6G赋能技术的汽车应用机会和技术挑战

本文来源：智车科技

／ 导读 ／

3月初，特斯拉CEO埃隆·马斯克（Elon Musk）的另一家公司SpaceX向美国联邦通信委员会（FCC）提交申请，希望将卫星服务扩展到“移动车辆、船只和飞机”。明摆着这是一种不同于中国和欧洲6G（第六代移动通信）的配置。

马斯克对基础设施不以为然，他表示，依靠他的“天网”可以把卫星当做基站实现数据传输，不仅延迟可以忽略不计，而且与部署传统基站相比，成本也低得多。

没错，5G还在部署，6G研究却已启动，一些路线图已浮出水面。6G有许多未曾谋面的技术，需要大量的基础设施，它最终将使几乎所有东西直接联网，混合和虚拟现实也将成就自动驾驶的未来。不管怎样，我们还是来看看6G和汽车有什么关系。

6G技术研发悄然启动

5G部署之际，科学界已在展望下一个有前途的新技术，特别是6G无线通信网络下定位和感知应用新的可能性。

·2019年11月，科技部会同多部门组织召开6G技术研发工作启动会，正式成立国家6G技术研发推进工作组和总体专家组。从5G到6G的升级和加强，势必将惠及各行各业。

·2020年5月，中国联通与中兴通讯签署6G战略合作，发挥各自在6G领域的创新优势，开展6G系统潜在关键技术研究。双方将联手推动6G技术创新和标准合作，促进6G与卫星网络、车联网、工业互联网等的深度融合。

·2020年8月，前美国总统特朗普批准美国6G试验。美国防部还宣布，资助一个由30多所美国大学组成的合作研究项目，成立太赫兹（THz）与感知融合技术研究中心（ComSenTer）。美国政府还成立了美国国际开发金融公司，为6G提供资金支持。

·2021年1月，法国原子能委员会电子与信息技术实验室（CEA Leti）宣布，将在整个欧盟科学界实施NEW－6G计划，利用一种广泛的方法，融合多技术、领域和学科，促进下一代无线连接，为未来无线网络打下基础。NEW－6G将重新思考纳米技术，绘制发展路线图，鼓励合作，促进未来6G技术创新的出现。

马斯克“星链”帮美国绕开5G？

马斯克是美国太空探索技术公司（SpaceX）的创始人，他倡导用卫星提供高速互联网服务，推出了“星链”（Starlink）项目。类似的卫星互联网可能让美国6G部署如虎添翼，让6G不再遥远。分析表明，美国有可能跳过5G，直接过渡到6G。

5G所需的地表大规模基建能力并非美国强项。6G的特点是以卫星为基础组建互联网，而非光纤和基站。基建工作主要在太空完成，主要是卫星发射和部署。作为航天强国，美国的深空探测、遥感、操控技术都很发达，可重复火箭技术日趋成熟，芯片技术先进，直接过渡到6G反而相对容易。

马斯克的星链计划是将上万颗卫星送上太空，将为美国6G发展提供强有力的支持。SpaceX正在奥斯汀建设一个新的、最先进的制造工厂，生产Starlink套件，包括碟形天线、Wi－Fi路由器、安装硬件等。

SpaceX的移动车辆卫星互联网计划旨在获得终端用户地面站的部署权和运营权，这些地面站将被称为车载地面站（VMES）、船载地面站（ESV）和机载地面站（ESAA），统称为动态地面站（ESIM），可以将互联网连接到汽车、船舶，甚至飞机等移动中的运载工具。

SpaceX公司表示，将Starlink应用于移动车辆的想法是卫星互联网系统核心服务的合理延伸。SpaceX部署的创新、具有成本效益、高频谱效率的卫星系统能够为世界各地的客户提供强大的宽带服务，特别是在未提供服务和服务不足的地区。

众多受益实体之一便是马斯克的另一家公司特斯拉。Starlink联网电动汽车可以实现视频流和OTA等功能，使特斯拉汽车不再依赖现有的移动互联网供应商。

6G之于汽车

特斯拉是一个重要的插曲，下面看看6G研究能为汽车带来什么。

6G主要促进的就是互联网的发展，应该说它将是一个地面无线与卫星通信集成的全连接世界。通过将卫星通信整合到6G移动通信，可以实现全球“无盲区”覆盖，网络信号能够抵达任何一个偏远乡村，让大山深处的病人能接受远程医疗，让孩子们能接受远程教育。对汽车而言，无论跑到哪里，都不会因没有信号而失去智能。

