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邬贺铨院士:5G的车联网创新永远在路上

   日期:2020-01-13     来源:亿欧汽车    浏览:133    评论:0    
核心提示:在1月10日-12日召开的2020年中国电动汽车百人会论坛上,中国工程院院士邬贺铨发表了主题演讲。
1月10日-12日,2020年中国电动汽车百人会论坛召开,本次论坛以“把握形势,聚焦转型,引领创新”为主题,邀请政府有关部门和汽车、能源、交通、城市、通讯等领域的行业机构和企业代表,就行业、企业、政策的转型与创新展开深度研讨。
 
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在1月10日-12日召开的2020年中国电动汽车百人会论坛上,中国工程院院士邬贺铨发表了主题演讲。主要内容如下:
 
1、远程驾驶、自动驾驶要求端到端的时延不超过5毫秒,可靠性要求99.999%,需要联网,每辆车每秒的数据会到1GB,只有5G才能支持这个要求。
 
2、应该说整个移动通信都是十年一代,每一代移动通信的峰值速率是前一代的100倍。
 
3、通信主要是点到点,而城市车联网的V2V环境下是点到多点,和多点到点。面向通信发送的方式是已知的,而车联网发给谁是不受车主控制的,所以这要求是很多种多样的,即便5G要满足车联网的要求也还是有很大的挑战。
 
4、虽然5G相对于其他移动通信系统更靠拢车联网的需要,但是实际上车联网的一些特点,不是5G所面对公众通信的特点,而且有很多新的需求,现有的5G技术未必能适应。
 

以下为邬贺铨院士演讲原文:
 
我想就5G车联网的挑战这个题目跟大家谈一下我的一些看法。
 
车联网的通信模式可以分成四类:
 
V2V(怎么解决汽车与汽车之间的通信);
 
V2P(汽车跟行人之间怎么通信);
 
V2I(汽车跟路边、云、红绿灯、停车场的通信),怎么控制信号灯的转换;
 
V2N(汽车到网络的通信),解决优化交通流量的问题,做好交通的规划。
 
为什么会车联网需要有通信呢?我们的汽车车速和刹车的距离,它们是有关系的,假如每小时开到112公里的话,到刹车的时候,真正刹住需要5秒。100米以内可能是驾驶员的感知,200米是车辆的感知,V2V可以有300米的感知,可以提前一些,上到云可以有更远距离的感知(2公里)。
 
现在汽车作为自动驾驶,是L5级别,不同级别对传统时延有不同的要求的,这需要有不同的技术来支撑。
 
就通信技术而言,在4G时代,L1、L2级别的支撑应该是没问题的,但是如果说真的要到L5级别,就需要5G,最底下一行eMBB是增强的移动宽带,eV2X是增强的v2x通信,包括车到车、车到路、车到基础设施等等。
 
那为什么会时延有要求?
 
我们可以停车为例,应该说对时延要求不是最严格的,但是我们可以算出来,如果停车精度要1米的话,扣除处理的时延10毫秒,制动感应30毫秒,这个时候可以看到V2X的时延只允许5毫秒。
 
远程驾驶、自动驾驶要求端到端的时延不超过5毫秒,可靠性要求99.999%,需要联网,每辆车每秒的数据会到1GB。按照移动通信标准化组织3GPP对eV2X的要求,在自动驾驶和传感器共享的要求,时延不能高于3毫秒,传感器共享要求带宽1GB。我们可以看到在4G的时代,LTE的时延可能要到100毫秒,如果我们加上边缘计算,可以减到10毫秒,但是仍然超出了目前自动驾驶的要求,所以我们需要有5G+边缘计算,可以说车联网需要5G,只有5G才能支持这个要求。
 
车联网的通信可以分成好几类,总的叫V2X。一类是短距离的通信,最大传输距离800米这么长,而最高车速是60公里,最大数据率大概是27MB。另外容量不够,如果交通拥堵的时候,车很多的时候就不能胜任了,在抗干扰方面以及覆盖方面是它的不足,现在较多用C-V2X,C是蜂窝的意思,基于蜂窝的V2X可以分为在4G场景下的LTE的V2X,还有增强的LTE环境下的V2X,以及NR的V2X,就是5G。
 
