基于5G智慧园区的车联网系统应用示范

【摘要】5G智慧园区作为建设智慧城市的关键切入点，具有交通组成元素相对单一、相关业务要求明确的特点，有利于实现5G+C-V2X商业化的快速落地，5G网络可以为园区内的交通群体带来超大带宽、超低时延、超大连接的网络接入条件。首先结合5G网络特性以及智慧园区内交通群体的实际需求进行了分析，在此基础之上提出了一套基于5G+C-V2X的智慧园区车联网系统。该系统能提供多种智慧交通创新技术及业务示范，用于在冬奥会期间提供多场景下的车-路-云-网智慧交通服务。可以此为契机打造5G创新业务行业标杆案例，有效引领智能车联网的产业创新，促进全球车联网产业更好更快发展。

【关键词】车联网；5G网络；C-V2X；智慧园区

0 引言

近年来，随着5G技术的商业化落地以及智慧交通相关标准体系的进一步完善，智慧交通的商业化落地方案也被提上日程。5G网络由于其具备的超大带宽、超低时延、超大连接特性，可以很好地支持车联网场景下高移动性的智能网联汽车对低时延网络性能的需求。与此同时，我国已建成多个国家级的智能网联汽车测试示范区用于协助和推进相关企业开展网联汽车路试工作[1]，这为车联网的发展带来历史性的机遇。然而，考虑到智慧交通系统的商业化仍面临着资金需求大、实际运营需求不清晰等一系列问题，在短期内难以实现大规模的部署。

智慧园区作为智慧城市的重要功能载体，其中的运营管理模式以及车联网相关的应用场景都有着较为明确的限定，现阶段可较好地实现全时空、全方位、全要素的数字化建设，进而成为智慧城市建设的示范案例[2]。

当下，国内产业界基于5G车联网研究已将5G网络作为实现车、路、云实时信息交互的重要载体[3]。在新型车联网系统中，路端的基础设施需要实现全面信息化；车载终端需要实现智能化；云端则需要具备一体化管控能力。本文将以首钢冬奥园区为部署场景，提出了一套基于5G+C-V2X的智慧园区车联网系统，对该系统下的应用需求以及涉及到的技术进行了详细介绍，并给出了相关的应用案例。

1 5G赋能智慧交通

5G的大带宽、低延时、超大连接等特性，为交通设备、基础设施、运输服务和管理提供了全新的技术方案，为传统交通向智慧化方向发展提供了新动能，降低了传统蜂窝网络的延迟，提升了网络传输可靠性和吞吐量。与此同时，5G移动通信中具备具有大带宽、低延时、本地化等特点的移动边缘计算（MEC, Mobile Edge Computing）技术，可以有效地提高传统网络的边缘计算和存储能力，从而实现在移动网络边缘部署应用服务环境，使智能车辆更加接近相应的服务平台。这些都为车联网相关的高级V2X应用落地提供了有力的支持。与传统的V2X技术相比，5G-V2X技术在端到端时延、可靠性、负载、数据传输率、传输距离等性能上都有了较大的提升，具体性能参数对比如表1所示：

3GPP定义了5G车联网中的相关应用及网络性能需求，并制定了相关的标准[4]。早先发布的5G V2X Release 14版本中定义了用于支持相应的智慧交通用例，如前向碰撞警告等。后续发布的Release 15版本中的新用例更专注于自动驾驶相关的业务需求，包括排队、传感器和地图共享、部分/有条件、高/全自动驾驶的信息共享，以及远程驾驶等相关。这些应用可能需要高达50pps的传输，最大可容忍延迟介于3～10 ms，以及高达99.99%的可靠性（根据PDR定义）。为了支持这些需求，3GPP从不同层面对5G网络技术展开了针对性的研究。在接入层，提出了基于5G通信的可变帧结构，其中子载波的间隔可变，可通过增大子载波间隔来减小slot的长度，与60 kHz的子载波间隔相对应的为0.125 ms的slot。从时域上来看，从4G对应的1 ms到5G对应的0.125 ms，大大地缩短了传输时间。在核心网架构方面，提出了网络切片技术，可以根据对时延、带宽、可靠性等方面的需求将物理网络划分为多个虚拟网络，实现每一个虚拟网络服务于不同的业务，具备很强的灵活性。

2 园区智慧交通需求分析

本节将以首钢冬奥智慧园区相关的智慧交通业务需求为主要研究目标，首先对当前园区内的基本环境进行了介绍，在此基础之上对园区内的智慧交通业务场景以及需求进行了分析。

2.1 园区内基础设施环境

首钢冬奥园区是北京2022年冬奥会和冬残奥会组织委员会驻地，2018年10月中国联通和首钢集团完成战略合作伙伴签约，将联手把首钢园区打造成国内首个5G示范园区，并在建设5G产业园区、推动智慧园区规划设计和示范应用、自动驾驶等方面展开战略合作[5]。目前，首钢冬奥园内智慧交通相关的基础设施包含了5G基站、路侧单元（RSU, Road Side Unit）、雷达、摄像头和MEC服务器等。其中，由中国联通部署的17个5G基站已实现园区5G网络全覆盖。

