6G賦能技術(shù)的汽車應(yīng)用機(jī)會(huì)和技術(shù)挑戰(zhàn)

本文來(lái)源：智車科技

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3月初，特斯拉CEO埃隆·馬斯克（Elon Musk）的另一家公司SpaceX向美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）提交申請(qǐng)，希望將衛(wèi)星服務(wù)擴(kuò)展到“移動(dòng)車輛、船只和飛機(jī)”。明擺著這是一種不同于中國(guó)和歐洲6G（第六代移動(dòng)通信）的配置。

馬斯克對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施不以為然，他表示，依靠他的“天網(wǎng)”可以把衛(wèi)星當(dāng)做基站實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，不僅延遲可以忽略不計(jì)，而且與部署傳統(tǒng)基站相比，成本也低得多。

沒錯(cuò)，5G還在部署，6G研究卻已啟動(dòng)，一些路線圖已浮出水面。6G有許多未曾謀面的技術(shù)，需要大量的基礎(chǔ)設(shè)施，它最終將使幾乎所有東西直接聯(lián)網(wǎng)，混合和虛擬現(xiàn)實(shí)也將成就自動(dòng)駕駛的未來(lái)。不管怎樣，我們還是來(lái)看看6G和汽車有什么關(guān)系。

6G技術(shù)研發(fā)悄然啟動(dòng)

5G部署之際，科學(xué)界已在展望下一個(gè)有前途的新技術(shù)，特別是6G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)下定位和感知應(yīng)用新的可能性。

·2019年11月，科技部會(huì)同多部門組織召開6G技術(shù)研發(fā)工作啟動(dòng)會(huì)，正式成立國(guó)家6G技術(shù)研發(fā)推進(jìn)工作組和總體專家組。從5G到6G的升級(jí)和加強(qiáng)，勢(shì)必將惠及各行各業(yè)。

·2020年5月，中國(guó)聯(lián)通與中興通訊簽署6G戰(zhàn)略合作，發(fā)揮各自在6G領(lǐng)域的創(chuàng)新優(yōu)勢(shì)，開展6G系統(tǒng)潛在關(guān)鍵技術(shù)研究。雙方將聯(lián)手推動(dòng)6G技術(shù)創(chuàng)新和標(biāo)準(zhǔn)合作，促進(jìn)6G與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等的深度融合。

·2020年8月，前美國(guó)總統(tǒng)特朗普批準(zhǔn)美國(guó)6G試驗(yàn)。美國(guó)防部還宣布，資助一個(gè)由30多所美國(guó)大學(xué)組成的合作研究項(xiàng)目，成立太赫茲（THz）與感知融合技術(shù)研究中心（ComSenTer）。美國(guó)政府還成立了美國(guó)國(guó)際開發(fā)金融公司，為6G提供資金支持。

·2021年1月，法國(guó)原子能委員會(huì)電子與信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（CEA Leti）宣布，將在整個(gè)歐盟科學(xué)界實(shí)施NEW－6G計(jì)劃，利用一種廣泛的方法，融合多技術(shù)、領(lǐng)域和學(xué)科，促進(jìn)下一代無(wú)線連接，為未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)打下基礎(chǔ)。NEW－6G將重新思考納米技術(shù)，繪制發(fā)展路線圖，鼓勵(lì)合作，促進(jìn)未來(lái)6G技術(shù)創(chuàng)新的出現(xiàn)。

馬斯克“星鏈”幫美國(guó)繞開5G？

馬斯克是美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的創(chuàng)始人，他倡導(dǎo)用衛(wèi)星提供高速互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，推出了“星鏈”（Starlink）項(xiàng)目。類似的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)可能讓美國(guó)6G部署如虎添翼，讓6G不再遙遠(yuǎn)。分析表明，美國(guó)有可能跳過5G，直接過渡到6G。

