摘要：5G智慧園區作為建設智慧城市的關鍵切入點，具有交通組成元素相對單一、相關業務要求明確的特點，有利于實現5G+C-V2X商業化的快速落地，5G網絡可以為園區內的交通群體帶來超大帶寬、超低時延、超大連接的網絡接入條件。首先結合5G網絡特性以及智慧園區內交通群體的實際需求進行了分析，在此基礎之上提出了一套基于5G+C-V2X的智慧園區車聯網系統。該系統能提供多種智慧交通創新技術及業務示范，用于在冬奧會期間提供多場景下的車-路-云-網智慧交通服務。可以此為契機打造5G創新業務行業標桿案例，有效引領智能車聯網的產業創新，促進全球車聯網產業更好更快發展。
一、引言
近年來，隨著5G技術的商業化落地以及智慧交通相關標準體系的進一步完善，智慧交通的商業化落地方案也被提上日程。5G網絡由于其具備的超大帶寬、超低時延、超大連接特性，可以很好地支持車聯網場景下高移動性的智能網聯汽車對低時延網絡性能的需求。與此同時，我國已建成多個國家級的智能網聯汽車測試示范區用于協助和推進相關企業開展網聯汽車路試工作，這為車聯網的發展帶來歷史性的機遇。然而，考慮到智慧交通系統的商業化仍面臨著資金需求大、實際運營需求不清晰等一系列問題，在短期內難以實現大規模的部署。
智慧園區作為智慧城市的重要功能載體，其中的運營管理模式以及車聯網相關的應用場景都有著較為明確的限定，現階段可較好地實現全時空、全方位、全要素的數字化建設，進而成為智慧城市建設的示范案例。
當下，國內產業界基于5G車聯網研究已將5G網絡作為實現車、路、云實時信息交互的重要載體。在新型車聯網系統中，路端的基礎設施需要實現全面信息化；車載終端需要實現智能化；云端則需要具備一體化管控能力。本文將以首鋼冬奧園區為部署場景，提出了一套基于5G+C-V2X的智慧園區車聯網系統，對該系統下的應用需求以及涉及到的技術進行了詳細介紹，并給出了相關的應用案例。
二、5G賦能智慧交通
5G 的大帶寬、低延時、超大連接等特性，為交通設備、基礎設施、運輸服務和管理提供了全新的技術方案，為傳統交通向智慧化方向發展提供了新動能，降低了傳統蜂窩網絡的延遲，提升了網絡傳輸可靠性和吞吐量。與此同時， 5G 移動通信中具備具有大帶寬、低延時、本地化等特點的移動邊緣計算（MEC, Mobile Edge Computing）技術，可以有效地提高傳統網絡的邊緣計算和存儲能力，從而實現在移動網絡邊緣部署應用服務環境，使智能車輛更加接近相應的服務平臺。這些都為車聯網相關的高級V2X應用落地提供了有力的支持。與傳統的V2X技術相比，5G-V2X技術在端到端時延、可靠性、負載、數據傳輸率、傳輸距離等性能上都有了較大的提升，具體性能參數對比如表1所示：
3GPP定義了5G車聯網中的相關應用及網絡性能需求，并制定了相關的標準。早先發布的5G V2X Release 14版本中定義了用于支持相應的智慧交通用例，如前向碰撞警告等。后續發布的Release 15版本中的新用例更專注于自動駕駛相關的業務需求，包括排隊、傳感器和地圖共享、部分/有條件、高/全自動駕駛的信息共享，以及遠程駕駛等相關。這些應用可能需要高達50pps的傳輸， 最大可容忍延遲介于3~10 ms，以及高達99.99%的可靠性（根據PDR定義）。為了支持這些需求，3GPP從不同層面對5G網絡技術展開了針對性的研究。在接入層，提出了基于5G通信的可變幀結構，其中子載波的間隔可變，可通過增大子載波間隔來減小slot的長度，與60 kHz的子載波間隔相對應的為0.125 ms的slot。從時域上來看，從4G對應的1 ms到5G對應的0.125 ms，大大地縮短了傳輸時間。在核心網架構方面，提出了網絡切片技術，可以根據對時延、帶寬、可靠性等方面的需求將物理網絡劃分為多個虛擬網絡，實現每一個虛擬網絡服務于不同的業務，具備很強的靈活性。
