5G、毫米波雷達和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(guò)安裝在車(chē)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(mǎn)足Level 3的要求，但當期望實(shí)現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(wú)法看到的危險和周?chē)窙r，僅依靠傳感器獲得的信息是遠遠不夠的。

現階段，自動(dòng)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(jìn)自動(dòng)技術(shù)正被積極地開(kāi)發(fā)中，但期待自動(dòng)駕駛被成功導入，需要3個(gè)先進(jìn)無(wú)線(xiàn)技術(shù)支持：5G、毫米波雷達和UWB。

透過(guò)5G將自動(dòng)駕駛提升到Level 5
與傳統的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(mǎn)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)連接的數量也大幅提高到100萬(wàn)單位/k㎡，是傳統系統的十倍之多。因此，透過(guò)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(kāi)發(fā)出利用5G通訊的車(chē)輛間通訊系統。例如日本軟銀在國際標準化之前，就開(kāi)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(chē)輛間通訊系統，并且成功地讓?xiě)迷诳ㄜ?chē)上，在高速公路上與后續車(chē)輛進(jìn)行編隊行駛。

這項新一代安全駕駛系統，是透過(guò)5G通訊技術(shù)將三輛高速行駛的卡車(chē)連接起來(lái)，并在無(wú)線(xiàn)終端之間進(jìn)行直接通訊。因為終端間直接通訊是不需要經(jīng)由基地臺，因此訊號傳輸的延遲只有1/1000秒，讓車(chē)輛之間的通訊都可以達到低延遲傳輸。

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(chē)鏡頭的影像傳輸到前方的車(chē)輛，達到讓所有利用5G CAV通訊的車(chē)輛，都能實(shí)時(shí)觀(guān)察到后方車(chē)輛周?chē)那闆r。

日本軟銀稱(chēng)為「擴展傳感器」的平臺，可以分享車(chē)輛之間保持距離，和自動(dòng)跟蹤所需的信息。在經(jīng)過(guò)新東京-名古屋高速公路上實(shí)際行駛后，已經(jīng)證實(shí)這項技術(shù)對安全駕駛來(lái)說(shuō)是可被信任的。因此，也被日本業(yè)界認為對「聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)駕駛車(chē)（Connected Autonomous Vehicle；CAV）」的標準化非常有用，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(chē)和各種外部事物相連
為了實(shí)現車(chē)聯(lián)網(wǎng)，最近對「V2X（Vehicle to Everything）」的討論越來(lái)越多，而5G的出現，人們對5G在V2X應用的期望越來(lái)越高(圖一)。



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

一個(gè)明顯的例子是3D地圖數據。為了實(shí)現自動(dòng)駕駛，需要比傳統汽車(chē)導航系統更詳細的數據。但將如此大量的信息儲存在汽車(chē)中是不實(shí)際的，因此透過(guò)通訊來(lái)頻繁更新3D地圖數據是必不可少的，這就需要車(chē)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，而是系統。

為了確保這種情況下的安全駕駛，就需要進(jìn)行遠程監控和管理，甚至是遠程操作。 在過(guò)去最大的問(wèn)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(wèn)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(chē)輛與車(chē)輛之間的連接（V2V），實(shí)現了自動(dòng)編隊駕駛和先進(jìn)的事故預防。而連接到路邊的基礎設施，如交通燈（V2I），可以實(shí)現安全和高效的駕駛。此外，如果與行人的智慧手機等設備的連接（V2P），更可以在行人突然闖車(chē)身危險區域時(shí)，控制車(chē)輛自動(dòng)閃避或停止。

另一方面，5G網(wǎng)絡(luò )的應用仍需要先進(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標準通訊設備的開(kāi)發(fā)，便需要毫米波、天線(xiàn)設計和散熱等先進(jìn)的技術(shù)(圖二)。



 
圖二 : :5G是透過(guò)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)省情報通訊白皮書(shū)；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)挑戰性，因為V2X的要求與傳統的行動(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(wú)線(xiàn)技術(shù)外，還需要深厚的行動(dòng)通訊專(zhuān)業(yè)知識(圖三)。



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

車(chē)聯(lián)網(wǎng)絡(luò )的開(kāi)發(fā)需仔細進(jìn)行效能評估以及模擬
由于各種因素的多重迭加，在車(chē)聯(lián)網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展過(guò)程中，往往會(huì )出現意想不到的問(wèn)題，這是以前從未經(jīng)歷過(guò)的。例如，多輛車(chē)在路上行駛時(shí)，所出現的無(wú)線(xiàn)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(chē)輛是高速行動(dòng)的物體，而這些大量車(chē)流也一直處于在交錯的方向行進(jìn)，因此通訊環(huán)境和條件時(shí)時(shí)刻刻都在變化。為了準確掌握這些變化和相關(guān)的條件，就必須建構出仿真模型(Simulation Model)以及實(shí)際的現場(chǎng)環(huán)境(Field)進(jìn)行測試。

透過(guò)使用符合行動(dòng)通訊和V2X標準的Simulation Model，可以預設出車(chē)輛的數量、位置和方向之后，進(jìn)一步驗證行車(chē)聯(lián)網(wǎng)絡(luò )的各項性能。并且搜集現場(chǎng)測試結果的數據后，進(jìn)一步地提高準確性、加速開(kāi)發(fā)和縮短驗證周期。

此外，進(jìn)行無(wú)線(xiàn)電的測試時(shí)，需要根據相關(guān)法令認證，在過(guò)程中非常繁瑣跟耗時(shí)，所以如何與優(yōu)秀的無(wú)線(xiàn)技術(shù)和行動(dòng)通訊的伙伴合作，也是順利開(kāi)發(fā)聯(lián)網(wǎng)汽車(chē)的關(guān)鍵。

