解放人與裝置距離,5G時代的遠端操控該如何完成

語言: CN / TW / HK

 

物聯網這個概念早在十多年前便已提出,其主要依託於移動通訊網路來實現其功能的傳輸。在過去物聯網領域的一些裝置控制場景中,我們或多或少都見到過遠端控制技術的身影,但受限於當時的網路條件和技術場景,大部分應用都屬於對裝置的簡單操作,並不會同步太多的現場實時資訊。隨著通訊技術的不斷髮展,以及5G技術的出現,智慧化的生活也離大家越來越近。

5G的出現給行動網路帶來了高頻寬、低時延、本地分流等新的特性。同時,遠端控制作為5G技術的先導,其對於智慧化時代具備重要價值,5G可以滿足遠端控制應用中更多資訊的同步需求。可以說,5G技術的成熟促進了遠端操控的加速與落地

目前,5G遠端實時操控的典型應用場景主要是:港口、露天礦等封閉區域和開放道路下自動駕駛車輛意外情況下的遠端接管,以及天車、吊機、化工、地下礦等高危環境或惡劣環境下的遠端作業。前者是作為必要的應急介入手段,更好協助自動駕駛等裝置本地智慧工作;後者是作為常態化的作業方式,提升一線人員作業體驗。

隨著行業數字化發展,未來像礦山、港口、物流等場景,無人化、遠端化作業將逐漸成為行業趨勢,雲計程車、雲代駕等C端應用也會逐漸興起。預計5G遠端實時操控將開啟百億級規模以上的市場空間,滲透到各領域助力社會發展。

 

一、5G遠端實時操控的主要痛點和相關技術

5G遠端實時操控,主要面向解決車輛等複雜裝置的遠端操控,需要支援基於實時場景的人機互動方式。

為了更好地在遠端還原真實的操作場景,方便人員進行更為細緻的實時控制,除傳統的狀態資料外,在5G遠端實時操控中會引入現場側視訊音訊等媒體資料的實時同步。為保證遠端控制的安全以及流暢,這些豐富的現場資料和細緻的遠端操作的同步,對感知的實時性以及操作的可靠性和及時性有非常高的要求。

以5G遠端控制領域非常有代表性的車輛遠端控制場景為例,其對於車端視訊畫面等資訊及時回傳有著嚴格的時延要求。下表是基於移動場景下的車輛遠端控制對實時性要求的一個簡單分析,可以看出在低速下進行車輛遠端駕駛,建議需要達到200ms的時延,而較為理想的指標是要達到150ms的時延。而目前基於傳統視訊監控的遠控時延往往在300-400ms左右。這對網路時延、音視訊通訊的時延以及控制信令的時延和可靠性都提出了很高的要求。

車速與時延要求關係

為降低5G遠端控制中音視訊端到端時延,並保障操控的可靠性和及時性,需要引入實時音視訊通訊、控制信令同步和5G網路優化等技術來聯合提升操控體驗。

  • 實時音視訊通訊:主要解決音視訊通訊的實時性;在遠控端到端時延中,音視訊通訊時延佔比往往會達到80%左右;因此面向遠控的音視\頻通訊時延的優化是非常重要的;另外在遠控場景中,往往會使用多路視訊流來還原現場,單個裝置可能會涉及4-8路高清視訊流的同時傳輸,會佔用較高的網路頻寬,視訊位元速率和卡頓率的優化也是遠控非常關注的因素。
  • 控制信令同步:主要解決控制信令的傳輸可靠性和時延;控制信令最終是會影響現場裝置的動作,因此對可靠性要求非常高,在儘可能保證時延的基礎上,需要達到極致的可靠性,並考慮應對各種意外情況的檢測和處理。
  • 5G網路優化: 主要解決上行音視訊資料的低時延傳輸,保障控制信令的下行傳輸。音視訊通訊和控制信令同步的基礎均是網路,在苛刻的時延和可靠性要求下,需要應用和網路進行協同的優化,來提升端到端的效能。

可以看出,這三大技術都是圍繞5G遠端控制的時延和可靠性等痛點來進行優化和提升,其中5G網路優化是底座,實時音視訊通訊是時延優化的核心,控制信令同步是保障控制可靠和安全的關鍵。除了這些技術優化外,在5G遠端操控的規模化應用中,系統架構也是非常重要的,這會直接影響5G遠端控制的靈活度和擴充套件性。

