陈山枝：打造“5G+车联网”中国模式！

由国家发展和改革委员会、科学技术部、工业和信息化部、国家广播电视总局、国家 互联网 信息办公室、中国科学院、中国工程院、中国科学技术协会、天津市人民政府主办的“2020年第四届世界智能大会(天津)”(WIC 2020)正以“云上办会”的形式火热进行中。

WIC 2020邀请百余位智能 科技 领域的知名专家和企业家,深入阐释“智能新时代:创新、赋能、生态”这一主题。迈向智能新时代,融合了感知、传输、存储、计算、处理为一体智能基础设施的重要性之大可谓“其大无外”。作为智能基础设施的重要组成部分、国家新基建之首的5G,在与AI、云计算、边缘计算、大数据、传感技术等基础技术深度融合后,可充分发挥技术引领作用,凝聚合力推动迈入智能新时代。而于其中,在未来, 汽车 将成为最大的5G移动终端,车联网被各界视为最有前景、单体规模最大的5G垂直行业应用,这使得我国智能网联汽车产业乃至整个智能交通事业正面临前所未有的技术变革和发展模式创新。正如中国信息通信科技集团有限公司副总裁、专家委主任,无线移动通信国家重点实验室主任陈山枝博士应WIC 2020之邀在大会上作专家报告时所阐释——“5G+车联网”的发展是我国汽车工业崛起并由汽车大国走向汽车强国的重要战略机遇期。

美、欧、亚多个国家和地区政府高度重视车联网产业发展,均把车联网产业作为战略制高点,通过制定国家政策或通过立法推动产业发展。其中,C-V2X(含LTE-V2X、NR-V2X)技术标准在全球竞争中已经形成了超越态势,成为国际主流的车联网通信标准。该技术非常“年轻”,朝气甚是蓬勃、发展极其迅速,回顾起来,始于陈山枝博士在2013年5月17日(世界电信日)代表CATT(电信科学技术研究院)/大唐在全球率先提出的LTE-V2X概念和关键技术,此后至今,大唐等中国公司在C-V2X技术标准、样机开发、产业合作、应用示范等方面已取得主导地位和领先优势,走在全球前列。7年多以来,陈山枝博士及大唐团队为实现我国主导的4G TD-LTE、5G和LTE-V2X车联网的核心技术突破、国际标准制定和产业化做出了重要贡献,为我国5G与车联网“全球引领”做出了突出贡献,成果正应用于我国当下如火如荼的新型基础设施建设之中,在全球产业界具有很大的影响力(比如分别在2016年和2017年发表于IEEE期刊的两篇经典论文:“LTE-V: A TD-LTE-Based V2X Solution for Future Vehicular Network”,“Vehicle-to-Everything(v2x)Services Supported by LTE-Based Systems and 5G”,截至今年6月24日的Google学术被引量分别高达216和291次)。5G 微信 公众平台(ID:angmobile)认为,这些正是WIC 2020邀请陈山枝博士深入阐释“智能新时代:创新、赋能、生态”这一大会主题的原因所在。

大咖出场,立意深远、高瞻远瞩、深入剖析。陈山枝博士在WIC 2020作了《“5G+车联网”推进中国特色的车路协同发展模式》专家报告。他指出,我国正在走出一条与发达国家不一样的发展智能交通和自动驾驶的发展模式,即基于蜂窝车联网的“聪明的车+智慧的路”的车路协同发展模式。

1、网联化:C-V2X技术与标准进展

陈山枝首先介绍,汽车作为现代社会重要的交通工具,在给人类带来舒适和方便的同时,随着其数量的快速增长,交通安全、城市拥堵、能耗等问题日趋严重。在此背景下,V2X技术应运而生,实现车辆与周围的车、人、交通基础设施和网络等全方位连接和通信,在提升交通效率、提高驾驶安全、降低事故发生率、节能减排等方面表现出突出优势。

“汽车产业正面临百年未有之的大变革,汽车产业的‘四化’(电动化、智能化、网联化、共享化)变革中的‘三化’(智能化、网联化、共享化)均迫切需要V2X为其提供基础性的通信和连接支撑能力。V2X包括车辆与车辆通信(V2V)、车辆与行人通信(V2P)、车辆与基础设施通信(V2I)、车辆与网络通信(V2N),具有低时延、高可靠等特殊严苛的要求。车联网基于V2X通信提供的环境感知、信息交互与协同控制能力,支持交通安全类、交通效率类、自动驾驶类、信息娱乐类等丰富的应用类型,与智能交通、自动驾驶等领域融合发展、协同演进。”陈山枝说到。

