智能網(wǎng)聯(lián)汽車通信系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

崔 岳，黃 華，張明星

（北京千方科技股份有限公司，北京 100085）

1 引言

1.1 研究背景及意義

隨著全球汽車產(chǎn)量、保有量的不斷增長，能源、環(huán)境、安全以及交通擁堵所帶來的問題日益凸顯[1]。在這一大背景下，通信、交通、汽車三大產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展，智能化、信息化、低碳化也成為汽車行業(yè)公認的發(fā)展方向，智能網(wǎng)聯(lián)汽車既是三大產(chǎn)業(yè)的融合產(chǎn)物，也是汽車產(chǎn)業(yè)自身“三化”發(fā)展的重要產(chǎn)品。汽車是交通的一部分，對于智能汽車與智慧交通的技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，美、日、歐都已先行一步，紛紛將智能網(wǎng)聯(lián)汽車與協(xié)作式交通系統(tǒng)的發(fā)展提升至國家戰(zhàn)略高度。在我國，工信部等部委也在積極行動，正在制定智能網(wǎng)聯(lián)汽車與智慧交通的技術(shù)路線圖與產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略。

智能網(wǎng)聯(lián)汽車即是指搭載了先進的車載傳感器、控制器、執(zhí)行器等裝置，并融合現(xiàn)代通信與網(wǎng)絡技術(shù)的新一代汽車，其可實現(xiàn)車與人、車、路、云等智能信息交換、共享，具備復雜環(huán)境感知、智能決策、協(xié)同控制等功能。V2X（Veh icle-To-Everything）通信技術(shù)是智能網(wǎng)聯(lián)汽車中的關(guān)鍵通信技術(shù)，其能夠?qū)崿F(xiàn)信息共享并且保障協(xié)同控制[2]，自2014年起，V2X技術(shù)就成為智能交通領(lǐng)域研究的熱點。

1.2 V2X技術(shù)研究現(xiàn)狀

V2X主要有4個方面，分別是V2V（Vehicle-To-Vehicle，車-車）、V2I（Vehicle-To-Infrastructure，車 -基礎(chǔ)設(shè)施）、V2N（Vehicle-To-Network，車 -互聯(lián)網(wǎng)）、V2P（Vehicle-To-Pedestrian，車 -行人）。V2X技術(shù)是通過車載通信設(shè)備與車、人、基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸來實現(xiàn)，其可以收集周圍的實時信息到終端，為智能網(wǎng)聯(lián)汽車提供決策依據(jù)。在目前的V2X領(lǐng)域的研究中，主要有兩種技術(shù)，分別是專用短程通信技術(shù)標準（DSRC）與基于4G/5G蜂窩網(wǎng)絡的LTE-V技術(shù)。

1.2.1 DSRC技術(shù)研究現(xiàn)狀

DSRC技術(shù)的起源可追溯至20世紀90年代，它基于802.11p協(xié)議及其延伸和擴展，其應用場景可以分為安全相關(guān)的應用場景和非安全相關(guān)的應用場景[3]。DSRC技術(shù)能夠在汽車高速移動的情況下快速識別車輛，并且能夠為車與車、車與基礎(chǔ)設(shè)施提供數(shù)據(jù)流快速交互的功能，該技術(shù)有著傳輸時延短，傳輸速率高的優(yōu)點。DSRC技術(shù)是美國V2X通信技術(shù)研究的主要領(lǐng)域，美國通過SafetyPilot、MCity等項目驗證了DSRC技術(shù)的有效性，并且于2016年12月頒布了V2V通信的NPRM（Notices of Proposed Rules Making），其為V2V通信技術(shù)的發(fā)展給出了建議[4]。

DSRC技術(shù)也存在著缺點，由于使用的是基于CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）的接入技術(shù)[5]，當在局部用戶太多的情況下，由于車輛之間的信道接入競爭，會導致系統(tǒng)性能急劇下降，這就會導致不可接受的傳輸時延和可靠性。DSRC的商用情景應用也存在著困難，主要原因在于道路覆蓋成本高，并且在車輛離開道路后難以繼續(xù)取得服務。

