【从零开始学5G】基于C-V2X智能驾驶加速落地
时间:2021-08-19 10:40:13

5G时代到来,为智能驾驶带来了空前机遇。为了确保安全性,除了车机的各种感知融合,行业玩家也在想方设法利用现代通信带给我们的各种能力,不断加速智能驾驶技术演进,比如V2Xvehicle to everything,车联网),特别是CV2XCellular VehicletoEverything,蜂窝车联网),尽早捞到商业价值的第一桶金。目前,智能驾驶技术发展战略主要有两条技术路线:一条是发展较早的“单车智能”自动驾驶方案;另一条是中国引领的“车路协同”自动驾驶技术方案。

随着激光雷达、毫米波雷达、自动驾驶高算力芯片等的不断成熟,目前已有越来越多的新车采用“单车智能”方案实现了L2甚至是L3级自动驾驶功能。从单车智能实际使用情况来看,仍然存在恶劣天气,超视距路况,以及危险驾驶等场景的驾驶安全风险;也难以解决拥堵、低效等交通难题。与此同时,人们发现当前阶段单车智能实现的自动驾驶技术距离L4/L5级别的真正意义上的无人自动驾驶,还有很多的技术难点需要解决,自动驾驶落地可能要到2030年。

我国自2020年后从单车智能转向了车路云结合的技术方向,从车端、路端、云端来进行联网设施的布置,单车智能是重要的基础,再通过基础比较好的网络来实现车路协同。“车路协同”C-V2X技术路线,将“人---云”等交通要素有机的整合到一起,可以赋予车辆更多的路况和交通感知信息,因此C-V2X技术目前就可以服务于智能驾驶和智慧交通建设。例如C-V2X技术可以为驾驶员提供辅助信息,同时路侧RSU进行路侧信息和高精地图及时广播,都将非常有效的提升交通安全和效率。

一、C-V2X技术标准发展和应用价值

5G 新空口(New Radio, NR)标准与以往的2/3/4G不同,它来源于全新应用场景,5G网络目标是满足人们超高流量密度、超高连接数密度、超高移动性的需求,为用户提供高清视频、虚拟现实、工业控制、智能驾驶等极致业务体验,全面实现“万物互联”。为实现上述目标,国际标准组织3GPP定义了包括:新波形、新调制方式、新帧结构、新多址技术、新编码技术和大规模多天线技术等一系列新无线空口技术。

15GC-V2X标准持续演进

3GPP Rel15版本是5G的第一个标准协议,主要聚焦增强宽带eMBB场景。20207月,国际标准组织3GPP宣布5G Rel16标准版本正式冻结。Rel16版本除了对eMBB进行增强外,主要侧重于5G在垂直行业的应用。Rel16版本重点细化了超高可靠低时延的uRLLC场景相关技术标准。

C-V2X作为5G技术在行业中的重要应用,也随着3GPP蜂窝技术的发展在持续演进:2017年在Rel14版本中发布了第一版C-V2X技术,主要面向基本安全业务、效率提升和信息广播等业务,仅支持广播通信方式。2018年发布的Rel15版本增强了高速率和低时延特性,通信时延和吞吐率性能得到了小幅提升。2020年发布的Rel16版本是基于NRV2X技术,面向自动驾驶的增强V2X应用。支持单播/组播/广播多种灵活的通信方式,提供更低时延、更高可靠性、更高速率的通信服务。预计于2022年发布的Rel17版本,将提供增强的NR-V2X技术,通过减少功耗的方案支持路边行人接入车联网,还将针对特定场景提高可靠性和降低时延。

另外,华为、爱立信、英特尔、高通、诺基亚,联合奥迪、宝马、戴姆勒一起成立了“5G汽车通信技术联盟”(5GAA),该联盟成立的目标就是推进下一代智能互联网汽车研发,并推进5G车联网技术落地。

第一阶段,2020年至2023年,主要落地依赖4GLTE-V2X技术的基本安全功能,比如紧急电子刹车灯、左转辅助等,并且通过网络共享当地道路危险信息和交通信息,提高交通的效率和基本安全性。

