車聯(lián)網(wǎng)V2X通信技術(shù)及應(yīng)用介紹(上)

◆文/江蘇 高惠民

一、概述

智能網(wǎng)聯(lián)汽車是《中國(guó)制造2025》規(guī)劃中提出的新概念，是智能汽車與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的產(chǎn)物。近年來(lái)，隨著我國(guó)汽車保有量的不斷增加，帶來(lái)了能源短缺、環(huán)境污染、交通擁堵和事故頻發(fā)等社會(huì)問(wèn)題。智能網(wǎng)聯(lián)汽車是解決這些社會(huì)問(wèn)題的有效方案。在《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》中明確了智能網(wǎng)聯(lián)汽車的定義：“智能網(wǎng)聯(lián)汽車是指搭載先進(jìn)的車載傳感器、控制器、執(zhí)行器等裝置，并融合現(xiàn)代通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車與X(X指人、車、路、云等)智能信息交換、共享，具備復(fù)雜環(huán)境感知、智能決策、協(xié)同控制等功能，可實(shí)現(xiàn)安全、節(jié)能、高效、舒適行駛，并最終可實(shí)現(xiàn)替代人來(lái)操作的新一代汽車”。從該定義可以看出智能網(wǎng)聯(lián)汽車集中運(yùn)用了汽車工程、人工智能、計(jì)算機(jī)、微電子、自動(dòng)控制、通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等專業(yè)知識(shí)，是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、控制執(zhí)行、信息交互為一體的高新技術(shù)綜合體。而車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是構(gòu)成智能網(wǎng)聯(lián)汽車重要核心技術(shù)的基礎(chǔ)。(如圖1所示，智能網(wǎng)聯(lián)汽車相關(guān)概念之間的關(guān)系)。因此，目前國(guó)內(nèi)外各大汽車企業(yè)聯(lián)合互聯(lián)網(wǎng)通信企業(yè)都在積極進(jìn)行車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究，主要涉及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議、終端等系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)，逐步推動(dòng)車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在實(shí)車上的應(yīng)用與量產(chǎn)落地。

二、車聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)與體系參考模型

如圖2所示，車聯(lián)網(wǎng)包括5個(gè)組成部分：“人、車、路、V2X和云”。其中“人”是道路環(huán)境的參與者和車聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的使用者；“車”是車聯(lián)網(wǎng)的核心，主要涉及車聯(lián)網(wǎng)、智能決策系統(tǒng)和車輛控制系統(tǒng)；“V2X”是信息交互的載體，負(fù)責(zé)打通車內(nèi)、車間、車路、車人和車云信息流， “云”是實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)云端服務(wù)能力的業(yè)務(wù)載體和數(shù)據(jù)載體。上述5部分構(gòu)成了車聯(lián)網(wǎng)“云、管、端”體系新架構(gòu)，如圖3所示。它展示車輛面向未來(lái)自動(dòng)駕駛的端到端綜合解決方案。

圖2 車聯(lián)網(wǎng)V2X組成

V2X是Vehicle to Everything的簡(jiǎn)稱，就是車輛和一切萬(wàn)物連接的全稱，包括V2V：Vehicle to Vehicle ，實(shí)現(xiàn)車與車之間的信息通信，能夠使車輛獲知附近其他車輛的行駛狀態(tài)，避免碰撞的發(fā)生； V2I：Vehicle to Infrastructure ，實(shí)現(xiàn)車和道路交通基礎(chǔ)設(shè)施之間的通信，例如交通信號(hào)燈狀態(tài)、交通信息牌內(nèi)容以及通過(guò)實(shí)時(shí)信息了解路況等相關(guān)信息，減少交通事故的發(fā)生；V2P：Vehicle to Pedestrian ，實(shí)現(xiàn)車與行人或非機(jī)動(dòng)車之間的信息傳遞，提供安全警告； V2N ：Vehicle to Network ，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將車輛連接到應(yīng)用平臺(tái)或云端，使用應(yīng)用平臺(tái)或云端上的服務(wù)功能，汽車成為互聯(lián)網(wǎng)重要終端。

圖3 車聯(lián)網(wǎng)端、管、云體系新架構(gòu)

車聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)在交通這個(gè)特殊行業(yè)的典型應(yīng)用。在車聯(lián)網(wǎng)體系參考模型中主要包括三層：數(shù)據(jù)感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和應(yīng)用層。