1.2.2 LTE-V技術(shù)研究現(xiàn)狀

LTE-V（Long Term Evolution-Vehicle）是基于4G LTE系統(tǒng)在汽車通信領(lǐng)域的一種演進技術(shù)，該技術(shù)作為一種基于TD-LTE技術(shù)的車際解決方案。目前LTE-V主要有兩種工作模式，分別是LTEV-Direct和LTE-V-Cell[6]。LTE-V-Direct模式采取車際直接通信，能夠滿足高可靠性、低時延、車輛高速運動等車際通信的要求；LTE-V-Cell模式是以蜂窩網(wǎng)絡基站作為信息交換中心的集中式工作模式，通過基站來進行控制協(xié)調(diào)，這種模式可以滿足高可靠性和連續(xù)性等通信需求。在實際的應用場景中，LTE-VDirect技術(shù)實現(xiàn)車際通信交流，在車輛避碰的領(lǐng)域中卓有成效，LTE-V-Cell技術(shù)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速、連續(xù)傳輸。LTE-V有著支持車速高、數(shù)據(jù)傳輸速率高、時延低且傳輸范圍廣的優(yōu)點，而且LTE-V相相對于DSRC技術(shù)部署成本更低，并且LTE-V目前可共用4G網(wǎng)絡的基站，在未來可以平滑過渡至5G[7]。

2 智能網(wǎng)聯(lián)汽車通信系統(tǒng)設(shè)計

2.1 基于DSRC的車聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)設(shè)計

為了滿足車路協(xié)同系統(tǒng)對低延遲、高可靠通信網(wǎng)絡的需求，設(shè)計通信協(xié)議框架如圖1所示，其中，物理層/MAC層選擇802.11p協(xié)議，組網(wǎng)技術(shù)選擇Ad-hoc方式，傳輸層選擇基于Non-IP的傳輸層協(xié)議，由此構(gòu)成的車路通信系統(tǒng)可以有效地降低通信延遲，保障高速移動、網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)頻繁變化的車輛網(wǎng)絡質(zhì)量，為V2X系統(tǒng)提供可靠、穩(wěn)定、高效的通信服務。在實現(xiàn)V2X通信協(xié)議設(shè)計后，進行相關(guān)協(xié)議的嵌入式開發(fā)，完成車載單元OBU、路側(cè)單元RSU等硬件終端設(shè)備及其性能測試驗證系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)。

圖1 車路協(xié)同DSRC通訊模塊體系框架

2.2 基于4G/5G的LTE-V車聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)

目前的無線通信系統(tǒng)，已經(jīng)可以支持大部分的交通效率和其他商業(yè)類應用。作為車聯(lián)網(wǎng)中的重要場景，自動駕駛特別涉及到駕乘者的生命安全和車輛安全等問題，因此對于無線通信系統(tǒng)提出了更高的性能需求。要滿足這些性能需求，需要對現(xiàn)有通信系統(tǒng)進行改進和優(yōu)化，主要需要解決如下關(guān)鍵問題：

（1）低時延高可靠問題。在車聯(lián)網(wǎng)中，不同類型的應用對時延的需求不同。車輛碰撞的風險越高，對時延的要求越苛刻。大多數(shù)安全系統(tǒng)的性能依賴于人和設(shè)備的反應時間，如果消息到達后人和設(shè)備來不及反應，主動安全的性能將無法保障。安全系統(tǒng)對于反應時間有嚴格要求，一般為毫秒級別。自動駕駛則更進一步，要求系統(tǒng)在不依賴于人的操控下，車輛本身可以正常行駛并避免碰撞，因此在自動駕駛的碰撞避免類應用中，車輛之間和車輛與基礎(chǔ)設(shè)施之間的消息分發(fā)也必須滿足低延時特性。

（2）高移動性。在車聯(lián)網(wǎng)場景中，要求支持高速行駛的場景，相對車速可能達到300km/h。同時，由于可能采用5～6GHz頻段支持車載業(yè)務，因此要求系統(tǒng)支持更大的多普勒頻率。為了滿足高移動性的要求，可以考慮重新設(shè)計導頻分配、接收機處理等方案，以減輕多普勒頻移對系統(tǒng)接收性能的影響。

（3）高傳輸速率、高容量。車聯(lián)網(wǎng)車-云協(xié)同概念中的“超視距感知”和“移動云計算”能力，要求隨著車輛的移動，可以實時下載高精度3D地圖，車輛根據(jù)規(guī)劃路線和實時地圖不斷修正自身的軌跡。同時，在自動駕駛中，可能會要求以視頻的形式使得駕駛者可以實時感知周圍不斷變化的場景（車輛、人、路面情況等），這些需求對于系統(tǒng)傳輸速率提出了更高的要求。部署的網(wǎng)絡應該具有足夠好的覆蓋和實時帶寬。

在交通事故或交通擁堵情況下，可能會出現(xiàn)大量車載終端同時并發(fā)消息傳輸，造成“消息風暴”，導致無線通信性能嚴重退化。因此要求系統(tǒng)具有非常高的容量。