5G所需的地表大規(guī)?；芰Σ⒎敲绹?guó)強(qiáng)項(xiàng)。6G的特點(diǎn)是以衛(wèi)星為基礎(chǔ)組建互聯(lián)網(wǎng)，而非光纖和基站?；üぷ髦饕谔胀瓿?，主要是衛(wèi)星發(fā)射和部署。作為航天強(qiáng)國(guó)，美國(guó)的深空探測(cè)、遙感、操控技術(shù)都很發(fā)達(dá)，可重復(fù)火箭技術(shù)日趨成熟，芯片技術(shù)先進(jìn)，直接過渡到6G反而相對(duì)容易。

馬斯克的星鏈計(jì)劃是將上萬(wàn)顆衛(wèi)星送上太空，將為美國(guó)6G發(fā)展提供強(qiáng)有力的支持。SpaceX正在奧斯汀建設(shè)一個(gè)新的、最先進(jìn)的制造工廠，生產(chǎn)Starlink套件，包括碟形天線、Wi－Fi路由器、安裝硬件等。

SpaceX的移動(dòng)車輛衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃旨在獲得終端用戶地面站的部署權(quán)和運(yùn)營(yíng)權(quán)，這些地面站將被稱為車載地面站（VMES）、船載地面站（ESV）和機(jī)載地面站（ESAA），統(tǒng)稱為動(dòng)態(tài)地面站（ESIM），可以將互聯(lián)網(wǎng)連接到汽車、船舶，甚至飛機(jī)等移動(dòng)中的運(yùn)載工具。

SpaceX公司表示，將Starlink應(yīng)用于移動(dòng)車輛的想法是衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)核心服務(wù)的合理延伸。SpaceX部署的創(chuàng)新、具有成本效益、高頻譜效率的衛(wèi)星系統(tǒng)能夠?yàn)槭澜绺鞯氐目蛻籼峁?qiáng)大的寬帶服務(wù)，特別是在未提供服務(wù)和服務(wù)不足的地區(qū)。

眾多受益實(shí)體之一便是馬斯克的另一家公司特斯拉。Starlink聯(lián)網(wǎng)電動(dòng)汽車可以實(shí)現(xiàn)視頻流和OTA等功能，使特斯拉汽車不再依賴現(xiàn)有的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)供應(yīng)商。

6G之于汽車

特斯拉是一個(gè)重要的插曲，下面看看6G研究能為汽車帶來(lái)什么。

6G主要促進(jìn)的就是互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，應(yīng)該說它將是一個(gè)地面無(wú)線與衛(wèi)星通信集成的全連接世界。通過將衛(wèi)星通信整合到6G移動(dòng)通信，可以實(shí)現(xiàn)全球“無(wú)盲區(qū)”覆蓋，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)能夠抵達(dá)任何一個(gè)偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)村，讓大山深處的病人能接受遠(yuǎn)程醫(yī)療，讓孩子們能接受遠(yuǎn)程教育。對(duì)汽車而言，無(wú)論跑到哪里，都不會(huì)因沒有信號(hào)而失去智能。

6G技術(shù)不再是簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)容量和傳輸速率的突破，它更能縮小數(shù)字鴻溝，實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)的“終極目標(biāo)”。6G的數(shù)據(jù)傳輸速率可能達(dá)到5G的50－100倍，時(shí)延縮短到5G的十分之一，在峰值速率、時(shí)延、流量密度、連接數(shù)密度、移動(dòng)性、頻譜效率、定位能力等方面遠(yuǎn)優(yōu)于5G。據(jù)說基于衛(wèi)星組建互聯(lián)網(wǎng)的美國(guó)6G速度可能是5G的1000倍。

5G技術(shù)能夠讓汽車全面智能化，特別是全面智能控制的自動(dòng)駕駛。6G將實(shí)現(xiàn)幾乎沒有時(shí)延的車聯(lián)網(wǎng)通信，幾乎可達(dá)每秒1TB，有助于實(shí)現(xiàn)超能交通。未來(lái)網(wǎng)絡(luò)中的每輛車都將配備各種傳感器，包括攝像頭、激光雷達(dá)，還有用于3D成像的太赫茲陣列、里程表和慣性測(cè)量單元。所用算法可快速融合來(lái)自多個(gè)來(lái)源的數(shù)據(jù)，判斷周邊環(huán)境、生物體等的狀態(tài)，避免碰撞或人員受傷。

