5G互聯(lián)汽車(chē)的未來(lái)

引言

近年來(lái)，互聯(lián)汽車(chē)的使用顯著增長(zhǎng)。這些車(chē)輛配備了各種傳感器，用來(lái)收集性能、位置和其他關(guān)鍵參數(shù)的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)被發(fā)送到中央設(shè)備進(jìn)行處理，從而提高車(chē)輛的性能和可靠性。傳統(tǒng)的車(chē)輛跟蹤和診斷系統(tǒng)在速度、數(shù)據(jù)容量和連接性方面極具挑戰(zhàn)，難以收集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。因此，它們的效力受到了限制。此外，使用傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)導(dǎo)致通信不可靠。5G通信技術(shù)具有很大優(yōu)勢(shì)，它為實(shí)時(shí)車(chē)輛跟蹤和診斷提供更快、更穩(wěn)定的連接。

互聯(lián)汽車(chē)

以下是不同類(lèi)型的互聯(lián)汽車(chē)技術(shù)：

車(chē)與基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）：包括車(chē)輛和道路基礎(chǔ)設(shè)施之間的通信，用以改善交通流量和安全性。

車(chē)與車(chē)（V2V）：實(shí)現(xiàn)車(chē)輛之間的通信，通過(guò)共享速度、位置和其他相關(guān)數(shù)據(jù)信息來(lái)提高安全性。

車(chē)與云端（V2C）：車(chē)輛與云平臺(tái)之間的各種服務(wù)和應(yīng)用程序數(shù)據(jù)交換。

車(chē)與路人（V2P）：為車(chē)輛和行人之間搭建橋梁，提高道路安全意識(shí)。

車(chē)與一切（V2X）：包含整體通信框架，包括V2I、V2V、V2C和V2P，創(chuàng)建一個(gè)全面的連接生態(tài)系統(tǒng)。

車(chē)輛、路邊基礎(chǔ)設(shè)施、零部件設(shè)備或手持設(shè)備均配備了收發(fā)器。

在V2X的世界里，我們可以期待什么樣的交通體驗(yàn)？

圖1展示了未來(lái)個(gè)人出行的理想示例：

圖1：5G V2X的示例、需求和設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)（來(lái)源：華為德國(guó)研究中心）

1.用戶(hù)可以通過(guò)移動(dòng)應(yīng)用程序請(qǐng)求搭車(chē)。

2.車(chē)輛自動(dòng)駕駛，或由人或人工智能遠(yuǎn)程控制。同時(shí)，用戶(hù)的交通應(yīng)用程序通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與車(chē)輛通信，可自行調(diào)整設(shè)置。

3.車(chē)輛具有自動(dòng)駕駛的能力，并根據(jù)用戶(hù)的喜好定位最合適的車(chē)輛組（車(chē)隊(duì)）。它可以騰挪并加入選定的車(chē)隊(duì)，同時(shí)允許汽車(chē)以非常短的間隔跟隨，從而節(jié)省能量。

4.在擁擠的道路上行駛時(shí)，車(chē)輛通過(guò)使用雙向?qū)Ш?，接收和提供?shí)時(shí)交通信息。

5.用戶(hù)通過(guò)連接導(dǎo)航系統(tǒng)，可以控制車(chē)輛退出高速公路，或選擇在風(fēng)景更好的路線上行駛。

6.車(chē)輛在到達(dá)目的地后，用戶(hù)下車(chē)。

7.車(chē)輛可以自動(dòng)駕駛到自動(dòng)停車(chē)場(chǎng)或駛向另一個(gè)用戶(hù)。

全向天線和信號(hào)強(qiáng)度方面的挑戰(zhàn)

全向天線和信號(hào)強(qiáng)度方面的挑戰(zhàn)是開(kāi)發(fā)“智能天線”的主要障礙。移動(dòng)通信技術(shù)與天線技術(shù)的有效結(jié)合是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵。傳統(tǒng)上，信號(hào)通過(guò)一般位于駕駛員駕駛艙的電纜連接從車(chē)頂天線傳輸?shù)杰?chē)載電子設(shè)備。然而，帶寬需求的激增，特別是隨著5G網(wǎng)絡(luò)使用更廣泛的頻率范圍（從6Ghz到100Ghz），導(dǎo)致通過(guò)電纜傳輸?shù)男盘?hào)嚴(yán)重丟失。為了解決這個(gè)問(wèn)題，電子設(shè)備和信號(hào)處理必須靠近天線，要么直接在車(chē)頂下，要么在天線內(nèi)部。然而，這種解決方案帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，暴露在外的電子設(shè)備受不同天氣條件的影響，可能會(huì)影響其性能和使用壽命。

此外，擴(kuò)大的頻率范圍導(dǎo)致無(wú)線電場(chǎng)衰減增加，只能在較短的距離內(nèi)接收到信號(hào)。這對(duì)全向天線來(lái)說(shuō)是一個(gè)最直接的挑戰(zhàn)：要么收不到信號(hào)，要么只能在有限的范圍內(nèi)接收信號(hào)。雖然精確地對(duì)準(zhǔn)天線可以解決這個(gè)問(wèn)題，但這需要在設(shè)備上安裝大量的天線。 因此，只能利用面向發(fā)射機(jī)的天線。 此外，路邊必須配備定向天線，才能有效地向過(guò)往車(chē)輛傳輸信號(hào)。

5G和蜂窩物聯(lián)網(wǎng)

