智能網(wǎng)聯(lián)汽車概論-領(lǐng)域五 汽車通信技術(shù)

智能網(wǎng)聯(lián)汽車概論

汽車通信技術(shù)PART5

在創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展的戰(zhàn)略指導(dǎo)下，智能網(wǎng)聯(lián)汽車是展示國(guó)家科技實(shí)力、引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)變革的重要窗口。智能網(wǎng)聯(lián)汽車的通信系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)智能交通系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，它保證了汽車各模塊、汽車和其他物體之間信息交流的高動(dòng)態(tài)、低延時(shí)的傳遞。根據(jù)通信所覆蓋的范圍，通信系統(tǒng)可以分為車內(nèi)通信、車際通信和廣域通信。車內(nèi)通信主要包括藍(lán)牙、WIFI、以太網(wǎng)通信、局部互聯(lián)協(xié)議（LIN）、CAN通信、高速容錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（FlexRay）等，主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和對(duì)車輛的控制。車際通信主要存在專用短程通信技術(shù)（DSRC）和長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)（TLE-V）兩種，前者技術(shù)較為成熟，后者主要面向智能交通和車聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。情景導(dǎo)入學(xué)習(xí)單元一車內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)

隨著汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車上采用的計(jì)算機(jī)數(shù)量越來越多，多個(gè)處理器之間相互連接、協(xié)調(diào)工作并共享信息構(gòu)成了汽車車載計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱車內(nèi)通訊網(wǎng)絡(luò)，也叫車載網(wǎng)絡(luò)。車載網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用多路傳輸技術(shù)，采用多條不同速率的，總線分別連接不同類型的節(jié)點(diǎn)，并使用網(wǎng)關(guān)服務(wù)器來實(shí)現(xiàn)整車的信息共享和網(wǎng)絡(luò)管理。一、車載網(wǎng)絡(luò)分類美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)（SAE）提出將車載網(wǎng)絡(luò)劃分為5種類型，分別為A類低速網(wǎng)絡(luò)、B類中速網(wǎng)絡(luò)、C類高速網(wǎng)絡(luò)、D類多媒體網(wǎng)絡(luò)和E類安全應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，如表5-1所示。不同類型的車載網(wǎng)絡(luò)需要通過網(wǎng)關(guān)進(jìn)行信號(hào)的解析交換，使不同的網(wǎng)絡(luò)類型能夠相互協(xié)調(diào)，保證車輛各系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。4.D類網(wǎng)絡(luò)2.B類總線1.A類網(wǎng)絡(luò)3.C類網(wǎng)絡(luò)5.E類網(wǎng)絡(luò)二、CAN總線1.CAN系統(tǒng)概述

隨著汽車新技術(shù)的飛速發(fā)展，車輛動(dòng)力、安全和舒適系統(tǒng)的不斷完善，用于車輛中的電氣設(shè)備越來越多。許多汽車上都采用了CAN數(shù)據(jù)總線傳輸技術(shù)，使車上的各個(gè)控制單元（電腦）都能進(jìn)行數(shù)據(jù)交流，形成車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

一輛汽車不管有多少塊電控單元，不管信息容量有多大，每塊電控單元都只需引出兩條線共同接在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)上這兩條導(dǎo)線就稱作數(shù)據(jù)總線，亦稱BUS線。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)則稱CAN，CAN是ControllerAreaNetwork（控制器局域網(wǎng)絡(luò)）的縮寫。2.CAN系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸

為避免通訊信號(hào)被干擾，CAN-H和CAN-L線相互纏繞在一起，構(gòu)成一個(gè)封閉的數(shù)據(jù)傳輸通道。如圖5-3所示，CAN-BUS兩條線上的電位是相反的，如果一條線的電壓是5V，另一條線就是0V，兩條線的電壓和總等于常值。通過該種力法，CAN總線得到保護(hù)而免受外界電磁場(chǎng)干擾，同時(shí)CAN總線向外輻射也保持中性，即無輻射。3.CAN系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)相當(dāng)于翻譯轉(zhuǎn)換器。由于不同系統(tǒng)CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸速率不同（動(dòng)力CAN500K/b，舒適CAN100K/b）為了實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，以及車輛與診斷儀器（自診斷K線的讀取速率分別為9600/10400b的自診斷通訊，需要網(wǎng)關(guān)（Gate-way）系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。三、LIN總線

LIN（LocalInterconnectNetwork）是面向汽車低端分布式應(yīng)用的低成本（0.5美元），低速串行通信總線。它的目標(biāo)是為現(xiàn)有汽車網(wǎng)絡(luò)提供輔助功能，在不需要CAN總線的帶寬和多功能的場(chǎng)合使用，降低成本。四、FlexRay

