5G +V2X是加速自动驾驶汽车未来的关键

自动驾驶被视为将塑造未来移动概念并提高现代生活质量的技术亮点。在技术方面，全自动驾驶的进步被理解为一个演进过程，主要由汽车行业的相应利益相关者推动。从通信技术的角度来看，人们普遍认为，未来的 ITS 服务，最终要实现自动驾驶，需要通过先进的通信技术（如 5G V2X）实现车辆的高水平连接。通过政策制定者将对整个利益相关者链进行监管。5G 行业、汽车行业和道路基础设施运营商这三个以利润为导向的利益相关者将有效实现其在 5G V2X 业务中的份额。

本文将从整个车路协同的三大方面说明5G将如何与V2x一起促进整个行业发展。包含政策、标准及法规驱动，交通安全痛点及车路协同具体的价值场景，V2x与5G的系统解决方案以及V2x结合5G在整个商业中的价值链走向等。通过对C-V2x的整体认知可以很好的对车路协同与自动驾驶进行技术导向、价值取值及业务扩展方向的规划。

V2x与5G的协同的政策、标准及法规驱动

中国产业政策正积极推动5G和C-V2X，这是大大凸显国家意志的表现。国家发改委、工信部、交通部、科技部、信管办、财政部等11个部委于2020年2月24日联合发布《智能汽车创新发展战略》。

整个过程的主要涉及方包括发改委、工信部、交通部三个大部门。其中，发改委牵头的11部委发布《智能汽车创新发展战略》（2020）在2025年实现LTE-V2X/5G-V2X在城市和高速逐步覆盖应用，在道路基础设施规划方面建设新一代国家交通控制网、推进道路基础信息化、智能化、标准化以便推动5G车联网协同，统一接口和协议，实现基础设施、汽车、运营、交通管理和指挥互联互通。在建设广覆盖车用无线网方面，通过车用专网频谱研究，推进车用专网建设，重点区域部署专网，高性能5G无线网络，部署边缘计算服务，桥隧等部署NB窄带。

工信部牵头20部委成立车联网专委会（2019），明确将C-V2X作为中国车联网的技术选择路线，工信部/交通部/公安部三部委联合制定相关标准体系。20部委车联网专委会推动C-V2X技术选择和网络部署。

交通部发布交通强国战略（2019），未来5年交通数字化投资约1千亿，13个省市区（河北雄安新区、辽宁省、江苏省、浙江省、深圳市等）开展第一批建设试点工作，打造一批先行先试典型样板，并在全国范围内有序推广。开展智慧交通、大数据、车路协同、自动驾驶等领域示范。

智能交通系统和智慧城市相关设施建设取得积极进展，车用无线通信网络（LTE-V2X）实现的区域覆盖，新一代车用无线通信网络（5G-V2X）在部分城市、高速公路逐步开展应用，高精度时空基准服务网络实现全覆盖。分阶段、分区域推进道路基础设施的信息化、智能化和标准化建设。结合5G商用部署，推动5G与车联网协同建设。统一通信接口和协议，推动道路基础设施、智能汽车、运营服务、交通安全管理系统、交通管理指挥系统等信息互联互通。对于车用无线通信网络而言，需要在重点区域、重点路段建立新一代车用无线通信网络，提供超低延迟、超高可靠、超大带宽的无线通信和边缘计算服务。在诸如桥梁、隧道、停车场等交通设施部署窄带物联网，建立信息数据库和多维监控设施。
车路协同其实是力争在2035年实现安全、高效、绿色、文明的智能汽车强国的愿景。
交通安全痛点与车路协同价值场景
C-V2X车联网+ADAS驾驶相辅相成，从车厂和用户视角看车联网对5G和C-V2X的需求是可以极大的提升交通安全，通过5G网络控制智能座舱和智能驾驶系统，利用OTA系统升级实现高精地图下载和升级服务，车载导航（AR、自动驾驶分享）、车载高清视频、远程监控、远程驾驶。通过信息车路交互，实现V2X协同感知，面向安全和便利的ADAS+ ，V2X协同控制和增值业务AVP泊车，ToD。对于基于V2x的车路协同来说，构建车路协同全方位融合感知，首先需要使能自动驾驶三大典型场景（包括高速公路、城市道路、封闭园区道路几个）。先进的驱动解决方案最有可能首先应用于高速公路是因为这些场景更容易处理，用户的移动行为更容易预测，技术解决方案也不那么复杂。

