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中国工程院院士邬贺铨:5G车联网的挑战

核心观点:5G的增强移动宽带、高可靠低时延和广覆盖大连接特性正好是车联网所需。但城市车联网通信距离短、中间节点数少,针对公众通信而设计的5G网络技术创新的优点在车联网中并不都能得到体验。城市车联网点到多点和多点到点等场景的应用对5G提出了很多新的需求,目前5G的技术未必能适应。

图 | 邬贺铨 中国工程院院士

图 | 邬贺铨 中国工程院院士

一、车联网的通信模式与通信标准,车联网需要5G

车联网的通信模式可以分成四类:V2V(汽车与汽车之间的通信)、V2P(汽车与行人之间的通信)、V2I(汽车与路边、云端、红绿灯、停车场的通信)、V2N(汽车与网络的通信)。为什么车联网需要通信呢?因为汽车车速和刹车的距离是有关的,假如每小时开到112公里,到刹车时,真正刹住需要5秒钟。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,上到云可以有更远距离的感知(2公里)。

飘花电影网 完全自动化汽车是L5级别,不同级别对传统时延有不同的要求,需要不同的技术支撑。就通信技术而言,在4G时代,对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。实际上为什么对时延有要求?以停车为例,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,这时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1个GB,按照移动通信标准化组织3GPP对eV2X的要求,时延不能高于3毫秒,传感器共享要求带宽1GB。在4G的时代,LTE的时延可能要到100毫秒,如果加上边缘计算,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,而最高车速是60公里,最大数据率大概是27MB。这个容量不足以应对交通拥堵,在抗干扰方面以及覆盖方面也不足。现在C-V2X用的较多,C是蜂窝的意思,基于蜂窝的V2X可以分为在4G场景下的LTE-V2X,还有增强的LTE环境下的V2X,以及NR-V2X,就是5G。在4G时代,带宽可以到上行500兆,下行1G,但是用户面时延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。到5G的时候,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。

二、5G 面向公众通信与面向车联网的区别

飘花电影网 整个5G虽然考虑了车联网,但是准确地说,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%的情况下是在房间里头的,处于非移动状态,车联网80%的情况是行驶状态,所以对移动性管理要求更高。公众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。面向公众网的通信的接入段基本是点到点方式,而城市车联网在V2V场景下是点到多点和多点到点方式。面向公众的通信所发送的信息是主叫方主动的,被叫方也是已知的,而车联网中每一辆车发送的信息并不受车主所控。

三、5G车联网的挑战

5G要满足车联网的要求还是有很大的挑战。把5G应用在车联网上,实际上要单独给所有的车计算一个路由,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,按城市来分级可能就好多了。另外,所有的车都要端到端的指定路由,这个要求比较高,所以是不是说未来一部分车指定,一部分车不指定,这也是一个挑战。

飘花电影网 5G上面要适应高铁的通信,很多时候坐在家里用时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。不能把网络做成不一样,通过逻辑上的切片,要高带宽的,把网络资源组成高带宽,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。

飘花电影网 这个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),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,原来的车并不具有这个能力。所有车混在一起,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,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。

飘花电影网 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,5G和其他的车联网技术比是更有优势了。当然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,因为大部分消费者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,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。所以车联网能完全上到运营商的5G网络吗?城市里可能要建设一个支持车联网的5G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。如果每一辆车都要有专用的广播频率,频率就不够了,所以频率问题对车联网来讲也是一个挑战。建设一个城市车联网的5G专网也有成本的挑战。

飘花电影网 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,所以需要把云的能力,部分计算能力下沉,成为边缘云,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。为了适应车联网的需求,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,两级云会比单级云的成本节省一些。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。

飘花电影网 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 也称作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,尽管说时延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,每个传感器接进来要印证,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,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,标识能不能一致。另外,过去三大运营商不是在任何城市都是直联,在中国三大运营商直联的点只有13个,有些省,比如云南、西藏是没有的,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,可以说接入到需要什么能力就可以附加什么能力,就像App一样,方便业务的灵活性,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,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,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对短包没有什么效率,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。

就整个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5G技术未必能适应。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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