隨著汽車電子技術(shù)的不斷發(fā)展和系統(tǒng)的集成化，我們可不需要傳統(tǒng)的機(jī)械傳遞控制信號(hào)而是通過電子手段來駕駛汽車，而這一電子手段即X-By-Wire（X代表汽車中的各個(gè)系統(tǒng)，By-Wire可稱為電子線控），如線控轉(zhuǎn)向（Steering-By-Wire），線控制動(dòng)（Brake-By-Wire），線控技術(shù)主要應(yīng)用在主動(dòng)安全等關(guān)鍵系統(tǒng)中，這些場(chǎng)合都對(duì)信息的實(shí)時(shí)性和安全性有很高的要求。FlexRay提供了傳統(tǒng)車內(nèi)通信協(xié)議不具備的大量特性，包括：（1）高傳輸速率（2）同步時(shí)基（3）確定性（4）高容錯(cuò)（5）靈活性五、MOST總線

隨著汽車智能化和電子化程度升高，車內(nèi)CAN總線越來越難以滿足電子系統(tǒng)的需求。因此，新一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)Ethernet、FlexRay、MOST網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生。特別是今后的汽車主動(dòng)安全系統(tǒng)將不僅僅是獨(dú)立存在，其還將結(jié)合V2X技術(shù)與其他車輛或道路通信基站建立聯(lián)系，這為CAN總線帶來了巨大壓力。相對(duì)于傳統(tǒng)的信號(hào)傳輸方式，MOST光學(xué)傳輸具有導(dǎo)線少、質(zhì)量小、傳輸速度快（可達(dá)20Mb/s）、不會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，同時(shí)對(duì)電磁干擾也不敏感等優(yōu)點(diǎn)。

如圖5-6所示，對(duì)于奧迪A6L（C7）不帶后座娛樂系統(tǒng)的MOST網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，主要MOST控制單元包括信息電子控制單元1（J794）、DVD換碟機(jī)（R161）、組合儀表控制單元（J285）、TV調(diào)諧器（R78）、收音機(jī)（R）、數(shù)字音響控制單元（J525）以及數(shù)據(jù)總線診斷接口（J533）。六、以太網(wǎng)（Ethernet）

車載以太網(wǎng)是一種連接車內(nèi)電子單元的新型局域網(wǎng)技術(shù)，在單對(duì)非屏蔽雙絞線上可實(shí)現(xiàn)100Mbit/s甚至1Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，同時(shí)滿足汽車行業(yè)高可靠性、低電磁輻射、低功耗、帶寬分配、低延遲以及同步實(shí)時(shí)性等方面的要求。

車載以太網(wǎng)不僅具備了適應(yīng)ADAS、影音娛樂、汽車網(wǎng)聯(lián)化等所需要的帶寬，而且還具備了支持未來更高性能的潛力（如自動(dòng)駕駛時(shí)代所需要的更大數(shù)據(jù)傳輸），如圖5-7所示。它將成為實(shí)現(xiàn)多層面高速通信的基石，相對(duì)于20世紀(jì)90年代的控制器局域網(wǎng)（CAN）革命，它的規(guī)模將更大，意義將更深遠(yuǎn)。1.車載以太網(wǎng)的架構(gòu)

車載以太網(wǎng)技術(shù)是在我們消費(fèi)領(lǐng)域的以太網(wǎng)技術(shù)上發(fā)展過來的，是在物理層進(jìn)行了優(yōu)化以適應(yīng)汽車電子要求的一種技術(shù)。與傳統(tǒng)的以太網(wǎng)類似，車載以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)：（4）傳輸層（2）數(shù)據(jù)鏈路層（1）物理層（3）網(wǎng)絡(luò)層（5）應(yīng)用層2.Ethernet的優(yōu)點(diǎn)1）傳輸速率高，100Mbps（或1Gbps）2）利用Ethernet可簡(jiǎn)化車載網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成，從而削減成本3）能在要求高速傳輸數(shù)據(jù)的用途削減線纜成本4）即插即用，擴(kuò)展性強(qiáng)5）滿足汽車的EMC/EMI/ESD/BCI要求