三、園區智慧交通需求分析
本節將以首鋼冬奧智慧園區相關的智慧交通業務需求為主要研究目標，首先對當前園區內的基本環境進行了介紹，在此基礎之上對園區內的智慧交通業務場景以及需求進行了分析。
3.1 園區內基礎設施環境
首鋼冬奧園區是北京2022年冬奧會和冬殘奧會組織委員會駐地，2018年10月中國聯通和首鋼集團完成戰略合作伙伴簽約，將聯手把首鋼園區打造成國內首個5G示范園區，并在建設5G產業園區、推動智慧園區規劃設計和示范應用、自動駕駛等方面展開戰略合作。目前，首鋼冬奧園內智慧交通相關的基礎設施包含了5G基站、路側單元（RSU, Road Side Unit）、雷達、攝像頭和MEC 服務器等。其中，由中國聯通部署的17個5G基站已實現園區5G網絡全覆蓋。
3.2 園內業務需求分析
首鋼冬奧園區作為國家級訓練場和冬奧會比賽所在地，會有大量的工作人員、運動員、觀眾等冬奧會參與群體的出行及接駁需求，以及在園生活期間時日用品采購及運輸需求。園區人流、車流、物流呈現高流量、高密度及潮汐特征。根據不同的業務場景，我們從業務運營及網聯環境搭建兩個角度分析對園內智能車聯網系統建設的需求。
（1） 業務運營
1） 接駁擺渡
無人接駁擺渡車可根據事前規劃好的路線，在園區實現自動巡航行駛。車輛具備車內監控（客流監控、車身狀態監控）、電子支付、信息發布（天氣、賽況轉播）等能力。用戶可通過APP預約上車站點，系統會為其預留座位，減少用戶在站點排隊候車時間。
2） 無人零售
在園區主干道實現流動售貨，滿足園區不同人群對日用品、零食、紀念品的隨機采購需求。車輛能夠實現巡航售賣、招手即停等。用戶能夠實時查詢車輛位置，按需采購。
3） 物資派送
實現小件商品（如外賣、小型包裹等）的快速配送。小車可自主靈活穿梭人流，自動進入樓宇、酒店。配送車輛具備掃碼取貨、掃碼在線支付等能力。
4） 自主泊車
用戶在下車后啟動一鍵泊車程序，車輛自動駕駛完成在停車場的泊車入位；用戶準備回家時啟動“一鍵取車”功能，車輛自動駕駛從車位駛出，來到用戶身邊，實現自主接駕。停車場管理平臺對車位、繳費實現統一監管。
（2） 網聯環境搭建
1）交通基礎設施網聯升級。包括在路側布設RSU、感知設備（攝像頭、雷達等）、接入交通信號燈等。通過交通基礎設施的網聯化和智慧化升級實現動靜態交通環境信息的實時采集。
2）5G+C-V2X通信系統。在園區部署5G+C-V2X融合通信網絡，并在園區實現連續覆蓋，網絡時延能夠達到10 ms 以內，帶寬超過1 G/s。以及助力園區自動駕駛車輛實現網聯式高級別自動駕駛和遠程駕駛。
3）高精度定位網絡。在園區實現遮擋環境和非遮擋環境下高精度定位網絡的連續覆蓋，定位精度需達到厘米級。綜上，從業務運營需求和網聯環境搭建角度，需要完成5G+智能車聯網在融合組網、高精度定位、智能交通基礎設施升級、L4自動駕駛研發等角度的關鍵技術研究、產品研發、建設等，并在無人接駁、無人零售、自動泊車等關鍵場景下開展業務示范，為冬奧會提供安全高效的出行環境。
