導讀：車聯網技術是車輛信息化的核心內容，是互聯網、車際網V2X和車內網技術一體化發展的必然結果。今后，隨著5G技術在V2X的運用，V2X通信技術能夠實現更加安全、高效、便捷的駕駛體驗，同時也是未來高度自動駕駛的基礎支撐，是汽車產業融入萬物互聯時代的重要途徑。
一、車聯網的組成
根據車聯網產業技術創新聯盟的定義，車聯網是以車內網、車際網和車云網組成，進行無線電通信和信息交互的大系統網絡。如圖1所示，通過三網融合，實現V2X之間通信的無縫連接，提高通信效率，減少通信盲區。
圖1 車內網、車際網、車云網三網融合
1、車內網絡
車內網絡是基于CAN、LIN、FlexRay、MOST、以太網等總線技術建立的標準化整車網絡，實現車內各電器、電子單元間的狀態信息和控制信號在車內網上的傳輸，使車輛具有狀態感知、故障診斷和智能控制等功能。
圖2 車載網絡總線結構
如圖2所示車載網絡以高速以太網作為骨干，將動力總成、底盤控制、車身控制、娛樂、ADAS(先進駕駛輔助系統)共5個核心域連接在一起，各個域控制器在實現專用的控制功能的同時，還提供強大的網關功能。
圖3所示奔馳222型號轎車網絡總線拓撲圖。
圖3 奔馳222型號轎車車載網絡總線拓撲圖
CAN A。車載智能信息系統 (CAN)；CAN C. 發動機控制器區域網絡 (CAN)；CAN C1. 傳動系統控制器區域網絡 (CAN)；CAN D. 診斷控制器區域網絡(CAN)；CAN HMI. 用戶界面控制器區域網絡 (CAN)；CAN I. 傳動系傳感器控制器區域網絡 (CAN)；CAN L. 混合動力控制器區域網絡 (CAN)；CAN PER. 外圍設備控制器區域網絡 (CAN)；Ethernet. 以太網；Flex E. 底盤 FlexRay；LIN E2. 座椅承載識別區域互聯網 (LIN)；LIN G1. 左側大燈局域互聯網 (LIN)；G2. 右側大燈局域互聯網 (LIN)；MOST. 多媒體傳輸系統。
2、車際網絡
車際網絡 ( 也稱車載自組織網絡VehicularAdhoc Networks VANET)是指在交通環境中，以車輛、路側單元以及行人為節點而構成的開放式移動自組織網絡。它通過結合全球定位系統及無線通信技術，如無線局域網、蜂窩網絡等，建立無線多跳連接，為處于高速移動狀態的車輛提供高速率的數據接入服務，以實現V2X之間的信息交互，如圖4所示。
圖4 車載自組織網絡結構
車載自組織網絡是智能交通系統未來發展的通信基礎，也是智能網聯汽車安全行駛的保障。
2.1 專用短程通信(DSRC)
DSRC是基于美國電氣電子工程師協會(IEEE)，在IEEE802.11 的Wi-Fi技術基礎上改進制定的IEEE802.11p標準和IEEE1609標準的V2V和V2I通信協議，是比較成熟、高效的無線通信系統技術，它是智能交通系統的重要基礎之一，目前已被歐洲、日本等國汽車制造企業采用并完善。我國在高速公不停車收費設備(ETC)也采用該項技術。
DSRC通信在5.9GHz附近的頻段上，專門將車與車、車與道路基礎設施有機連接，實現在數百米的范圍內對高速行駛的車輛進行識別和雙向通信，提供實時圖像、語音和數據信息傳輸，保證通信鏈路的低時延和低干擾以及系統的可靠性。例如DSRC在有效通信距離范圍內，本車輛通過DSRC以10Hz的頻率，向路上其他車輛發送位置、車速、方向等信息；同時本車輛還能收到其他車輛所發出的信號，在必要時(例如馬路轉角有車輛駛出，或前方車輛突然緊急剎車，變換車道的情況發生)車內信號裝置會以閃爍、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通信的應用
DSRC系統結構主要由三部分組成，如圖6所示。
圖6 專用短程通信(DSRC)系統結構組成
分別是車載單元(on Board unit，OBU)、路側單元(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，它通過專用的通信鏈路依照通信協議的規定與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網設備，與云端智能交通(ITS)平臺進行數據交互。
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的通信應用為下行鏈路，主要實現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RSU讀取OBU的信息，完成車輛狀態的自主識別功能。因此在DSRC的架構中需要部署大量的RSU才能較好地滿足業務需要，建設投資較大。
2.2 C-V2X 通信
C-V2X通信是基于3G/4G/5G等蜂窩網通信技術演進形成的車用無線通信技術，包含基于4G網絡的LTE-V2X系統以及未來5G資源的5G-V2X系統，借助已存在的LTE網絡設施來實現V2V、V2I、V2P、V2N的信息交互，適應于更復雜的安全應用場景，滿足低時延高可靠性和帶寬要求。