如上图表示了C-V2X驱动下的车路协同实现的道路场景，可以看到对于无论是传统的交通驾驶辅助场景（如ACC、LKA、LCC、AEB等）还是高阶驾驶辅助系统中需要解决的边缘场景（如行人探测、匝道并道、各种碰撞预警、超速预警等），都可以进行有效的自动驾驶的系统性能提升。
以C-V2x实现自动驾驶车辆认证和高精地图下发服务为例进行有效说明。如下表示一种利用V2X对高精定位地图信息的上传与下载原理。

此过程中，V2x的高精定位数据需要受国家管制，才能实现对静态高精地图进行下发。同时，基于感知信息的及时捕捉和道路状态的变化，可以为基础地图更新提供数据服务。此外，基于动态感知路侧信息可以实时生成T4数据，为安全辅助/自动驾驶提供第三方感知。同时，基于车辆签约服务可以提供差异化图层信息服务，最后是基于证书对自动驾驶车辆合法性认证并提供服务。
通常，国家管理部门会对V2X运营商授权，下发区域高精地图。从而使得基于V2X、道路感知及时获取道路环境的变化信息，弥补基础信息更新不足影响道路信息收集。基于路侧计算能力提取关键信息，可以降低对车端处理能力的消耗。期间，动态信息的播报可以进行动态数据的生成，为道路车辆按需提供分级信息，弥补单车感知不足。
V2x与5G的协同的系统解决方案
具有异构需求的众多 ITS 服务需要一个灵活的无线空中接口、多种无线接入技术以及虚拟化汽车软件。对于未来的无线接入，经过学术界和工业界几年的研究，以及为 5G 提供成熟的技术使能，3GPP 现在正在起草5G V2X 标准，从 Rel. 16. 利益相关者对5G的努力和讨论让市场寄予厚望，给5G交付带来很大压力到行业。那么，如何将5G与V2x有效结合并应用于自动驾驶系统设计就是一个比较关键的问题。这一设计过程不仅与其核心设备有关，也与网络、架构等息息相关。