四、智能車聯網系統
本節將介紹針對面向首鋼冬奧園區典型出行業務需求提出的一套安全高效的智能車聯網系統。該系統包括基于5G+C-V2X融合組網、5G+北斗高精度定位網絡、L4 自動駕駛車輛以及面向園區運營的主系統平臺等核心功能。系統總體架構如圖1所示。
圖1 基于5G+C-V2X+北斗的智能車聯網系統
4.1 基于5G和C-V2X的車聯網通信網絡
園區內車聯網系統基于5G+C-V2X融合組網解決方案， 打造基于5G+C-V2X的全域交通態勢感知車路協同系統。基于MEC的5G網絡，可實現時延小于10 ms的網絡傳輸，以保證車端與平臺的實時信息交互，滿足智能駕駛安全需求。5G網絡提供的大帶寬傳輸特性，能夠實現車端路端視頻、激光雷達點云數據的實時上傳，上行數據速率達到150 Mbps 以上，有效支撐車路協同及交通態勢預測。此外，5G與C-V2X融合組網，通過全局與區域通信的優勢互補，構建安全高效智能車聯網，保障系統的穩定性。同時通過研發智能路側融合感知算法并將其部署在路側MEC上，實現視頻、雷達、RSU等多源數據的本地實時處理，實現全域交通態勢感知車路協同。方案架構如圖2所示：
圖2 基于5G和C-V2X的融合通信網絡
本方案中車路協同點位于園區主要干道兩側及關鍵路口，通過部署攝像頭、雷達等感知設備、對接信號燈等實現全域交通路況信息采集，路側MEC內部署了基于感知的多源異構融合感知算法，并針對冬奧場景開展算法研發與優化，可實現大雪、多霧等天氣下的交通視頻檢測及跟蹤。含有5G和LTE-V通信模塊的RSU可為智能網聯車輛、自動駕駛車輛提供路側高精度定位信息播發和高精度地圖下載能力，助力車輛構建“場端+車端”的全域協同感知和定位導航體系。車路協同多源異構融合感知體系架構如圖3所示：
圖3 車路協同多源異構融合感知體系
4.2 基于5G+北斗的室內外一體化高精度定位網絡
本方案針對遮擋環境下難以實現衛星高精度定位的問題，提出了5G、北斗、車輛傳感等多種技術融合的定位方案，形成了一套基于5G+北斗的室內外一體化高精度定位體系架構。該體系架構用于研發車輛高精度定位設備與云服務，實現了在首鋼園區遮擋環境下0.1 m定位精度的技術突破，并且為園區無人駕駛車輛提供無縫的室內外高精度定位及路徑導航。體系架構如圖4所示。
圖4 基于5G+北斗的室內外一體化高精度定位體系
通過在園區內部署5G基站、北斗地基增強站以及搭載了定位能力的智能路側設備，可構建基于5G+北斗的多源融合高精定位體系。通過高精度位置服務平臺，可實現厘米級精準定位、實時軌跡跟蹤、動態路徑規劃等業務。云端位置信息和車載自身感知能力的有機結合，助力園區內的L4自動駕駛小汽車、無人巴士及無人零售車實現高精準的自動駕駛。在地下停車場部署了基于5G+北斗+UWB室內外一體化高精度定位系統，助力實現自主泊車業務，包括車位的快速尋找、駛入駛出及精準停靠等功能。
4.3 L4級別自動駕駛
L4 是目前業內最高自動駕駛級別，本系統基于5G+C-V2X+ 北斗高精度定位的智能車聯網環境，開展限定條件城市道路和共享出行L4級自動駕駛，以及限定條件城市道路、地上/地下停車場、封閉園區、半封閉園區等場景下應用的代客泊車的技術開發與研究，自動駕駛車輛能夠將交通環境信息與車載傳感器感知信息相結合，實現基于融合感知的駕駛行為實時決策，打破了單純依賴車身感知實現車輛自動駕駛導致的視距窄、成本高、存在安全風險等局限，實現車輛防碰撞預警、變道預警、限速提醒、路徑規劃、綠波通行、路況提醒、自主泊車、無人接駁擺渡自動駕駛等功能，其功能結構示意如圖5所示。