①LTE-V2X技術
LTE—V (Long Term Evolution—Vehicle，長期演進，V2X)是我國具有自主知識產權的V2X技術，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)系統解決方案，屬于LTE后續演進生態系統的重要應用分支。
②LTE-V2X協議架構與組成
LTE-V2X標準協議架構由三部分組成，包括物理層、數據鏈路層、應用層。物理層是LTE-V2X系統的底層協議，主要提供幀傳輸控制服務和信道的激活、失效服務，定時收發及同步功能。
數據鏈路層負責信息的可靠傳輸，提供差錯和流量控制，對上層提供無差錯的鏈路鏈接。應用層基于數據鏈路層提供的服務，實現通信初始化和釋放程序、廣播服務、遠程應用等相關操作。
LTE-V2X系統設備組成包含了UE(User Equipment，用戶終端)、RSU(Road Side Uni，路側單元)、和基站三部分，具體組成如圖7所示。
圖7 LTE—V2X通信系統的組成
UE包含了車載設備、個人用戶便攜設備等。RSU處于基站和UE之間，承擔著V2I的數據通信任務。基站是承擔了LTE-V2X系統的無線接入控制功能的設備，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信號則通過衛星地面站與基站進行通信。
③LTE-V2X主要技術指標分析
V2X技術影響用戶體驗的主要系統指標有延時時間、可靠性、數據速率、通信覆蓋范圍移動性、用戶密度、安全性等。其相關指標有安全類時延≤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)兩種技術方案。分別對應LTE-Uu(UTRAN-UE，接入網-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)技術是基于現有蜂窩技術的擴展，主要承載傳統的車聯網遠程業務，滿足終端與V2X應用服務器間大數據量傳輸要求，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務，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絡設備(基站或路邊設施)即可工作的優點。上述通信方式的多樣性，不僅減少了網絡節點，降低了系統的復雜程度，而且還提高了系統通信的低時延性和高可靠性，也降低了網絡部署和維護成本。
⑤LTE-V2X安全認證技術
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系統需要提供安全機制來保障使用者的信息安全，預防非法及偽裝終端設備進入網絡。對車輛間的高速認證和安全數據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。目前在傳統聯網系統中經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單元獲得與遠端ITS(智能交通系統)服務器的IP地址接入；圖(b)中，車輛通過不同的基站或路側單元，進而通過云平臺，獲得分發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的低時延安全業務信息；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務，此時可以通過基站或路側設備的轉發，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所示是LTE-V2X技術在智能網聯汽車上的應用框圖。
圖11 LTE—V2X通信技術在智能網聯汽車上的應用框圖
⑦5G-V2X技術
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還將滿足網絡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，實現車載移動通信網絡的可持續發展。基于5G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需求。5-V2X業務場景具體包括：
車輛編隊：車輛編隊使車輛形成動態編隊一起行駛。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)、更協調的方式同向行駛。
傳感器擴展：擴展傳感器使車輛之間、車與路側單元之間、車與行人之間以及車與V2X服務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境感知能力，更全面了解周邊環境。