6G更有助于車路協(xié)同，成為自動(dòng)駕駛技術(shù)中單車智能的有益補(bǔ)充。單車智能主要通過車上安裝傳感器、雷達(dá)、攝像頭來(lái)感知環(huán)境，并通過車內(nèi)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)這些信息進(jìn)行處理并作出反應(yīng)。如果天氣或傳感器異常，就會(huì)導(dǎo)致單車智能系統(tǒng)探測(cè)不到路上的人和障礙物，發(fā)生特斯拉多次撞上車道內(nèi)龐然大物的事故。

6G車路協(xié)同利用高速通信將車上傳感器感知、路上傳感器獲取的信息與云端進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)交互，實(shí)現(xiàn)協(xié)同決策，靠計(jì)算機(jī)判斷、發(fā)出動(dòng)作指令實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛。因此，6G是自動(dòng)駕駛汽車在全場(chǎng)景、全工況下落地上路的關(guān)鍵。

6G汽車相關(guān)使能技術(shù)

從歐洲NEW－6G研發(fā)活動(dòng)來(lái)看，主要考慮的是如何利用納米技術(shù)、電信、硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備來(lái)滿足性能和服務(wù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，以及社會(huì)期望和可持續(xù)發(fā)展要求。研究領(lǐng)域包括：

·網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和優(yōu)化、協(xié)議和數(shù)據(jù)流；

·信息和基礎(chǔ)設(shè)施安全；

·集成電路、數(shù)字元件、高性能RF和低能耗技術(shù)；

·高效的集成天線解決方案；

·專用、高性能、可持續(xù)半導(dǎo)體技術(shù)。

已經(jīng)浮出水面的6G應(yīng)用場(chǎng)景涉及的最重要方面是高精度定位和高分辨率感知，與汽車應(yīng)用關(guān)系很大。其新興技術(shù)促成因素包括人工智能（AI）和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）技術(shù)、使用無(wú)線電頻譜的新頻率，以及智能曲面、智能波束空間處理。

6G賦能技術(shù)的汽車應(yīng)用機(jī)會(huì)和技術(shù)挑戰(zhàn)

6G系統(tǒng)將是真正的智能無(wú)線系統(tǒng)，不僅能提供無(wú)處不在的通信，還能提供高精度定位和高分辨率感知服務(wù)。它將通過一組獨(dú)特新功能和服務(wù)能力成為這場(chǎng)革命的催化劑，其中定位和感知將與通信共存，可在時(shí)間、頻率和空間上不斷共享可用資源。

·太赫茲頻段

太赫茲是6G數(shù)據(jù)傳播的關(guān)鍵技術(shù)，是頻率遠(yuǎn)高出5G的頻段，1太赫茲等于1，000，000，000，000Hz。它是一種新的、有很多獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)的輻射源。利用太赫茲的6G同步定位與映射（SLAM）方法不僅可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)交叉現(xiàn)實(shí)（XR）應(yīng)用，還可增強(qiáng)車輛和無(wú)人機(jī)等自動(dòng)行進(jìn)物體的導(dǎo)航能力。在融合式6G雷達(dá)和通信系統(tǒng)中，被動(dòng)和主動(dòng)雷達(dá)將同時(shí)使用和共享信息，提供豐富而準(zhǔn)確的虛擬環(huán)境圖像。

·新增無(wú)線電頻率

6G無(wú)線電有可能在信道帶寬上分配服務(wù)，其帶寬至少是5G的五倍，以適應(yīng)日益苛刻的數(shù)據(jù)速率、更高的可靠性需求，以及對(duì)諸如感知和定位等新服務(wù)的要求。

信道帶寬增長(zhǎng)及FCC提出的新的無(wú)許可頻譜

從定位和感知角度看，向新的太赫茲頻率過渡有兩個(gè)重要好處：第一，更高頻率有更大的絕對(duì)帶寬，可以在具有更多鏡面反射分量的延遲域中實(shí)現(xiàn)更可解析的多徑；第二，較短波長(zhǎng)意味著天線較小，因此小型設(shè)備可以容納幾十或幾百個(gè)天線，有利于精準(zhǔn)的角度估計(jì)。不過，這些頻率的信號(hào)無(wú)法穿透物體，導(dǎo)致傳播路徑和傳播環(huán)境之間存在更直接的關(guān)系。

