面向无人驾驶产业的5G解决方案分析
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摘要：5G技术的发展使诸多新业务得以开展，其中无人驾驶是一个广受关注的应用场景。本文对功能下沉、D2D技术、免调度技术、低时延帧结构设计等关键技术进行分析，最后给出了无人驾驶产业的5G解决方案设计。
关键词：5G技术;解决方案;无人驾驶
中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）10-0220-02
如今4G移动通信已经实现了大规模商用，2019年6月6日工信部发放了5G商用牌照，标志着中国已经进入5G商用元年。最令人关注的5G技术落地场景之一即为无人驾驶产业，该产业不仅有潜力减少交通事故的发生，而且可以极大地改善交通拥堵问题。无人驾驶依靠单车智能的方式实现对技术要求过高，车联网成为当前最热门的研究方向，其中5G通信网络是核心技术。本文将分析无人驾驶产业中的5G解决方案。
1 5G在无人驾驶中应用的关键技术分析
无人驾驶系统的构建对数据传输速率要求极高，因此5G在无人驾驶中的落地必须满足很高的时延性要求，理论上时延必须控制在毫秒级。为了使5G技术满足无人驾驶应用需求，就必须采用全新的网络架构，进而确保单次传输时延足够低。
1.1 功能下沉
如今LTE系统通常包括E-UTRAN与EPC两层架构，为了减小时延，则必须对传统架构进行优化，有效的解决方案是把EPC的控制与转发功能下沉部署，即将EPC下沉至E-UTRAN边缘，这样做可以缩短传输距离。
1.2 D2D技术
在传统通信架构中，数据一般需要通过多次转发，这样必然会使时延增加。因此可以采用D2D技术来解决这一问题，D2D的核心思想是通过周边资源直接实现端到端通信。该技术适合解决无人驾驶问题，例如当汽车高速运行过程中突然发现紧急情况，此时可以借助于D2D这一面向邻近的通信技术搜索周边车辆，同时发出预警信号，进而帮助做出及时的躲避操作。
1.3 免调度技术
数据在传输过程中实时地接收着调度信息，基站调度器必须计算不同终端对资源的需求，进而发出相应调度信号，在调度信息的发出与执行过程中会造成一定时延。为此，可以采用相应的免调度技术来解决，其中一种解决方案为免授权的上行传输，通过设置免授权频段区域，让用户在相应区域内部实现“无缝”数据传输，而忽略了调度请求环节，这对于控制信道开销有重要意义。然而，当两个及以上用户通入收到同一资源时，理论上是存在冲突的，这是应添加竞争机制。除此之外，还可以采用随机接入上行传输、随机接入下行传输以及广播下行传输等免调度技术。
1.4 低时延帧结构设计
为了达到预期的低时延性能，可以采用较大子载波间隔的方式降低调度时延，可通过循环前缀控制子载波干扰，进而提高传输可靠性。通过合理的设计帧结构可以直观地增强低时延特性，其中关键参数为时隙、短时隙、子载波间隔、TTI以及物理资源块。
2 无人驾驶产业5G解决方案设计
无人驾驶场景对安全性要求极高，因此对5G通信方案的要求主要表现为低时延特性上，因此本节将着重从增强通信方案时延性的角度讨论技术方案的设计，进而满足无人驾驶系统对通信提出的苛刻需求。
2.1 网络整体架构设计
为了满足无人驾驶对数据传输及时性的要求，如今的LTE网络架构无法胜任，所以应当采用全新的5G网络架构来达到毫秒级的传输要求。在已有的LTE网络架构基础上，可以把EPC与eNB进行融合以后才部署，也就是实现了EPC功能下沉。与此同时，可以基于D2D技术实现车与车之间的及时通信，整体架构就实现了小区内车与车以及小区间车与车的通信功能。在改系统架构中，应对无人车终端与应用层间（5G-V）的接口协议进行制订，进而达到二者通信管理的目的。无人车终端与应用层间协议栈包括了介质访问控制、数据汇聚协议、GTP-U协议以及无线链路控制这4个部分，除了GTP-U是面向隧道数据传输的以外，其他3个协议均起到资源调度、管理的作用。
2.2 车与车空口协议栈
对于无人驾驶产业而言，无需对X2、S1接口进行维护，下文讨论仅围绕空中接口，也就是Uu接口与Un接口。在车与车的通信网络中，由于接口两端均为UE实体，因此必须对空中接口重新界定，且应具备D2D的通信与发现功能。对于车与车而且，空口协议栈同样可以划分为发现与通信两种功能。对于前者，目的是感知周围车辆及其他障碍物，该功能的实现需要建立介质访问控制层与物理层，进而达到和高层交互的目的，并获得发现信息;对于后者，其目的是让通信变得更加直接，为此可以基于广播传播机制来实现。
2.3 5G空口设计
如今LTE系统空口远远难以达到无人驾驶所需的低时延要求，因此必须从空口物理层入手，做出改进设计。
2.3.1 传输参数集
5G的空口系統参数对传输速度、信号延迟等性能影响很大，其中核心参数为载波间隔与CP类型，根据当前研究成果可知，子载波间隔设计为60kHz是可以满足需求的。
2.3.2 调度时序设计
合理的设计调度时序，能够起到降低传输时延的目的，让重传次数最大化。在5G技术的帮助下，eNB与UE处理时间容易控制到0.2ms以内。单次环回传输时延与数据包传输时间正相关，且满足下式：
2.3.3 帧结构优化设计
面向无人驾驶产业的帧结构可以为Type2帧结构，各无线帧长度取1.25ms，将各无线帧划分为2个半帧，各半帧又分别包括五个子帧。子帧1与6均包含3个特殊时隙，即DwPTS、UpPTS以及GP。这3个特殊时隙中，前两者基于《LTE物理层协议》中的表格4.2-1进行子帧0与5的设计。
2.3.4 新多载波技术设计
多载波技术的革新是5G通信时代的一个标志性研究方向，对于无人驾驶产业而言更是不可或缺的一部分，最先进的新型载波技术包括正交频分复用、UFMC等，其核心思想是通过滤波机制降低频谱泄露。正交频分复用对OFDM兼容良好，但是在适配信道上灵活性较差。作为改进，FBMC技术得到更多的关注，由于无CP，进而降低信令开销，提供灵活可配的新空口。
3 结语
基于5G通信技术的无人驾驶产业落地是全球关注的热点，本文针对无人驾驶对通信提出的苛刻的低时延要求展开技术方案讨论，给出了相应的技术路线。然而，5G通信技术的发展必然是一个长期的过程，未来还有待针对eNB与EPC协议框架展开更加深入的研究。
参考文献
[1] 张朝阳，李星宏.5G在无人驾驶汽车中的应用前景分析[J].无人系统技术，2019，2（02）：65-68.
[2] 张嘉丰.5G神经网络在自动驾驶技术中的应用[J].济南职业学院学报，2018（06）：122-124.
[3] 许彩霞.5G车联网对自动驾驶技术发展的影响[J].信息通信，2018（06）：46-47.
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