2.2 园内业务需求分析

首钢冬奥园区作为国家级训练场和冬奥会比赛所在地，会有大量的工作人员、运动员、观众等冬奥会参与群体的出行及接驳需求，以及在园生活期间时日用品采购及运输需求。园区人流、车流、物流呈现高流量、高密度及潮汐特征。根据不同的业务场景，我们从业务运营及网联环境搭建两个角度分析对园内智能车联网系统建设的需求。

（1）业务运营

1）接驳摆渡

无人接驳摆渡车可根据事前规划好的路线，在园区实现自动巡航行驶。车辆具备车内监控（客流监控、车身状态监控）、电子支付、信息发布（天气、赛况转播）等能力。用户可通过APP预约上车站点，系统会为其预留座位，减少用户在站点排队候车时间。

2）无人零售

在园区主干道实现流动售货，满足园区不同人群对日用品、零食、纪念品的随机采购需求。车辆能够实现巡航售卖、招手即停等。用户能够实时查询车辆位置，按需采购。

3）物资派送

实现小件商品（如外卖、小型包裹等）的快速配送。小车可自主灵活穿梭人流，自动进入楼宇、酒店。配送车辆具备扫码取货、扫码在线支付等能力。

4）自主泊车

用户在下车后启动一键泊车程序，车辆自动驾驶完成在停车场的泊车入位；用户准备回家时启动“一键取车”功能，车辆自动驾驶从车位驶出，来到用户身边，实现自主接驾。停车场管理平台对车位、缴费实现统一监管。

（2）网联环境搭建

1）交通基础设施网联升级。包括在路侧布设RSU、感知设备（摄像头、雷达等）、接入交通信号灯等。通过交通基础设施的网联化和智慧化升级实现动静态交通环境信息的实时采集。

2）5G+C-V2X通信系统。在园区部署5G+C-V2X融合通信网络，并在园区实现连续覆盖，网络时延能够达到10 ms以内，带宽超过1 G/s。以及助力园区自动驾驶车辆实现网联式高级别自动驾驶和远程驾驶。

3）高精度定位网络。在园区实现遮挡环境和非遮挡环境下高精度定位网络的连续覆盖，定位精度需达到厘米级。

综上，从业务运营需求和网联环境搭建角度，需要完成5G+智能车联网在融合组网、高精度定位、智能交通基础设施升级、L4自动驾驶研发等角度的关键技术研究、产品研发、建设等，并在无人接驳、无人零售、自动泊车等关键场景下开展业务示范，为冬奥会提供安全高效的出行环境。

3 智能车联网系统

本节将介绍针对面向首钢冬奥园区典型出行业务需求提出的一套安全高效的智能车联网系统。该系统包括基于5G+C-V2X融合组网、5G+北斗高精度定位网络、L4自动驾驶车辆以及面向园区运营的主系统平台等核心功能。系统总体架构如图1所示。

3.1 基于5G和C-V2X的车联网通信网络

园区内车联网系统基于5G+C-V2X融合组网解决方案，打造基于5G+C-V2X的全域交通态势感知车路协同系统。基于MEC的5G网络，可实现时延小于10 ms的网络传输，以保证车端与平台的实时信息交互，满足智能驾驶安全需求。5G网络提供的大带宽传输特性，能够实现车端路端视频、激光雷达点云数据的实时上传，上行数据速率达到150 Mbps以上，有效支撑车路协同及交通态势预测。此外，5G与C-V2X融合组网，通过全局与区域通信的优势互补，构建安全高效智能车联网，保障系统的稳定性。同时通过研发智能路侧融合感知算法并将其部署在路侧MEC上，实现视频、雷达、RSU等多源数据的本地实时处理，实现全域交通态势感知车路协同。方案架构如图2所示：

本方案中车路协同点位于园区主要干道两侧及关键路口，通过部署摄像头、雷达等感知设备、对接信号灯等实现全域交通路况信息采集，路侧MEC内部署了基于感知的多源异构融合感知算法，并针对冬奥场景开展算法研发与优化，可实现大雪、多雾等天气下的交通视频检测及跟踪。含有5G和LTE-V通信模块的RSU可为智能网联车辆、自动驾驶车辆提供路侧高精度定位信息播发和高精度地图下载能力，助力车辆构建“场端+车端”的全域协同感知和定位导航体系。车路协同多源异构融合感知体系架构如图3所示：

3.2 基于5G+北斗的室内外一体化高精度定位网络

本方案针对遮挡环境下难以实现卫星高精度定位的问题，提出了5G、北斗、车辆传感等多种技术融合的定位方案，形成了一套基于5G+北斗的室内外一体化高精度定位体系架构。该体系架构用于研发车辆高精度定位设备与云服务，实现了在首钢园区遮挡环境下0.1 m定位精度的技术突破，并且为园区无人驾驶车辆提供无缝的室内外高精度定位及路径导航。体系架构如图4所示。

