一文淺析車聯(lián)網(wǎng)V2X通信技術(shù)及應(yīng)用

根據(jù)車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟的定義，車聯(lián)網(wǎng)是以車內(nèi)網(wǎng)、車際網(wǎng)和車云網(wǎng)組成，進行無線電通信和信息交互的大系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。如圖1所示，通過三網(wǎng)融合，實現(xiàn)V2X之間通信的無縫連接，提高通信效率，減少通信盲區(qū)。

圖1 車內(nèi)網(wǎng)、車際網(wǎng)、車云網(wǎng)三網(wǎng)融合

01車聯(lián)網(wǎng)的組成

車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)

車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)是基于CAN、LIN、FlexRay、MOST、以太網(wǎng)等總線技術(shù)建立的標準化整車網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)車內(nèi)各電器、電子單元間的狀態(tài)信息和控制信號在車內(nèi)網(wǎng)上的傳輸，使車輛具有狀態(tài)感知、故障診斷和智能控制等功能。

圖2 車載網(wǎng)絡(luò)總線結(jié)構(gòu)

圖2中車載網(wǎng)絡(luò)以高速以太網(wǎng)作為骨干，將動力總成、底盤控制、車身控制、娛樂、ADAS(先進駕駛輔助系統(tǒng))共5個核心域連接在一起，各個域控制器在實現(xiàn)專用的控制功能的同時，還提供強大的網(wǎng)關(guān)功能。

圖3 奔馳222型號轎車車載網(wǎng)絡(luò)總線拓撲圖

圖3為奔馳222型號轎車車載網(wǎng)絡(luò)總線拓撲圖，CAN A;車載智能信息系統(tǒng) (CAN);CAN C. 發(fā)動機控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò) (CAN);CAN C1. 傳動系統(tǒng)控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò) (CAN);CAN D. 診斷控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(CAN);CAN HMI. 用戶界面控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò) (CAN);CAN I. 傳動系傳感器控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò) (CAN);CAN L. 混合動力控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò) (CAN);CAN PER. 外圍設(shè)備控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò) (CAN);Ethernet. 以太網(wǎng);Flex E. 底盤 FlexRay;LIN E2. 座椅承載識別區(qū)域互聯(lián)網(wǎng) (LIN);LIN G1. 左側(cè)大燈局域互聯(lián)網(wǎng) (LIN);G2. 右側(cè)大燈局域互聯(lián)網(wǎng) (LIN);MOST. 多媒體傳輸系統(tǒng)。

車際網(wǎng)絡(luò)

車際網(wǎng)絡(luò) ( 也稱車載自組織網(wǎng)絡(luò)VehicularAdhoc Networks VANET)是指在交通環(huán)境中，以車輛、路側(cè)單元以及行人為節(jié)點而構(gòu)成的開放式移動自組織網(wǎng)絡(luò)。它通過結(jié)合全球定位系統(tǒng)及無線通信技術(shù)，如無線局域網(wǎng)、蜂窩網(wǎng)絡(luò)等，建立無線多跳連接，為處于高速移動狀態(tài)的車輛提供高速率的數(shù)據(jù)接入服務(wù)，以實現(xiàn)V2X之間的信息交互，如圖4所示。

圖4 車載自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

車載自組織網(wǎng)絡(luò)是智能交通系統(tǒng)未來發(fā)展的通信基礎(chǔ)，也是智能網(wǎng)聯(lián)汽車安全行駛的保障。

專用短程通信(DSRC)

DSRC是基于美國電氣電子工程師協(xié)會(IEEE)，在IEEE802.11 的Wi-Fi技術(shù)基礎(chǔ)上改進制定的IEEE802.11p標準和IEEE1609標準的V2V和V2I通信協(xié)議，是比較成熟、高效的無線通信系統(tǒng)技術(shù)，它是智能交通系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)之一，目前已被歐洲、日本等國汽車制造企業(yè)采用并完善。我國在高速公不停車收費設(shè)備(ETC)也采用該項技術(shù)。

