［崔波 滕琳雅 吳堅鵬 孫兵 范才坤］

1 引言

3GPP 2017年底已完成5G R15 NSA標(biāo)準(zhǔn)，2018年中已完成5G R15 SA標(biāo)準(zhǔn)，至此形成第一版完整的5G R15標(biāo)準(zhǔn)（主要面向eMBB場景），2019年底將凍結(jié)面向eMBB、mMTC、uRLLC三大場景完整版本的5G R16標(biāo)準(zhǔn)。5G具有超高速率、超低時延、超大連接的特性，將實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會產(chǎn)業(yè)跨領(lǐng)域發(fā)展和產(chǎn)業(yè)融合，垂直行業(yè)將依托5G網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生巨大變革。工信部與國家標(biāo)準(zhǔn)委于2018年6月15日聯(lián)合印發(fā)《國家車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》，其中指出，未來將加緊研制自動駕駛及輔助駕駛相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、車載電子產(chǎn)品關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、無線通信關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、面向車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的5G eV2X 關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定，滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求。以自動駕駛等為代表的uRLLC業(yè)務(wù)是未來5G可能首先推廣并落地應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)，也是近年5G試驗的重要業(yè)務(wù)示范方向，其對網(wǎng)絡(luò)側(cè)的需求以及解決方案有待研究。

2 5G自動駕駛業(yè)務(wù)需求

自動駕駛是未來車聯(lián)網(wǎng)的一項關(guān)鍵業(yè)務(wù)應(yīng)用，國際自動機(jī)工程師學(xué)會（簡稱SAE）將自動駕駛分為L0～L5共6個級別，L0代表沒有自動駕駛加入的傳統(tǒng)人類駕駛，L5代表完全自動化，L1～L5則隨自動駕駛的成熟程度進(jìn)行細(xì)分，具體如表1所示。

在SAE的分類標(biāo)準(zhǔn)中，目前日常使用的大多數(shù)汽車處在第0級和第1級之間，自動防碰撞、定速巡航屬于第1級的輔助駕駛，自動泊車功能介于第1級和第2級之間。

目前，車企研發(fā)的自動駕駛車輛仍處于單車智能的狀態(tài)，沒有車聯(lián)網(wǎng)的支持，實現(xiàn)L5級別的全場景完全自動駕駛幾乎是不可能，5G網(wǎng)絡(luò)的商用將為未來自動駕駛應(yīng)用提供更合適的契機(jī)，主要體現(xiàn)在更高的可靠性（99.999%）、非常低的端到端時延（空口1ms）、非常高的數(shù)據(jù)速率（1Gbit/s以上）。自動駕駛業(yè)務(wù)對移動通信網(wǎng)絡(luò)的需求如圖1所示。

3 5G自動駕駛業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

典型的5G自動駕駛業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)架構(gòu)分為終端層、網(wǎng)絡(luò)層和平臺層，如圖2所示。

表1 SAE自動駕駛分級

終端層主要包括車輛及車載模組、協(xié)同式路邊設(shè)施、告知型路邊設(shè)施。車輛及車載模組主要包括車輛、車載通信模塊、高精度定位模塊、自動駕駛系統(tǒng)等。協(xié)同式路邊設(shè)施主要部署在交叉路口、匝道口等位置，作為智能交通設(shè)施完成交通信息收集、上報、控制等功能，進(jìn)一步發(fā)展可具備車車、車路協(xié)同能力，以及局部智能交通決策能力等。告知型路邊設(shè)施主要部署在如急彎限速區(qū)域、施工區(qū)域等，以信息告知為主，如車速限制、施工告示、彎道告警。

