5G、毫米波雷達(dá)和UWB加速自動(dòng)駕駛布局

所謂的自動(dòng)駕駛技術(shù)，基本上是透過安裝在車身上的傳感器，收集所有的必須性的信息，因此僅僅依靠這些傳感器，或許可滿足Level 3的要求，但當(dāng)期望實(shí)現(xiàn)Level 5的全自動(dòng)駕駛，就需要更多的各種信息，例如，行駛時(shí)，駕駛者無法看到的危險(xiǎn)和周圍路況，僅依靠傳感器獲得的信息是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

現(xiàn)階段，自動(dòng)駕駛技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了Level 3，可以在高速公路上行駛。雖然各種先進(jìn)自動(dòng)技術(shù)正被積極地開發(fā)中，但期待自動(dòng)駕駛被成功導(dǎo)入，需要3個(gè)先進(jìn)無線技術(shù)支持：5G、毫米波雷達(dá)和UWB。

透過5G將自動(dòng)駕駛提升到Level 5
與傳統(tǒng)的4G相比，5G有三個(gè)主要特點(diǎn)：高速度和高容量，超低延遲和多點(diǎn)同時(shí)連接。例如，在通訊速度的峰值速率方面，4G是1Gbps，但5G已經(jīng)大幅提高到20Gbps，因此可以滿足4K/8K或其他高解析影像的傳輸。而延遲速度也將大幅減少到1毫秒，是4G的1/10。同時(shí)連接的數(shù)量也大幅提高到100萬單位/k㎡，是傳統(tǒng)系統(tǒng)的十倍之多。因此，透過5G通訊技術(shù)，可以協(xié)助將自動(dòng)駕駛能力快速提升到Level 4甚至Level 5。

目前全球的自動(dòng)駕駛技術(shù)相關(guān)業(yè)者，一直努力開發(fā)出利用5G通訊的車輛間通訊系統(tǒng)。例如日本軟銀在國際標(biāo)準(zhǔn)化之前，就開發(fā)出世界上第一個(gè)自動(dòng)安全駕駛所需的高可靠、低延遲的車輛間通訊系統(tǒng)，并且成功地讓應(yīng)用在卡車上，在高速公路上與后續(xù)車輛進(jìn)行編隊(duì)行駛。

這項(xiàng)新一代安全駕駛系統(tǒng)，是透過5G通訊技術(shù)將三輛高速行駛的卡車連接起來，并在無線終端之間進(jìn)行直接通訊。因?yàn)榻K端間直接通訊是不需要經(jīng)由基地臺，因此訊號傳輸?shù)难舆t只有1/1000秒，讓車輛之間的通訊都可以達(dá)到低延遲傳輸。

同時(shí)，日本軟銀還利用5G的低延遲寬帶傳輸特點(diǎn)，將后方卡車鏡頭的影像傳輸?shù)角胺降能囕v，達(dá)到讓所有利用5G CAV通訊的車輛，都能實(shí)時(shí)觀察到后方車輛周圍的情況。

日本軟銀稱為「擴(kuò)展傳感器」的平臺，可以分享車輛之間保持距離，和自動(dòng)跟蹤所需的信息。在經(jīng)過新東京-名古屋高速公路上實(shí)際行駛后，已經(jīng)證實(shí)這項(xiàng)技術(shù)對安全駕駛來說是可被信任的。因此，也被日本業(yè)界認(rèn)為對「聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)駕駛車（Connected Autonomous Vehicle；CAV）」的標(biāo)準(zhǔn)化非常有用，同時(shí)更是推動(dòng)自動(dòng)駕駛技術(shù)進(jìn)步所必需的新技術(shù)概念。

利用V2X將汽車和各種外部事物相連
為了實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)，最近對「V2X（Vehicle to Everything）」的討論越來越多，而5G的出現(xiàn)，人們對5G在V2X應(yīng)用的期望越來越高(圖一)。



 
圖一 : 人們期待透過5G能夠滿足V2X的通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的要求。(source：日本總務(wù)省情報(bào)通訊白皮書；作者整理)

