5G對自動駕駛的影響

周天意 葉劍芯

(重慶郵電大學通信與信息工程學院 重慶 400065)

一、引言

自動駕駛能夠依據技術的提升實現快速避免交通事故，這個優點是人員駕駛所不具有的，最顯著的好處是減少交通事故。根據市場監管總局發布的2018年全國汽車安全狀況，截至2018年底，全國機動車保有量達3.27億輛，全國車輛事故的死亡人數仍然超過了3萬人，其中大部分車禍都是由于人為因素造成的。人類只有通過雙眼和雙耳來探測路面情況，環境感知能力較弱。而自動駕駛汽車可以使用主動與被動感測器持續做大范圍的探測周圍的環境，且360度無死角，因此，自動駕駛可以對潛存危機做出安全的反應，且其反應較人類駕駛更為迅速。

自動駕駛可以有效避免酒后駕駛。有數據指出在2018年全國共有17264人被依法終生禁駕，其中飲酒后或者醉酒駕駛機動車發生交通事故構成犯罪的有5149人，造成交通事故構成犯罪且有逃逸情節的有12115人[1]。而自動駕駛就不需在意乘客是否喝酒或有身體問題，因此，能有效避免酒后駕駛及所造成的交通危害。

然而目前的自動駕駛技術還不能夠廣泛推廣，原因主要是因為現有的自動駕駛技術距離實際的安全應用仍然有一定的距離。如何提升自動駕駛技術，仍然是一個有意義的研究課題。

二、自動駕駛現在面臨局限性

現在并沒有實現高度自動駕駛，主要原因包括網絡延遲較大、數據傳輸帶寬不足等，在信息交互方面的約束主要是上述兩個技術不足。

（一）4G網絡的延遲分析

4G網絡的峰值速度100Mbps，網絡延遲約為50ms，當一輛汽車在100Km/h的速度下行進，50ms的剎車緊急制動的距離約為1.4m，這在真實的駕駛環境中很容易發生意外。且4G主要側重于人與人之間的通信，雖然使用的是低頻段覆蓋面廣，但在使用的人多時數據傳輸鏈路會出現擁擠現象，這會導致網絡延遲更加嚴重。4G網絡應用服務器集中于中心機房，距離終端遠，中間需要經過多個傳輸節點，在中間多次處理和轉發信息的過程中會耗費時間，增加了端到端的延時。

（二）4G網絡帶寬分析

排除其它因素，如果客戶端和服務器端直接通過一個路由器連接，但帶寬只有10Kbps，卻同時有多個應用需要傳輸遠超帶寬的數據量200Kbps，這時候會造成大量數據丟失，從而表現為響應延時。而且自動駕駛是一個連續的過程，需要實時將路面情況、周圍車輛信息上傳車聯網，然后將車聯網中需要的信息下載下來。因為路面情況復雜，不管是上傳還是下載的都是龐大數據量，在等待數據傳輸時必定會產生延遲，因此，需要高帶寬來減少延遲。

目前全球已發生了多起自動駕駛車禍，如Uber自動駕駛車公共道路致路人死亡案件、特斯拉Model S 高速公路追尾消防車案件、谷歌無人駕駛測試車與貨車相撞案件等，說明現在的技術、政策、設備還不能實現自動駕駛的廣泛應用。其中，延遲是重要的制約因素之一。

三、5G網絡特征分析

4G已經不能滿足自動駕駛需要的低時延。2019年5G的面世帶來了一個更加先進的信息時代，5G具有低延遲、高帶寬的特點，帶來了自動駕駛的新時代。

（一）5G網絡寬帶特征

通信都是通過電磁波來完成的，而電磁波的頻率是有限的，由香農公式可知帶寬取決于工作頻譜帶寬和信噪比。而5G的頻率范圍包括兩個頻段：5G sub-6GHz（450MHz-6000MHz）、5G毫米波頻段（24250MHz-52600MHz），優先使用了3.5G頻段和mmWave，因此，擁有了高帶寬、高速率。可以看出5G網絡的數據傳輸速度遠遠高于以前的蜂窩網絡，最高可達10Gbit/s，比4G網絡快100倍，這個優勢也是我們在日常生活中最能體會到的。

（二）5G網絡時延特征

5G低時延的實現主要遵循：一是需要大幅降低空口傳輸時延，二是減少源節點到目的節點的距離，盡可能縮減轉發節點[2]。

新型幀結構技術（shorted TTl）。該技術主要考慮采用更短的子幀長度，以實現更短時延的傳輸，即傳輸時間間隔。從LTE的系統設計看，傳輸時間間隔是數據傳輸時長的主要來源。因此，降低子幀長度可以降低數據傳輸時長，如果重新設計子載波間隔和一個子幀中包括的OFDM符號數量，使得一個子幀對應時長變短，就可降低數據傳輸時長[2]。

MEC技術（移動邊緣計算）。除去網絡內部時延，還需要減少往返傳輸時延。減少往返時延需要將網絡下沉，讓用戶可以就近訪問。移動邊緣計算通過網絡側功能和應用部署能力下沉至距離用戶設備最近的無線接入網邊緣，為應用開發商和內容供應商提供云計算能力和lT服務環境，使得應用部署更加靈活、網絡能力按需編排、業務處理更靠近用戶，更好地滿足高回傳寬帶、低時延等應用需求[3]。

核心網功能下沉。5G網絡架構設計思想使龐大的接入網更加集中化、協作化、云端化以及綠色化。為了進一步降低時延，5G網絡將核心網用戶面部分功能下沉至基站，由原來的集中式核心網演變成分散式核心網。這樣原來中心控制的核心網功能在地理位置上就會更靠近終端，達到降低時延的目的[2]。

四、5G網絡下的自動駕駛

5G對于延時的最低要求是1毫秒。當一輛汽車在100Km/h的速度下行進，50ms的延時會導致車沖出1.4m，而1ms的延時車會沖出0.028m，因此，在5G下的自動駕駛可以在毫米之間停下，將避免很多交通事故。有數據指出自動駕駛未來每秒將傳輸多達0.75GB，而5G的理想帶寬為20Gpbs，5G的大帶寬可以支撐自動駕駛時的大數據傳輸。

五、小結

目前自動駕駛不能廣泛應用的主要原因包括網絡延遲大和網絡帶寬不足。而5G技術應用新型幀結構技術、MEC技術實現核心網功能下沉和采用5G sub-6GHz頻段、5G毫米波頻段（24250MHz-52600MHz）實現了網絡低時延和網絡高帶寬。因此，5G技術的出現讓自動駕駛的廣泛應用成為可能。