5G、毫米波雷達和UWB加速自動駕駛布局

所謂的自動駕駛技術(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，但當期望實現(xiàn)Level 5的全自動駕駛，就需要更多的各種信息，例如，行駛時，駕駛者無法看到的危險和周圍路況，僅依靠傳感器獲得的信息是遠遠不夠的。

現(xiàn)階段，自動駕駛技術(shù)已經(jīng)達到了Level 3，可以在高速公路上行駛。雖然各種先進自動技術(shù)正被積極地開發(fā)中，但期待自動駕駛被成功導入，需要3個先進無線技術(shù)支持：5G、毫米波雷達和UWB。

透過5G將自動駕駛提升到Level 5
與傳統(tǒng)的4G相比，5G有三個主要特點：高速度和高容量，超低延遲和多點同時連接。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)助將自動駕駛能力快速提升到Level 4甚至Level 5。

目前全球的自動駕駛技術(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準化之前，就開發(fā)出世界上第一個自動安全駕駛所需的高可靠、低延遲的車輛間通訊系統(tǒng)，并且成功地讓應用在卡車上，在高速公路上與后續(xù)車輛進行編隊行駛。

這項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行直接通訊。因為終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到低延遲傳輸。

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

日本軟銀稱為「擴展傳感器」的平臺，可以分享車輛之間保持距離，和自動跟蹤所需的信息。在經(jīng)過新東京-名古屋高速公路上實際行駛后，已經(jīng)證實這項技術(shù)對安全駕駛來說是可被信任的。因此，也被日本業(yè)界認為對「聯(lián)網(wǎng)自動駕駛車（Connected Autonomous Vehicle；CAV）」的標準化非常有用，同時更是推動自動駕駛技術(shù)進步所必需的新技術(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)絡技術(shù)的要求。(source：日本總務省情報通訊白皮書；作者整理)

一個明顯的例子是3D地圖數(shù)據(jù)。為了實現(xiàn)自動駕駛，需要比傳統(tǒng)汽車導航系統(tǒng)更詳細的數(shù)據(jù)。但將如此大量的信息儲存在汽車中是不實際的，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（V2N）之間的高速、高容量的通訊。此外，在Level 3以上的自動駕駛中，駕駛者不是司機，而是系統(tǒng)。

為了確保這種情況下的安全駕駛，就需要進行遠程監(jiān)控和管理，甚至是遠程操作。 在過去最大的問題是，溝通的時間滯或延遲。然而使用超低延遲的5G網(wǎng)絡，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），實現(xiàn)了自動編隊駕駛和先進的事故預防。而連接到路邊的基礎(chǔ)設(shè)施，如交通燈（V2I），可以實現(xiàn)安全和高效的駕駛。此外，如果與行人的智慧手機等設(shè)備的連接（V2P），更可以在行人突然闖車身危險區(qū)域時，控制車輛自動閃避或停止。

另一方面，5G網(wǎng)絡的應用仍需要先進的技術(shù)。目前5G使用Sub 6和毫米波兩個頻段進行通訊。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到28GHz。 因此，采用5G標準通訊設(shè)備的開發(fā)，便需要毫米波、天線設(shè)計和散熱等先進的技術(shù)(圖二)。



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

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



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

車聯(lián)網(wǎng)絡的開發(fā)需仔細進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，所出現(xiàn)的無線電干擾或網(wǎng)絡效能的衰退等等。在真實的環(huán)境中，車輛是高速行動的物體，而這些大量車流也一直處于在交錯的方向行進，因此通訊環(huán)境和條件時時刻刻都在變化。為了準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)以及實際的現(xiàn)場環(huán)境(Field)進行測試。

透過使用符合行動通訊和V2X標準的Simulation Model，可以預設(shè)出車輛的數(shù)量、位置和方向之后，進一步驗證行車聯(lián)網(wǎng)絡的各項性能。并且搜集現(xiàn)場測試結(jié)果的數(shù)據(jù)后，進一步地提高準確性、加速開發(fā)和縮短驗證周期。

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

在進行驗證無線網(wǎng)絡車載信息控制單元（Telematics Control Unit，TCU）時，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。每個傳感器或ECU對于網(wǎng)絡條件的要求，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)絡要求時，倒底傳統(tǒng)的4G就已經(jīng)足夠，還是必須使用5G，都是需要進行事先完整性評估。此外，網(wǎng)絡切片(Network Slicing)和MEC(行動邊緣運算)技術(shù)，對于為每個應用對象單元建立最合適和最靈活的網(wǎng)絡也非常重要。

車聯(lián)網(wǎng)絡的開發(fā)初期需要更多的努力和時間
此外，對于V2X的5G和毫米波雷達中，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、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、電路模式損耗和噪音等方面的設(shè)計，對于車聯(lián)網(wǎng)絡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)計時間就能進行手動調(diào)整是很困難的，這也意味著在設(shè)計和原型開發(fā)期中需要額外的努力和時間。

為了解決這些問題，如何有效運用電磁模擬等技術(shù)就變得非常關(guān)鍵，因為建構(gòu)出高精度的仿真模型，對于準確和有效地設(shè)計毫米波組件是相當重要的。

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，反復驗證后而獲得經(jīng)驗下，才能提高整個網(wǎng)絡平臺的精確度。

自動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，開始朝向?qū)⒍鄠€大型液晶面板在駕駛員的前方一字排開。

TESLA的用戶接口，只有一個大的中央顯示屏幕，看起來就像一個大型平板計算機，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，卻是一個不錯的操控體驗(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MBUX HYPERSCREEN駕駛座艙人機界面。

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

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＿@個橫跨前駕駛座寬度的Hyperdash一體式曲面屏幕，包含三個大部分—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
為了減少視覺運動來降低駕駛風險的抬頭顯示器（HUD），在各種的應用領(lǐng)域快速擴大中，相信未來將更進一步的導入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)計圖中可以發(fā)現(xiàn)，整個環(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方形的屏幕，來支持Siri語音助理等服務(圖六)。



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

Continental擴展儀表面板的寬度
不僅專注于輪胎、制動系統(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電子展(CES2022) 上，展示了駕駛儀表顯示的最新技術(shù)。

Continental最先進技術(shù)創(chuàng)造了一個無縫和創(chuàng)新的駕駛體驗。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)建了一些選項提供駕駛來操控。

這意味著ShyTech顯示器并非由一個「空白」的黑色顯示面板，和許多機械式按鈕組成，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)的研究投入依然強勁，隨著支持4G的車輛市場的成熟，和支持5G的TCU正被擴大的采用中。根據(jù)統(tǒng)計，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市場預計將來到188.771億美元，復合年增長率高達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。