DSRC通信在5.9GHz附近的頻段上，專門將車與車、車與道路基礎(chǔ)設(shè)施有機連接，實現(xiàn)在數(shù)百米的范圍內(nèi)對高速行駛的車輛進行識別和雙向通信，提供實時圖像、語音和數(shù)據(jù)信息傳輸，保證通信鏈路的低時延和低干擾以及系統(tǒng)的可靠性。例如DSRC在有效通信距離范圍內(nèi)，本車輛通過DSRC以10Hz的頻率，向路上其他車輛發(fā)送位置、車速、方向等信息;同時本車輛還能收到其他車輛所發(fā)出的信號，在必要時(例如馬路轉(zhuǎn)角有車輛駛出，或前方車輛突然緊急剎車，變換車道的情況發(fā)生)車內(nèi)信號裝置會以閃爍、語音提醒或座椅、方向盤振動等方式提醒駕駛員注意，采取必要安全措施，如圖5所示。

圖5 專用短程通信(DSRC)在V2X通信的應(yīng)用

DSRC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由三部分組成，如圖6所示。

圖6 專用短程通信(DSRC)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

分別是車載單元(on Board unit，OBU)、路側(cè)單元(road-side unit，RSU)、專用通信鏈路。OBU安裝在車輛上的嵌入式車載通信單元內(nèi)，它通過專用的通信鏈路依照通信協(xié)議的規(guī)定與RSU進行信息交互。RSU是安裝在指定地點(如車道旁邊、車道上方等)固定的通信設(shè)備，與不同OBU進行實時高效的通信，并通過有線光纖的方式接入移動互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，與云端智能交通(ITS)平臺進行數(shù)據(jù)交互。

專用通信鏈路是OBU和RSU保持信息交互的通道，它由兩部分組成：下行鏈路和上行鏈路。RSU到OBU的通信應(yīng)用為下行鏈路，主要實現(xiàn)RSU向OBU寫入信息的功能。

上行鏈路是從OBU到RSU的通信，主要實現(xiàn)RSU讀取OBU的信息，完成車輛狀態(tài)的自主識別功能。因此在DSRC的架構(gòu)中需要部署大量的RSU才能較好地滿足業(yè)務(wù)需要，建設(shè)投資較大。

C-V2X 通信

C-V2X通信是基于3G/4G/5G等蜂窩網(wǎng)通信技術(shù)演進形成的車用無線通信技術(shù)，包含基于4G網(wǎng)絡(luò)的LTE-V2X系統(tǒng)以及未來5G資源的5G-V2X系統(tǒng)，借助已存在的LTE網(wǎng)絡(luò)設(shè)施來實現(xiàn)V2V、V2I、V2P、V2N的信息交互，適應(yīng)于更復(fù)雜的安全應(yīng)用場景，滿足低時延高可靠性和帶寬要求。

①LTE-V2X技術(shù)

LTE—V (Long Term Evolution—Vehicle，長期演進，V2X)是我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的V2X技術(shù)，是基于TD.LTE(Time Division—Long Term Evolution，分時長期演進)的ITS(Intelligent Transport System，智能交通系統(tǒng))系統(tǒng)解決方案，屬于LTE后續(xù)演進生態(tài)系統(tǒng)的重要應(yīng)用分支。

②LTE-V2X協(xié)議架構(gòu)與組成

LTE-V2X標準協(xié)議架構(gòu)由三部分組成，包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層。物理層是LTE-V2X系統(tǒng)的底層協(xié)議，主要提供幀傳輸控制服務(wù)和信道的激活、失效服務(wù)，定時收發(fā)及同步功能。

數(shù)據(jù)鏈路層負責(zé)信息的可靠傳輸，提供差錯和流量控制，對上層提供無差錯的鏈路鏈接。應(yīng)用層基于數(shù)據(jù)鏈路層提供的服務(wù)，實現(xiàn)通信初始化和釋放程序、廣播服務(wù)、遠程應(yīng)用等相關(guān)操作。

LTE-V2X系統(tǒng)設(shè)備組成包含了UE(User Equipment，用戶終端)、RSU(Road Side Uni，路側(cè)單元)、和基站三部分，具體組成如圖7所示。

圖7 LTE—V2X通信系統(tǒng)的組成

UE包含了車載設(shè)備、個人用戶便攜設(shè)備等。RSU處于基站和UE之間，承擔(dān)著V2I的數(shù)據(jù)通信任務(wù)?；臼浅袚?dān)了LTE-V2X系統(tǒng)的無線接入控制功能的設(shè)備，主要完成無線接入功能，包括管理空中接口、用戶資源分配、接入控制、移動性控制等無線資源管理功能。GPS信號則通過衛(wèi)星地面站與基站進行通信。

