出转向之后的路面上是否有行人，或者该道路是否因事故而被封路。

在停车场等封闭的空间里，C2X 通信可以实现所谓的“自动代客泊车”。车主在停车场入口处下车，将车辆交给中央停车场管理系统，系统将车辆全自动行驶至停车位，并在车主返回取车时再将其行驶回来。C2X 通信的另一个应用实例目前正处于测试阶段，即协调多辆汽车以极小的间距前后行驶。这种“列队行驶”（Platooning）可以更好地利用前车的背风面，这一点在多辆商用车辆在高速公路上列队行驶时尤其能够降低燃油消耗。高速通信是列队行驶必不可少的条件，当队列中的任何一部车辆刹车时，都必须确保信号能够毫无延迟地发送到后续车辆，以便自动启动刹车功能，从而避免追尾事故的发生。

5G 移动网络能够远距离快速、安全地传输数据，尤其适合用于 C2X 通信。除了 5G 移动网络之外，原始设备制造商也可以采用基于 WLAN 的标准 ITS-G5 作为替代技术方案。这种技术方案的实施在现有基础设施中较为简单，例如交通信号灯。此外，该技术接口标准的定义已经非常完善，并且已进入可批量投放的阶段。大众公司计划从 2019年开始为新车型配备 WLAN-C2X 通信功能。亚琛工业大学汽车学院网络与测试团队主管 Dominik Raudszus 表示：“这两种方案各有优缺点。从中期来看，更有可能是首先建立一种混合系统，将两者的路径叠加使用。但从长远来看，未来的移动网络终将淘汰所有其他数据传输方式。”

保时捷股份公司网络连接部门的开发工程师Kai Schneider 目前正在研发基于 5G 网络的 C2X 方案，他提到：“基于 5G 网络的 C2X 通信将取代今天通过传感器尚无法实现的驾驶者之间的彼此协调。它的优点很多，例如在高速公路上能够确保快速流畅的车辆变道。高舒适度的全自动驾驶功能必须能够顺畅地融入到所处的交通状况中，而这一切都离不开车辆之间的高速通信。”

即使全自动驾驶功能距离全面推广还有一段差距，但是高速 5G 网络已经为车辆带来了一些全新的驾驶辅助功能。例如在驾驶者的视线被对面车辆干扰的情况下，驾驶者可以通过辅助系统更好地了解路面情况；前方行驶的卡车可以将路面的视频图像实时发送到后车的显示器上，这样后车驾驶员也能够从视频中看到前方路段的情况。

由电信运营商、汽车制造商和科研院所组成的跨行业联盟开展了多个项目，专门对 5G 技术在自动驾驶领域的应用进行研究。德国电信 5G 汽车项目负责人 Johannes Springer 博士表示：“只有结合各种技术，并且让车内和车外的一切建立通信，才能让车辆具有预判性的行驶功能，及早识别危险，并有效地从 A 行驶到 B。”德国在该领域最大的一个倡议是“5G-ConnectedMobility”项目，爱立信、宝马集团、德国铁路、德国电信、西班牙电信德国公司、沃达丰、德累斯顿工业大学德国 5G 实验室（5G Lab Germany）、联邦公路研究所（BASt）和联邦网络局（BNetzA）均参与到该项目中。德国的 A9 高速公路被官方设为“高速公路数字化测试区域”，该项目在此搭建了一套测试网络。除此之外，该领域还涌现出大量规模较小的独立项目。例如，沃达丰为亚琛工业大学的阿尔登霍芬检测中心装备了 5G 研究网络。德国电信在汉堡和劳奇兹赛车场配备了 5G 测试网络。德国电信与赛车场运营商 DEKRA 共同在面积达到 545 公顷的场地上打造了全欧洲最大的自动驾驶功能测试场。在意大利的纳尔德奥，保时捷工程公司与多家制造商共同致力于测试场地的进一步开发，以推动网络化驾驶功能的测试。

与 3G 和 4G 网络相比，德国目前计划推广的5G 标准的频率更高，达到 2 GHz 和 3.6 GHz。5G网络的数据传输速率也更快，但由于物理上的限制，其传输距离较短。因此在网络建设方面，必须比 3G 和 4G 安装更多的基站。如果主管部门没有制定关于网络覆盖范围的相关规定，则基站的建设通常将由网络运营商根据当地需求自行管理，也就是说，只有在数据交换量较大并且具有经济效益的地方，运营商才会安装基站。对于自动驾驶来说，需要沿着交通道路（高速公路、联邦公路、州县公路以及市内道路）建成超高速高性能的数据网络。

目前德国已启动5G频谱使用许可的拍卖，首轮拍卖定于 2019 年初举办，所得款项将划拨为用于德国数字化基础设施扩建的投资基金。根据目前的计划，德国首个 5G 无线小区将于 2020/2021 年度并入常规网络。之后，5G 网络的进一步扩展将根据需求开展。在美国，首批网络供应商计划于2019 年为终端客户推出 5G 产品，而美国的第一轮频谱拍卖预计将于 2020 年才完成。中国在5G网络建设方面处于国际领先地位，根据 Analysis Mason分析公司的一项研究，中国目前已拥有超过 35 万个支持 5G 通信的基站，是美国的 10 倍。根据中国当前的五年计划，到 2020 年，政府计划投资 4000亿美元用于 5G 网络的扩建。

为了确保 5G 组件的国际兼容性，必须在全球范围内制定具有约束力的标准。2018 年 6 月，权威标准制定组织——第三代合作伙伴计划（3GPP）——颁布了历史上首个 5G 标准，这也是5G 网络发展的一个重要里程碑。

自动驾驶功能面临的一项主要挑战是交通中需要传输的数据量更为庞大。新的 5G 移动网络将在这方面发挥至关重要的作用，该网络专为机器之间的通信而设计，其延迟时间仅为1毫秒左右。5G 网络也为车辆带来全新的驾驶辅助系统，例如超车辅助系统，它能让驾驶者利用前方行驶车辆的视频图像。

本文首次发表于《保时捷工程杂志》2019年第1期。

作者：Richard Backhaus
插图：Florian Müller

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