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漫谈5G先导应用：远程实时控制 一、 引言 随着2018年底工信部正式分配5G试验频段，作为新一代的移动通信技术，5G已经逐步进入了人们的视野。 现阶段5G技术处于试商用阶段，国内三大运营商都选择了一些重点城市，开始了5G网络的小规模部署。在一些先发城市，运营商还准备在2019年实现较大规模的部署。 在5G的试商用阶段，如何找到能发挥5G技术优势的先导应用，这是5G产业，特别是5G运营商非常关注的议题。5G将以何种方式进入人们的生活，大家都在拭目以待。 在5G三大应用场景eMBB （Enhance Mobile Broadband，增强移动宽带）、mMTC（Massive Machine Type Communication，海量机器通信）和URLLC（Ultra Reliable & Low Latency Communication，极可靠低时延通信）中，URLLC追求更低时延和更高可靠性，借助更快地调度来实现极短的延时，可用于远程实时控制，充分体现了5G技术的独特优势。 有理由相信，基于5G的远程实时控制，将会是5G的先导应用。本文详细分析了远程控制技术的特点，并介绍了基于5G的远程驾驶的典型应用。

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二、 远程控制简介 远程实时控制可以看成是远程控制的延伸。远程控制需要在控制者与受控者之间建立信息的闭环，如图1所示。 图1 远程控制的信息闭环 图2展示了远程控制的处理流程。为了达到远程控制的效果，受控者需要在远程感知的基础之上，通过通信网络向控制者发送状态信息。控制者根据收到的状态信息进行分析判断，并作出决策，通过通信网络向受控者发送相应的动作指令。受控者根据收到的动作指令执行相应的动作，完成远程控制的处理流程。 图2 远程控制的处理流程 显然，图2所示的远程控制处理流程会持续进行，不断循环，直到达成目标。而通信网络的主要工作就是传送状态信息以及动作指令，通信网络必须保证传输信息和指令的准确性和可靠性。 在远程控制的基础上，为了实现实时控制，需要严格控制图2所示远程控制处理流程各个环节的时延。

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三、 远程实时控制的形态 根据受控者的运动速度（定点、慢速和中高速）以及实时性要求（低和高），远程实时控制可以分为如图3所示的形态： 图3 远程实时控制的各种形态 定点操控 定点操控的受控者处于固定的位置，根据实时性要求，可以分为以下典型应用： × 远程医疗 远程医疗包括远程诊断以及远程手术等，特别是在进行远程手术时，为了保障患者的生命安全，对实时性要求会很高。 × 工业自动化 比如远程操控生产线上的机器人，为了提升生产效率，对实时性也会有较高的要求。 × 智慧家居、远程签名 对实时性要求普遍不高。 慢速操控 慢速操控的受控者处于步行速度或者相近的运行速度，可以分为以下典型应用： × 航天 主要指远程操控在月球和火星上巡视器，也就是俗称的“月球车”以及“火星车”，这些车辆的运行速度很慢，实时性要求较低。 × 远程驾驶 主要指远程驾驶无人船舶，这些船舶的运行速度不高，实时性要求不高。 中高速操控 中高速操控的受控者处于城市车辆运行速度，也就是30km/h~120km/h，主要用于远程驾驶车辆、机械农具以及操控无人机。前者需要在道路上行驶，后两者行驶的自由度较高。由于受控者运行速度较高，因此对实时性要求很高。

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四、 远程驾驶车辆 远程驾驶车辆是远程实时控制的典型应用，一般基于车联网技术。所谓车联网技术，就是汽车与通信设备的结合，也是汽车工业与通信产业的结合。 通常车联网多与无人自动驾驶技术相关联，其实车联网还有更多的分支。以有人与无人、本地与远程等操控方式为分界，图4展示了4种与车联网相关的驾驶形态，分别是基于本地操控的辅助驾驶以及自动驾驶，基于远程驾驶的遥控驾驶以及协助驾驶。 图4 车联网相关的驾驶形态 辅助驾驶 这是目前已经在出租车、网约车以及私家车中广泛普及的技术。利用电子地图配合定位系统，辅助驾驶系统可以根据当前位置以及路况，为驾驶员规划出合适的行驶路线，并可以进行超速预警。 随着车联网技术的发展，未来驾驶员还可以通过接收邻近车辆、道路设施以及行人等的动态信息，从而大幅提升行车的安全性。 自动驾驶 这是Google、百度、Uber等各大企业正在努力的方向。结合汽车雷达和各种传感器采集的信息，利用人工智能AI，实现车辆的无人自动驾驶。 目前，各大企业的无人自动驾驶汽车已经在全球多地进行了真实道路上的测试。 遥控驾驶 这是由驾驶员在异地远程驾驶车辆的技术，结合了自动驾驶中的信息采集以及高清回传、虚拟现实、模拟操控等技术，是远程驾驶技术的一个重要应用方向，实时性要求高，需要高可靠低时延的通信方式。 遥控驾驶的一大优点是避免了引入无人自动驾驶导致的驾驶员下岗，可以创造更多的工作机会。 利用遥控驾驶还可以引入多人驾驶，利用判决的方式，与车辆本地的控制系统共同作用，可以大幅提升行车的安全性。 协助驾驶 这是由异地远程驾驶员协助车内驾驶员驾驶车辆的技术，主要的应用场景包括公共交通车辆突发事件的行车接管，这对于提升行车的安全有非常大的意义。 另外，协助驾驶还可以实现协助泊车、高速公路陪伴等任务，解决新手司机在行车过程中遇到的问题。 当然，实际的操控形态还可以是以上方式的结合，比如辅助驾驶与协助驾驶相结合。另外，从有人操控的辅助驾驶向无人操控的自动驾驶转换过程中，自动驾驶的成分可以逐步提升，划分为7个层次，而不是一蹴而就。

