5G车联网自动驾驶及联网无人机

2020-10-13 来源:广东省电信规划设计院 陶志强

对于汽车产业而言,联网的作用超越了传统的娱乐和辅助功能,成为道路安全和汽车革新的关键推动力。车联网将使传统的汽车市场得到彻底变革。

自动驾驶、编队行驶、车辆生命周期维护、传感器数据抓包等关键技术,驱动了汽车产业的变革。这些技术的实现都需要安全、可靠、低延迟和高带宽的连接。在高速公路和密集城市中,这些连接特性至关重要。远程控制驾驶要求当终端到终端(End-to-EndE2E)时延控制在10ms以内时,并且在时速90km下远程紧急制动所产生的刹车距离不超过25cm。目前,只有5G可以同时满足这样严格的要求。

5G有可能成为未来车联网统一的承载技术,满足未来共享汽车、远程操作、自动和协作驾驶等连接要求,替代或者补充现有的连接技术。例如,目前,正在美国被授权使用机动车车辆间(Vehicle-to-VehicleV2V)技术的5.9GHz通用短程通信技术(Dedicated Short Range CommunicationDSRC)。在车辆实现完全自动驾驶之前,5G将支持编队行驶和远程/遥控驾驶的应用。

1编队行驶

卡车和货车的自动编队行驶比人类驾驶员更加安全。车辆之间靠得更近,能节省燃油,提高货运运输的效率。编队具有灵活性,车辆在驶入高速公路时自动编队,离开高速时自动解散。2~3辆车即可组成编队,相邻车辆之间进行直接或车路通信。对于较长的编队,消息的传播需要更长的时间。制动车辆和同步车辆要求低时延的网络通信,对于3辆以上的编队,更需要5G网络来传输。

2)远程/遥控驾驶

车辆由远程控制中心的司机操作,而不是车辆中的人来驾驶。远程驾驶可以用来提供高级礼宾服务,使乘客可以在途中工作或参加会议;也可提供出租车服务;同时适用于无驾照人员,或者生病、醉酒等不适合开车等情况。往返时延(Round Trip TimeRTT)需要小于10ms,使系统接收和执行指令的速度达到人感知不到的速度,也需要5G网络来传输。

20176月,中国移动、上海汽车和华为首次共同展示了5G远程/遥控驾驶。上汽集团的智能概念车iGS搭载了华为5G解决方案。在5G 超低时延(小于10ms)的支持下,汽车的转向、加速和制动等实时控制信号得到了保障。通过为汽车和道路基础设施提供大带宽和低时延的网络,5G能够提供高阶道路感知和精确导航服务。根据ABI Research预测,到2025年,5G连接的汽车将达到5030万辆。汽车的典型换代周期是7~10年,因此联网汽车将在2025~2030年会有大幅增长。

无人驾驶飞行器(Unmanned Aerial VehicleUAV)简称为无人机,准确来说,无人机就是一种利用无线遥控或程序控制来执行特定航空任务的飞行器。目前,无人机被广泛用于社会的各个领域,给人们的工作和生活带来了很大的改变。例如,无人机播洒农药、无人机物流、无人机拍摄电影、无人机灯光秀等。

无人机在使用过程中,除了无人机本身的设备之外,还有地面的控制系统。目前应用中的无人机,主要还是人为控制的,主要使用遥控系统进行操控。遥控器和无人机之间的数据传输,主要采Wi-Fi或蓝牙的方式。采用Wi-Fi控制无人机飞行示意如图1所示。

1 采用Wi-Fi控制无人机飞行示意

Wi-Fi或蓝牙的通信距离非常有限。以Wi-Fi为例,它通常只能控制在300~500m的视距范围以内(特定条件限制下,可以达到1km以上)。蓝牙的通信范围就更小了,所以,这种通信传输方式在很大程度上约束了无人机的飞行范围。

于是,人们想出了一个全新的无人机通信方式,那就是网联无人机。网联无人机就是利用蜂窝通信网络来连接和控制的无人机。简单来说,就是利用基站来联网无人机。相对于Wi-Fi,蜂窝基站拥有更广阔的覆盖范围,蜂窝基站将使无人机的通信传输更加灵活、可靠。无人机与地面的通信主要有3种目的:图传、数传和遥控。其中,图传对无人机通信能力的要求是最高的。以图传为例,Wi-Fi技术和4G对图传的支撑能力见表1

1 Wi-Fi4G对无人机图传的支持情况

若使用无人机航拍,因为无人机与地面的距离较远,720P1080P的分辨率并不算清晰,特别是在特定的场景下,例如,查看设备指示灯和人脸识别等场景,还是不能满足用户的需求。在定位方面,现有的4G网络在空域定位精度约为几十米。如果采用全球定位系统(Global Positioning SystemGPS)定位,精度大约在米级,在一些需要更高定位精度的应用方面,例如,园区物流配送、复杂地形导航等,就必须要考虑增加基准站来提供辅助,只有采取这种方式,才能实现高定位精度。

在覆盖空域方面,4G网络只能覆盖空域120m以下的范围应用。在120m以上的一些高空需求,例如,高空测绘、干线物流场景,无人机容易出现失联状况。

总而言之,目前,在4G网络和Wi-Fi网络下使用的无人机,应用场景限制较多,用户受众规模太小,导致在消费市场,无人机难以得到普及,也制约着它的长远发展和价值。

5G的理论带宽可以达到20Gbit/s及以上。目前,在已建设的实验网络中,5G的速率普遍达到了1Gbit/s。这个速度是4G LTE10倍以上。在这个速率的支持下,720P1080P的视频需求完全可以满足,即使是4K甚至是8K的超高清视频也都能得到完美的支持。

5G网络还具有超低时延的特性,能够提供毫秒级的传输时延(低于20ms,甚至达到1ms4GLTE的传输时延是50ms以上)。这将使无人机可以更快地响应地面的命令,地面操作人员对无人机的操控更加精确。

5G还可以提供厘米级定位精度,这个定位精度远超LTE的十米级和GPS的米级。如此一来,5G完全可以满足城区等复杂地形环境的飞行需求。

5G所采用的Massive MIMO大规模天线阵列和波束赋形技术,可以灵活自动地调节各个天线发射信号的相位,不仅是水平方向,还包括垂直方向。此技术有利于一定高度目标的信号覆盖,满足国家对500m以内低空空域监管的要求,同时也满足未来城市高楼环境下无人机120m以上的飞行需求。在无人机的飞行数据安全保障方面,相比采用4GWi-Fi的通信传输,5G 也有明显的优势。5G的数据传输过程更加安全可靠,无线信道不容易被干扰或入侵。

无人机能够支持诸多领域的解决方案,可以广泛应用于建筑、石油、天然气、能源、公用事业和农业等领域。5G技术将增强无人机运营企业的产品和服务,以最小的延迟传输大量的数据。根据ABI Research的估计,小型无人机市场将从2016年的53亿美元迅速增长到2026年的339亿美元。这个数据包括来自软件、硬件、服务和应用服务的收入。无人机服务提供商正在利用云技术拓展其应用范围,同时通过产业合作来拓展市场空间。