基于5G智能網(wǎng)聯(lián)車系統(tǒng)的建設(shè)研究

楊俊峰，劉思思

（湖北郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，湖北 武漢 430023）

0 引 言

基于5G通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)汽車網(wǎng)聯(lián)式智能駕駛和AI輔助決策，利用無(wú)所不在的感知設(shè)施和超高精度定位手段，融合邊緣計(jì)算能力，搭建靈活、彈性以及高效的決策架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)車路信息協(xié)同。極大提升了車輛自主控制和輔助駕駛的能力，在各類應(yīng)用場(chǎng)景下高效且便捷地服務(wù)于現(xiàn)實(shí)社會(huì)的各類需求，進(jìn)行高效、安全以及可視化的交通管理，使智慧大交通信息服務(wù)成為可能。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 5G通信技術(shù)

5G具有接入技術(shù)手段復(fù)雜、網(wǎng)絡(luò)層級(jí)多、設(shè)備類型多樣以及用戶交互種類多的特點(diǎn)。在5G網(wǎng)絡(luò)中可提供時(shí)間連續(xù)且空間平滑對(duì)接的通信服務(wù)和用戶體驗(yàn)，峰值理論傳輸速度滿足智能網(wǎng)聯(lián)車實(shí)時(shí)傳輸?shù)男枰４送猓?G通信技術(shù)具備高頻段傳輸、新型多天線傳輸、同時(shí)同頻全雙工、D2D、密集網(wǎng)絡(luò)以及新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等技術(shù)特點(diǎn)，可滿足車聯(lián)網(wǎng)需求。

1.2 邊緣計(jì)算

邊緣計(jì)算已有3種業(yè)界廣泛認(rèn)可的技術(shù)架構(gòu)。其中，多接入邊緣計(jì)算，可實(shí)現(xiàn)將較為密集的計(jì)算任務(wù)分配到周圍或附近的網(wǎng)絡(luò)邊緣服務(wù)器上，從而降低核心網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載壓力，也轉(zhuǎn)移了傳輸網(wǎng)所面臨的傳輸壓力?？捎行Ы档蜁r(shí)延，保障了網(wǎng)絡(luò)的性能穩(wěn)定、高帶寬的應(yīng)用以及數(shù)據(jù)處理效率。通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)和邊緣計(jì)算能力，構(gòu)建了面向多租戶和多業(yè)務(wù)的邊緣計(jì)算管理平臺(tái)，提供了計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等服務(wù)。

1.3 5G車路協(xié)同智能駕駛

結(jié)合5G通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，利用邊緣計(jì)算、5G智能駕駛分級(jí)決策架構(gòu)、時(shí)空融合感知以及車路協(xié)同等先進(jìn)性技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“5G網(wǎng)聯(lián)+車路協(xié)同”一體化智能網(wǎng)聯(lián)智能駕駛技術(shù)。

2 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

5G網(wǎng)絡(luò)的智能網(wǎng)聯(lián)車系統(tǒng)總體架構(gòu)可分為設(shè)備層、邊緣層以及云計(jì)算層3層。基于5G網(wǎng)絡(luò)的智能網(wǎng)聯(lián)車系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于5G網(wǎng)絡(luò)的智能網(wǎng)聯(lián)車系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.1 設(shè)備層

設(shè)備層由具備智能設(shè)施或裝備的車輛以及智能路側(cè)感知等傳感設(shè)備構(gòu)成。車輛在加裝相關(guān)設(shè)備后，具備一定的數(shù)據(jù)采集和感知控制能力。通過(guò)車載傳感器探查和感知周圍環(huán)境，為車載控制系統(tǒng)提供決策依據(jù)。同時(shí)，將相關(guān)探查信息和車輛自身數(shù)據(jù)信息通過(guò)無(wú)線傳輸方式傳給邊緣層。邊緣層和車輛的交互是雙向的，車輛可以實(shí)時(shí)接收邊緣層發(fā)出的路側(cè)感知信息和決策調(diào)度命令。一般而言，路側(cè)智能設(shè)備包括視覺(jué)感知設(shè)備、路側(cè)激光雷達(dá)、路側(cè)雷達(dá)、智慧紅綠燈以及傳感器等。智能設(shè)備獨(dú)立于車載感知設(shè)備工作，實(shí)時(shí)采集行人、車輛以及道路相關(guān)信息，并通過(guò)有線或無(wú)線方式實(shí)時(shí)反饋至邊緣層。智能路側(cè)設(shè)備和邊緣層的交換也是雙向的，可實(shí)時(shí)接收邊緣層各類信息和指令。