他分析,V2X通信面临车辆移动引起的网络拓扑高度动态性与时空复杂性、无线传播环境复杂快时变、高密度下的低时延和高可靠通信难题等新科学问题。美国主导的IEEE 802.11p标准在Wi-Fi基础上增强设计为V2X直通通信,已有近十年的研究和测试评估,虽然能够提供多对多、低时延通信,但可靠性差。此外,蜂窝移动通信(如4G LTE)技术具有覆盖广、容量大、可靠性高的优点,但端到端通信时延大。由此看来,单一的直通通信或蜂窝通信制式各具优缺点,但均无法满足车联网通信需求。

为了解决这一世界性的共同难题,陈山枝博士带领大唐研究团队在2013年最早基于4G LTE提出蜂窝通信与直通通信融合的LTE-V2X概念和关键技术,之后联合我国企业共同牵头在3GPP主导LTE-V2X国际标准制定,于2017年3月完成标准化,建立了基本(道路)安全服务的基础。此外,随着移动通信系统从4G向5G演进,为满足自动驾驶、车辆编队等增强应用及更高通信传输速率、更低时延、更高可靠性等要求,LTE-V2X目前正在向NR-V2X演进(增强和补充NR-V2X),3GPP正在5G新空口无线传输基础上制定标准,计划2021年完成,支持自动驾驶及未来车联网需求。

陈山枝指出,从上述看来,根据3GPP C-V2X车联网技术标准演进,LTE V2X和NR V2X是互补关系,而不是替代关系(LTE-V2X和NR-V2X的in-device共存)。相比LTE-V2X,NR-V2X面向更高级V2X业务,提供更灵活、更可靠、更快速通信服务。比如车辆编队、高级驾驶、传感扩展、远程驾驶等时延在3ms级,接入可靠性在99.999%,数据传输速率要求100Mbps -1000Mbps等应用,NR-V2X相当于要求在直通链路(Sidelink)上实现eMBB以及URLLC。

多次实际测试的结果均表明,相对于IEEE802.11p,C-V2X技术在帧结构、网络覆盖、通信场景、时延、可靠性、峰值速率、波形、信道编码、资源复用、同步、重传、资源分配、多天线等关键方面具有绝对优势,吸引了来自信息技术、汽车工程、运输工程领域的学术专家与行业专家们的浓厚兴趣。由此,C-V2X已发展成为全球主流的车联网通信标准。继我国率先于2018年为LTE-V2X直连通信分配了5.9 GHz频段20 MHz专用带宽之后,随着产业路径逐渐清晰,美国于2019年12月为C-V2X分配5.9 GHz的20MHz频段,欧洲也由支持IEEE 802.11p转向“技术中立”。

2、网联化+智能化:自动驾驶发展的必经路径

目前,我国在汽车“网联化”方面领先全球。通过提供信息交换和环境感知能力,C-V2X是从“单车智能”发展到“网联智能”的重要使能技术。如果车辆依靠单车感应(通常是雷达/激光雷达/单目或双目摄像头,即高级驾驶辅助系统ADAS)、单车智能(通常是车载计算平台)和通信(通常是4G通信模块),则具有以下缺陷:①感知能力有限。这主要是由于仅能进行视距范围的感知,在恶劣天气和光线急剧变化情况下不能进行稳健的感知,且时间和空间同步存在困难;②计算能力有限。所有复杂的计算任务都于车载计算平台上执行,价格很高,而且处理能力有限,从而阻碍了批量部署;③通信能力有限。使用4G通信模块无法满足各种道路安全应用对于低时延和高可靠的要求,并且无法为高清地图、虚拟现实和增强现实应用提供足够的数据速率支撑。综上,“单车智能”无法实现“完全自动驾驶”。