1.數(shù)據(jù)感知層

數(shù)據(jù)感知層承擔(dān)車輛與道路交通信息的全面感知和采集，是車聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)末梢，通過(guò)傳感器、RFID(射頻)、車輛定位等技術(shù)，實(shí)時(shí)感知車況及控制系統(tǒng)、道路環(huán)境、車輛當(dāng)前位置、周圍車輛等信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛自身屬性以及車輛外在環(huán)境，如道路、人、車等靜、動(dòng)態(tài)屬性的提取，為車聯(lián)網(wǎng)全面、原始的終端信息服務(wù)。數(shù)據(jù)感知層的數(shù)據(jù)來(lái)源包括多個(gè)部分，一是車輛自身的感知，例如速度、加速度、位置、橫擺角加速度等，主要通過(guò)車內(nèi)總線、GPS和其他感知設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)；二是對(duì)周圍車輛行駛狀態(tài)的感知，比如周圍車輛的位置、方位、速度、航向角，這就需要車間通信，以及道路環(huán)境的感知，比如交通信號(hào)狀態(tài)、道路擁堵狀態(tài)、車道駕駛方向、這就需要車路通信，每輛車和路邊設(shè)施單元需要把自己感知到的信息分發(fā)出去；三是通過(guò)后臺(tái)或第三方應(yīng)用交互來(lái)獲取更多的數(shù)據(jù)，比如天氣數(shù)據(jù)等。

2.網(wǎng)絡(luò)傳輸層

為了車與車、車與路、車與人、車與云(車與后臺(tái)中心)之間實(shí)現(xiàn)信息共享，這就需要考慮通信協(xié)議的制定。網(wǎng)絡(luò)層通過(guò)制定滿足業(yè)務(wù)傳輸需求的能夠適應(yīng)通信環(huán)境特征的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和協(xié)議模型，在一種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下整合不同實(shí)體所感知到的數(shù)據(jù)，通過(guò)向應(yīng)用層屏蔽通信網(wǎng)絡(luò)類型，為應(yīng)用程序提供透明的信息傳輸服務(wù)。通過(guò)云計(jì)算、虛擬化等技術(shù)的綜合應(yīng)用，充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源，為上層應(yīng)用提供強(qiáng)大的通信支撐和信息支撐服務(wù)。

3.應(yīng)用層

車聯(lián)網(wǎng)的各項(xiàng)應(yīng)用必須在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)體系和協(xié)議基礎(chǔ)上，兼容未來(lái)可能的網(wǎng)絡(luò)拓展功能。應(yīng)用需求是推動(dòng)車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的原動(dòng)力，車聯(lián)網(wǎng)在實(shí)現(xiàn)智能交通管理、車輛安全控制、交通事件預(yù)警等功能的同時(shí)，還應(yīng)為車聯(lián)網(wǎng)用戶提供車輛信息查詢、信息訂閱、事件告知等各類服務(wù)功能。同時(shí)可以運(yùn)用云計(jì)算平臺(tái)，面向政府管理部門、整車廠商和信息服務(wù)運(yùn)營(yíng)企業(yè)以及個(gè)人用戶在內(nèi)的不同類型用戶，提供汽車綜合服務(wù)與管理功能，共享汽車與道路交通數(shù)據(jù)，從而支持新型的服務(wù)形態(tài)和商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式。

由于不同的業(yè)務(wù)需求和傳輸環(huán)境，整個(gè)車聯(lián)網(wǎng)采用不同的通信技術(shù)，一個(gè)實(shí)體往往具有多模式的接入能力，比如車載單元，既有Wi-Fi、DSRC(專用短程通信)、3G/4G蜂窩通信接入，還有衛(wèi)星通信，如圖4所示。

圖4 車聯(lián)網(wǎng)各個(gè)子系統(tǒng)間通信方式

具體到實(shí)體之間，如路側(cè)單元和后臺(tái)中心采用光纖通信子系統(tǒng)，行人、車輛與中心之間采用蜂窩接入子系統(tǒng)。由于交通安全需要及其嚴(yán)苛的通信時(shí)延和傳輸可靠性，因此需要車與車、車與路之間的實(shí)時(shí)通信，且不與其他的通信系統(tǒng)相互干擾，就必須制定專門用于車輛環(huán)境的通信標(biāo)準(zhǔn)以及開發(fā)相應(yīng)的通信技術(shù)。而現(xiàn)在常常所說(shuō)的車聯(lián)網(wǎng)(V2X)就是針對(duì)車車/車路通信這種俠義的車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)而言。

三、車聯(lián)網(wǎng)的組成

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(jìn)行無(wú)線電通信和信息交互的大系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。如圖5所示，通過(guò)三網(wǎng)融合，實(shí)現(xiàn)V2X之間通信的無(wú)縫連接，提高通信效率，減少通信盲區(qū)。

圖5 車內(nèi)網(wǎng)、車際網(wǎng)、車云網(wǎng)三網(wǎng)融合

1.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(biāo)準(zhǔn)化整車網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)車內(nèi)各電器、電子單元間的狀態(tài)信息和控制信號(hào)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。如圖6所示車載網(wǎng)絡(luò)以高速以太網(wǎng)作為骨干，將動(dòng)力總成、底盤控制、車身控制、娛樂、ADAS(先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng))共5個(gè)核心域連接在一起，各個(gè)域控制器在實(shí)現(xiàn)專用的控制功能的同時(shí)，還提供強(qiáng)大的網(wǎng)關(guān)功能。圖7所示奔馳222型號(hào)轎車網(wǎng)絡(luò)總線拓?fù)鋱D。