2.2 邊緣層

邊緣層根據(jù)各類數(shù)據(jù)處理請(qǐng)求，完成數(shù)據(jù)分流工作。依據(jù)智能駕駛業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)類型，將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分配至邊緣層本地處理或轉(zhuǎn)發(fā)至云端處理。邊緣層獲取各類感知信息，包括來(lái)源于各類路側(cè)設(shè)備和車輛感知設(shè)備的信息，道路狀態(tài)、環(huán)境情況以及區(qū)域擁塞信息等?；诙嘣炊嗲赖母兄?，對(duì)海量信息進(jìn)行融合重構(gòu)，同時(shí)基于交通規(guī)劃實(shí)現(xiàn)交通信號(hào)燈控制和動(dòng)態(tài)調(diào)整限速。

2.3 云計(jì)算層

云計(jì)算層通過(guò)云基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)能力，可完成宏觀的數(shù)據(jù)服務(wù)，提供道路規(guī)劃、處理業(yè)務(wù)大數(shù)據(jù)、調(diào)度交通實(shí)時(shí)、預(yù)測(cè)大數(shù)據(jù)監(jiān)管、導(dǎo)引職能路徑以及服務(wù)全局高精度地圖等。根據(jù)需求，還可為每一個(gè)網(wǎng)聯(lián)車輛規(guī)劃最優(yōu)路徑。

3 5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)部署

5G網(wǎng)絡(luò)將eMBB移動(dòng)寬帶和MEC有機(jī)組合。核心網(wǎng)側(cè)采用CU分離架構(gòu)，C面部署在核心網(wǎng)云資源池，MEC下沉到邊緣機(jī)房CU位置，位于5G RAN的邊緣，作為分布式云的一部分，為智能網(wǎng)聯(lián)車系統(tǒng)提供邊緣計(jì)算能力和本地應(yīng)用部署的能力。5G核心網(wǎng)部署如圖2所示。

圖2 5G核心網(wǎng)部署

核心網(wǎng)主設(shè)備包括邊緣GW-U設(shè)備、MEC服務(wù)器以及其他組網(wǎng)設(shè)備。這些設(shè)備均采用虛擬化方式部署于中心機(jī)房，通過(guò)多臺(tái)通用服務(wù)器協(xié)同實(shí)現(xiàn)網(wǎng)元功能。無(wú)線網(wǎng)建設(shè)根據(jù)需要，沿主干道路連續(xù)覆蓋5G網(wǎng)絡(luò)，基站選址時(shí)需先進(jìn)行鏈路預(yù)估?；?G基站的有效覆蓋范圍，根據(jù)車輛行駛路線保障需要，保障重點(diǎn)區(qū)域的無(wú)縫使用。在重點(diǎn)路段，站點(diǎn)可交錯(cuò)穿插部署于道路兩側(cè)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的均勻覆蓋，而轉(zhuǎn)彎處應(yīng)設(shè)置在內(nèi)側(cè)?；咎炀€掛高需高出地面至少10 m，保證與地面視通。結(jié)合鏈路預(yù)算與覆蓋預(yù)測(cè)，建議城區(qū)站平均間距不大于1 km。同時(shí)，傳輸網(wǎng)采用SPN技術(shù)承載5G業(yè)務(wù)需求，采用GPON技術(shù)承載視頻監(jiān)控點(diǎn)和智能燈桿等監(jiān)控業(yè)務(wù)。C-RAN機(jī)房作為傳輸業(yè)務(wù)匯聚機(jī)房，用于解決5G拉遠(yuǎn)站前傳和監(jiān)控點(diǎn)的傳輸接入需求。前端設(shè)備接入部署如圖3所示。

圖3 前端設(shè)備接入部署

4 邊云協(xié)同平臺(tái)建設(shè)

