基于5G的车联网通信

2021年4月华为推出阿尔法S自动驾驶系统，再一次将国内的自动驾驶技术推向高潮，业内预计2025年左右自动驾驶将大规模采用。鉴于5G部署的时间表，因此有必要在5G的早期阶段考虑联网/自动驾驶汽车的影响，以确保无线行业能够满足未来十年联网汽车的需求。

一般来说，5G被描述为包含三组不同的需求，定义如下：

• TR22.861描述了海量物联网

• TR22.862描述了关键通信

• TR22.863描述了增强的移动通信

可以说，连接的车辆是这三组的交叉点，如图1所示。对于自动驾驶部分，连接的汽车与物联网相关，因为它发送/接收来自基础设施和其他汽车的消息而无需人工干预。它是一种重要的通信形式，因为需要非常低的时延和极高的可靠性来确保“驾驶员”和乘客的安全。最后，由于驾驶员解除了驾驶职责，他/她可能会消耗大量数据（例如，看电影、工作）。

车辆交通的特点是在空间和时间上具有不同的流动模式和密度。车辆密度在交通堵塞区域和附近流动交通区域之间可能有很大差异。在一天的不同时间，一个道路位置可能会经历两种交通极端情况（即：非常稀疏和非常密集的车辆交通）。从通信网络的角度来看，在这样一个高度动态的网络中，在不过度调配资源的情况下实现高可靠性是一个挑战。

此外，互联汽车还带来了一些与无线相关的挑战。首先，需要广覆盖，没有/几乎没有覆盖空洞。第二，至少安全部分需要在覆盖范围外的条件下运行。最后，它是一个在高移动性条件下需要高数据速率的应用程序。

在网络控制下，连接的车辆可能处于RRC_CONNECTED。这可能对高层和物理层的设计都有重大影响：在物理层，gNB（RSU：Road Side Unit）可能需要发送许多控制消息（例如，分配授权）；因此，控制信道上可能存在一些容量限制。

预计自动驾驶汽车产生的下行、上行和sidelink流量将非常高，并将随着新功能的开发而增长。如TR36.885附录B所述，即使满足基本V2V服务的交通需求，对于城市15环境场景来说也是一个挑战。请注意，就流量需求而言，该场景不是一个困难的环境，并且预计在许多部署中可以观察到更高的流量密度。

由于启用了新特性和功能，自动驾驶将显著增加业务需求。例如，“platooning”功能需要在车辆之间进行大量的数据交换。交叉口的交通管制要求车辆之间以及车辆与基础设施之间进行信息交换。或许更多的是，对“信息娱乐”服务的需求将激增：平均通勤时间约为1小时/天，司机现在有一小时的时间工作、看视频等。而且，需求的增长将出现在那些不被视为热点的地区，但通常由宏站覆盖，这些地区的需求目前被视为较低。

车联网通信

在车联网中，网络需要通过使用服务感知系统和大规模部署路边单元（RSU）来满足交通需求，而且需要确保RSU的安全应用。RSU还将用于发送流量数据。RSU的概念如图2所示。RSU也可以作为信息娱乐的热点。

部署这些RSU将具有挑战性：

• 考虑到它们作为业务交付的热点，使用毫米波传输似乎是合适的，包括在高移动性条件下部署毫米波 波束赋形。

• 考虑到RSU将大规模部署，不太可能每个RSU都通过有线连接到网络。因此，无线回传技术和协议需要标准化。

在某些情况下，无论是从安全角度还是从娱乐角度来看，RSU覆盖范围之外的汽车仍然可以从与其通信中获益。因此，应该考虑从car到RSU的中继机制。

车对车通信

为了方便联网的车辆之间的通信，并减轻蜂窝系统上的负载，需要标准化联网车辆解决方案的V2V组件：

• V2V可提供显著的安全效益，并且正在LTE的Rel-14中进行标准化。这项工作不包括自主驾驶。V2V有望成为自主驾驶车辆的关键部件：它是一种能提供比传感器探测到的信息更远的信息的手段，并为某些环境（非视距条件，如在城市交叉口）提供信息。

• V2V还可以提供高吞吐量、低时延安全性和车辆之间的交通效率。

为了为连接的车辆提供安全和交通管理服务，需要支持高吞吐量、高可靠性、低延迟V2V链路。这可能需要在毫米波或微波部署MIMO技术。车辆尺寸相对较大，允许放置天线，从而能够对特定用例实现空间分集和减少干扰。在车辆上的不同位置放置多个天线可以确保减轻或减轻其他车辆造成的阴影。除了车顶天线外，车辆还可以利用保险杠天线进行定向保险杠到保险杠的通信，以实现车辆排列等具体应用，从而减少对其他天线的干扰。

无线方面的演进

如上所述，联网的车辆需要RSU节点和强大的V2V组件。此外，联网车辆在时延、移动和覆盖范围方面是一个具有挑战性的5G应用。因此，无线侧有必要对连接的车辆进行深入分析，确保5G能够满足市场的需求。未来连接的车辆场景（例如，合作车道合并，交叉口控制，车辆排列）的KPI更为严格。因此，无线应为联网车辆定义一套具有挑战性的模拟评估场景、详细的KPI和评估方法（特别是现实的信道模型），涵盖所有预期部署场景。

提高安全性将是大量互联汽车用例的关键要求。对于这种关键的V2X通信，需要超可靠的低时延通信来保证QoS。然而，在预定的时间限制内，提供具有极高可靠性的一定数量的数据将是一个挑战，特别是由于无线信道的高度时变和分散性、潜在的不足覆盖和动态网络拓扑结构。通过在传统LTE蜂窝系统中使用帧结构在L1上瞄准超可靠的低时延传输面临以下缺点：

1.帧持续时间长，不满足低时延要求，但通常允许重传。

2.由于需要健壮的调制和编码方案以确保足够低的分组错误率，频谱效率显著下降。

3.反馈和信令的高开销，以适应高度时变的V2X信道。

因此，帧结构和传输方案应该是灵活的，以便在不牺牲频谱效率的情况下满足可靠性和时延要求，同时可以根据V2X信道条件进行调整。为了减少反馈和信令开销，在短的连续双向V2V传输期间使用信道互易性的传输方案是很好的部署候选方案。

5G NR和LTE之间的互通

对于互联汽车应用，需要广覆盖，没有/几乎没有覆盖空洞。这对于安全应用和协同驾驶尤其如此。不过，5G NR基站的初步部署将不会有足够的覆盖范围。因此，有必要考虑5G NR和LTE之间的互通，以便即使在5G NR不可用的情况下也向车辆提供无处不在的服务。

预计这款自动驾驶汽车将拥有多个无线频率，包括GNSS/GPS、NR、4G LTE和802.11p，如图3所示。这些无线频率通过相应地选择（或接收）数据的连接管理器连接到应用层。

• GNSS/GPS为无线提供位置和位置信息以及定时。

• 802.11p提供传统服务，因为在NR开始部署时，可能有许多车辆配备802.11p无线电。

• LTE可以通过LTE网络提供传统的V2V服务以及额外的支持。

目前的DSRC协议可能会得到增强，以支持自动驾驶汽车所需的不断增加的功能。尽管该协议超出了协议范围，但增强的效果将主要影响NR，因为802.11p和4G不太可能满足更大有效负载、更低时延和更好性能的物理层要求。