1、车路协同核心设备
V2x结合5G标准下的高速公路环境架构包括 5G 站点、数字基础设施、光纤连接、固定传感器、雷达、激光雷达、摄像机等。其中，V2x的所涉及的路端主要包括C-2x芯片、RSU及车路协同解决方案、模组&T-Box、V2X服务器几个大类。对于核心C-V2x而言，通常需要支持4G/5G到PC端的能力，并且定义了两种互补的传输接口模式：
1）PC5接口
主要是采用直连的方式进行通信。基于 LTE Direct 设备到设备设计，增强了高速/高多普勒、高密度、改进的同步和低延迟性，可有效用于诸如速度、位置等信息传递。其特点如下：• 近距离直接通信（100 米）;• 在覆盖范围内和覆盖范围外均可运行;• 使用对延迟敏感的用例，例如 V2V 安全设计;
2）Uu接口
网络通信使用 LTE 广播将消息从 V2X 服务器广播到车辆等。车辆可以通过单播向服务器发送消息。主要用于诸如预报前方 1 公里是否有特殊车道、是否发生事故等。其特点如下：• 采用广域网通信;• 利用现有的 LTE 网络;• 更多延迟容忍用例，例如 V2N 态势感知;
3）RSU
对于路端核心设备RSU来说，主要包括信号机、摄像头、交通雷达、激光雷达、路牌路标、气象站、显示牌的信息交互。通常需要同时支持PC5+Uu接口：提升通信可靠性支持全场景，其中PC5满足20MHz@5.9G且时延小于20ms。支持自主可控的供应链及灵活的部署方式（包含支持无线/有线的两种回传方式），支持RSU互联，扩展PC5覆盖范围。当然最后也需要确保折叠轻便，即插即用的自配式，免调试方案。
4）OBU
针对5G 调制解调器以及以及车辆运行的 CAD 相关应用程序而言。OBU 允许车辆作为通信基础设施的一部分发挥作用，因为它们可以接管网络的功能，例如数据中继或覆盖范围扩展。这得益于它们不断增长的硬件功能，能够将车辆视为通信基础设施的一部分。此外，从汽车软件的角度来看，如今可以通过虚拟化和强大的 OBU 可以同时执行多个应用程序以及互联实现自动驾驶 (CAD) 功能。为此，车辆可以执行第三方应用程序（称为车辆基础设施 (VAI) 应用程序）实现 5G V2X 的辅助功能。
2、车路协同基础核心网络
正如我们之前看到的，当前的蜂窝网络已经启用了许多联网汽车应用，但基础设施将应用限制在 GPS 导航和交通信息等功能上。提供信息娱乐、远程信息处理、安全和其他高级功能需要一个可靠、安全、低延迟的通信系统，该系统能够在各种不同的场景中处理多个连接，并保证服务质量 (QoS)。如果使用蜂窝网络，它们必须满足所有这些要求，同时还支持其他移动连接。
• 802.11p/WAVE (DSRC)802.11p 是一种 IEEE 标准通信协议，由 WiFi 开发并用于交通应用（WAVE 代表车载环境中的无线接入）。DSRC（专用短程通信）是一种专注于安全应用的 V2X 技术，在特定频段使用 802.11p/WAVE。C-ITS G5 是基于 802.11p 的欧洲交通通信标准。DSRC 技术已经存在多年，但尚未得到广泛部署。
• C-V2X (LTE-V2x)LTE-V 是为 3GPP 内的标准化提出的一组特定功能，以提供 C-V2X（蜂窝 V2X），这是一套使用移动行业 3GPP 标准中的功能来提供 V2X 的技术。它基于 4G 的变体，仅使用一个芯片组，并且可以快速部署，因为它与现有基站兼容。目前，LTE-V已在华为和中国移动、上汽集团、德国电信、奥迪和丰田等合作伙伴广泛试用。
• 5G5G网络技术通过提供 1 毫秒的超低延迟、每平方公里 100 万个连接的容量以及 99.999% 的可靠性，将提高未来联网汽车的安全性和效率，并有助于推动自动驾驶汽车的发展。5G可在使用 100MHz 带宽时产生 3.6Gbit/s 的平均速度——几乎是 LTE 速度的 10 倍。预计 5G 的商业部署将在未来五年内开始，到 2025 年，预计全球约有 270 个网络将具备完整的 5G 功能。那么5G相对于4G到底能带来哪些优势呢？在4G 网络上，自动驾驶汽车以 100 公里/小时的速度行驶，从检测到刹车失败还将继续移动 1.4 米，而在 5G 网络上， 同一辆车却只会移动2.8厘米，这与防抱死制动系统（ABS）的标准相当”，而这距离将可能是生死攸关的区别。

5G+C-V2X车联网包含移动网络和V2X路网，两个管道互补支持车路协同。支持从上到下三层网络层。车载信息娱乐网络层：主要承载4G、5G网络；数字智能化基础设施层：主要用于承载V2x网络与4G/5G均可。车路协同通信网层：主要用于承载V2x网络。
如果要通过网络连接传感器和其他设备，主要问题是“IEEE 802.11p、LTE-V 和 5G 如何相互衡量？” 回答这个问题的最佳方法是对这些基础设施技术进行彻底的比较评估，并指出它们各自带来的优势超过未连接的传感器。

5G结合V2x在应用中的商业价值链及前景

本文就5G V2X 的部署成本及其财务和社会效益商业化的利润提供初步分析。预计先进的驾驶解决方案最有可能首先应用于高速公路（或至少在早期阶段），因为这些场景由于更可预测的移动行为而更简单，并且更容易处理算法复杂性。因此，通常会选择在高速公路环境中进行这项研究。V2X 通信技术的一个好处是能够实现安全运输，预计几年内将在一些国家提供。