陈山枝介绍,车联网技术与传感器技术是“互补”关系,二者促进形成“网联化+智能化”,实现从“单车智能”发展到“网联智能”。5G微信公众平台(ID:angmobile)了解到,对此,他列举了一些很生动的实例,比如,单车智能下,汽车的转弯、变道等处理迟钝,而C-V2X通过车路、车车协同可快速处理;单车智能对人群等群体性目标识别困难,而C-V2X通过人-车协同可轻松地识别;在复杂路口出,单车智能的处理能力差,而C-V2X通过车路协同可轻松地处理;再一个,单车智能无法适应没有明显车道线的路况,但是C-V2X可通过车-路协同很好地适应。此外,单车智能无法在非视距情况下发挥作用,而相关路况下,C-V2X就可以“大显身手”,比如实际的测试、示范表明,C-V2X很够很好地辅助弯道行驶、处置前方大车遮挡等。

业界已经达成共识,基于C-V2X的车路协同,可大大弥补单车智能感知和决策上的不足,推动自动驾驶早日落地,由此,ADAS+C-V2X融合发展成为大势。陈山枝介绍,毫米波雷达、激光雷达、摄像头等高级驾驶辅助系统(ADAS)受限于视距、环境等因素,成本高且难以适应复杂道路环境,需要C-V2X技术配合,ADAS+C-V2X通过把“单车智能”发展到“网联智能”,提升车辆的感知广度和深度,不仅能够提高驾驶的智能性和安全性,而且能够整体地提升道路安全交通效率——可预防多达96%的交通意外,最终实现(高级别的)自动驾驶。

3、“5G+车联网”发展展望

陈山枝进一步指出,“网联化+智能化”的技术融合与产业促进,是自动驾驶发展的必经路径,而这个路径,首先是LTE-V2X(传感增强,辅助驾驶)+单车智能(单车感知识别);发展到一定阶段,再是MEC+LTE-V2X(安全可控与车辆数据分析)+协同感知(共享感知信息);发展到最后就是NR-V2X(网络支撑业务能力飞跃)+网联智能(复杂应用场景,协同决策),从而使能自动驾驶与智能交通。

由此,陈山枝指出,“5G+车联网”是网联化和智能化发展的关键技术。对此,他从四大方面对“5G+车联网”无可比拟的优势作了深入剖析。一是增加感知范围。可提前获取城市范围内的关键道路、路口、车辆、行人、信号灯状态等信息,感知更精准,可有效保障行车安全。二是降低感知成本。网络辅助方式,可有效降低单车高精度传感器(高精度雷达等)的部署数量和成本,降低非视距、恶劣环境下的感知成本。三是提升交通效率。通过网络让车辆与道路实时联动,可以增强道路通行效率,缓解交通拥堵,提升城市交通管理效率。四是丰富网联应用。主要包括远程驾驶,编队行驶,自动泊车;车速引导、路况精准提醒;高清视频实时分享。

再进一步地,陈山枝指出,自动驾驶和智能交通的必经路径是“三网融合5G智能网联”。大唐很早就提出了“三网融合5G智能网联解决方案”。其中的“三网”包括车内网、车际网和车云网——车内网通过控制器局域网络(CAN)技术建立的整车内部通信网络,实现汽车内部控制系统与各检测和执行部件间的数据通信;车云网远程信息服务或车载移动互联网,指车载终端通过4G/5G等实现与互联网的无线连接;车际网(V2X)是实现车-车通信、车-路通信的无线通信技术,目前国际上主要是C-V2X,车云网和车际网都可以通过C-V2X实现。“三网融合”是实现自动驾驶和智能交通的关键——车际网(V2X)联合ADAS 实现车-车和车路协同,车云网将各种数据上传至云平台,实现宏观交通调控及开拓“出行即服务(MaaS)”等新市场。

C-V2X与车路协同是未来智能交通和自动驾驶的重要使能。通过车与车、基础设施、行人、网络、云的低时延、高可靠V2X通信能力,实现数据、计算任务、决策结果、控制指令在车辆及不同道路元素之间的传输,从而实现协同感知、决策和控制。这一过程并非可以一蹴而就,陈山枝预计,C-V2X的应用预期将经历以下三大发展阶段:

① 支持辅助驾驶安全、提高交通效率:需要LTE-V2X直通模式(PC5)和4G蜂窝(Uu)支持,提供车-车、车-路协同感知能力,在城市道路和高速公路部署LTE-V2X,实现智能交通,提高交通效率,驾驶辅助安全;