③LTE-V2X主要技術(shù)指標分析

V2X技術(shù)影響用戶體驗的主要系統(tǒng)指標有延時時間、可靠性、數(shù)據(jù)速率、通信覆蓋范圍移動性、用戶密度、安全性等。其相關(guān)指標有安全類時延≤20ms，非安全類時延≤100ms，峰值速率上行500Mbps、下行1Gbps，支持車速280km/h，在后續(xù)演進5G版本中提升至500km/h，可靠性幾乎為100%，覆蓋范圍與LTE范圍相當。

④LTE-V2X通信方式

LTE-V2X系統(tǒng)的通信方式采用了“廣域集中式蜂窩通信”(LTE-V-Cell蜂窩)和“短程分布式直通通信”(LTE-VDirect直通)兩種技術(shù)方案。分別對應(yīng)LTE-Uu(UTRAN-UE，接入網(wǎng)-用戶終端)和PC5(ProSeDirectCommunication，ProSe直接通信)接口。廣域集中式蜂窩通信(Uu接口)技術(shù)是基于現(xiàn)有蜂窩技術(shù)的擴展，主要承載傳統(tǒng)的車聯(lián)網(wǎng)遠程業(yè)務(wù)，滿足終端與V2X應(yīng)用服務(wù)器間大數(shù)據(jù)量傳輸要求，如圖8所示。

圖8 基于Uu接口的V2V和V2I通信

短程分布式直通通信(PC5接口)技術(shù)引入LTED2D(Device-to-Device，端-端)，繞過RSU進行V2V、V2I直接通信，主要承載了車輛主動安全業(yè)務(wù)，如圖9所示。

圖9 基于PC5接口的終端直通的V2V通信

因此LTE-V-Direct具有低時延、通信容量大和無需網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(基站或路邊設(shè)施)即可工作的優(yōu)點。上述通信方式的多樣性，不僅減少了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，而且還提高了系統(tǒng)通信的低時延性和高可靠性，也降低了網(wǎng)絡(luò)部署和維護成本。

⑤LTE-V2X安全認證技術(shù)

涉及交通時，其安全重要性不言而喻。由于車輛是一個高速移動的物體，LTE-V2X系統(tǒng)需要提供安全機制來保障使用者的信息安全，預(yù)防非法及偽裝終端設(shè)備進入網(wǎng)絡(luò)。對車輛間的高速認證和安全數(shù)據(jù)傳輸也提出了極高的要求，包括身份認證管理、異常用戶檢測、個人隱私保護、安全機制的更新、信息加密等。目前在傳統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中經(jīng)常采用集中式管理機制，具有的安全性較高，但對于龐大的車輛管理數(shù)量來說，同時也會造成時延的問題;而分布式管理機制相對較靈活，作為集中式的補充對LTEV2X系統(tǒng)來說是個可行的解決方法。

⑥LTE-V2X工作場景

如圖10所示為LTE-V2X技術(shù)的典型工作場景。

圖10 LTE—V2X典型工作場景

圖10(a)中，車輛通過基站或路側(cè)單元獲得與遠端ITS(智能交通系統(tǒng))服務(wù)器的IP地址接入;圖(b)中，車輛通過不同的基站或路側(cè)單元，進而通過云平臺，獲得分發(fā)的遠距離車輛的信息;圖(c)中，車輛間直接交互與道路安全相關(guān)的低時延安全業(yè)務(wù)信息;圖(d)為非視距(notlineofsight，NLOS)場景，車輛在十字路口由于建筑物的遮擋不能直接交互低時延安全業(yè)務(wù)，此時可以通過基站或路側(cè)設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)，獲得車輛間的道路安全信息。在上述場景中，圖(c)可采用LTE-V-direct模式進行通信，其他場景可采用LTE-V-cell模式進行通信。

圖11是LTE-V2X技術(shù)在智能網(wǎng)聯(lián)汽車上的應(yīng)用框圖。

圖11 LTE—V2X通信技術(shù)在智能網(wǎng)聯(lián)汽車上的應(yīng)用框圖

⑦5G-V2X技術(shù)