圖5 L4級別自動駕駛功能示意圖
4.4 智能車聯網業務平臺主系統
方案基于上述功能構建車聯網業務平臺主系統，實現對園區智能網聯交通環境的實時呈現，支持對自動駕駛車輛進行運營管理等，包括車輛智能駕駛模塊、人-車-路-環境協同服務模塊、高精度地圖與定位模塊三個子模塊，支撐園區智慧交通業務協同運營。車輛智能駕駛模塊對接多種自動駕駛車輛，實現對車輛的環境信息、控制信息下發等，實現云端對車輛的遠程駕駛、智能調度、路徑規劃等功能。人-車-路-環境協同服務模塊通過5G+V2X 網絡實現對RSU、路側感知單元（攝像頭、雷達等）、OBU、路側MEC平臺信息交互與運維管理，可實現對全域道路信息的感知、預測、分析、基礎設施故障監控等業務。高精度地圖與定位模塊能夠匯聚車端、路端動態數據，并在云端結合高靜態地圖數據，完成動態信息的清洗、分類、計算及靜態地圖數據的匹配計算，為自動駕駛車輛提供高精度動態交通信息服務、高精度位置服務、動態信息態勢服務及高精度地圖發布服務。主系統架構如圖6所示。
圖6 智能車聯網業務平臺主系統
業務平臺主系統采用微服務架構，可支撐多種業務并發運行，便于各功能模塊獨立維護，提高開發和部署效率。模塊之間采用輕量級的交互機制實現通信，按照既定的接口規范實現信息高效傳輸。平臺具備不少于5萬輛車動態信息接入能力，峰值處理能力不低于5萬次/秒， 支撐不少于10種出行業務在冬奧會期間的示范運營。
五、相關應用示范
本文提出的智慧系統覆蓋首鋼冬奧園區面積超過200萬平方米，可支持的傳輸時延小于10 ms，實現0.1 m級別車輛定位精度，支持冬奧期間不少于4種類型、不少于1 000輛車同時接入，服務于基于車路協同的無人自主泊車等10個以上應用場景的部署，并在2022年北京冬奧會期間實現整體應用和示范。這將是奧運歷史上首次將L4級別的無人接駁擺渡、自主泊車、無人運輸等智能車聯網業務實現整體應用，為冬奧會不同人群提供綠色、高效、安全的出行。應用示范系統架構如圖7所示。
圖7 面向冬奧園區應用的業務示范
圖7中的相關應用將基于5G、北斗、C-V2X等的高速率、高精度定位和智能車聯網技術，結合云端的園區智慧交通業務平臺為冬奧參與者提供平穩、安全、高效的無人駕駛出行體驗，滿足他們在冬奧園區的全天候便捷出行需求，實現人員、車輛、物資的靈活調度及運輸。
六、結束語
智慧園區由于具有場景相對固定、建設運營主體相對明確等特點，可作為一個快速建立商業模式的平臺以實現相關系統或業務的商業化落地。本文提出的5G 智慧園區的車聯網系統應用示范可為智慧車聯網產業商業化落地提供重要的參考。系統的創新成果包括車路協同全域感知技術、融合定位技術、多車協同路徑規劃技術等，都會為智能汽車產業帶來巨大變革，促進真正意義上的汽車智能化和自動駕駛進入快車道，并產生新的商業生態模式。該系統還將國內自主研發的芯片、終端、平臺、應用等車聯網產業鏈重要元素構成閉環系統，實現整體應用與示范，助力打造5G+智慧交通標桿行業應用案例。
來源：智行生態圈 ，本文由劉琪，洪高風，梁鵬，夏俊杰，許幸榮，宋蒙，曾傳鑫聯合創作