一個(gè)明顯的例子是3D地圖數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛，需要比傳統(tǒng)汽車導(dǎo)航系統(tǒng)更詳細(xì)的數(shù)據(jù)。但將如此大量的信息儲存在汽車中是不實(shí)際的，因此透過通訊來頻繁更新3D地圖數(shù)據(jù)是必不可少的，這就需要車輛和網(wǎng)絡(luò)（V2N）之間的高速、高容量的通訊。此外，在Level 3以上的自動(dòng)駕駛中，駕駛者不是司機(jī)，而是系統(tǒng)。

為了確保這種情況下的安全駕駛，就需要進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，甚至是遠(yuǎn)程操作。 在過去最大的問題是，溝通的時(shí)間滯或延遲。然而使用超低延遲的5G網(wǎng)絡(luò)，這些延遲問題就可以被大幅的減少。

5G的多連接功能也為自動(dòng)駕駛提供了各種智能能力，例如車輛與車輛之間的連接（V2V），實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)編隊(duì)駕駛和先進(jìn)的事故預(yù)防。而連接到路邊的基礎(chǔ)設(shè)施，如交通燈（V2I），可以實(shí)現(xiàn)安全和高效的駕駛。此外，如果與行人的智慧手機(jī)等設(shè)備的連接（V2P），更可以在行人突然闖車身危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，控制車輛自動(dòng)閃避或停止。

另一方面，5G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用仍需要先進(jìn)的技術(shù)。目前5G使用Sub 6和毫米波兩個(gè)頻段進(jìn)行通訊。傳統(tǒng)的4G是在3.6GHz以下，sub 6是在3.7 GHz和4.5GHz，而毫米波的頻率更高達(dá)到28GHz。 因此，采用5G標(biāo)準(zhǔn)通訊設(shè)備的開發(fā)，便需要毫米波、天線設(shè)計(jì)和散熱等先進(jìn)的技術(shù)(圖二)。



 
圖二 : :5G是透過Sub 6(3.7 GHz和4.5GHz)和毫米波(28GHz)的頻段進(jìn)行通訊。(source：日本總務(wù)省情報(bào)通訊白皮書；作者整理)

此外在V2X的應(yīng)用方面，也有一些較為特殊的技術(shù)挑戰(zhàn)性，因?yàn)閂2X的要求與傳統(tǒng)的行動(dòng)通訊不同，需要非常高的可靠性和極低延遲，而網(wǎng)絡(luò)配置也更加復(fù)雜，還有終端之間的連接和通訊。因此，V2X的發(fā)展除了需要先進(jìn)的無線技術(shù)外，還需要深厚的行動(dòng)通訊專業(yè)知識(圖三)。



 
圖三 : V2X需要先進(jìn)的各種行動(dòng)無線技術(shù)為通訊基礎(chǔ)。(source：富士通；作者整理)

車聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)需仔細(xì)進(jìn)行效能評估以及模擬
由于各種因素的多重迭加，在車聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展過程中，往往會出現(xiàn)意想不到的問題，這是以前從未經(jīng)歷過的。例如，多輛車在路上行駛時(shí)，所出現(xiàn)的無線電干擾或網(wǎng)絡(luò)效能的衰退等等。在真實(shí)的環(huán)境中，車輛是高速行動(dòng)的物體，而這些大量車流也一直處于在交錯(cuò)的方向行進(jìn)，因此通訊環(huán)境和條件時(shí)時(shí)刻刻都在變化。為了準(zhǔn)確掌握這些變化和相關(guān)的條件，就必須建構(gòu)出仿真模型(Simulation Model)以及實(shí)際的現(xiàn)場環(huán)境(Field)進(jìn)行測試。

透過使用符合行動(dòng)通訊和V2X標(biāo)準(zhǔn)的Simulation Model，可以預(yù)設(shè)出車輛的數(shù)量、位置和方向之后，進(jìn)一步驗(yàn)證行車聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的各項(xiàng)性能。并且搜集現(xiàn)場測試結(jié)果的數(shù)據(jù)后，進(jìn)一步地提高準(zhǔn)確性、加速開發(fā)和縮短驗(yàn)證周期。

此外，進(jìn)行無線電的測試時(shí)，需要根據(jù)相關(guān)法令認(rèn)證，在過程中非常繁瑣跟耗時(shí)，所以如何與優(yōu)秀的無線技術(shù)和行動(dòng)通訊的伙伴合作，也是順利開發(fā)聯(lián)網(wǎng)汽車的關(guān)鍵。