我们可以看到,在4G时代,带宽可以扩展到上百兆,带宽可以到上行500兆,下行1G,但是用户面的时延10毫秒,控制面的时延50毫秒。增强的4G的V2X增加了一些功能,像车联网编队、高级驾驶、扩展远程驾驶。我们注意到最右边5G的时候,它的通信距离延伸到1公里,最高相对车速可以支持500公里,最大带宽到1G,最重要的是时延降到3毫秒,通信可靠性能做到99.99%。相对于其他的模式,5G是比较接近车联网需要的。
 
一个蜂窝小区,是以频率的不同区分用户,我们叫频分多址,它是模拟的,以GSN为代表的2G是数字的,以时隙的不同区分用户,TDMA,3G都是CDMA,是以码道的不同区分用户,码分多址。4G把频分、时分、码分都用上了,它的峰值速率可以上到100兆。现在5G来了,在多址方式上,5G和4G有所改进,但是并没有完全变化。
 
应该说整个移动通信都是十年一代,每一代移动通信的峰值速率是前一代的100倍。所以5G峰值速率可以上到20G,但是这是极端的情况,是工作在毫米波频段800兆的窄频,而且一个蜂窝全部给一个用户用,服务器就在边上,这种情况基本上是实验室做一个测试可以,对一般的应用是不可能的。即便做不到20G,做到1G是没有问题的。
 
最重要的区别不在于带宽,而在于它扩展的应用模式叫产业互联网和智慧城市,三代应用场景增强移动宽带、超可靠、低延时、广覆盖、大连接,它基本上还依靠通信的基本原理,蜂窝做得更密,这样容量更大,尽管频率高了,传输距离短了,但是蜂窝密了,能够适应。
 
其实是大规模的天线,也就是说把空分的能力也加上去了,还有窄宽频率以及物理层的改进。所以5G跟4G比,在多项性能上都有1-2个数量级的提升,比如说移动性现在能支持500公里时速的高铁,无线接口延时减少到1毫秒,连接密度提升10倍,一平方公里有100万个连接,能效和密度密度各提高100倍。
 
整个5G虽然考虑了车联网,但是准确地来说,它首先还是为了公众通信而设计的,公众通信跟车联网有什么不一样?
 
公众通信是面向广大的客户,地域很宽,而城市里头车联网距离很短,包括前后的车辆也就几十米的距离,所以距离是比较短的,公众通信80%的情况下面是在房间里头的,处于非移动状态,车联网80%的情况是行驶的准备,所以对移动性管理是要求高的,通信只有在使用的时候才占用信道,但是车联网基本上是永远在线的。
 
通信应该说主要是点到点,而城市车联网的V2V环境下是点到多点,和多点到点。面向通信发送的方式是已知的,而车联网发给谁不受车主控制,所以这要求是很多种多样的,是不一样的,我今天主要想说即便5G要满足车联网的要求也还是有很大的挑战。
 
比如说传统的互联网是叫无连接的,所谓无连接在右图可以看到,一个信件可以拆成很多个IP包,过去是无连接,我们的路由器既有节点控制功能,也有传送转发功能,过去收的一个IP包打开看一下地址,找到最近的路由器做转发,这实际上是不考虑全网优化的,现在我们希望把节点控制功能抽出来,进行网络操作,把应用功能抽出来,然后全网收集全网的大数据,包括业务流量的数据以及车流的数据,还有网络资源的数据。在源端就定义了端到端的这条路由,这就是叫面向连接。
 
如右图:原来的无连接,一个邮件可以变成很多个信件,本来都是同一个源到同一个目的地的,但是实际上在互联网上,我们是逐包转发的,每一个包各自选路,这叫无连接,相当于走不通的路。
 
在当初互联网开始的时候认为不稳定,所以我们用这种方式能够保证它通信的可靠性,即便一个包传不了,可以重传这个包,而不是一个信道都丢掉。如果用原来互联网无连接的方式就显得效率太低了,在车联网上尤其如此,所以我们改用软件定义网,也就是说通过网络的集中管理,从头到尾给它指定一个路由,这种情况在现实交通中,比如说我们在北京早高峰、晚高峰给公交车指定一个路由,但是平时不能对任何车定路由。而5G希望对所有的业务流能够在源端把每一个路有指定好,优化方式。实际上在现实情况下,可能只有级别很高的高级车辆才能有这种待遇。
 