 

 

二、5G遠端操控系統的主流架構

5G遠端操控系統中,主要包含受控端、控制端、5G網路等必要元素,以及如遠控伺服器等可選元素。 下面是目前5G遠端操控應用中的一些常見系統架構

1)架構A:單車直連+視訊與控制分離

單車直連分離架構

該架構是基於簡單拓展傳統視訊監控+傳統CAN匯流排控制,來實現簡單1對1場景下的遠端操控。

  • 視訊鏈路:多路攝像頭連線到一個類似NVR這樣的視訊閘道器,接入到5G專網,控制端會使用根據預先配置的視訊閘道器的IP進行拉流,獲取遠端的音視訊流;
  • 控制鏈路:基於CAN匯流排,通過CAN轉乙太網再轉CAN的方式,將CAN匯流排資料over在5G專網提供的IP網路上傳輸, 完成了受控端的控制器CAN介面與控制端的操控器CAN介面的對接;

這種架構雖然能夠簡單達到遠端操控的基本功能,但是受控端與控制端的連線,依賴於兩端IP的提前配置和網路通道的規劃,靈活性不足,很難應用於規模部署的多車場景;另外受限於傳統視訊監控的時延,其端到端時延也較大。

 

2)架構B:單車直連+視訊與控制融合

單車直連融合架構

這種架構B與架構A的區別,在於受控端閘道器中融入了CAN介面的控制能力,升級成為遠控閘道器,而非常規的NVR這樣的純視訊閘道器。 這樣可以在閘道器中,融合視訊、音訊和其他如振動、姿態、車輛工況這樣類感測資料的採集和控制,使得遠控的擴充套件性和現場內容的豐富度更強,而且相比傳統視訊監控的方案,其視訊時延也可得到進一步優化;另外閘道器側還可以定義控制指令的保護策略來應對網路波動和意外情況,具有更好的可靠性和安全性。

同樣由於單車直連,這樣的架構在規模部署的多車場景,仍有很大的靈活性問題

 

3)架構C: 統一轉發

統一轉發架構

由於單車直連架構在部署上的侷限性,出現了統一轉發的架構;多個受控端和操控端都連線到一個統一的遠控伺服器上。通過遠控伺服器扮演連線轉發的角色,來保證受控端和控制端的連通性。

基於這種架構,控制端和受控端可以通過遠控伺服器中轉,按照各自ID直接建立連線,而不需要預先知道對方的IP,並且也不需要依賴兩端網路的IP可達性

這種架構雖然大大簡化了規模場景部署的複雜性,但是由於中間伺服器的引入,對伺服器的轉發能力和可靠性提出了較高要求,並且也為遠控服務引入了中間的轉發時延。

 

4)架構D:融合架構

融合架構

融合架構是由騰訊雲5G團隊提出,並用於其5G遠端操控產品,目前已在礦區、港口、末端物流等多個場景落地應用。

該架構中,遠控伺服器主要負責控制面,統一管理受控端遠控閘道器和控制端操控PC,因此在操控PC仍可以基於受控端的ID來向遠控伺服器申請進行連線的建立,而不需要預先配置受控端的IP。

音視訊、控制命令和感測器等資料的傳輸過程中,資料面仍儘量採用傳統直連的網路通訊方式,在直連網路不可達的情況下,通過媒體中轉伺服器進行中轉。

這種架構融合了單車直連架構和統一轉發架構各自的優點,既能大大簡化規模部署場景的複雜性,又能保持單車直連架構中低時延的優點,對遠控伺服器的要求也大大降低

從長遠看,融合架構是5G遠端控制未來的發展趨勢。因為5G遠端操控應用場景較多,網路場景也較為複雜,有專網場景(如礦山、港口的遠端控制),也有公網場景(如末端物流、幹線物流、雲計程車),另外還會與5G MEC結合進行邊緣分流和計算,來進一步降低網路時延。因此在系統架構上,進行控制面和資料面的分離是一個非常好的選擇,可更靈活的部署媒體資料面,適應多類網路環境,併發揮出5G MEC的優勢。

 

未來,隨著5G遠端操控應用的不斷髮展,除了在技術和架構上不斷演進升級外,相信受控端和控制端的音視訊及控制介面協議標準化上也會不斷完善,可以實現不同車輛、駕駛艙間的互操作性。

 

 

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