在進(jìn)行驗(yàn)證無線網(wǎng)絡(luò)車載信息控制單元（Telematics Control Unit，TCU）時(shí)，必須考慮與已經(jīng)安裝在車輛上的各種傳感器和電子控制單元(Electronic Control Unit，ECU)的兼容性。每個(gè)傳感器或ECU對于網(wǎng)絡(luò)條件的要求，如延遲、通訊周期和通訊容量，都有所不同。例如，為了每種情況找到最佳的網(wǎng)絡(luò)要求時(shí)，倒底傳統(tǒng)的4G就已經(jīng)足夠，還是必須使用5G，都是需要進(jìn)行事先完整性評估。此外，網(wǎng)絡(luò)切片(Network Slicing)和MEC(行動(dòng)邊緣運(yùn)算)技術(shù)，對于為每個(gè)應(yīng)用對象單元建立最合適和最靈活的網(wǎng)絡(luò)也非常重要。

車聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)初期需要更多的努力和時(shí)間
此外，對于V2X的5G和毫米波雷達(dá)中，使用的毫米波具有極短的波長和高傳輸損耗，因此天線設(shè)計(jì)、電路模式損耗和噪音對性能有很大影響。

在V2X的5G架構(gòu)下所使用的毫米波，具有極短的波長和高傳輸損耗，因此在天線設(shè)計(jì)、電路模式損耗和噪音等方面的設(shè)計(jì)，對于車聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的通訊能力有很大影響性。另一方面，短波長也意味著電路的尺寸很小，印刷電路板的每一面只有幾毫米寬。 Patten寬度也必須精確到微米級，這些都需要先進(jìn)的封裝技術(shù)。而這種高分辨率的毫米波電路，期望在原型設(shè)計(jì)時(shí)間就能進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整是很困難的，這也意味著在設(shè)計(jì)和原型開發(fā)期中需要額外的努力和時(shí)間。

為了解決這些問題，如何有效運(yùn)用電磁模擬等技術(shù)就變得非常關(guān)鍵，因?yàn)榻?gòu)出高精度的仿真模型，對于準(zhǔn)確和有效地設(shè)計(jì)毫米波組件是相當(dāng)重要的。

然而，仿真模型的建立不可能一蹴而就，只有通過在毫米波開發(fā)中，反復(fù)驗(yàn)證后而獲得經(jīng)驗(yàn)下，才能提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)平臺的精確度。

自動(dòng)駕駛的智能座艙儀表
TESLA的大型中置平板屏幕
可能是受到TESLA的影響，最近的新車的駕駛座的顯示面板設(shè)計(jì)，開始朝向?qū)⒍鄠€(gè)大型液晶面板在駕駛員的前方一字排開。

TESLA的用戶接口，只有一個(gè)大的中央顯示屏幕，看起來就像一個(gè)大型平板計(jì)算機(jī)，雖然是一種創(chuàng)新，但還有些人似乎難以完全接受，例如透屏幕來改變空調(diào)的方向就頗有微詞，但對于經(jīng)常接受創(chuàng)新產(chǎn)品的用戶來說，卻是一個(gè)不錯(cuò)的操控體驗(yàn)(圖四)。



 
圖四 : TESLA創(chuàng)新采用置于駕駛艙的平板屏幕作為車輛信息顯示儀表- Model 3。

Mercedes-Benz徹底改變?nèi)塑嚱换ツＪ?/strong>


 
圖五 : Mercedes-Benz的先進(jìn)MBUX HYPERSCREEN駕駛座艙人機(jī)界面。

有著安全神話的Mercedes-Benz曾經(jīng)說過，其核心政策就是堅(jiān)守一個(gè)不會分散駕駛員注意力的人機(jī)界面(HMI)，但是這個(gè)政策似乎被打破了。

Mercedes-Benz QES的豪華EV中使用怪獸級55.5英寸MBUX HYPERSCREEN超寬幅數(shù)字UI的OLED屏幕，徹底改變?nèi)塑嚱换ツＪ健＿@個(gè)橫跨前駕駛座寬度的Hyperdash一體式曲面屏幕，包含三個(gè)大部分—駕駛員一側(cè)的儀表，中間用于處理訊息、娛樂和氣候需求顯示，以及副駕駛座乘客可享受的娛樂信息，這部份的面板還具有觸覺回饋和卓越的畫質(zhì)技術(shù)，這是Mercedes-Benz有史以來最大和最智能的屏幕。

