2019年07月23日 | 汽车以太网和5G将如何助力自动驾驶

2019-07-23

人类是非常复杂的生物：我们的大脑通过神经系统将信号传送到肌肉。与此同时，我们的神经将感觉器官感知到的冲动传送到大脑。这样我们就能够在所处的环境中进行沟通、有所行为并作出反应。自动驾驶的工作原理大致相同：汽车必须对外界的影响作出反应，同时同步的与环境进行沟通。这类车辆主要需要的是以整台车中安装的性能强大的计算机为形式的大脑、传感器形式的触觉功能、汽车以太网，以及高性能的 5G 通信系统。打个比方，汽车以太网构成的是神经系统，而天线则是耳朵和嘴巴。在这一过程中，它们将会使未来的自动驾驶成为现实。

互联汽车的安全性源自内部

就像人一样，自动驾驶汽车必须从内部来促进安全性，独立运行。高度并且完全自动化的汽车必须能够通过自身的感觉系统与致动系统，独立的管理各种安全问题。并且，在这样做的同时不得依赖于行驶在路上的其他车辆或者基础设施所产生的数据。因此，车辆需要的是来自传感器的数据，以及一个敏捷的神经系统，该系统会将数据传送给整台车中安装的全部计算单元。汽车以太网恰恰就在这方面发挥了作用。由于从 IT 中兴起的技术已经证实了自身的能力，因此以太网可以作为汽车制造商的神经系统。从传输速度、容错以及首要的安全性上来说，这些技术可以满足汽车行业的需求。此外，以太网被认为是面向未来准备就绪的，而这一特点对于自动驾驶极其重要。

极高的数据速率与可靠性成为关键标准

汽车以太网将使在车内达到极高的数据速度成为可能。目前，汽车数据网络的速度最高可到 10 Gbps。今年拉斯维加斯的 CES 上已经展示过了初期的解决方案。高带宽与快速的信号处理对于自动驾驶具有至关重要的作用。此外，以太网必须自动防故障，并且高度可靠。为了做到这一点，汽车会配备冗余的线束，可以弥补局部故障的问题，并且便于整个系统的持续运行。提高以太网可靠性的另一条途径就是采用环形的线缆排列方式。使用了这种系统后，即使环上有一个点完全失效，各个独立的组件仍然可以继续相互通信。

以太网必须执行的一项至关重要的任务就是迅速可靠的将汽车传感器产生的安全相关数据提供给各计算单元。这样将使车辆能够在城市交通中自主运行。自动驾驶还会需要其他的数据，尤其可以提高行驶的平顺性。这些数据将由汽车的天线生成。此外还必须满足特定的要求，从而将外部数据快速的反馈给车辆的电脑。

5G 通信系统提高无人驾驶汽车的舒适度

天线已经成为互联驾驶中的一个关键组成部分。可以用于提供通过以太网从其他车辆或者基础设施处收到的信号，并且为汽车中用于计算的大脑提供一个连接平台。这种所谓的预处理传感器系统有些类似于互联车辆发出的声音，通过这种声音，车辆可以与环境进行通信，并且收发信号。接收到的信号可以提高舒适度。当车辆比预期提前施行制动的情况下，就会发生这类场景，而且，因为在此之前车辆已经以无线的方式报告了制动操作，制动会更加的轻柔。还有，一辆救护车可以通过无线的方式将它的存在告知前面的车辆，这样前面的车辆可以及时的腾出一条过道。

由于缺少带宽，当今的传感器数据是以一种经过高度预处理的状态来发送的。每台车目前可用的带宽只有几百千位。这种情况目前还算行得通，但是对于自动驾驶来说是不够的。车辆以后必须能够接收更多的传感器数据，而其中的一些数据并未经过处理。这类要求使得更大的带宽成为一种不可避免的趋势。理想的愿景就是，车辆能够接收数据量相当于其自身现有数据的[原始]传感器数据。每家 OEM 都会实施有利于自身品牌塑造的算法，而这些算法只有在访问了原始传感器数据后才会起作用 – 包括自身的数据以及环境的数据。这样就会需要远远超出目前水平的数据流 – 一直拓展到千兆级的水平。传送海量数据的其他场景对于自动驾驶来说也非常重要。其中就包括下载高清晰度的最新地图，从而表明当前的建设用地以及车辆将必须应对的各种障碍物。

必须扩大频率范围

为了能够提供这种带宽，天线就必须覆盖更大的频率范围。这就需要一个新的标准，而现在有几家组织正在开发这种标准。这一新标准 – 5G V2X – 应当便于使用多个 100 兆比特的带宽，理想情况下还应支持多个千兆级的带宽。如此一来，车辆将能够收发有关的数据量，从而提高舒适度。由于各家标准化组织目前正在合作来定义各种应用案例，据专家预计，最早的产品将在下一个十年开始的时候在市场上出现，并且大约从 2025 年开始支持高度的并且完全的自动驾驶。一个仍然必须回答的重要问题就是 5G V2X 应当使用的频率范围。毕竟，全球还没有 60 GHz 以下的免费频率范围可以承载这种数据量。在 60 GHz 这一领域，还存在着一个物理上的问题，这一问题涉及到氧分子的共振频率。如果这种分子开始振荡，则将会从无线电波中吸取能量，将电波的范围限制到只有几米的水平。这样一来，车辆和基础设施间的通信之类的应用将不可能实现。

天线技术提供了一条解决这一问题的途径：不再使用以环状来发出无线电波的全向天线，而是改用多条定向天线。这种天线可以持续的将电波向一个方向照射，并且在这一过程中扩大频率范围。这类天线需要用来接收行驶在路上的其他车辆发出的信号，并且也会发出自己的信号。此外，还必须相互之间连接起来，同时与车辆的计算机保持连接。这样反过来又将需要汽车以太网快速的传输数据。

未来从现在起步

汽车制造商已经在通过现场试验来测试自动化的汽车了。比如说，戴姆勒最近获得了一项授权，在北京的城市街道上测试自动驾驶汽车。与此同时，沃尔沃也在瑞典的道路上试验自动驾驶汽车。最初的结果表明驾驶员可以接受自动驾驶汽车，并且愿意将控制权交给汽车。自动驾驶汽车的行为与人类相像：传感器接收信号，通过神经系统和通信系统将其发送给大脑，并且通过（定向）天线来与道路上的其他车辆进行通信。

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