圖1 移動通信網(wǎng)絡(luò)適配自動駕駛業(yè)務(wù)需求示意

圖2 5G自動駕駛業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)層主要由5G無線基站及傳輸、核心網(wǎng)組成，在有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的情況下，可通過基站實現(xiàn)車車通信，而在無網(wǎng)絡(luò)覆蓋的情況下，可通過V2V實現(xiàn)車車之間直接通信。為了增強(qiáng)基于基站通信的低時延高可靠業(yè)務(wù)，加強(qiáng)對自動駕駛業(yè)務(wù)的掌控，根據(jù)業(yè)務(wù)需求在網(wǎng)絡(luò)不同位置引入邊緣云計算（MEC）[1]，實現(xiàn)用戶面的業(yè)務(wù)下沉，降低網(wǎng)絡(luò)傳輸時延。在5G建網(wǎng)初期或業(yè)務(wù)試點時，MEC可部署在覆蓋區(qū)域的站點機(jī)房，實現(xiàn)快速部署，針對特定用戶群進(jìn)行本地分流。遠(yuǎn)期通過核心網(wǎng)CU分離實現(xiàn)集中式控制面和分布式轉(zhuǎn)發(fā)，將核心網(wǎng)的用戶面功能下沉到MEC，結(jié)合針對業(yè)務(wù)需求的靈活策略，由核心網(wǎng)用戶面負(fù)責(zé)MEC的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，降低網(wǎng)絡(luò)傳輸時延。

平臺層主要用于部署各種業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)器，完成信息娛樂、智能交通決策等功能，例如自動駕駛應(yīng)用服務(wù)器、遠(yuǎn)程駕駛應(yīng)用服務(wù)器、車輛編隊?wèi)?yīng)用服務(wù)器、智能停車應(yīng)用服務(wù)器、高清視頻應(yīng)用服務(wù)器等。實際上應(yīng)用服務(wù)器既可以部署在平臺層，也可以部署在MEC上。

4 5G低時延技術(shù)保障手段

支持5G自動駕駛業(yè)務(wù)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)將在3GPP R16中完成，其中超低時延是5G自動駕駛業(yè)務(wù)最關(guān)鍵的要求，以下將對5G網(wǎng)絡(luò)低時延技術(shù)手段進(jìn)行探討。

移動通信系統(tǒng)時延主要包括：空口時延、承載網(wǎng)時延以及核心網(wǎng)時延，其中承載網(wǎng)時延、核心網(wǎng)時延相對較大。

4.1 空口時延保障

降低空口時延的技術(shù)手段主要包括超短幀、自包含子幀、V2V等技術(shù)。

（1）超短幀

用戶面單向時延（DUP）可按公式計算[2]：DUP_typical（ms）=(4+p×8)×TTI，其中 p是數(shù)據(jù)傳輸出錯概率（BLER），TTI是最小數(shù)據(jù)傳輸間隔?？梢钥闯鲈趐一定時，DUP與TTI成正比，為降低DUP，可減小TTI。對于4G系統(tǒng)，TTI固定為1ms，而對于5G系統(tǒng)的NR幀結(jié)構(gòu)，TTI對應(yīng)一個slot，采用不同的子載波間隔將對應(yīng)不同的slot，如采用60KHz子載波間隔的幀結(jié)構(gòu)，則TTI對應(yīng)0.125ms（一個slot的長度），相比4G的1ms最小數(shù)據(jù)傳輸間隔縮短了88%，明顯降低傳輸時延。

（2）自包含子幀

自包含子幀（Self-contained subframe）幀結(jié)構(gòu)內(nèi)包含UL/DL，即一個TTI中同時包含上行和下行信息，通過把數(shù)據(jù)的傳輸（transmission）和確認(rèn)（acknowledgement）包含在一個子幀內(nèi)，不需要跨時隙的確認(rèn)（ACK），實現(xiàn)快速發(fā)現(xiàn)和解碼，從而保障低時延。

（3）V2V技術(shù)

V2V（Vehicle-to-Vehicle，車輛間通信）基于D2D（Device to Device，設(shè)備間通信）技術(shù)[3][4]，從3GPP R12和R13版本的短距離通信服務(wù)（ProSe，Proximity Services ）演進(jìn)，期間引入發(fā)現(xiàn)（Discovery）機(jī)制，在R14 LTE-V2X技術(shù)中定義了D2D的新交互空口，即PC5（物理層對應(yīng)SideLink），通過PC5實現(xiàn)終端間的直接通信，實現(xiàn)車輛與周邊車輛和路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施的低時延、高可靠通信，滿足碰撞預(yù)警、緊急避讓等輔助行車安全性應(yīng)用要求。