② 封闭园区和封闭道路中商用车的中低速自动驾驶:需要LTE-V2X和5G蜂窝(Uu)支持,与区域部署的MEC相结合,提供封闭区域(如工业园区、港口、矿山等)的协同决策和控制能力。实现在特定区域、特定场景(园区、港口)等部署LTE-V2X,通过区域性中低速行车协同决策与控制,实现商用车(如工程车、货运车、无人驾驶出租车等)自动驾驶;

③ 乘用车的自动驾驶以及高速公路的车辆编队行驶:需要NR-V2X和5G蜂窝(Uu)支持,与广泛部署的MEC融合提供开放道路的协同决策和控制能力。支持高度智能、广域网联感知、决策、控制等广域高速行车协同决策与控制,实现乘用车自动驾驶。

“上述第一阶段和第二阶段在这几年都会部署和商用。但第三阶段涉及普通消费者的乘用车自动驾驶可能需要很长时间才能实现,因为还涉及到法律等其它因素。”陈山枝说到。

陈山枝进一步阐释,在上述发展过程中,C-V2X与MEC的融合是C-V2X技术发展趋势之一。C-V2X与MEC的融合能够实现车联网中通信-计算-存储的融合,实现车-路-云的协同感知、决策和控制,在这些增强应用中,需要支持大数据分析、数据挖掘、深度学习等计算密集、数据密集型任务,C-V2X与MEC的融合能够避免集中云的高时延,满足低时延高可靠通信需求。结合MEC更大数据量更大范围的信息传播、边缘部署保障高带宽、低时延的特点,将能提供更广泛、更精确的信息感知、更强大的群体智能、更低的建设和 投资 成本。

4、中国信科(大唐)对车联网和车路协同的重要贡献

陈山枝介绍,中国信科集团是由大唐电信集团与烽火通信集团2018年7月重组成立的一家新的中央企业,大唐电信集团是我国移动通信“创新高地”,是3G TD-SCDMA的提出者,4G TD-LTE核心知识拥有者和标准主导者,5G关键技术和国际标准的主要贡献者;烽火通信集团是光通信的发源地,我国光通信系列核心器件的首创者,建立6+1产业基地,从1965年至今承担国家多条干线网络工程。

大唐C-V2X车联网设备已在国内智能网联示范区大规模部署。这源于大唐从C-V2X技术诞生到快速成长至今的过程中的深耕与引领——2013年大唐首次在国内外提出LTE-V2X车联网概念,并主导国际标准制定;2014年推动3GPP标准立项,发布全球首台LTE-V2X样机;2016年发布业界首款预商用设备,幵广泛应用于各大示范区;2017年发布业界首款基于自研芯片LTE-V2X预商用产品OBU/RSU;2018年发布全球首款车联网模组产品升级支持3GPP Rel-14;2019年发布车规级参考设计模组用于前装车载终端市场,发布具备融合感知及地基增强能力的整体解决方案。目前,大唐已经率先推出车规级通信模组DMD3A。2020年6月,中国信科集团旗下大唐高鸿与阿尔卑斯阿尔派联合宣布,双方合作打造的车规级模组DMD3A生产线已顺利完工并正式量产。

在一系列政策的支持下,我国建设了10个智能网联汽车示范区,中国信科旗下大唐高鸿的车联网产品和解决方案广泛应用于各大示范区部署。2018年8月,重庆i-VISTA自动驾驶大赛中首次引入LTE-V2X,大唐高鸿独家为此次挑战赛提供了LTE-V2X相关设备和技术支持。2018年11月,V2X“三跨”互联互通应用展示是世界首例跨通信模组、跨终端提供商和跨整车厂的互通测试,体现了中国C-V2X标准及产业的成熟度。2019年10月,中国汽车工程学会,IMT-2020 C-V2X工作组等单位联合组织了C-V2X“四跨”互联互通应用展示活动,在2018年“三跨”基础上增加了安全机制,共70多家厂商参与,体现了中国C-V2X产业的健康有序的发展势头。大唐高鸿作为唯一端到端供应商全面参与“三跨”、“四跨”活动,全面提供路侧设备(RSU)、车载终端(OBU)、LTE-V2X通信模组、CA和安全模块等产品和解决方案。