可以考慮通過Massive MIMO提升系統(tǒng)傳輸速率和容量。同時，在高負載情況下，應考慮靈活有效的過載控制機制，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)健性。

（4）靈活的網(wǎng)絡架構(gòu)。隨著晝夜、特殊時段車輛密度的變化，車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的總通信帶寬、所需的空口資源、系統(tǒng)處理容量會隨之不斷變化，為達到節(jié)省資源、節(jié)能減排的目的，車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需要支持空口、硬件資源的彈性調(diào)配。

同時，車聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)可能基于5G的蜂窩系統(tǒng)頻段，或者使用新的專用頻段，需要網(wǎng)絡架構(gòu)可以支持多頻段的配置和使用。

另外，目前已有的DSRC、Wi-Fi、3G/4G蜂窩網(wǎng)絡都可以支持部分車聯(lián)網(wǎng)應用。在LTE-V車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，也需要考慮如何與已有的各種網(wǎng)絡進行協(xié)作，共同支持自動駕駛的各類業(yè)務。

基于LTE的車聯(lián)網(wǎng)既需要滿足超高帶寬，超高速度移動以及互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務發(fā)展的需要，又需要面對層出不窮、變化多樣的物聯(lián)網(wǎng)應用需求。車聯(lián)網(wǎng)中多樣化的應用場景和業(yè)務需求對網(wǎng)絡架構(gòu)設(shè)計提出很高的的設(shè)計要求。

圖2為支持車聯(lián)網(wǎng)應用的網(wǎng)絡架構(gòu)。其中OBU為車載單元，RSU為路邊單元。OBU之間的通信為V2V通信；OBU與RSU、OBU與E-UTRAN間的通信為V2I通信。

圖2 車聯(lián)網(wǎng)通訊網(wǎng)絡架構(gòu)圖

以下分核心網(wǎng)和接入網(wǎng)兩部分進行方案的說明。

2.2.1 核心網(wǎng)

為滿足車聯(lián)網(wǎng)的需求，網(wǎng)絡需要具備如下橫向分層、縱向分域的架構(gòu)，網(wǎng)絡橫向包括虛擬資源、虛擬組件、運營管理三個層，縱向包括業(yè)務網(wǎng)絡域和管理編排域。通訊網(wǎng)絡核心網(wǎng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 通訊網(wǎng)絡核心網(wǎng)架構(gòu)

虛擬組件層完成網(wǎng)絡連接和移動性管理等功能，類似于傳統(tǒng)的網(wǎng)元功能。虛擬組件層實現(xiàn)的基礎(chǔ)不再是專用的硬件設(shè)備，而是基于網(wǎng)絡功能虛擬化（NFV）技術(shù)的軟硬件解耦后的虛擬資源層。虛擬資源層為虛擬組件提供物理計算/存儲/交換資源等基礎(chǔ)設(shè)施，可分布于多個地理分散的數(shù)據(jù)中心。運營管理層完成網(wǎng)絡的運營，包括用戶/業(yè)務簽約、計費管理，網(wǎng)絡策略的調(diào)整，網(wǎng)絡能力的開放等。網(wǎng)絡縱向包括業(yè)務域和管理編排域。業(yè)務域可以是一套公用的網(wǎng)絡組件層，也可以是實現(xiàn)不同業(yè)務的專用網(wǎng)絡切片，如車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務網(wǎng)絡。管理編排域MANO，負責對整個業(yè)務域組件的管理和編排，包括虛擬組件的分配和調(diào)度，性能的檢測和彈性伸縮等。

車聯(lián)網(wǎng)虛擬組件層支持M-MIMO、D2D、多站點協(xié)同等創(chuàng)新的無線技術(shù)，以實現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)需求?？煽紤]在以下方向進行設(shè)計和優(yōu)化：

（1）NFV/MANO。基于業(yè)務場景需求對所需的網(wǎng)絡功能進行靈活的剪裁和組網(wǎng)，對網(wǎng)絡資源進行動態(tài)分配和調(diào)整，并可隔離不同業(yè)務場景所需的網(wǎng)絡資源，滿足未來應用場景下第三方對網(wǎng)絡的需求，極大提高用戶體驗；網(wǎng)絡自動編排包括網(wǎng)元功能的按需編排，以及業(yè)務的按需路由。采用MANO技術(shù)，通過網(wǎng)絡功能、業(yè)務功能的按需創(chuàng)建，實現(xiàn)網(wǎng)絡的自動編排（network/service orchestrator）。