5G技術(shù)滿(mǎn)足三大類(lèi)主要服務(wù)：

• 增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB）：這一類(lèi)別為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、高精度數(shù)字地圖和持續(xù)固件更新等沉浸式車(chē)內(nèi)體驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。這些高級(jí)特性將推動(dòng)對(duì)更高數(shù)據(jù)帶寬的需求。
• 超可靠低延遲通信（URLLC）：此類(lèi)別對(duì)于任務(wù)關(guān)鍵型功能至關(guān)重要，例如車(chē)輛安全系統(tǒng)、車(chē)對(duì)車(chē)和車(chē)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施通信（V2X）以及自動(dòng)駕駛。這些功能需要超可靠和極低延遲的通信，以確保車(chē)輛的性能和安全性。
• 大規(guī)模機(jī)器式通信（mMTC）：智能城市、家庭和汽車(chē)中的眾多傳感器會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)必須通過(guò)網(wǎng)關(guān)安全地傳輸?shù)酵泄茉谠贫说倪h(yuǎn)程服務(wù)和數(shù)據(jù)服務(wù)器中。

5G的天線和無(wú)線技術(shù)

與以前的蜂窩信號(hào)天線相比，5G天線通常尺寸更小，但精度更高、延遲更低。5G技術(shù)使用智能功率開(kāi)關(guān)來(lái)優(yōu)化波束形成，這是一種有源天線技術(shù)，使用定向無(wú)線電鏈路選擇性地同時(shí)為移動(dòng)設(shè)備提供高帶寬。

5G天線和無(wú)線模塊支持大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)5G發(fā)射機(jī)之間的定向無(wú)線電聯(lián)系。最新的3D和大規(guī)模MIMO設(shè)備在一個(gè)終端單元內(nèi)運(yùn)行多個(gè)發(fā)射器和接收器，從而實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸。此外，許多5G天線與4G LTE信號(hào)兼容。雖然大多數(shù)5G汽車(chē)天線在外觀上與4G天線相似，但前者往往更小、更薄。

5G將使先進(jìn)的C-V2X成為可能

5G技術(shù)的應(yīng)用特別適合蜂窩V2X（C-V2X）通信。這種通信技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)雙向通信，并且借助基于云的傳感器共享，有效范圍可達(dá)1000米。將5G用于C-V2X的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)之一是其極低的延遲，響應(yīng)時(shí)間僅為4毫秒甚至更短。相比之下，4G長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)標(biāo)準(zhǔn)的延遲為15毫秒或更短。

5G在互聯(lián)汽車(chē)中的未來(lái)

V2X的競(jìng)爭(zhēng)標(biāo)準(zhǔn)也在發(fā)揮作用。下文將介紹其中的兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。

IEEE 802.11p

IEEE 802.11p是Wi-Fi的一種變體，在5.9Ghz非授權(quán)頻段上運(yùn)行，是初版V2X標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。該技術(shù)將V2X通信擴(kuò)展到傳感器視線之外，支持碰撞警告、限速警報(bào)、電子停車(chē)和通行費(fèi)支付等V2V和V2I應(yīng)用。IEEE 802.11p的優(yōu)點(diǎn)是它不依賴(lài)蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋。（這要?dú)w功于車(chē)載單元（OBU）和路邊單元（RSU）。它具有短程能力（低于1千米）和低延遲（約2毫秒），并高度可靠，能夠適應(yīng)極端天氣條件。

蜂窩V2X

C-V2X（或蜂窩V2X）是IEEE 802.11p發(fā)展中的替代品。C-V2X有兩種運(yùn)行模式，涵蓋了大多數(shù)可能發(fā)生的情況。第一種是低延遲的C-V2X直接通信，在5.9Ghz非授權(quán)頻段上通過(guò)PC5接口進(jìn)行通信，用于獲取主動(dòng)安全信息，如即時(shí)道路危險(xiǎn)警告和其他短距離V2V、V2I和V2P情況。這種模式類(lèi)似于目前同樣在5.9Ghz頻段運(yùn)行的IEEE 802.11p技術(shù)。

第二種模式是通過(guò)常規(guī)授權(quán)頻段蜂窩網(wǎng)絡(luò)上的Uu接口或UMTS空中接口進(jìn)行通信，可以處理V2N（車(chē)對(duì)網(wǎng)）應(yīng)用，如信息娛樂(lè)、關(guān)于長(zhǎng)距離道路危險(xiǎn)，或交通狀況的延遲容忍警報(bào)提示。IEEE 802.11p只能通過(guò)與路邊基站建立臨時(shí)連接來(lái)匹配這種模式。

圖 2：用于交通延遲容忍警報(bào)提示的網(wǎng)絡(luò)通信

下方表1顯示了C-V2X相對(duì)于IEEE 802.11p的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

表1：C-V2X相對(duì)于IEEE 802.pp的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

現(xiàn)在，一些開(kāi)發(fā)工具包、軟件和公司模塊可用于執(zhí)行5G技術(shù)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和項(xiàng)目。e絡(luò)盟與多家供應(yīng)商合作，提供廣泛的工業(yè)5G組件組合，可實(shí)現(xiàn)以上5G應(yīng)用，如無(wú)線模塊適配器、天線、連接器、射頻無(wú)線開(kāi)發(fā)套件、時(shí)鐘時(shí)序開(kāi)發(fā)套件、IC模塊、調(diào)試器模擬器和JTag工具配件、接口通信開(kāi)發(fā)套件和顯示開(kāi)發(fā)套件。