與LTE-V2X相比，5-V2X將支持更加多樣化的場景，融合多種無線接入方式，并充分利用低頻和高頻等頻譜資源。同時，5G還將滿足網(wǎng)絡(luò)靈活部署和高效運營維護的需求，大幅提升頻譜效率、能源效率和成本效率，實現(xiàn)車載移動通信網(wǎng)絡(luò)的可持續(xù)發(fā)展?；?G新空口的V2X可以提供高吞吐量、寬帶載波支持、超低時延和高可靠性，從而支持眾多面向自動駕駛的技術(shù)需求。5-V2X業(yè)務(wù)場景具體包括：

車輛編隊：車輛編隊使車輛形成動態(tài)編隊一起行駛。編隊中的所有車輛從編隊頭車獲取信息來管理這個編隊，這些管理信息能夠以比正常行駛更接近(編隊車輛之間間隔僅2～5m)、更協(xié)調(diào)的方式同向行駛。

傳感器擴展：擴展傳感器使車輛之間、車與路側(cè)單元之間、車與行人之間以及車與V2X服務(wù)器之間可以交互本地傳感器信息和實時視頻圖像信息等，車輛可以獲得額外的環(huán)境感知能力，更全面了解周邊環(huán)境。

先進駕駛：先進駕駛用于支持半自動或全自動駕駛。每個車輛把通過自身傳感器獲得的感知數(shù)據(jù)以及自身的駕駛意圖分享給周圍車輛，從而支持多個車輛之間同步和協(xié)調(diào)其行駛軌跡。

駕駛：遠程駕駛使遠程司機或車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)器遙控車輛的行駛，適應(yīng)于車主不能自己駕車或遠程車輛處于危險環(huán)境中等特殊場景。高可靠性和低延遲通信是遠程駕駛的主要要求。5GV2X業(yè)務(wù)場景對通信的需求，具體如表1所示。

表1 5GV2X需求

⑧C-V2X與DSRC(IEEE802.11p)的比較

作為車聯(lián)網(wǎng)的V2X無線通信技術(shù)，雖然DSRC(IEEE802.11p)有先發(fā)優(yōu)勢，但是C-V2X以蜂窩技術(shù)作為基礎(chǔ)，通過增強的接入層，應(yīng)對當前和未來智能交通系統(tǒng)的應(yīng)用。尤其C-V2X的多種通信模式，可以利用現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施提供大容量的數(shù)據(jù)傳輸和低時延的廣域通信，這樣就為交通道路安全借助強大的云端處理能力和邊緣計算的保駕護航途徑。例如C-V2X在性能改進上的體現(xiàn)，通過仿真比較了汽車分別采用LTE-V2X和DSRC時的最大容許剎車反應(yīng)距離/時間(即汽車感知到前方危險后司機擁有的反應(yīng)距離/時間)。如圖所示結(jié)果顯示，相比于DSRC，LTE-V2X技術(shù)能夠讓司機在更遠距離的位置感知危險并開始剎車，也就是司機擁有更長的剎車反應(yīng)時間。

圖12 C-V2X和DSRC(IEEE802.11p)傳輸距離比較

圖12中的例子是汽車以140km/h速度行駛的時候，采用LTE-V2X的汽車比采用DSRC技術(shù)的汽車擁有額外的5.9s(9.2s～3.3s)來決定是否剎車。

此外，C-V2X的直接通信技術(shù)在ITS頻譜(5.9GHz)下操作，以確保直接安全通信的匿名性和蜂網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域外的直通需求。從產(chǎn)業(yè)化進程而言，C-V2X正在逐步縮小與DSRC(IEEE802.11p)之間的差距。尤其在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護方面，盡管DSRC可利用現(xiàn)有的Wi-Fi基礎(chǔ)進行產(chǎn)業(yè)布局，由于Wi-Fi接入點未達到蜂窩網(wǎng)絡(luò)的廣覆蓋和高業(yè)務(wù)質(zhì)量，不僅DSRC的新建路側(cè)單元需要大量投資進行部署，而且DSRCV2X通信安全相關(guān)設(shè)備、安全機制維護需要新投入資金。而C-V2X可以利用現(xiàn)有LTE商用網(wǎng)絡(luò)中的基站等安全設(shè)備進行升級擴展，支持安全證書的更新以及路側(cè)單元的日常維護。

另外，目前國內(nèi)在DSRC系列技術(shù)和產(chǎn)業(yè)方面缺乏核心知識產(chǎn)權(quán)和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。而基于我國自主研發(fā)的4GTD-LTE移動通信技術(shù)標準，C-V2X技術(shù)擁有核心自主知識產(chǎn)權(quán)，可以打破國外產(chǎn)業(yè)在V2X通信技術(shù)壟斷，減少在知識產(chǎn)權(quán)方面的限制。整個C-V2X預(yù)期發(fā)展的關(guān)鍵時間節(jié)點如圖13所示。