（2）控制與轉(zhuǎn)發(fā)組件分離。車聯(lián)網(wǎng)的虛擬組件實現(xiàn)控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離后，控制面組件負責車聯(lián)網(wǎng)終端的鑒權(quán)、授權(quán)，高速移動和連接管理，轉(zhuǎn)發(fā)面組件負責報文的快速轉(zhuǎn)發(fā)。兩者可以分開部署，如控制面可以相對集中，覆蓋大范圍地理區(qū)域，支持終端高速移動；轉(zhuǎn)發(fā)面可以和內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡（CDN）服務器一起分布式下沉，靠近實現(xiàn)快速分流，以解決高帶寬，大吞吐量的傳輸代價和網(wǎng)絡時延問題。

（3）授權(quán)及驗證機制。支持V2V車輛的授權(quán)及認證機制?；赩2V使用設(shè)備（UE）的訂閱信息，研究NAS層及AS層的鑒權(quán)控制機制；支持跨運營商，跨PLMN的Vehicle之間的授權(quán)，認證，以支持不同Vehicle之間的V2X通信。2.2.2 接入網(wǎng)

（1）考慮引入RSU（Road Side Unit）以實現(xiàn)V2I通信。研究UE作為RSU以及eNB（Evolved Node B）作為RSU對網(wǎng)絡架構(gòu)的影響。如圖4和5所示，當UE充當RSU時盡可能復用現(xiàn)有3GPP系統(tǒng)D2D通信的設(shè)計，并對其進行時延，可靠性以及高速移動的優(yōu)化。

考慮現(xiàn)有網(wǎng)元ProSe Funct ion的改進，實現(xiàn)V2V Function，用于支持基于D2D的功能，以支持基于PC5接口的V2V業(yè)務。研究RSU的具體實現(xiàn)方式對物理層設(shè)計的影響，包括UE形態(tài)RSU，small cell形態(tài)RSU及eNB形態(tài)RSU。

圖4 有覆蓋場景下UE充當RSU以及eNB充當RSU的架構(gòu)圖

圖5 無覆蓋場景下UE充當RSU的架構(gòu)

（2）引入MEC（mobile edge computer）網(wǎng)元。該技術(shù)類似于LIPA，可以實現(xiàn)低時延的eNB轉(zhuǎn)發(fā)。MEC網(wǎng)元相當于與下沉的核心網(wǎng)。簡單地說，引入MEC，可以支持低時延的網(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fā)，用于實現(xiàn)RAN全會立項SID中，所要求的基于通用用戶接口（Uu）接口的V2V業(yè)務。

（3）RSU識別及選擇機制。如果V2V UE監(jiān)聽到多個RSU，則需要設(shè)計RSU選擇及重選機制，使得V2V UE可以接入到最合適的RSU。

（4）考慮節(jié)電機制，設(shè)計綠色環(huán)保的RSU以及vehicle。如只有當vehicle UE發(fā)現(xiàn)周圍有RSU UE的存在，且該RSU支持vehicle UE感興趣的APP type，則vehicle UE開始監(jiān)聽RSU發(fā)送數(shù)據(jù)的D2D通信資源池，否則vehicle UE不需要發(fā)送V2I消息。此外還可以根據(jù)附近是否有Vehicle UE的檢測判斷何時開啟以及關(guān)閉RSU功能，以及基于地理位置信息開啟vehicle UE的V2I消息發(fā)送以及監(jiān)聽功能。

根據(jù)項目研發(fā)的需要，支持V2V/V2I通信的車聯(lián)網(wǎng)設(shè)備組網(wǎng)技術(shù)還需進行仿真驗證，包括宏微小區(qū)模型仿真、分布式無線通信模型仿真、室內(nèi)環(huán)境密集組網(wǎng)無線信道模型仿真及室內(nèi)MIMO信道傳播特性仿真等，需要完成計算機分布式仿真集群實驗系統(tǒng)的搭建，如圖6所示：

圖6 分布式仿真集群

3 V2X車載終端與路側(cè)終端設(shè)備研制

3.1 設(shè)備硬件設(shè)計

車載終端與路側(cè)終端設(shè)備采用成熟的工業(yè)級硬件架構(gòu)，選擇基于精簡指令集RICS的ARM微處理器的平臺架構(gòu)，集成CAN總線接口，接入GPS/北斗定位、DSRC與LTE-V通信模塊、TCP/IP模塊等。硬件架構(gòu)圖如圖7所示：

