面向無人駕駛產業的5G解決方案分析

孫淑斌

摘要：5G技術的發展使諸多新業務得以開展，其中無人駕駛是一個廣受關注的應用場景。本文對功能下沉、D2D技術、免調度技術、低時延幀結構設計等關鍵技術進行分析，最后給出了無人駕駛產業的5G解決方案設計。

關鍵詞：5G技術;解決方案;無人駕駛

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）10-0220-02

如今4G移動通信已經實現了大規模商用，2019年6月6日工信部發放了5G商用牌照，標志著中國已經進入5G商用元年。最令人關注的5G技術落地場景之一即為無人駕駛產業，該產業不僅有潛力減少交通事故的發生，而且可以極大地改善交通擁堵問題。無人駕駛依靠單車智能的方式實現對技術要求過高，車聯網成為當前最熱門的研究方向，其中5G通信網絡是核心技術。本文將分析無人駕駛產業中的5G解決方案。

1 5G在無人駕駛中應用的關鍵技術分析

無人駕駛系統的構建對數據傳輸速率要求極高，因此5G在無人駕駛中的落地必須滿足很高的時延性要求，理論上時延必須控制在毫秒級。為了使5G技術滿足無人駕駛應用需求，就必須采用全新的網絡架構，進而確保單次傳輸時延足夠低。

1.1 功能下沉

如今LTE系統通常包括E-UTRAN與EPC兩層架構，為了減小時延，則必須對傳統架構進行優化，有效的解決方案是把EPC的控制與轉發功能下沉部署，即將EPC下沉至E-UTRAN邊緣，這樣做可以縮短傳輸距離。

1.2 D2D技術

在傳統通信架構中，數據一般需要通過多次轉發，這樣必然會使時延增加。因此可以采用D2D技術來解決這一問題，D2D的核心思想是通過周邊資源直接實現端到端通信。該技術適合解決無人駕駛問題，例如當汽車高速運行過程中突然發現緊急情況，此時可以借助于D2D這一面向鄰近的通信技術搜索周邊車輛，同時發出預警信號，進而幫助做出及時的躲避操作。

1.3 免調度技術

數據在傳輸過程中實時地接收著調度信息，基站調度器必須計算不同終端對資源的需求，進而發出相應調度信號，在調度信息的發出與執行過程中會造成一定時延。為此，可以采用相應的免調度技術來解決，其中一種解決方案為免授權的上行傳輸，通過設置免授權頻段區域，讓用戶在相應區域內部實現“無縫”數據傳輸，而忽略了調度請求環節，這對于控制信道開銷有重要意義。然而，當兩個及以上用戶通入收到同一資源時，理論上是存在沖突的，這是應添加競爭機制。除此之外，還可以采用隨機接入上行傳輸、隨機接入下行傳輸以及廣播下行傳輸等免調度技術。

1.4 低時延幀結構設計

為了達到預期的低時延性能，可以采用較大子載波間隔的方式降低調度時延，可通過循環前綴控制子載波干擾，進而提高傳輸可靠性。通過合理的設計幀結構可以直觀地增強低時延特性，其中關鍵參數為時隙、短時隙、子載波間隔、TTI以及物理資源塊。

2 無人駕駛產業5G解決方案設計

無人駕駛場景對安全性要求極高，因此對5G通信方案的要求主要表現為低時延特性上，因此本節將著重從增強通信方案時延性的角度討論技術方案的設計，進而滿足無人駕駛系統對通信提出的苛刻需求。

2.1 網絡整體架構設計

為了滿足無人駕駛對數據傳輸及時性的要求，如今的LTE網絡架構無法勝任，所以應當采用全新的5G網絡架構來達到毫秒級的傳輸要求。在已有的LTE網絡架構基礎上，可以把EPC與eNB進行融合以后才部署，也就是實現了EPC功能下沉。與此同時，可以基于D2D技術實現車與車之間的及時通信，整體架構就實現了小區內車與車以及小區間車與車的通信功能。在改系統架構中，應對無人車終端與應用層間（5G-V）的接口協議進行制訂，進而達到二者通信管理的目的。無人車終端與應用層間協議棧包括了介質訪問控制、數據匯聚協議、GTP-U協議以及無線鏈路控制這4個部分，除了GTP-U是面向隧道數據傳輸的以外，其他3個協議均起到資源調度、管理的作用。

2.2 車與車空口協議棧

對于無人駕駛產業而言，無需對X2、S1接口進行維護，下文討論僅圍繞空中接口，也就是Uu接口與Un接口。在車與車的通信網絡中，由于接口兩端均為UE實體，因此必須對空中接口重新界定，且應具備D2D的通信與發現功能。對于車與車而且，空口協議棧同樣可以劃分為發現與通信兩種功能。對于前者，目的是感知周圍車輛及其他障礙物，該功能的實現需要建立介質訪問控制層與物理層，進而達到和高層交互的目的，并獲得發現信息;對于后者，其目的是讓通信變得更加直接，為此可以基于廣播傳播機制來實現。

2.3 5G空口設計

如今LTE系統空口遠遠難以達到無人駕駛所需的低時延要求，因此必須從空口物理層入手，做出改進設計。

2.3.1 傳輸參數集

5G的空口系統參數對傳輸速度、信號延遲等性能影響很大，其中核心參數為載波間隔與CP類型，根據當前研究成果可知，子載波間隔設計為60kHz是可以滿足需求的。

2.3.2 調度時序設計

合理的設計調度時序，能夠起到降低傳輸時延的目的，讓重傳次數最大化。在5G技術的幫助下，eNB與UE處理時間容易控制到0.2ms以內。單次環回傳輸時延與數據包傳輸時間正相關，且滿足下式：

2.3.3 幀結構優化設計

面向無人駕駛產業的幀結構可以為Type2幀結構，各無線幀長度取1.25ms，將各無線幀劃分為2個半幀，各半幀又分別包括五個子幀。子幀1與6均包含3個特殊時隙，即DwPTS、UpPTS以及GP。這3個特殊時隙中，前兩者基于《LTE物理層協議》中的表格4.2-1進行子幀0與5的設計。

2.3.4 新多載波技術設計

多載波技術的革新是5G通信時代的一個標志性研究方向，對于無人駕駛產業而言更是不可或缺的一部分，最先進的新型載波技術包括正交頻分復用、UFMC等，其核心思想是通過濾波機制降低頻譜泄露。正交頻分復用對OFDM兼容良好，但是在適配信道上靈活性較差。作為改進，FBMC技術得到更多的關注，由于無CP，進而降低信令開銷，提供靈活可配的新空口。

3 結語

基于5G通信技術的無人駕駛產業落地是全球關注的熱點，本文針對無人駕駛對通信提出的苛刻的低時延要求展開技術方案討論，給出了相應的技術路線。然而，5G通信技術的發展必然是一個長期的過程，未來還有待針對eNB與EPC協議框架展開更加深入的研究。

參考文獻

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