通过在园区内部署5G基站、北斗地基增强站以及搭载了定位能力的智能路侧设备，可构建基于5G+北斗的多源融合高精定位体系。通过高精度位置服务平台，可实现厘米级精准定位、实时轨迹跟踪、动态路径规划等业务。云端位置信息和车载自身感知能力的有机结合，助力园区内的L4自动驾驶小汽车、无人巴士及无人零售车实现高精准的自动驾驶。在地下停车场部署了基于5G+北斗+UWB室内外一体化高精度定位系统，助力实现自主泊车业务，包括车位的快速寻找、驶入驶出及精准停靠等功能。

3.3 L4级别自动驾驶

L4是目前业内最高自动驾驶级别，本系统基于5G+C-V2X+北斗高精度定位的智能车联网环境，开展限定条件城市道路和共享出行L4级自动驾驶，以及限定条件城市道路、地上/地下停车场、封闭园区、半封闭园区等场景下应用的代客泊车的技术开发与研究，自动驾驶车辆能够将交通环境信息与车载传感器感知信息相结合，实现基于融合感知的驾驶行为实时决策，打破了单纯依赖车身感知实现车辆自动驾驶导致的视距窄、成本高、存在安全风险等局限，实现车辆防碰撞预警、变道预警、限速提醒、路径规划、绿波通行、路况提醒、自主泊车、无人接驳摆渡自动驾驶等功能，其功能结构示意如图5所示。

3.4 智能车联网业务平台主系统

方案基于上述功能构建车联网业务平台主系统，实现对园区智能网联交通环境的实时呈现，支持对自动驾驶车辆进行运营管理等，包括车辆智能驾驶模块、人-车-路-环境协同服务模块、高精度地图与定位模块三个子模块，支撑园区智慧交通业务协同运营。车辆智能驾驶模块对接多种自动驾驶车辆，实现对车辆的环境信息、控制信息下发等，实现云端对车辆的远程驾驶、智能调度、路径规划等功能。人-车-路-环境协同服务模块通过5G+V2X网络实现对RSU、路侧感知单元（摄像头、雷达等）、OBU、路侧MEC平台信息交互与运维管理，可实现对全域道路信息的感知、预测、分析、基础设施故障监控等业务。高精度地图与定位模块能够汇聚车端、路端动态数据，并在云端结合高静态地图数据，完成动态信息的清洗、分类、计算及静态地图数据的匹配计算，为自动驾驶车辆提供高精度动态交通信息服务、高精度位置服务、动态信息态势服务及高精度地图发布服务。主系统架构如图6所示。

业务平台主系统采用微服务架构，可支撑多种业务并发运行，便于各功能模块独立维护，提高开发和部署效率。模块之间采用轻量级的交互机制实现通信，按照既定的接口规范实现信息高效传输。平台具备不少于5万辆车动态信息接入能力，峰值处理能力不低于5万次/秒，支撑不少于10种出行业务在冬奥会期间的示范运营。

4 相关应用示范

本文提出的智慧系统覆盖首钢冬奥园区面积超过200万平方米，可支持的传输时延小于10 ms，实现0.1 m级别车辆定位精度，支持冬奥期间不少于4种类型、不少于1 000辆车同时接入，服务于基于车路协同的无人自主泊车等10个以上应用场景的部署，并在2022年北京冬奥会期间实现整体应用和示范。这将是奥运历史上首次将L4级别的无人接驳摆渡、自主泊车、无人运输等智能车联网业务实现整体应用，为冬奥会不同人群提供绿色、高效、安全的出行。应用示范系统架构如图7所示。

图7中的相关应用将基于5G、北斗、C-V2X等的高速率、高精度定位和智能车联网技术，结合云端的园区智慧交通业务平台为冬奥参与者提供平稳、安全、高效的无人驾驶出行体验，满足他们在冬奥园区的全天候便捷出行需求，实现人员、车辆、物资的灵活调度及运输。

5 结束语

智慧园区由于具有场景相对固定、建设运营主体相对明确等特点，可作为一个快速建立商业模式的平台以实现相关系统或业务的商业化落地。本文提出的5G智慧园区的车联网系统应用示范可为智慧车联网产业商业化落地提供重要的参考。系统的创新成果包括车路协同全域感知技术、融合定位技术、多车协同路径规划技术等，都会为智能汽车产业带来巨大变革，促进真正意义上的汽车智能化和自动驾驶进入快车道，并产生新的商业生态模式。该系统还将国内自主研发的芯片、终端、平台、应用等车联网产业链重要元素构成闭环系统，实现整体应用与示范，助力打造5G+智慧交通标杆行业应用案例。

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