圖6 車載網(wǎng)絡(luò)總線結(jié)構(gòu)

圖7 奔馳222型號(hào)轎車車載網(wǎng)絡(luò)總線拓?fù)鋱D

2.車際網(wǎng)絡(luò)

車際網(wǎng)絡(luò)(也稱車載自組織網(wǎng)絡(luò)Vehicular Ad hoc 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(diǎn)而構(gòu)成的開放式移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)。它通過(guò)結(jié)合全球定位系統(tǒng)及無(wú)線通信技術(shù)，如無(wú)線局域網(wǎng)、蜂窩網(wǎng)絡(luò)等，建立無(wú)線多跳連接，為處于高速移動(dòng)狀態(tài)的車輛提供高速率的數(shù)據(jù)接入服務(wù)，以實(shí)現(xiàn)V2X之間的信息交互，如圖8所示。車載自組織網(wǎng)絡(luò)是智能交通系統(tǒng)未來(lái)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。

圖8 車載自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

(1)專用短程通信(DSRC)

DSRC是基于美國(guó)電氣電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)，在IEEE802.11 的Wi-Fi技術(shù)基礎(chǔ)上改進(jìn)制定的IEEE802.11p標(biāo)準(zhǔn)和IEEE1609標(biāo)準(zhǔn)的V2V和V2I通信協(xié)議，是比較成熟、高效的無(wú)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(guó)汽車制造企業(yè)采用并完善。我國(guó)在高速公不停車收費(fèi)設(shè)備(ETC)也采用該項(xiàng)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(jī)連接，實(shí)現(xiàn)在數(shù)百米的范圍內(nèi)對(duì)高速行駛的車輛進(jìn)行識(shí)別和雙向通信，提供實(shí)時(shí)圖像、語(yǔ)音和數(shù)據(jù)信息傳輸，保證通信鏈路的低時(shí)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(guò)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(shí)本車輛還能收到其他車輛所發(fā)出的信號(hào)，在必要時(shí)(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(hào)裝置會(huì)以閃爍、語(yǔ)音提醒或座椅、方向盤振動(dòng)等方式提醒駕駛員注意，采取必要安全措施，如圖9所示。

DSRC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由三部分組成，如圖10所示。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(guò)專用的通信鏈路依照通信協(xié)議的規(guī)定與RSU進(jìn)行信息交互。RSU是安裝在指定地點(diǎn)(如車道旁邊、車道上方等)固定的通信設(shè)備，與不同OBU進(jìn)行實(shí)時(shí)高效的通信，并通過(guò)有線光纖的方式接入移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，與云端智能交通(ITS)平臺(tái)進(jìn)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(shí)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(shí)現(xiàn)RSU讀取OBU的信息，完成車輛狀態(tài)的自主識(shí)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。

圖9 專用短程通信(DSRC)在V2X通信的應(yīng)用

(2)C-V2X 通信

圖10 專用短程通信(DSRC)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

圖11 LTE—V2X通信系統(tǒng)的組成

C-V2X通信是基于 3G/4G/5G 等蜂窩網(wǎng)通信技術(shù)演進(jìn)形成的車用無(wú)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(lái)5G資源的 5G -V2X 系統(tǒng)，借助已存在的LTE網(wǎng)絡(luò)設(shè)施來(lái)實(shí)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(chǎng)景，滿足低時(shí)延高可靠性和帶寬要求。

①LTE-V2X技術(shù)

LTE—V (Long Term Evolution—Vehicle，長(zhǎng)期演進(jìn)，V2X)是我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的V2X技術(shù)，是基于TD.LTE(Time Division—Long Term Evolution，分時(shí)長(zhǎng)期演進(jìn))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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)收發(fā)及同步功能。數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)信息的可靠傳輸，提供差錯(cuò)和流量控制，對(duì)上層提供無(wú)差錯(cuò)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(shí)現(xiàn)通信初始化和釋放程序、廣播服務(wù)、遠(yuǎn)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11所示。

UE包含了車載設(shè)備、個(gè)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(wú)線接入控制功能的設(shè)備，主要完成無(wú)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(dòng)性控制等無(wú)線資源管理功能。GPS信號(hào)則通過(guò)衛(wèi)星地面站與基站進(jìn)行通信。

③LTE-V2X主要技術(shù)指標(biāo)分析

V2X技術(shù)影響用戶體驗(yàn)的主要系統(tǒng)指標(biāo)有延時(shí)時(shí)間、可靠性、數(shù)據(jù)速率、通信覆蓋范圍移動(dòng)性、用戶密度、安全性等。其相關(guān)指標(biāo)有安全類時(shí)延≤20ms，非安全類時(shí)延≤100ms，峰值速率上行500Mbps、下行1Gbps，支持車速280km/h，在后續(xù)演進(jìn)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(dāng)。(未完待續(xù))