·波束空間處理

波束空間是6G定位和感知一個(gè)很有前途的使能技術(shù)，毫米波和微毫米波（?mWave）的波束形成本質(zhì)上是相干信號(hào)的傳輸，可以在某個(gè)方向形成一個(gè)集中的場(chǎng)，增加作為波束形成增益的信噪比或吞吐量。增強(qiáng)的3D空間波束形成能力有利于克服毫米波和微毫米波段的高路徑損耗，并通過形成非常窄的波束來(lái)減輕來(lái)自不同方向的干擾。由單站或多站發(fā)射器和接收器收集的波束空間信道響應(yīng)不僅包含鏈路末端的空間信息，而且還包含其間相互作用的對(duì)象／人的空間信息，這些信息的處理可用于定位和感測(cè)。

精確定位的波束空間域／處理

波束空間處理中的一個(gè)重要挑戰(zhàn)是阻塞。在分布式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的目標(biāo)空間中，協(xié)作多天線系統(tǒng)用于管理混合波束空間和定位被動(dòng)和主動(dòng)目標(biāo)。多天線系統(tǒng)與主動(dòng)目標(biāo)之間的鏈路可以是LOS（視距）和NLOS（非視距）路徑，且可以被移動(dòng)的背景對(duì)象所阻塞。通過基于圖像的移動(dòng)行為預(yù)測(cè)、幾何域環(huán)境識(shí)別和無(wú)線信道模擬可以防止移動(dòng)背景物體的阻塞導(dǎo)致波束空間信號(hào)質(zhì)量的急劇下降，理想情況下可在毫秒級(jí)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

在汽車等高移動(dòng)性場(chǎng)景，可實(shí)現(xiàn)對(duì)可能阻塞波束空間的移動(dòng)背景對(duì)象的觀察，如使用深度攝像頭；也可實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)和預(yù)測(cè)其移動(dòng)軌跡；還可通過光線跟蹤模擬或光線跟蹤與傳播圖的混合方法預(yù)測(cè)對(duì)波束空間信道的潛在影響。

·基于機(jī)器學(xué)習(xí)的智能定位與感知

AI技術(shù)對(duì)邁向數(shù)據(jù)豐富的6G時(shí)代越來(lái)越重要。如何在不確定環(huán)境下，基于邏輯和概率推理、規(guī)劃和優(yōu)化決策，建立能夠?qū)崿F(xiàn)合理目標(biāo)的智能系統(tǒng)和體系是一個(gè)非常廣闊的研究領(lǐng)域。

現(xiàn)代AI系統(tǒng)通?；跈C(jī)器學(xué)習(xí)，利用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的多學(xué)科方法來(lái)學(xué)習(xí)超出顯式編程規(guī)則的模型。6G系統(tǒng)將依賴于這種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)算法，不僅為無(wú)線通信，而且為毫米波和微毫米波頻率范圍運(yùn)行的高級(jí)定位和感知提供了新的機(jī)會(huì)。

在數(shù)據(jù)豐富和復(fù)雜定位應(yīng)用中，特別是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）惡劣的室內(nèi)和城市室外信道條件下，預(yù)計(jì)ML應(yīng)用將更加廣泛。

基于AI和ML的定位和感知解決方案

隨著數(shù)據(jù)變得越來(lái)越高維和復(fù)雜，AI和ML輔助加上這些新的感知能力，將提供前所未有的機(jī)會(huì)。通過提取隱藏在原始數(shù)據(jù)中新的高層次信息和模式，將許多微弱、有噪聲的信號(hào)進(jìn)行臨時(shí)和空間融合，即可實(shí)現(xiàn)新的感知方法，如虛擬傳感器（Virtual Sensor），在某些傳感器失效時(shí)，它可為ECU提供信號(hào)，預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)參數(shù)并提供給混合動(dòng)力多能源管理系統(tǒng)，保證系統(tǒng)的正常工作。