4.2 承載網(wǎng)時延保障

承載網(wǎng)時延一般相比空口時延更大，現(xiàn)網(wǎng)實測網(wǎng)絡(luò)輕載端到端時延約2～3 ms，所以更需要盡量控制。一方面進(jìn)一步降低設(shè)備處理時延，一方面降低轉(zhuǎn)發(fā)時延，如通過FlexE交叉或者光層直通提供低時延轉(zhuǎn)發(fā)通道。802.1TSN+低時延轉(zhuǎn)發(fā)，設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)延時可下降一個數(shù)量級，達(dá)到5-10μs級別；采用Flex帶寬隔離技術(shù)，設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時延最低可到百納秒級。除去設(shè)備處理與轉(zhuǎn)發(fā)時延外，承載網(wǎng)時延主要取決于傳輸距離，將在4.3節(jié)具體介紹。

4.3 核心網(wǎng)時延保障

核心網(wǎng)時延相比空口時延、承載網(wǎng)時延更大，甚至可達(dá)s級，因此降低核心網(wǎng)時延是保障5G端到端時延的一個重要環(huán)節(jié)。核心網(wǎng)時延保障手段主要包括核心網(wǎng)功能下沉以及邊緣計算技術(shù)（MEC）。

（1）MEC

基于本地緩存、本地應(yīng)用、業(yè)務(wù)優(yōu)化、數(shù)據(jù)服務(wù)等業(yè)務(wù)需求，業(yè)界提出MEC（邊緣計算）概念，通過本地化具備計算能力來滿足低時延、傳輸節(jié)省、創(chuàng)新業(yè)務(wù)（如CDN）等目的。MEC將業(yè)務(wù)能力部署到網(wǎng)絡(luò)邊緣，實現(xiàn)應(yīng)用與無線網(wǎng)絡(luò)更緊密的結(jié)合，縮短數(shù)據(jù)處理時間和傳輸時延。關(guān)于MEC在第3章已有闡述。

（2）核心網(wǎng)功能下沉

5G核心網(wǎng)控制和轉(zhuǎn)發(fā)分離，進(jìn)一步扁平，控制更加集中，用戶面簡化，可分布式部署。將核心網(wǎng)控制功能集中部署、集中管控、集中優(yōu)化，簡化信令拓?fù)?，提升信令處理效率；核心網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)平面進(jìn)一步簡化下沉，根據(jù)不同場景結(jié)合業(yè)務(wù)需求按需分散部署，同時將業(yè)務(wù)相關(guān)的數(shù)據(jù)存儲和計算功能下移到網(wǎng)絡(luò)邊緣，以滿足低時延的業(yè)務(wù)要求?？梢钥闯?，對于5G自動駕駛等低時延業(yè)務(wù)，用戶面下沉的邊緣位置非常重要，要求盡量靠近用戶側(cè)，以節(jié)省傳輸距離帶來的時延。通過對傳輸時延分析，假定業(yè)務(wù)匯聚機(jī)房至基站距離10公里，業(yè)務(wù)匯聚機(jī)房至普通匯聚機(jī)房30公里，普通匯聚機(jī)房至重要匯聚機(jī)房80公里，SPTN設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時延10μs，光纖時延5μs/km，對于uRLLC業(yè)務(wù)，傳送網(wǎng)時延不超過0.125ms，則用戶面應(yīng)下沉至業(yè)務(wù)匯聚機(jī)房以下，同時配合MEC的部署，以盡可能滿足端到端低時延需求。

圖3 傳輸時延與業(yè)務(wù)下沉位置示意

5 結(jié)束語

5G新技術(shù)是當(dāng)前業(yè)界研究的焦點，5G自動駕駛等uRLLC業(yè)務(wù)是當(dāng)前業(yè)界正在探索的5G應(yīng)用方向，本文主要介紹了自動駕駛業(yè)務(wù)對5G網(wǎng)絡(luò)的需求，5G自動駕駛業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)架構(gòu)，探討了相關(guān)低時延保障技術(shù)手段，對未來5G自動駕駛業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)提供一定的參考意義。