第二阶段,2024年起,5G-V2X技术开始大规模使用,车辆与交通基础设施之间的通信,将可以为自动驾驶技术带来更多的增强功能,比如停车场自动泊车、远程遥控驾驶,以及在公共道路上实现更高级别的自动驾驶等等。

第三阶段,从2026年起,所有自动驾驶汽车都将配备5G-V2X技术,车辆之间能够共享高精度传感器数据,从而协同工作。自动驾驶将进入更高阶段,车辆能够相互以及与交通管理中心分享意图,结合人工智能对交通信息进行高度协同处理,对高速公路出入口及城市交通流量进行动态管理等等。

2C-V2X技术赋能丰富的智能驾驶应用场景

3GPP标准组织在定义C-V2X的技术标准时,是针对不同级别的智能驾驶应用场景。例如Rel14Rel15版本的LTE-V2X,主要目标是增强驾驶安全和提升交通效率,可以通俗的理解为ADAS辅助驾驶功能。而Rel16版本的NR-V2X主要目标是在进一步增强驾驶安全的同时,可作为高级别自动驾驶的一个辅助手段。因此,从车联网应用场景需求来讲,LTE-V2XNR-V2X的定位是相互补充,而不是替代关系,Rel16 NR-V2X也专门制定了LTE-V2XNR-V2X设备内共存的规范,保证车联网技术稳步有序的发展。

Rel14Rel15版本的LTE-V2X主要面向的安全告警和交通效率提升的应用场景大家已都很熟悉,本文重点从3GPP标准最新演进进展,介绍Rel16版本的NR-V2X标准中定义的4类典型业务场景:

①车辆编队:利用NR-V2X低时延、大带宽的技术特点,支持一组车辆组成车队行驶,所有编队行驶的车辆能够从头车获取信息,并实现传感器信息共享,使得同组车辆可保持米级的超短车距。

②高级驾驶:利用NR-V2X低时延和大带宽的技术特点,可以通过邻近车辆之间共享感知数据来共享本车的驾驶意图,并进行驾驶策略的协调和同步。

③传感器扩展:要求交通参与者,如车与车、车与云端网络以及车与基础实施之间实现车载传感器的交互,从而扩展传感器的感知范围,以便获得更全面的当前道路信息。

④远程驾驶:远程驾驶员或者V2X应用程序能够为无法驾驶的乘客或位于危险环境中的车辆操作远程车辆。通过集成5G通信、车--云协同、云计算、自动控制等相关技术,远程驾驶员实现对远端车辆进行远程监控和远程操控。

以上几种典型应用场景,都是利用NR-V2X大带宽、低时延、高可靠性的技术特点,实现车与车、车与云端网络以及车与基础实施之间的信息实时共享和交互,从而进一步提升驾驶安全性、提高车辆行驶效率、最大化道路吞吐量、降低车辆能耗、提升自动驾驶能力等。

从上述4类典型应用场景和实现目标可以发现,目前车联网增强应用场景重点是用于辅助自动驾驶,因此与车联网基本应用相比,这些应用场景也对NR-V2X提出了更高的技术指标要求:

①超高峰值速率

自动驾驶需要实时更新和下载高清地图,高精地图大小达到1GB/千米的量级,要求下载速率在达到50-100Mbps;传感器扩展要求的峰值速率更是达到1Gbps

②超低时延及高可靠性

自动驾驶L4/L5级要求信息更新及传输时延要小于10ms,带宽1-10Mbps

V2X应用于碰撞告警,车辆编队等,要求时延小于10ms,可靠性99.999%

二、C-V2X关键技术介绍

C-V2X可支持的工作场景包括有蜂窝网络覆盖的场景,也包括无覆盖的场景。因此C-V2X可提供两种通信接口,分别为Uu(蜂窝网络通信)接口和PC5(直连通信)接口。当C-V2X终端处于支持蜂窝网络覆盖内时,可以使用Uu接口通信(需要蜂窝网络支持);不管是否有网络覆盖,都可以采用PC5接口实现V2X通信。