·雷達(dá)與通信的融合

很長(zhǎng)一段時(shí)間，雷達(dá)僅限于軍事、航空等不計(jì)成本的應(yīng)用。近年來(lái)，隨著半導(dǎo)體技術(shù)、天線設(shè)計(jì)和信號(hào)處理技術(shù)的進(jìn)步，低成本的集成雷達(dá)已經(jīng)出現(xiàn)。在汽車行業(yè)，自適應(yīng)巡航控制、車道變換輔助和交叉路口交通警報(bào)等功能都依賴于雷達(dá)感測(cè)。

對(duì)于汽車應(yīng)用，協(xié)同是一種選擇，即雷達(dá)和通信子系統(tǒng)基本上獨(dú)立運(yùn)作，但交換信息以相互支持，特別是可以減少干擾。例如，帶內(nèi)通信可以幫助雷達(dá)探測(cè)，實(shí)現(xiàn)不同傳感器之間的信息交換；雷達(dá)還可以輔助通信，例如，通過收集關(guān)于障礙物和反射體的信息來(lái)實(shí)現(xiàn)波束跟蹤。作為第三種選擇，協(xié)同設(shè)計(jì)是一種更有前途的方法，其中雷達(dá)和通信都采用單一波形。這很可能是6G系統(tǒng)的路子，其優(yōu)勢(shì)和機(jī)遇包括針對(duì)不同目的的更高效、靈活的頻譜，有助于降低成本的硬件重用和集成，以及比兩個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)更低的能耗。

雷達(dá)與通信協(xié)同

·共享地圖和位置信息

6G提供的高速通信鏈路可在不同傳感器之間快速可靠地共享地圖和位置信息，這對(duì)主動(dòng)和被動(dòng)感知都很有幫助。當(dāng)然，為了利用這些優(yōu)勢(shì)，芯片技術(shù)必須跟上，包括所需的先進(jìn)集成。

·智能反射面

也叫可重構(gòu)智能表面（IRS），是一種可以增強(qiáng)地圖和定位能力的革命性技術(shù)。它可以是基于二極管的天線或環(huán)境中的已涂覆物體（如墻壁、天花板、鏡子和電器）等超材料終端，當(dāng)配備有源射頻（RF）元件時(shí)，它們將作為可重構(gòu)反射器或收發(fā)器工作，以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模訪問。

IRS是一種EM（電磁）表面，可通過傳統(tǒng)反射陣列、液晶或軟件定義的超表面（meta surface）來(lái)實(shí)現(xiàn)。IRS輔助通信有可能實(shí)現(xiàn)低復(fù)雜性和節(jié)能的通信模式。當(dāng)然，在移動(dòng)性非常強(qiáng)的汽車中，其如何應(yīng)用尚有待探討。

IRS有助于NLOS通信

需要更深入的研究

6G技術(shù)會(huì)將為我們帶來(lái)前所未有的機(jī)遇，其中有許多是我們聞所未聞的東西，技術(shù)挑戰(zhàn)比比皆是，例如：如何實(shí)現(xiàn)高精度厘米級(jí)定位和高分辨率3D感測(cè)和成像？如何設(shè)計(jì)新穎波形，實(shí)現(xiàn)在時(shí)間、頻率和空間域有效共享資源的會(huì)聚通信、定位和感測(cè)？在高頻率工作并支持通信移動(dòng)性對(duì)象時(shí)，如何設(shè)計(jì)高效節(jié)能的高精度定位和高分辨率感測(cè)和成像解決方案？如何開發(fā)實(shí)時(shí)節(jié)能的AI／ML技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)高精度定位和高分辨率感測(cè)，同時(shí)利用前所未有的數(shù)據(jù)和計(jì)算資源？如何彌合被動(dòng)感測(cè)和主動(dòng)感測(cè)之間的質(zhì)量和精度差距？……

如此種種，其難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過以往任何一代移動(dòng)通信，需要許多科學(xué)學(xué)科和應(yīng)用領(lǐng)域的共同努力，更需要大量深入的研究。