智能網(wǎng)聯(lián)車的快速發(fā)展，對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸容量和數(shù)據(jù)處理能力帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。為提高用戶體驗(yàn)需求，邊緣計(jì)算成為了關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)前部署在MEC邊緣側(cè)的應(yīng)用規(guī)模逐漸擴(kuò)大，種類逐漸豐富。邊云協(xié)同管理平臺(tái)構(gòu)建于IaaS層之上，通過(guò)云端對(duì)邊緣側(cè)實(shí)施協(xié)同管理。PaaS層架構(gòu)使用容器搭建，并采用微服務(wù)通信框架。SaaS層采用前后端分離的架構(gòu)，前端使用H5，后端使用微服務(wù)架構(gòu)。邊云協(xié)同管理平臺(tái)從總體架構(gòu)層面主要分為邊緣云PaaS平臺(tái)和邊云協(xié)同PaaS管理平臺(tái)兩大部分。

4.1 邊緣云PaaS平臺(tái)

邊緣PaaS平臺(tái)構(gòu)建于當(dāng)前主流云計(jì)算和容器技術(shù)基礎(chǔ)之上，并通過(guò)微服務(wù)框架構(gòu)建其核心能力。平臺(tái)提供一整套平臺(tái)基礎(chǔ)服務(wù)，保障邊云高效穩(wěn)定的運(yùn)行，并與核心云同步實(shí)現(xiàn)應(yīng)用管理協(xié)同、業(yè)務(wù)管理協(xié)同以及服務(wù)協(xié)同。

4.2 邊云協(xié)同PaaS管理平臺(tái)

邊云協(xié)同PaaS管理平臺(tái)同樣構(gòu)建于容器和微服務(wù)架構(gòu)之上，可以統(tǒng)一管理所有邊緣云PaaS平臺(tái)，為用戶和管理者提供統(tǒng)一的門戶。提供邊緣應(yīng)用的全生命周期管理，包括應(yīng)用的推送、安裝、卸載、更新、監(jiān)控以及日志等，同時(shí)可以提供邊緣應(yīng)用的開(kāi)發(fā)和模擬測(cè)試。

5 車路協(xié)同系統(tǒng)應(yīng)用建設(shè)

自動(dòng)駕駛技術(shù)是智能網(wǎng)聯(lián)車發(fā)展的重要方向。利用5G無(wú)線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)路側(cè)感知信息和車輛感知，并實(shí)時(shí)將自身信息傳輸回后端，與其他職能網(wǎng)聯(lián)車進(jìn)行交互。同時(shí)，多種傳感器系統(tǒng)的結(jié)合，借助于大數(shù)據(jù)信息處理能力，可以實(shí)現(xiàn)車輛感知范圍的急劇擴(kuò)大。通過(guò)采集周圍車輛速度、位置、方向以及警示信息，可實(shí)現(xiàn)車輛的安全防碰撞系統(tǒng)。將車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)用于車與路的交互時(shí)，可以直接預(yù)警車輛行駛，對(duì)車輛進(jìn)行預(yù)防性控制，極大提升了道路通行的安全和效能[1]。此外，在打造基于智能車路協(xié)同的自動(dòng)駕駛應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，可充分借助5G無(wú)線技術(shù)的大帶寬、低時(shí)延以及高可靠等特點(diǎn)，建立多層級(jí)的彈性自動(dòng)駕駛體系架構(gòu)。在增強(qiáng)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)整體感知、決策以及控制能力的同時(shí)，達(dá)到降低技術(shù)實(shí)現(xiàn)成本和提高安全性等目標(biāo)。

6 結(jié) 論

智能網(wǎng)聯(lián)車是智能交通系統(tǒng)工程的重要發(fā)展方向，融合了5G、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)應(yīng)用以及AI智能等新技術(shù)，是產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的熱點(diǎn)與未來(lái)發(fā)展的制高點(diǎn)?？梢灶A(yù)期，智能網(wǎng)聯(lián)車系統(tǒng)建設(shè)可推動(dòng)交通大數(shù)據(jù)一體化采集、形成深度挖掘和全局應(yīng)用的能力，還可推動(dòng)交通大數(shù)據(jù)的跨部門共享共用，促進(jìn)云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)在行業(yè)監(jiān)管、運(yùn)行管理以及服務(wù)領(lǐng)域的深度應(yīng)用，全面提升交通運(yùn)輸?shù)墓┙o能力、運(yùn)行效率、安全性能以及服務(wù)質(zhì)量。