圖13 LTE—V2X發(fā)展預(yù)期

車云網(wǎng)

車云網(wǎng)也稱車載移動互聯(lián)網(wǎng)。是以車為移動終端，通過遠距離無線通信(Telematics) 技術(shù)構(gòu)建的車與互聯(lián)網(wǎng)之間的網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)車與服務(wù)信息在車載移動互聯(lián)網(wǎng)上傳輸，如圖14所示。車載移動互聯(lián)網(wǎng)是先通過短距離通信技術(shù)在車內(nèi)建立無線個域網(wǎng)或無線局域網(wǎng)，再通過4G或5G技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)連接。

圖14 車載移動互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)組成

02車聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用

車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用分類

便捷、安全和環(huán)保是車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的核心價值。車聯(lián)網(wǎng)通過對多樣化信息的融合，可以面向不同用戶開發(fā)個性化的應(yīng)用，為出行者提供更加便捷的交通服務(wù)，為車輛駕駛員提供智能化的安全服務(wù)和控制，為交通管理部門提供節(jié)能環(huán)保的交通服務(wù)和控制。表2列出了車聯(lián)網(wǎng)基本的應(yīng)用內(nèi)容。

表2 車聯(lián)網(wǎng)基本應(yīng)用場景

表2(續(xù)) 車聯(lián)網(wǎng)基本應(yīng)用場景

表3反映了車聯(lián)網(wǎng)在交通運輸、汽車、IT、金融保險等幾個領(lǐng)域的主要應(yīng)用，可以看出，車聯(lián)網(wǎng)對提高行業(yè)效能，深耕服務(wù)品質(zhì)，推動建立便捷、安全、環(huán)境友好型社會，有著重要意義。

表3 車聯(lián)網(wǎng)在交通運輸、汽車等幾個領(lǐng)域的主要應(yīng)用

以豐田汽車車聯(lián)網(wǎng)分析示例

豐田汽車在TNGA(豐田全球新體系架構(gòu))生產(chǎn)的新一代凱美瑞、卡羅拉等車型上借助現(xiàn)代信息和通信技術(shù)，導(dǎo)入了TOYOTA Connect(豐田智行互聯(lián))系統(tǒng)(即車載通信系統(tǒng)，簡稱車聯(lián)網(wǎng))，實現(xiàn)車內(nèi)、車與車、車與路、車與人、車與服務(wù)平臺的全方位網(wǎng)絡(luò)連接。

圖15 豐田車載通信系統(tǒng)組成示意圖

圖15所示是豐田車載通信系統(tǒng)組成示意圖。通過車載通信系統(tǒng)，能夠24小時365天提供緊急救援，車輛被盜追蹤等真正“安心、安全”的服務(wù);同時通過車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)車況確認、遠程控制、提供“快捷、便利”的服務(wù)。在CR(客戶服務(wù))活動支援方面，根據(jù)車輛使用狀況向客戶提供最合適的商品，確保車輛入廠保養(yǎng)與維修;故障發(fā)生時及時主動給客戶提供遠程診斷幫助。

TOYOTA Connect車聯(lián)網(wǎng)服務(wù)項目和目的，如表4所示。

表4 豐田智行互聯(lián)系統(tǒng)服務(wù)項目

圖16為是車載通信系統(tǒng)電路圖。豐田車載通信零件組成及功能說明如。

圖16 豐田車載通信系統(tǒng)電路圖

豐田車載通信零件組成及功能說明如表5所示。

表5 豐田車載通信零件組成及功能說明

車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是車輛信息化的核心內(nèi)容，是互聯(lián)網(wǎng)、車際網(wǎng)V2X和車內(nèi)網(wǎng)技術(shù)一體化發(fā)展的必然結(jié)果。今后，隨著5G技術(shù)在V2X的運用，V2X通信技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)更加安全、高效、便捷的駕駛體驗，同時也是未來高度自動駕駛的基礎(chǔ)支撐,是汽車產(chǎn)業(yè)融入萬物互聯(lián)時代的重要途徑。相信車輛全面智能化、網(wǎng)聯(lián)化已為時不遠了。

審核編輯：湯梓紅