在進(jìn)行驗證無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )車(chē)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(chē)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)邊緣運算)技術(shù)，對于為每個(gè)應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(chē)聯(lián)網(wǎng)絡(luò )的開(kāi)發(fā)初期需要更多的努力和時(shí)間
此外，對于V2X的5G和毫米波雷達中，使用的毫米波具有極短的波長(cháng)和高傳輸損耗，因此天線(xiàn)設計、電路模式損耗和噪音對性能有很大影響。

在V2X的5G架構下所使用的毫米波，具有極短的波長(cháng)和高傳輸損耗，因此在天線(xiàn)設計、電路模式損耗和噪音等方面的設計，對于車(chē)聯(lián)網(wǎng)絡(luò )的通訊能力有很大影響性。另一方面，短波長(cháng)也意味著(zhù)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，期望在原型設計時(shí)間就能進(jìn)行手動(dòng)調整是很困難的，這也意味著(zhù)在設計和原型開(kāi)發(fā)期中需要額外的努力和時(shí)間。

為了解決這些問(wèn)題，如何有效運用電磁模擬等技術(shù)就變得非常關(guān)鍵，因為建構出高精度的仿真模型，對于準確和有效地設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(guò)在毫米波開(kāi)發(fā)中，反復驗證后而獲得經(jīng)驗下，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(chē)的駕駛座的顯示面板設計，開(kāi)始朝向將多個(gè)大型液晶面板在駕駛員的前方一字排開(kāi)。

TESLA的用戶(hù)接口，只有一個(gè)大的中央顯示屏幕，看起來(lái)就像一個(gè)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(lái)改變空調的方向就頗有微詞，但對于經(jīng)常接受創(chuàng )新產(chǎn)品的用戶(hù)來(lái)說(shuō)，卻是一個(gè)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(chē)輛信息顯示儀表- Model 3。

Mercedes-Benz徹底改變人車(chē)交互模式


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

有著(zhù)安全神話(huà)的Mercedes-Benz曾經(jīng)說(shuō)過(guò)，其核心政策就是堅守一個(gè)不會(huì )分散駕駛員注意力的人機界面(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超寬幅數字UI的OLED屏幕，徹底改變人車(chē)交互模式。這個(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—駕駛員一側的儀表，中間用于處理訊息、娛樂(lè )和氣候需求顯示，以及副駕駛座乘客可享受的娛樂(lè )信息，這部份的面板還具有觸覺(jué)回饋和卓越的畫(huà)質(zhì)技術(shù)，這是Mercedes-Benz有史以來(lái)最大和最智能的屏幕。

Vanarama模擬APPLE CAR儀表
為了減少視覺(jué)運動(dòng)來(lái)降低駕駛風(fēng)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(lái)將更進(jìn)一步的導入AR技術(shù)，例如，APPLE的AR產(chǎn)品「Apple Glass」將會(huì )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(chē)內UI/UX。

在Vanarama對于A(yíng)PPLE CAR模擬設計圖中可以發(fā)現，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(chē)信息，以及提供副駕駛座對于導航、音樂(lè )播放、溫度控制等各種功能操作，甚至連方向盤(pán)中央也有一個(gè)方形的屏幕，來(lái)支持Siri語(yǔ)音助理等服務(wù)(圖六)。



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

Continental擴展儀表面板的寬度
不僅專(zhuān)注于輪胎、制動(dòng)系統與車(chē)身穩定系統的開(kāi)發(fā)，Continental也投入開(kāi)發(fā)針對未來(lái)車(chē)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(jìn)技術(shù)創(chuàng )造了一個(gè)無(wú)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(kāi)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。該系統除了顯示相關(guān)內容，也內建了一些選項提供駕駛來(lái)操控。

這意味著(zhù)ShyTech顯示器并非由一個(gè)「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(lèi)似于木紋、碳纖維或皮革的優(yōu)雅表面，讓駕駛座設計得更具吸引力。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(méi)有使用過(guò)顯示面板的地方，為駕駛員和乘員創(chuàng )造全新的互動(dòng)區域(圖七)。


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

汽車(chē)數字化正在飛速發(fā)展
雖然，現階段內建5G無(wú)線(xiàn)技術(shù)的車(chē)輛大多處于測試階段，但是，在儀表板方面，各種創(chuàng )意設計都已經(jīng)在人們的驚嘆聲中呈現，不僅增添了娛樂(lè )性，將車(chē)輛傳感器連接到交通、位置、速度和其他車(chē)輛等駕駛數據，以涵蓋該駕駛生態(tài)系統中可以考慮的所有內容，都已經(jīng)可以在屏幕上顯示。

另一方面，目前車(chē)聯(lián)網(wǎng)全球市場(chǎng)仍處于半導體短缺、產(chǎn)量下降、成本上升等問(wèn)題，但2021年對于車(chē)聯(lián)網(wǎng)的研究投入依然強勁，隨著(zhù)支持4G的車(chē)輛市場(chǎng)的成熟，和支持5G的TCU正被擴大的采用中。根據統計，2021年90%的聯(lián)網(wǎng)汽車(chē)將采用4G，而2025年將有1/4的汽車(chē)采用5G，在市場(chǎng)規模方面，2027年全球V2X市場(chǎng)預計將來(lái)到188.771億美元，復合年增長(cháng)率高達33.8%。因此汽車(chē)數字化正在飛速發(fā)展，全球聯(lián)網(wǎng)汽車(chē)的普及率不斷提高就是證明。