如果把它用在车联网上用,这实际上所有的车都要有单独给它计算一个路由,这个计算量还是很大的,另外怎么能够实时?怎么能够满足低延时的要求?而且传统的通信网在做这个计算,是在网络运营商的中心来做的,而车联网不能够把它放到整个网络运营商的运营中心,因为一个城市是一个城市,所以可能这种管理集中处理功能,只有放到城市里头,而按城市来分级可能就会多了,另外,所有的车都要端到端的指定路由,这实际上是要求比较高的,所以是不是说未来一部分车指定,一部分车不指定,所以这也是一个挑战。
 
其次,5G上面要适应高铁的通信,很多时候坐在家里用的时候根本没有运动速度的要求,5G要支持高带宽,当然很多时候传感器数据是低带宽,所以要求是各种各样的,我们不能把网络做成不一样,我们是通过逻辑上的切片,你要高带宽的,我把网络资源组成高带宽,你要低延时就给你低延时,要高可靠就给你高可靠。就像马路上一样,大客车给它指定通道,小车给它指定通道,甚至摩托车给它指定通道,5G的时候希望这样,但是实际上能做到这么精准、这么细致也是有难题的。
 
这个我们在通信上叫网络切片,网络切片就是给它组成了专用通道(VPN),我们知道VPN是大客户,是少量的,而5G现在希望对所有的都做VPN,这显然是一个难题。
 
另外,车联网如果在公共公用网上只有一种业务类型,是不是所有车联网的车都成为一个大切片呢?这种想法跟原来切片提出的“小”思想是不完全一致的。虽然都是车,但是每一辆车对通信的要求是不一样的,里面有特种车辆、一般车辆,需要区别对待。
 
还有一些问题,马路上有一些车具有支持网络切片的能力,原来的车并不具有支持这个能力。所有车混在一起,你有切片的能力好办一点,没有切片能力怎么办?就像自动驾驶的车上路了,你可以做到不撞别人,但是不等于别人的车不撞你,所以有一个管理上的挑战。
 
另外,车联网面对行驶中的车辆,要用无线联网,不可能用光纤,刚才说过了,5G和其他的车联网技术比是更有优点的。当然了,我们最方便的办法是用运营商的网络,车联网上到运营商的网络,这样不需要重新投资基础设施,可以节省成本。
 
但是有一个问题,传统的运营商的基础网络在5G的时候主要使用TDD的模式,TDD是什么意思?就是在一个频段上既有上行也有下行,上下行不见得是对称的,因为在消费侧的应用,大部分消费侧希望从网上下载视频的多,自己往上传视频的少,所以在同一个频段安排上下行的时候一般是三七开,30%的时隙用于往上传,70%的时隙用于接收网络的数据,可是在物联网,我们更多的是传感器的数据往上报,而真正网络指令的数据还是少的,所以应该是倒的三七开。
 
这两者不同的上下行时隙的配比如果安在同一个运营商的网上,这两者是有互相干扰的,所以要不就设计在不同的窄频,否则就很难配置,所以现在就提出一个问题,车联网能完全上到运营商的5G网络吗?我们有可能说我们城市里头可能要建设一个支持车联网的5G的专网,它可以有单独的时隙配置,而不跟公众网上的时隙配置冲突,这就需要专用频率,欧洲对工业互联网已经测算了,预留了76兆,德国分配100兆。目前分给车联网的频率是5.8G,带宽不高于75兆,真正给V2V用的只有25兆,所以如果每一辆车都要有专用的广播频率的话,频率就不够了,所以频率问题对车联网来讲也是一个挑战。建设一个专用的城市车联网的5G专网也有成本的挑战。
 
另外,尽管5G的空口时延很短,但是如果存在地面,再经过一些处理,那时延还是比较大的,所以我们需要把云的能力,部分计算能力下沉,成为边缘云,边缘云负责处理一些时延敏感的数据,过滤掉一些数据送到中心云,中心云搜集多个边缘云的数据优化模型再下发,所以我们说为了适应车联网的需要,需要大量使用边缘计算,将存储内容分发下沉到边缘云来处理。
 