6G技术不再是简单的网络容量和传输速率的突破，它更能缩小数字鸿沟，实现万物互联的“终极目标”。6G的数据传输速率可能达到5G的50－100倍，时延缩短到5G的十分之一，在峰值速率、时延、流量密度、连接数密度、移动性、频谱效率、定位能力等方面远优于5G。据说基于卫星组建互联网的美国6G速度可能是5G的1000倍。

5G技术能够让汽车全面智能化，特别是全面智能控制的自动驾驶。6G将实现几乎没有时延的车联网通信，几乎可达每秒1TB，有助于实现超能交通。未来网络中的每辆车都将配备各种传感器，包括摄像头、激光雷达，还有用于3D成像的太赫兹阵列、里程表和惯性测量单元。所用算法可快速融合来自多个来源的数据，判断周边环境、生物体等的状态，避免碰撞或人员受伤。

6G更有助于车路协同，成为自动驾驶技术中单车智能的有益补充。单车智能主要通过车上安装传感器、雷达、摄像头来感知环境，并通过车内计算机系统对这些信息进行处理并作出反应。如果天气或传感器异常，就会导致单车智能系统探测不到路上的人和障碍物，发生特斯拉多次撞上车道内庞然大物的事故。

6G车路协同利用高速通信将车上传感器感知、路上传感器获取的信息与云端进行联网交互，实现协同决策，靠计算机判断、发出动作指令实现自动驾驶。因此，6G是自动驾驶汽车在全场景、全工况下落地上路的关键。

6G汽车相关使能技术

从欧洲NEW－6G研发活动来看，主要考虑的是如何利用纳米技术、电信、硬件、软件、网络和设备来满足性能和服务质量标准，以及社会期望和可持续发展要求。研究领域包括：

·网络架构和优化、协议和数据流；

·信息和基础设施安全；

·集成电路、数字元件、高性能RF和低能耗技术；

·高效的集成天线解决方案；

·专用、高性能、可持续半导体技术。

已经浮出水面的6G应用场景涉及的最重要方面是高精度定位和高分辨率感知，与汽车应用关系很大。其新兴技术促成因素包括人工智能（AI）和机器学习（ML）技术、使用无线电频谱的新频率，以及智能曲面、智能波束空间处理。

6G赋能技术的汽车应用机会和技术挑战

6G系统将是真正的智能无线系统，不仅能提供无处不在的通信，还能提供高精度定位和高分辨率感知服务。它将通过一组独特新功能和服务能力成为这场革命的催化剂，其中定位和感知将与通信共存，可在时间、频率和空间上不断共享可用资源。

·太赫兹频段

太赫兹是6G数据传播的关键技术，是频率远高出5G的频段，1太赫兹等于1，000，000，000，000Hz。它是一种新的、有很多独特优点的辐射源。利用太赫兹的6G同步定位与映射（SLAM）方法不仅可以实现先进交叉现实（XR）应用，还可增强车辆和无人机等自动行进物体的导航能力。在融合式6G雷达和通信系统中，被动和主动雷达将同时使用和共享信息，提供丰富而准确的虚拟环境图像。

·新增无线电频率

6G无线电有可能在信道带宽上分配服务，其带宽至少是5G的五倍，以适应日益苛刻的数据速率、更高的可靠性需求，以及对诸如感知和定位等新服务的要求。

信道带宽增长及FCC提出的新的无许可频谱

从定位和感知角度看，向新的太赫兹频率过渡有两个重要好处：第一，更高频率有更大的绝对带宽，可以在具有更多镜面反射分量的延迟域中实现更可解析的多径；第二，较短波长意味着天线较小，因此小型设备可以容纳几十或几百个天线，有利于精准的角度估计。不过，这些频率的信号无法穿透物体，导致传播路径和传播环境之间存在更直接的关系。

·波束空间处理

波束空间是6G定位和感知一个很有前途的使能技术，毫米波和微毫米波（?mWave）的波束形成本质上是相干信号的传输，可以在某个方向形成一个集中的场，增加作为波束形成增益的信噪比或吞吐量。增强的3D空间波束形成能力有利于克服毫米波和微毫米波段的高路径损耗，并通过形成非常窄的波束来减轻来自不同方向的干扰。由单站或多站发射器和接收器收集的波束空间信道响应不仅包含链路末端的空间信息，而且还包含其间相互作用的对象／人的空间信息，这些信息的处理可用于定位和感测。

