一、 引言
隨著2018年底工信部正式分配5G試驗頻段，作為新一代的移動通信技術，5G已經逐步進入了人們的視野。
現階段5G技術處於試商用階段，國內三大運營商都選擇了一些重點城市，開始了5G網絡的小規模部署。在一些先發城市，運營商還準備在2019年實現較大規模的部署。
在5G的試商用階段，如何找到能發揮5G技術優勢的先導應用，這是5G產業，特別是5G運營商非常關注的議題。5G將以何種方式進入人們的生活，大家都在拭目以待。
在5G的三大應用場景eMBB （Enhance Mobile Broadband，增強移動寬帶）、 mMTC（Massive Machine Type Communication，海量機器通信）和 URLLC（Ultra Reliable & Low Latency Communication，極可靠低時延通信）中，URLLC追求更低時延和更高可靠性，藉助更快地調度來實現極短的延時，可用於遠程實時控制，充分體現了5G技術的獨特優勢。
有理由相信，基於5G的遠程實時控制，將會是5G的先導應用。本文詳細分析了遠程控制技術的特點，並介紹了基於5G的遠程駕駛的典型應用。
二、 遠程控制簡介
遠程實時控制可以看成是遠程控制技術的延伸。遠程控制技術需要在控制者與受控者之間建立信息的閉環，如圖1所示。
圖1 遠程控制的信息閉環
圖2展示了遠程控制的處理流程。為了達到遠程控制的效果，受控者需要在遠程感知的基礎之上，通過通信網絡向控制者發送狀態信息。控制者根據收到的狀態信息進行分析判斷，並作出決策，通過通信網絡向受控者發送相應的動作指令。受控者根據收到的動作指令執行相應的動作，完成遠程控制的處理流程。
圖2 遠程控制的處理流程
顯然，圖2所示的遠程控制處理流程會持續進行，不斷循環，直到達成目標。而通信網絡的主要工作就是傳送狀態信息以及動作指令，通信網絡必須保證傳輸信息和指令的準確性和可靠性。
在遠程控制的基礎上，為了實現實時控制，需要嚴格控制圖2所示遠程控制處理流程各個環節的時延。
三、 遠程實時控制的形態
根據受控者的運動速度（定點、慢速和中高速）以及實時性要求（低和高），遠程實時控制可以分為如圖3所示的形態：
圖3 遠程實時控制的各種形態
定點操控
定點操控的受控者處於固定的位置，根據實時性要求，可以分為以下典型應用：
- 遠程醫療
遠程醫療包括遠程診斷以及遠程手術等，特別是在進行遠程手術時，為了保障患者的生命安全，對實時性要求會很高。
- 工業自動化
比如遠程操控生產線上的機器人，為了提升生產效率，對實時性也會有較高的要求。
- 智慧家居、遠程簽名
對實時性要求普遍不高。
慢速操控
慢速操控的受控者處於步行速度或者相近的運行速度，可以分為以下典型應用：
- 航天
主要指遠程操控在月球和火星上巡視器，也就是俗稱的“月球車”以及“火星車”，這些車輛的運行速度很慢，實時性要求較低。
- 遠程駕駛
主要指遠程駕駛無人船舶，這些船舶的運行速度不高，實時性要求不高。
中高速操控
中高速操控的受控者處於城市車輛運行速度，也就是30km/h~120km/h，主要用於遠程駕駛車輛、機械農具以及操控無人機。前者需要在道路上行駛，後兩者行駛的自由度較高。由於受控者運行速度較高，因此對實時性要求很高。
四、 遠程駕駛車輛
遠程駕駛車輛是遠程實時控制的典型應用，一般基於車聯網技術。所謂車聯網技術，就是汽車與通信設備的結合，也是汽車工業與通信產業的結合。
通常車聯網多與無人自動駕駛技術相關聯，其實車聯網還有更多的分支。以有人與無人、本地與遠程等操控方式為分界，圖4展示了4種與車聯網相關的駕駛形態，分別是基於本地操控的輔助駕駛以及自動駕駛，基於遠程駕駛的遙控駕駛以及協助駕駛。
圖4 車聯網相關的駕駛形態
輔助駕駛
這是目前已經在出租車、網約車以及私家車中廣泛普及的技術。利用電子地圖配合定位系統，輔助駕駛系統可以根據當前位置以及路況，為駕駛員規劃出合適的行駛路線，並可以進行超速預警。
隨著車聯網技術的發展，未來駕駛員還可以通過接收鄰近車輛、道路設施以及行人等的動態信息，從而大幅提升行車的安全性。
自動駕駛
這是Google、百度、Uber等各大企業正在努力的方向。結合汽車雷達和各種傳感器採集的信息，利用人工智能AI，實現車輛的無人自動駕駛。