3GPP LTE-V2X标准定义了专门的物理层结构、同步方式、资源分配方式等,实现支持V2X消息的广播,并达到车联网基本应用的性能指标要求。3GPP Rel16 NR-V2X标准,通过支持40M以上带宽、高阶调制、POLAR码以及LDPC编码技术、多种子载波间隔、HARQ反馈,从而实现NR-V2X更低时延、更大带宽、更高可靠性的指标要求。

1、物理层结构增强

为了在5.9G高频段下支持高达500千米/小时的相对行驶速度,解决多普勒频移和信道快速时变的问题,C-V2X对物理层结构进行了增强。在波形方面,仅支持CP-OFDM波形以简化设计。在编码方面,R15采用Turbo编码,R16类似于Uu接口的控制信道和数据信道传输,PSCCH 将采用Polar编码,PSSCH将采用低密度校验码(LDPC)编码。在帧结构方面,LTE sidelink采用15kHZ子载波间隔,NR Sidelink将支持多种子载波间隔(SubcarrierSpaceSCS),其中在低频(FR1)上SCS将支持15kHz/30kHz/60kHz配置,在高频(FR2)上SCS将支持 60kHz/120kHz 配置。在R16阶段,仅60kHz SCS支持扩展CP,支持更大的通信范围。在信道设计方面,SL将包括控制信道PSCCH、数据信道 PSSCH、物理边链路反馈信道(Physical SL Feedback ChannelPSFCH)、物理边链路广播信道(Physical SL Broadcast ChannelPSBCH)。其中 PSCCH用于承载指示PSSCH传输的控制信令SCI,将采用QPSK调制保证传输的可靠性;PSSCH用于传输有用负载 PSFCHR16新增信道,用于发送SFCI,至少用于承载PSSCH检测的HARQ反馈信息;PSBCH则用于发送广播信息,将沿用SSB的设计思路,获取SL设备间的同步。在参考符号方面,主要包括 DMRSCSI-RSSRSPT-RS信号。其中CSI-RSSRS以及PT-RS信号为R16新增信号。在SL中采用DMRSCSI-RS(定义新的)和PT-RS,其中PT-RS用于高频。由于PSSCH最多支持2层的传输,因此在频域上,考虑采用R15 PDSCH DMRS类型1的设计。关于CSI-RS,将用于信道质量等级(Channel Quality IndexCQI/秩(Rank IndexRI)测量并包含在PSSCH中传输。

2、同步机制

两台C-V2X终端要进行通信必须先完成同步过程。C-V2X终端支持多个同步源,并定义了同步过程,其中LTE-V2X Sidelink同步过程和NR-V2X Sidelink同步过程相独立。LTE-V2X的同步源主要由GNSSeNBLTE-V参考UE。其中自同步的同步源有间接GPS同步源和完全UE自同步的同步源。类似LTE-VNR-V2X的同步源包括GNSS, gNB, eNBNR UE,同步方式可以分为GNSS-based同步方式以及gNB/eNB based同步方式,两种同步方式下每种同步源具有不同的优先级。

在同步过程中,UE使用GNSS-based同步方式还是使用GNB/eNB based同步方式是系统(预)配置的,在每一种同步方式中,UE选择当前能够支持的最高优先级同步源作为最终同步源,其中对于eNB作为NR UE的同步源需要当前NR UE支持LTE Uu/PC-5

3、资源分配方案

LTE-V2X支持2种资源分配方案:分别是mode 3mode 4

mode 3:由eNB基站调度V2X终端进行数据发送,基站统一对空口资源进行统一分配,保证各UE使用的无线资源不冲突。

mode 4UE自主进行无线资源调度,UE根据过去一段时间对空口无线资源使用情况的探测,来预知未来一段时间无线资源使用情况,从而进行数据发送。包含资源预留、信道侦听与资源选择等关键技术