此外,大唐也在全国多地开展5G智能网联汽车示范应用,典型的包括在厦门建成国内首个BRT快速公交5G智能网联应用、在重庆建成首个5G自动驾驶应用示范公共服务平台、在天津建成国内高校首个5G智能网联试验区,其他还有郑州智慧岛智能公交、天津东风商用车列队行驶示范、南京智慧公交和远程驾驶系统等。比如,作为中国第一个基于C-V2X的面向商用的智能公交项目,大唐与厦门BRT(快速公交系统)公交车制造商“金龙”合作开发了智能公交系统。相关测试沿着商用BRT公交路线开展,其为中国唯一的商用半开放式公交路线。其中,C-V2X设备部署在BRT公交车和路侧设备RSUs。5G NR蜂窝网络覆盖了整个BRT线路。借助MEC,V2V和V2I通信可以以低时延、高可靠性、高吞吐量性能提供“协作感知”。在智能公交系统的支撑下,一些车路协同类应用得到了验证,包括:公交车到站安全精准停靠、NLOS(非视距)防碰撞、NLOS通信下的交叉路口的信息交换、交通信号调整、运力调度优化、最佳行驶策略规划。

5、跨界融合,合作共赢

陈山枝指出,随着《工业和信息化部关于推动5G加快发展的通知》等文件的发布,5G新基建已经到来,未来需要更加丰富5G应用场景,培育新型应用模式,构建5G应用生态系统。5G+车联网、5G+工业互联网、5G+医疗健康等在众多应用中相比更加成熟,将有利于得到更快的推广和应用。

从大的层面看,智能交通的发展,需要汽车制造业、交通产业、通信产业、IT产业、运营服务业的跨界融合与合作共赢。而在5G+车联网方面,基于C-V2X的道路基础设施将包括应用层的交通监管、事故处理、信息发布、车辆调度、行车辅助、出行辅助、合作驾驶等的应用系统建设,包括LTE-V2X网络建设,以及智能终端、道路传感网、车辆传感网、监控设备等基础交通设施的投资和建设。在现有的高速公路、城市道路的基础设施上,增加基于C-V2X技术的道路基础设施的建设与投资,将是构建智能网联新架构的重要组成,从而构成车路协同的新的网络。新的网络将实现交通和交警的跨界融合,为大众带来新的智慧出行服务。

“综上看来,推进‘5G+车联网’的新基建,部署LTE-V2X路侧基础设施,将走出有中国特色的、基于C-V2X的车路协同发展模式,支撑我国汽车产业和交通行业的变革,实现智能交通和自动驾驶,并将培育智慧路网运营商、出行服务提供商等新业态、新 商业 模式。”陈山枝作了总结性的阐释。

陈山枝最后表示:“未来的汽车将是新型的载人移动智能电子设备,而中国是全球最大的汽车生产国和销售国,5G+车联网的发展是我国汽车工业崛起,由汽车大国走向汽车强国的重要战略机遇期。中国信科希望后续与业界同仁随5G扬帆起航推进5G商用和车联网应用、车路协同发展,与产业界共同合作实现梦想,创新合作共赢!中国信科(大唐)拥有完备的智能网联产业链,愿以‘共赢之轮’这一智能网联跨界合作生态模式,与各方跨界合作,实现共赢发展!”

【附】陈山枝博士简介:中国信息通信科技集团有限公司副总裁、专家委员会主任、教授级高级工程师,工业和信息化部通信科学技术委员会常务委员,中国电子学会会士,中国通信学会会士,无线移动通信国家重点实验室主任、博士生导师,IEEE Fellow。曾任国家“863”计划专家组成员、国家科技重大专项专家组成员等。目前主要研究领域为5G/6G移动通信系统、蜂窝车联网、移动性管理等理论与关键技术,以及相关标准制定及产业化。主持国家自然科学基金重点项目、国家科技重大专项等20余项科研项目,在信息领域权威期刊发表SCI论文60余篇,授权发明专利40余件,部分被欧洲电信标准化协会(ETSI)披露为4G和5G国际标准必要专利,出版学术专著6本。研究成果获得国家科学技术进步奖特等奖(2016年)、国家科学技术进步奖一等奖(2012年)和国家科学技术进步奖二等奖(2001年)、国家技术发明奖二等奖(2015年)、何梁何利基金科学与技术创新奖(2017年)、第二届全国创新争先奖(2020年)。