目前，各大企業的無人自動駕駛汽車已經在全球多地進行了真實道路上的測試。
遙控駕駛
這是由駕駛員在異地遠程駕駛車輛的技術，結合了自動駕駛中的信息採集以及高清回傳、虛擬現實、模擬操控等技術，是遠程駕駛技術的一個重要應用方向，實時性要求高，需要高可靠低時延的通信方式。
遙控駕駛的一大優點是避免了引入無人自動駕駛導致的駕駛員下崗，可以創造更多的工作機會。
利用遙控駕駛還可以引入多人駕駛，利用判決的方式，與車輛本地的控制系統共同作用，可以大幅提升行車的安全性。
協助駕駛
這是由異地遠程駕駛員協助車內駕駛員駕駛車輛的技術，主要的應用場景包括公共交通車輛突發事件的行車接管，這對於提升行車的安全有非常大的意義。
另外，協助駕駛還可以實現協助泊車、高速公路陪伴等任務，解決新手司機在行車過程中遇到的問題。
當然，實際的操控形態還可以是以上方式的結合，比如輔助駕駛與協助駕駛相結合。另外，從有人操控的輔助駕駛向無人操控的自動駕駛轉換過程中，自動駕駛的成分可以逐步提升，劃分為7個層次，而不是一蹴而就。
五、 5G技術與遠程駕駛
為了支持遠程駕駛，通信網絡必須提供極低的通信時延。5G技術可以提供較4G技術更低的通信時延，更適合用於遠程駕駛。
在4G網絡中，通信端到端的往返時延一般在20~50ms左右，正常人的反應時間應該在0.2秒以上，因此通信時延疊加在人的反應時間，會帶來比較大的影響。
5G的一大設計初衷就是壓縮通信時延，希望把通信時延控制在ms級別。為此，5G技術在無線技術、QoS(Quality of Service，服務質量)設置、移動邊緣計算等方面進行了多項針對性的設計：
無線技術
5G無線技術就是大家熟悉的5G NR（New Radio）。5G NR改變了4G技術的調度方式，資源調度的時間單位從子幀調整為時隙、微時隙以及多時隙。其中的微時隙，就特別適合進行低時延的通信。
所謂的微時隙，可以由兩個連續的OFDM符號組成。在5G NR的R15規範中，還引入了靈活可變的時隙時長，如果是目前常用的30kHz子載波間隔，其時隙時長是0.5ms，每個時隙包含14個OFDM符號。
換句話說，基於30kHz子載波間隔的5G NR系統採用微時隙來調度後，基站最快可以每秒調度14000次，遠遠快於4G基站的每秒1000次，這樣就大幅壓縮了空中接口上的通信時延。
QoS設置
R15中，將4G技術中的QoS參數QCI（QoS Class Identifier，QoS等級標識）改名為5QI（5G QoS Identifier，5G QoS標識），並引入了新的資源類型：Delay Critical GBR，特別適用於遠程駕駛。
表1從5G規範TS23.501中摘錄出了與Delay Critical GBR資源類型相關的QoS參數，不難看出Delay Critical GBR對時延的要求相當高。
利用新增的QoS參數以及網絡切片技術，並配合5G空中接口上新增的SDAP（Service Data Protocol，業務數據協議）子層，5G NR系統可以為遠程駕駛應用提供更高的資源調度優先級以及時延預算，以滿足遠程駕駛的超低時延需求。
移動邊緣計算
端到端的時延還與對端的服務器相關。如果對端的服務器距離較遠，信息在IP網絡中會多跳傳輸，必然會增加端到端的時延。
為了解決這個問題，5G可以採用MEC（Mobile Edge Computing，移動邊緣計算）技術，將服務器儘量下沉，部署在無線網絡的邊緣。這樣終端與服務器交互時只需要一跳，從而能大幅壓縮端到端的時延。
採用無線技術、QoS設置、移動邊緣計算等技術之後，5G網絡中端到端的時延可控制在數ms，僅為4G網絡的五分之一。
六、 基於5G技術的遠程駕駛測試
目前，設備廠商以及運營商已經在5G試驗網絡中開始進行遠程駕駛的試驗。其中愛立信公司在國內已經進行了遠程駕駛船舶以及遠程駕駛車輛的測試，均成功地演示了基於5G的遠程駕駛的能力。
據報道，在遠程駕駛車輛的測試中，端到端的時延已經可以控制在5ms以內，遠遠低於4G網絡的數十ms，性能指標滿足了遠程駕駛的需求。
閱讀更多 讀懂通信 的文章