NR-V2X支持mode 1mode 2两种资源分配方案,与LTE-V2X类似:

mode 1:基站调度Sidelink资源给UE进行Sidelink传输。终端发送的无线资源由基站统一调度。

mode 2UE确定由基站/网络配置或预配置的Sidelink资源。终端根据实时监测无线资源使用情况,进行无线资源探测和选取,在合适的时频资源上进行数据发送。如果是预配置Sidelink资源,需要所有终端遵循同一套预配置参数。

4HARQ重传机制

LTE-V2X技术仅支持广播传输方式,NR-V2X技术为了支持传感器共享等分组业务场景需求,引入了组播和单播传输方式。组播和单播传输需要接收端进行数据确认,为了尽可能增加数据接收成功率,引入了HARQ重传机制,通过HARQ反馈和多次重传实现。对于Sidelink单播和组播传输方式,支持HARQ反馈和HARQ组合,其中HARQ-ACK反馈信息由SFCI携带经由PSFCH传输。其中值得注意的是,在组播方式下,Sidelink HARQ反馈支持使用TX-RX距离来决定是否传输HARQ信息。在不同的资源分配方式下PSSCHPSFCHHARQ feedback信息传输的时间间隔是系统预先配置的。

三、宸芯科技C-V2X解决方案

宸芯科技从2017年率先推出C-V2X核心芯片以来,一直致力于C-V2X芯片及解决方案的不断完善和演进迭代,并与合作伙伴们共同进行技术验证和智能驾驶应用的商用落地探索。

1、面向基本行驶安全的芯片及解决方案

宸芯科技C-V2X芯片解决方案CX710X系列,基于宸芯自研芯片,采用领先的SDR SoC技术,可通过软件重构实现性能优化及技术持续演进。CX710X系列产品按照车规标准设计,具有超宽工作温度,满足车载及其他恶劣环境下使用。性能强劲的AP处理器支持客户集成安全应用软件,极大降低了整机产品的复杂度和成本。本土化“自主+开放”的平台能提供深度定制化服务,天然的渠道优势和较高的性价比更能契合客户的需求。

CX710X系列解决方案目前已经与几十家客户形成密切合作,在十余个国内智能网联示范区部署。202010月份举办的“新四跨”活动中,超30%终端厂商选择搭载宸芯的C-V2X芯片,并且独家支持大规模测试180台背景车OBU1RSU,成功保障了大规模测试活动的顺利进行。

2、面向智能驾驶的芯片及解决方案

宸芯科技将于近期推出新一代5G车联网芯片,专门面向低时延高可靠性要求的车联网应用场景。该芯片按全流程车规设计,秉承宸芯科技领先的SDR SoC技术路线,可实现“一芯多用”,产品形态丰富,单芯片支持Uu+C-V2X多模双通,可满足车载前后装、路侧单元等各类车联网产品的需求及未来“换代不换芯”的演进需求。

中国的智能汽车产业目前虽然发展迅速,但由于西方企业发展较早,基础实力雄厚,因此目前我国在全球智能网联汽车产业中还处在第二梯队。不过根据赛迪顾问发布的数据,我国已经从2018年的排名第9位,跃升至2020年的排名第四位,仅次于美国、德国和日本,并且差距正在迅速缩小。由于我国在5G通信基础设施方面的领先地位,以及政府在政策方面的不断强化引导,依托我国庞大的新能源汽车市场,车联网技术的发展具备非常好的发展环境,产业规模也将在未来几年迎来爆发式增长,赶超美德日只是时间问题。根据我国在2020年发布的《智能网联汽车技术线路图2.0》提出的新目标,到2025年,C-V2X终端新车装配率须达到50%;到2030年,将实现100%装配。未来,随着配置C-V2X设备的车辆以及道路达到一定普及程度,道路通行能力、交通的安全性都会有大幅度提升。同时,随着C-V2X技术发展演进,其所支持的更大数据吞吐量、更低时延、更高安全性等特性,也将进一步促进智能驾驶和智慧交通的加速落地和高质量发展。

来源:2021-06-15 搜狐网

https://www.sohu.com/a/472142747_589051  

文章关键词: 智能驾驶

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