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據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調其行駛軌跡。
駕駛：遠程駕駛使遠程司機或車聯網應用服務器遙控車輛的行駛，適應于車主不能自己駕車或遠程車輛處于危險環境中等特殊場景。高可靠性和低延遲通信是遠程駕駛的主要要求。5GV2X業務場景對通信的需求，具體如下表1所示。
⑧C-V2X與DSRC(IEEE802.11p)的比較
作為車聯網的V2X無線通信技術，雖然DSRC(IEEE802.11p)有先發優勢，但是C-V2X以蜂窩技術作為基礎，通過增強的接入層，應對當前和未來智能交通系統的應用。尤其C-V2X的多種通信模式，可以利用現有的蜂窩網絡基礎設施提供大容量的數據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，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距離/時間(即汽車感知到前方危險后司機擁有的反應距離/時間)。如圖12所示結果顯示，相比于DSRC，LTE-V2X技術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時間。
圖12 C-V2X和DSRC(IEEE802.11p)傳輸距離比較
圖中例子是汽車以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絡覆蓋區域外的直通需求。從產業化進程而言，C-V2X正在逐步縮小與DSRC(IEEE802.11p)之間的差距。尤其在網絡建設和維護方面，盡管DSRC可利用現有的Wi-Fi基礎進行產業布局，由于Wi-Fi接入點未達到蜂窩網絡的廣覆蓋和高業務質量，不僅DSRC的新建路側單元需要大量投資進行部署，而且DSRCV2X通信安全相關設備、安全機制維護需要新投入資金。而C-V2X可以利用現有LTE商用網絡中的基站等安全設備進行升級擴展，支持安全證書的更新以及路側單元的日常維護。
另外，目前國內在DSRC系列技術和產業方面缺乏核心知識產權和產業基礎。而基于我國自主研發的4GTD-LTE移動通信技術標準，C-V2X技術擁有核心自主知識產權，可以打破國外產業在V2X通信技術壟斷，減少在知識產權方面的限制。整個C-V2X預期發展的關鍵時間節點如圖13所示。
圖13 LTE—V2X發展預期
3、車云網
車云網也稱車載移動互聯網。它是以車為移動終端，通過遠距離無線通信(Telematics)技術構建的車與互聯網之間的網絡，實現車與服務信息在車載移動互聯網上傳輸，如圖14所示。車載移動互聯網是先通過短距離通信技術在車內建立無線個域網或無線局域網，再通過4G或5G技術與互聯網連接。
圖14車載移動互聯網結構組成
二、車聯網的應用
1、車聯網應用分類
便捷、安全和環保是車聯網應用的核心價值。車聯網通過對多樣化信息的融合，可以面向不同用戶開發個性化的應用，為出行者提供更加便捷的交通服務，為車輛駕駛員提供智能化的安全服務和控制，為交通管理部門提供節能環保的交通服務和控制。下表2列出了車聯網基本的應用內容。
下表3反映了車聯網在交通運輸、汽車、IT、金融保險等幾個領域的主要應用，可以看出，車聯網對提高行業效能，深耕服務品質，推動建立便捷、安全、環境友好型社會，有著重要意義。
2、豐田汽車車聯網
豐田汽車在TNGA(豐田全球新體系架構)生產的新一代凱美瑞、卡羅拉等車型上借助現代信息和通信技術，導入了TOYOTA Connect(豐田智行互聯)系統(即車載通信系統，簡稱車聯網)，實現車內、車與車、車與路、車與人、車與服務平臺的全方位網絡連接。
圖15 豐田車載通信系統組成示意圖
如圖15所示是豐田車載通信系統組成示意圖。通過車載通信系統，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；同時通過車聯網技術，實現車況確認、遠程控制、提供“快捷、便利”的服務。在CR(客戶服務)活動支援方面，根據車輛使用狀況向客戶提供最合適的商品，確保車輛入廠保養與維修；故障發生時及時主動給客戶提供遠程診斷幫助。
TOYOTA Connect車聯網服務項目和目的，如圖16所示。
圖16 豐田智行互聯系統服務項目
圖17所示為是車載通信系統電路圖。豐田車載通信零件組成及功能說明如下表4。
圖17 豐田車載通信系統電路圖
豐田車載通信零件組成及功能說明如表4。
車聯網技術是車輛信息化的核心內容，是互聯網、車際網V2X和車內網技術一體化發展的必然結果。今后，隨著5G技術在V2X的運用，V2X通信技術能夠實現更加安全、高效、便捷的駕駛體驗，同時也是未來高度自動駕駛的基礎支撐,是汽車產業融入萬物互聯時代的重要途徑。相信車輛全面智能化、網聯化已為時不遠了。
來源：互聯網