圖7 硬件系統(tǒng)框架圖

具體的功能模塊包括如下幾個部分：

（1）CAN總線數(shù)據(jù)采集模塊。采用OBD接口與車輛內(nèi)部CAN網(wǎng)絡進行連接。此模塊可以周期或事件性的獲取車輛的總線數(shù)據(jù)，并且傳遞給主處理模塊進行解析處理和分析出有效信息，包括車輛的狀態(tài)或者故障信息等。這些數(shù)據(jù)會作為主動安全預警應用中本車數(shù)據(jù)的一部分信息來源。

（2）GNSS定位模塊。包括普通導航級定位模塊和高精度定位模塊，其中高精度定位模塊支持D-GPS技術(shù)，可以將車輛的定位精度精確到1m以內(nèi)，實現(xiàn)車道級的定位。此模塊定位的結(jié)果數(shù)據(jù)包括但不限于經(jīng)度、經(jīng)度精度、緯度、緯度精度、海拔、海拔精度、航向、航向精度等，這部分的信息會作為主動安全預警應用中本車數(shù)據(jù)的另外一部分信息來源。

（3）短程通信模塊。支持通信標準的射頻收發(fā)芯片和基帶處理芯片，輔以相應的外圍電路。本車可以從空中接口中接收報文，該報文中攜帶周圍的車輛的位置信息、速度信息、加速度信息、車輛故障狀態(tài)等，或者攜帶路側(cè)設(shè)備信息的紅綠燈狀態(tài)和剩余時間信息、限速標志、限高標志等，這些信息經(jīng)過協(xié)議棧的解析和處理，在主動安全預警算法中作為周圍環(huán)境信息的主要來源。

（4）主處理模塊。采用ARM的微處理器芯片，具有信息的處理、危險情況的判斷、預警等級的決策等功能。此模塊綜合考慮本車CAN數(shù)據(jù)、本車GNSS數(shù)據(jù)、DSRC獲取來的周圍車輛信息以及路側(cè)設(shè)備信息，判斷現(xiàn)在車輛是否具有駕駛的危險，然后根據(jù)危險的嚴重程度，通過預警模塊進行聲音和圖像預警等。

（5）預警模塊。包括聲音和圖像預警兩部分。包括移動預警模塊和產(chǎn)品內(nèi)嵌預警模塊兩種。其中移動預警模塊包括手機、Pad等設(shè)備搭載的App程序，通過Wi-Fi與主處理模塊進行通信，用于接收從主處理模塊發(fā)送來的預警信息，并經(jīng)過解析，最終以合理的HMI進行圖像預警和聲音提醒。

（6）人機交互。在軟硬件基礎(chǔ)架構(gòu)的平臺上完成已經(jīng)實現(xiàn)的各種應用程序和統(tǒng)一的人機交互界面設(shè)計。

（7）遠程通信模塊。采用4G模塊作為和云端服務器的通信接口，可以滿足云端和車輛的遠程通信功能。

3.2 嵌入式軟件設(shè)計

嵌入式操作系統(tǒng)采用Linux+Android的技術(shù)路線，內(nèi)核驅(qū)動采用C/匯編實現(xiàn)，底層協(xié)議棧和應用層軟件，用Linux C++實現(xiàn)，人機交互界面采用Android實現(xiàn)。用C++編寫底層軟件，可以保證系統(tǒng)的運行效率，用Android開發(fā)上層軟件，可以利用豐富的外設(shè)驅(qū)動庫與GUI開發(fā)庫，便捷人機交互界面的實現(xiàn)，增加產(chǎn)品的表現(xiàn)力。嵌入式軟件的技術(shù)架構(gòu)圖8所示：

圖8 嵌入式軟件技術(shù)架構(gòu)

針對系統(tǒng)內(nèi)核的驅(qū)動需要用C++/匯編語言編寫，通訊協(xié)議棧和網(wǎng)絡應用層用C++語言編寫，應用軟件采用Android實現(xiàn)。

4 結(jié)束語

智能網(wǎng)聯(lián)汽車是智能交通系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其通信系統(tǒng)是實現(xiàn)車與X（車、人、路、云）智能信息交換的關(guān)鍵。本文根據(jù)智能網(wǎng)聯(lián)汽車通信的應用需求，設(shè)計并實現(xiàn)了基于V2X的智能網(wǎng)聯(lián)汽車通信系統(tǒng)，本系統(tǒng)將DSRC和LTE-V技術(shù)相結(jié)合，在V2X技術(shù)的應用上更進一步，加快了智慧交通關(guān)鍵技術(shù)與產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化。