5G-PPP1 已于 2015 年提供了早期的 5G 汽车视觉洞察力。在此背景下，自动驾驶被视为将塑造未来移动概念并提高现代生活质量的技术亮点。在技术方面，全自动驾驶的进步将被理解为一个演进过程，主要由汽车行业的相应利益相关者推动。同时从通信技术的角度来看，人们普遍认为，未来的 ITS 服务，最终要实现自动驾驶，需要通过先进的通信技术（如 5G V2X）实现车辆的高水平连接。

众多具有不同要求的 ITS 服务需要灵活的无线电空中接口，同时多种无线电接入技术和汽车软件虚拟化并存。对于未来的无线接入，经过学术界和工业界几年的研究，以及为 5G 提供成熟的技术使能。3GPP 现在正在起草5G V2X 标准，从 Rel. 16. 利益相关者对5G的努力和讨论让市场寄予厚望，给5G交付带来很大行业压力。为了加速 5G 的部署，将发布该标准的第一版，重点关注 eMBB 服务，工作频率低于 6 GHz，可能与传统 LTE 系统共存。预计 5G 的第一个版本将启用大量先进的 ITS 服务，并为第二波更具挑战性的服务奠定基础。

与任何新技术类似，5G V2X 的建立和成功将在很大程度上取决于所需的投资成本和预期收入，尤其是在其部署的第一年。由于所需的投资水平尚未明确，移动网络运营商 (MNO) 和其他可能的道路基础设施投资者不愿意部署5G。应对巨额投资成本并支持自然需求对于多运营商车辆通信，移动网络运营商还需要考虑共享网络基础设施和其他资源的解决方案——尤其是在第一个部署阶段。

与此同时，汽车行业正在寻求降低支持 5G V2X 的车载单元 (OBU) 成本的方法，以避免市场上的车辆价格上涨。考虑到汽车的生命周期，传统汽车将需要高速公路沿线的非 5G 基础设施支持（例如，用于旧车生成高清地图的固定高速公路视频摄像头）。在目前的研究中，假设汽车配备了一个 OBU，同时提供通信功能以及运行的软件应用程序。OBU 的处理器由车辆的电池供电，足够强大，可以执行车辆的所有功能。

为了提供一些实用的参考价值，假设服务完全通过网络基础设施提供，即不考虑V2V接口。进一步假设该投资在一定程度上用于提供与 CAD 服务并行的增强型移动宽带 (eMBB) 服务。总成本由 CAPEX 和 OPEX 按标准形成，包括维护和服务开销，不包括板载单元 (OBU) 成本，而对物料清单的估计(BOM) 和 CAD 服务的辅助服务作为高精地图服务被考虑在内。对于更现实的收入估算，已考虑到 5G CAD 服务渗透率随时间的增长率。可以预期 5G 数字化高速公路的良好投资回报，具体取决于 ITS 服务的确切成本、收费和投资使用百分比。总体而言，可以观察到积极的商业案例，基本可在十年内实现正利润。

总结

本文将从三个角度分析整个V2x的智能驾驶开发方案，其中包括推动C-v2x相关的国际国内标准，汽车产业需求对接通信产业能力，提供对应的E2E C-V2x解决方案。在技术方面，实现最终目标的途径是部署所谓的 5G 数字化高速公路，这是大量基于 5G 的联网和自动驾驶 (CAD) 解决方案的先决条件。

尽管 5G 车联网 (V2X) 通信的关键技术推动者同时在蜂窝社区和 3GPP Rel. 16 V2X 即将启动，可以说整个5G网络下的车路协同系统包括如下：5G车联网/5G V2X = 5G eMBB+C-V2X。即便这样，仍旧缺乏对所需部署投资的洞察力，未来智能交通服务 (ITS) 的商业模式和预期利润。可以预见，这些先进的服务，包括高清地图、编队、高速公路司机。从 3GPP Rel. 开始，将通过下一代 5G 车辆网络实现远程操作驾驶、编队行驶到最终实现完全自动驾驶是不可避免的趋势。