Vanarama模擬APPLE CAR儀表
為了減少視覺運(yùn)動(dòng)來降低駕駛風(fēng)險(xiǎn)的抬頭顯示器（HUD），在各種的應(yīng)用領(lǐng)域快速擴(kuò)大中，相信未來將更進(jìn)一步的導(dǎo)入AR技術(shù)，例如，APPLE的AR產(chǎn)品「Apple Glass」將會在2022發(fā)表，甚至傳聞中的APPLE CAR將采用這項(xiàng)AR技術(shù)，提供創(chuàng)新性的車內(nèi)UI/UX。

在Vanarama對于APPLE CAR模擬設(shè)計(jì)圖中可以發(fā)現(xiàn)，整個(gè)環(huán)繞正副駕駛座的前方飾板，已經(jīng)全部被顯示面板所取代，提供駕駛者所需的基本行車信息，以及提供副駕駛座對于導(dǎo)航、音樂播放、溫度控制等各種功能操作，甚至連方向盤中央也有一個(gè)方形的屏幕，來支持Siri語音助理等服務(wù)(圖六)。



 
圖六 : Vanarama利用想象設(shè)計(jì)來模擬APPLE CAR駕駛座艙儀表板。

Continental擴(kuò)展儀表面板的寬度
不僅專注于輪胎、制動(dòng)系統(tǒng)與車身穩(wěn)定系統(tǒng)的開發(fā)，Continental也投入開發(fā)針對未來車聯(lián)網(wǎng)趨勢下所需的相關(guān)技術(shù)，在2022年1月5日拉斯韋加斯的國際消費(fèi)電子展(CES2022) 上，展示了駕駛儀表顯示的最新技術(shù)。

Continental最先進(jìn)技術(shù)創(chuàng)造了一個(gè)無縫和創(chuàng)新的駕駛體驗(yàn)。例如，Shy Tech顯示器隱藏了由按鈕、燈和開關(guān)組成的控制面板，并以一種全新的方式將控制與顯示器整合在一起。該系統(tǒng)除了顯示相關(guān)內(nèi)容，也內(nèi)建了一些選項(xiàng)提供駕駛來操控。

這意味著ShyTech顯示器并非由一個(gè)「空白」的黑色顯示面板，和許多機(jī)械式按鈕組成，而是將訊息顯示于類似于木紋、碳纖維或皮革的優(yōu)雅表面，讓駕駛座設(shè)計(jì)得更具吸引力。從左A柱延伸到右A柱的顯示面板，充分將儀表面板的寬度延伸到極限，并且在以前沒有使用過顯示面板的地方，為駕駛員和乘員創(chuàng)造全新的互動(dòng)區(qū)域(圖七)。


 
圖七 : Continental的ShyTech顯示器整合在類似于木紋、碳纖維或皮革的表面。

汽車數(shù)字化正在飛速發(fā)展
雖然，現(xiàn)階段內(nèi)建5G無線技術(shù)的車輛大多處于測試階段，但是，在儀表板方面，各種創(chuàng)意設(shè)計(jì)都已經(jīng)在人們的驚嘆聲中呈現(xiàn)，不僅增添了娛樂性，將車輛傳感器連接到交通、位置、速度和其他車輛等駕駛數(shù)據(jù)，以涵蓋該駕駛生態(tài)系統(tǒng)中可以考慮的所有內(nèi)容，都已經(jīng)可以在屏幕上顯示。

另一方面，目前車聯(lián)網(wǎng)全球市場仍處于半導(dǎo)體短缺、產(chǎn)量下降、成本上升等問題，但2021年對于車聯(lián)網(wǎng)的研究投入依然強(qiáng)勁，隨著支持4G的車輛市場的成熟，和支持5G的TCU正被擴(kuò)大的采用中。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年90%的聯(lián)網(wǎng)汽車將采用4G，而2025年將有1/4的汽車采用5G，在市場規(guī)模方面，2027年全球V2X市場預(yù)計(jì)將來到188.771億美元，復(fù)合年增長率高達(dá)33.8%。因此汽車數(shù)字化正在飛速發(fā)展，全球聯(lián)網(wǎng)汽車的普及率不斷提高就是證明。