IDC预测将来50%的数据都要在边缘处理,当然了,两机云会比单机云的成本节省一些,但是在车联网场景下,如果边缘计算下沉到路边单元,颗粒度很小,时延很低,但是太多了就碎片化,如果放到移动通信的RSU,路边的RSU效果是好的,但是边缘计算就要管理很多个路边RSU。所以这里面也有一个成本问题,而且有一个车联网的问题,不是固定接入到一个边缘计算,边缘计算如果在基站,这个车一会儿开到另一个基站,也就意味着这种计算存储要转换到另一个基站上,这种基站到底是边缘计算与边缘计算之间沟通,还是上到中心云再来沟通,这里面各有优缺点,边缘计算和边缘计算之间直接沟通时延很短,能适应车联网的要求,但是带来了很大的开销。
 
5G很重要的应用是把物联网的终端直接连到人工智能、大数据的分析,过去我们没有5G的时候,除了光纤以外,其他手段不能解决传感器跟后台的大数据、人工智能之间的这种传输的时延问题,因此往往大数据、人工智能的决策分析都是滞后的,也就是说它会带来很大的时延,没法实时化,现在5G的介入使它们两者无缝融合,AI+IoT我们叫AIoT智联网,5G对物联网的要求是一平方公里100万个传感器能联网,传输时延不高于10秒,丢包率不高于1%,按照这个数字,应该是基本能够满足车联网要求,尽管这里写时延10秒,这是讲端到端很长距离的,城市车联网短距离不会有这么高。5G的AIoT需要一些技术来支撑,但是难题是什么?现在车里面几百个传感器都是用选来方式管理吗?这是一个挑战。
 
另外,虽然5G一平方公里能接入100万个传感器,每个传感器接进来又印证,一个一个印证到什么时间?所以要群组印证,群组印证怎么保证群组跟个性的区别?另外车联网V2V印证还要快,还要车联网要有大量的终端,本身也有安全问题,所以需要有安全的协议,但是安全的协议不能太复杂,否则不但增加能耗,还加大时延。这么多车联网会产生DDOS攻击,都被木马攻陷了,100万个传感器共同访问路边的车联网设施,也会把路边的车联网设施搞瘫痪了。
 
所以总的来说虽然5G能支持车联网大量的传感器联网,但是也面临很大的挑战,车联网用什么标识,车联网的物联网里面有很多种标识方案,在5G上当然希望用IPV6,但是实际上前面4G的车联网以及DSRC的车联网可能会用其他的标识,怎么实现标识之间的互通就是一个问题。而且车联网的标识一般是在一个运营商范围里头的,而城市里的车,可能某些车接入到移动,某些接入电信,某些接入联通,是不同的运营商,不同的运营商之间要互通,这就带来难题。
 
另外,过去我们三个运营商不是在任何城市都是直联的,在中国三个运营商直联的点只有13个,有些省,比如云南、西藏这些是没有的,云南电信跟云南联通要连通就要到成都的直联点才能实现。车联网上如果是这样的话,时延就没法保证,所以车联网就要求运营商的网间直联点要下沉到每一个城市,这也是现有运营商的网络做不到的。
 
车联网是5G的一种业务,5G的业务采用一种开放的方式,可以说接入到你需要什么能力我可以附加什么能力,就像App一样,这也方便我们的业务灵活性,5G本身又改变了协议的标准,传统的移动通信是专用的协议,所以5G是互联网的协议。之所以开放和采用互联网的协议是为了让现有的业务更灵活,当然也带来挑战,原来网络是封闭的,协议是专用的,很少听说有网络安全事件发生在运营商的网络,把运营商搞瘫了,现在网络是开放的,协议是通用的,一定意义上5G会增加更多的安全风险。车联网对安全的要求又比一般的通信高,所以在这个情况下,我们需要付出更多的安全代价,而且车联网一般是短包,而互联网的TCP/IP对短包是没有什么效率的,所以是不是考虑新的协议应对物联网。
 
运营支撑也很复杂,5G有虚拟NFV,就是网络单元虚拟化,还有网络切片,这些都是动态的,要进行动态的管理,很复杂的管理系统,车联网一个问题要快速计算和处理,运营支撑系统不能只是运营商一个,可能到每一个城市也有一个,否则就不能实时性了,所以应该说实时性对5G也好,对车联网也好,都是很大的挑战。
 
所以我说整个5G来讲,虽然说它相对于其他移动通信系统更靠拢车联网的需要,但是实际上车联网的一些特点,不是5G所面对公众通信的特点,它是不一样的,而且有很多新的需求,现有的5G技术未必能适应。我的看法是:5G的车联网想说爱你也不容易,汽车永远在路上,5G的车联网创新也永远在路上!
 
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