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五、 5G技术与远程驾驶 为了支持远程驾驶，通信网络必须提供极低的通信时延。5G技术可以提供较4G技术更低的通信时延，更适合用于远程驾驶。 在4G网络中，通信端到端的往返时延一般在20~50ms左右，正常人的反应时间应该在0.2秒以上，因此通信时延叠加在人的反应时间，会带来比较大的影响。 5G的一大设计初衷就是压缩通信时延，希望把通信时延控制在ms级别。为此，5G技术在无线技术、QoS(Quality of Service，服务质量)设置、移动边缘计算等方面进行了多项针对性的设计： 无线技术 5G无线技术就是大家熟悉的5G NR（New Radio）。5G NR改变了4G技术的调度方式，资源调度的时间单位从子帧调整为时隙、微时隙以及多时隙。其中的微时隙，就特别适合进行低时延的通信。 所谓的微时隙，可以由两个连续的OFDM符号组成。在5G NR的R15规范中，还引入了灵活可变的时隙时长，如果是目前常用的30kHz子载波间隔，其时隙时长是0.5ms，每个时隙包含14个OFDM符号。 换句话说，基于30kHz子载波间隔的5G NR系统采用微时隙来调度后，基站最快可以每秒调度14000次，远远快于4G基站的每秒1000次，这样就大幅压缩了空中接口上的通信时延。 QoS设置 R15中，将4G技术中的QoS参数QCI（QoS Class Identifier，QoS等级标识）改名为5QI（5G QoS Identifier，5G QoS标识），并引入了新的资源类型：Delay Critical GBR，特别适用于远程驾驶。 表1从TS23.501中摘录出了与Delay Critical GBR资源类型相关的QoS参数，不难看出Delay Critical GBR对时延的要求相当高。 表1 R15定义的Delay Critical GBR的QoS参数（摘自TS23.501） 5QI Priority Level Packet Delay Budget Packet Error Rate Default Maximum Data Burst Volume Default Averaging Window Example Services B 11 5 ms         10-5 160 B 待定 远程控制 C 12 10 ms 10-6 320 B 待定 智慧交通 D 13 20 ms 10-5 640 B 待定   利用新增的QoS参数以及网络切片技术，并配合5G空中接口上新增的SDAP（Service Data Protocol，业务数据协议）子层，5G NR系统可以为远程驾驶应用提供更高的资源调度优先级以及时延预算，以满足远程驾驶的超低时延需求。 移动边缘计算 端到端的时延还与对端的服务器相关。如果对端的服务器距离较远，信息在IP网络中会多跳传输，必然会增加端到端的时延。 为了解决这个问题，5G可以采用MEC（Mobile Edge Computing，移动边缘计算）技术，将服务器尽量下沉，部署在无线网络的边缘。这样终端与服务器交互时只需要一跳，从而能大幅压缩端到端的时延。 采用无线技术、QoS设置、移动边缘计算等技术之后，5G网络中端到端的时延可控制在数ms，仅为4G网络的五分之一。

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六、 基于5G技术的远程驾驶测试 目前，设备厂商以及运营商已经在5G试验网络中开始进行远程驾驶的试验。其中爱立信公司在国内已经进行了远程驾驶船舶以及远程驾驶车辆的测试，均成功地演示了基于5G的远程驾驶的能力。 据报道，在远程驾驶车辆的测试中，端到端的时延已经可以控制在5ms以内，远远低于4G网络的数十ms，性能指标满足了远程驾驶的需求。

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