精确定位的波束空间域／处理

波束空间处理中的一个重要挑战是阻塞。在分布式拓扑结构的目标空间中，协作多天线系统用于管理混合波束空间和定位被动和主动目标。多天线系统与主动目标之间的链路可以是LOS（视距）和NLOS（非视距）路径，且可以被移动的背景对象所阻塞。通过基于图像的移动行为预测、几何域环境识别和无线信道模拟可以防止移动背景物体的阻塞导致波束空间信号质量的急剧下降，理想情况下可在毫秒级运行时间内实现。

在汽车等高移动性场景，可实现对可能阻塞波束空间的移动背景对象的观察，如使用深度摄像头；也可实时学习和预测其移动轨迹；还可通过光线跟踪模拟或光线跟踪与传播图的混合方法预测对波束空间信道的潜在影响。

·基于机器学习的智能定位与感知

AI技术对迈向数据丰富的6G时代越来越重要。如何在不确定环境下，基于逻辑和概率推理、规划和优化决策，建立能够实现合理目标的智能系统和体系是一个非常广阔的研究领域。

现代AI系统通常基于机器学习，利用数据驱动的多学科方法来学习超出显式编程规则的模型。6G系统将依赖于这种数据驱动算法，不仅为无线通信，而且为毫米波和微毫米波频率范围运行的高级定位和感知提供了新的机会。

在数据丰富和复杂定位应用中，特别是全球导航卫星系统（GNSS）恶劣的室内和城市室外信道条件下，预计ML应用将更加广泛。

基于AI和ML的定位和感知解决方案

随着数据变得越来越高维和复杂，AI和ML辅助加上这些新的感知能力，将提供前所未有的机会。通过提取隐藏在原始数据中新的高层次信息和模式，将许多微弱、有噪声的信号进行临时和空间融合，即可实现新的感知方法，如虚拟传感器（Virtual Sensor），在某些传感器失效时，它可为ECU提供信号，预测发动机的实时参数并提供给混合动力多能源管理系统，保证系统的正常工作。

·雷达与通信的融合

很长一段时间，雷达仅限于军事、航空等不计成本的应用。近年来，随着半导体技术、天线设计和信号处理技术的进步，低成本的集成雷达已经出现。在汽车行业，自适应巡航控制、车道变换辅助和交叉路口交通警报等功能都依赖于雷达感测。

对于汽车应用，协同是一种选择，即雷达和通信子系统基本上独立运作，但交换信息以相互支持，特别是可以减少干扰。例如，带内通信可以帮助雷达探测，实现不同传感器之间的信息交换；雷达还可以辅助通信，例如，通过收集关于障碍物和反射体的信息来实现波束跟踪。作为第三种选择，协同设计是一种更有前途的方法，其中雷达和通信都采用单一波形。这很可能是6G系统的路子，其优势和机遇包括针对不同目的的更高效、灵活的频谱，有助于降低成本的硬件重用和集成，以及比两个独立系统更低的能耗。

雷达与通信协同

·共享地图和位置信息

6G提供的高速通信链路可在不同传感器之间快速可靠地共享地图和位置信息，这对主动和被动感知都很有帮助。当然，为了利用这些优势，芯片技术必须跟上，包括所需的先进集成。

·智能反射面

也叫可重构智能表面（IRS），是一种可以增强地图和定位能力的革命性技术。它可以是基于二极管的天线或环境中的已涂覆物体（如墙壁、天花板、镜子和电器）等超材料终端，当配备有源射频（RF）元件时，它们将作为可重构反射器或收发器工作，以实现大规模访问。

IRS是一种EM（电磁）表面，可通过传统反射阵列、液晶或软件定义的超表面（meta surface）来实现。IRS辅助通信有可能实现低复杂性和节能的通信模式。当然，在移动性非常强的汽车中，其如何应用尚有待探讨。

IRS有助于NLOS通信

需要更深入的研究

6G技术会将为我们带来前所未有的机遇，其中有许多是我们闻所未闻的东西，技术挑战比比皆是，例如：如何实现高精度厘米级定位和高分辨率3D感测和成像？如何设计新颖波形，实现在时间、频率和空间域有效共享资源的会聚通信、定位和感测？在高频率工作并支持通信移动性对象时，如何设计高效节能的高精度定位和高分辨率感测和成像解决方案？如何开发实时节能的AI／ML技术，以实现高精度定位和高分辨率感测，同时利用前所未有的数据和计算资源？如何弥合被动感测和主动感测之间的质量和精度差距？……

如此种种，其难度远远超过以往任何一代移动通信，需要许多科学学科和应用领域的共同努力，更需要大量深入的研究。