在車載電子系統(tǒng)連接和通信、自動(dòng)駕駛和ADAS系統(tǒng)方面，車載以太網(wǎng)與傳統(tǒng)汽車串行總線相比具有明顯優(yōu)勢(shì)。學(xué)習(xí)小結(jié)1.美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)（SAE）提出將車載網(wǎng)絡(luò)劃分為5種類型，分別為A類低速網(wǎng)絡(luò)、B類中速網(wǎng)絡(luò)、C類高速網(wǎng)絡(luò)、D類多媒體網(wǎng)絡(luò)和E類安全應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)。2.一輛汽車不管有多少塊電控單元，不管信息容量有多大，每塊電控單元都只需引出兩條線共同接在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)上這兩條導(dǎo)線就稱作數(shù)據(jù)總線，亦稱BUS線。3.為避免通訊信號(hào)被干擾，CAN-H和CAN-L線相互纏繞在一起，構(gòu)成一個(gè)封閉的數(shù)據(jù)傳輸通道。4.LIN（LocalInterconnectNetwork）是面向汽車低端分布式應(yīng)用的低成本（0.5美元），低速串行通信總線。學(xué)習(xí)小結(jié)5.FlexRay已開始在單通道高速動(dòng)力傳動(dòng)、駕駛輔助和提高舒適程度的汽車電子應(yīng)用中大展身手。6.車載以太網(wǎng)是一種連接車內(nèi)電子單元的新型局域網(wǎng)技術(shù)，在單對(duì)非屏蔽雙絞線上可實(shí)現(xiàn)100Mbit/s甚至1Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，同時(shí)滿足汽車行業(yè)高可靠性、低電磁輻射、低功耗、帶寬分配、低延遲以及同步實(shí)時(shí)性等方面的要求。知識(shí)鞏固知識(shí)鞏固V2X早期主要是基于DSRC，全稱是dedicatedshortrangecommunication，專用短距離通信技術(shù)。DSRC在美國(guó)已經(jīng)經(jīng)過多年開發(fā)測(cè)試，后期隨著蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展才出現(xiàn)了C-V2X（CellularV2X，即以蜂窩通信技術(shù)為基礎(chǔ)的V2X）技術(shù)。一、專用短程通信技術(shù)1.專用短程通訊技術(shù)概述專用短程通信，即DSRC（DedicatedShortRangeCommunication）技術(shù)是一種高效、專用的車輛無線通信技術(shù)，以IEEE802.11p為基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)。DSRC物理層技術(shù)實(shí)際是WiFi的擴(kuò)展，其MAC層與WiFi相同，同樣采用載波監(jiān)聽多路訪問/碰撞避免CSMA/CA（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance）技術(shù)控制移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)。學(xué)習(xí)單元二車際無線通信網(wǎng)絡(luò)二、C-V2X1.概述

V2X，vehicletoeverything，其希望實(shí)現(xiàn)車輛與一切可能影響車輛的實(shí)體實(shí)現(xiàn)信息交互，目的是減少事故發(fā)生，減緩交通擁堵，降低環(huán)境污染以及提供其他信息服務(wù)。V2X主要包含vehicle-to-vehicle（V2V），vehicle-to-infrastructure（V2l），vehicle-to-network（V2N）以及vehicle-to-pedestrian（V2P）。2.C-V2X的技術(shù)特點(diǎn)（1）C-V2X是一項(xiàng)優(yōu)越的現(xiàn)代無線通信技術(shù)。

（2）C-V2X是唯一向5G演進(jìn)路線清晰且向后/向前兼容的V2X技術(shù)。（3）C-V2X比其他V2X技術(shù)更節(jié)省成本，在將來，大多數(shù)新車將具備嵌入式蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接功能，一些汽車制造商打算讓幾乎所有的汽車都能使用蜂窩調(diào)制解調(diào)器。（4）C-V2X是一種性能可估的安全技術(shù)。（5）C-V2X在多路頻譜通信以保障安全。（6）C-V2X的低延遲直接通信不依賴蜂窩網(wǎng)V2X直接通信提供了增強(qiáng)的范圍和可靠性，不依靠蜂窩網(wǎng)絡(luò)援助或覆蓋。（7）C-V2X是為高速汽車用例而設(shè)計(jì)的。（8）C-V2X即使在沒有GNSS的情況下也具有健壯的同步特性。（9）C-V2X的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是安全性。安全通信對(duì)于任何V2X應(yīng)用程序都非常重要。三、C-V2X技術(shù)應(yīng)用：智能公交實(shí)現(xiàn)車路云協(xié)同

以長(zhǎng)沙智能駕駛研究院（CIDI）在2018年開放的全國(guó)首條智慧交通公交示范線為例，其實(shí)現(xiàn)了車輛自動(dòng)啟停、紅綠燈路口轉(zhuǎn)彎、?？康纫幌盗泄δ?，不僅做到了單車智能，更是實(shí)現(xiàn)了人、車、路的一體化運(yùn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)車路云協(xié)同。 長(zhǎng)沙智能駕駛研究院采用整套自主設(shè)計(jì)和研發(fā)的城市區(qū)域車路協(xié)同解決方案，對(duì)公交示范線沿線道路進(jìn)行網(wǎng)聯(lián)化改造，通過CIDIOBU2.0車載單元、CIDIRSU2.0路側(cè)單元、智能網(wǎng)聯(lián)數(shù)據(jù)管理云平臺(tái)之間的信息傳遞與交互，達(dá)到輔助駕駛目的，詮釋出智慧公交車路云一體化的精髓。4.C-V2X場(chǎng)景應(yīng)用2.動(dòng)態(tài)路況感知及多模態(tài)信息發(fā)布系統(tǒng)1.一體化車內(nèi)體驗(yàn)終端3.實(shí)時(shí)調(diào)度指揮中心（1）主動(dòng)安全告警判斷及路側(cè)信息提醒系統(tǒng)（1）實(shí)時(shí)交通狀態(tài)透?jìng)鞴蚕硐到y(tǒng)學(xué)習(xí)小結(jié)1.DSRC的基本原理是，裝有收發(fā)模塊的兩臺(tái)設(shè)備之間可以直接進(jìn)行高效的直連通信，無需任何中間設(shè)施。2.V2X主要包含vehicle-to-vehicle（V2V），vehicle-to-infrastructure（V2l），vehicle-to-network（V2N）以及vehicle-to-pedestrian（V2P）。