车联网连接及通信原理

谈思实验室 2024-05-10 17:56

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V2X介绍

车用无线通信技术（Vehicle to Everything, V2X）是实现车与车（V2V）、车与路（V2I）、车与人（V2P）、车与网（V2N）相连接的新一代信息通信技术。

V2X 通过将人、车、路、云等交通参与要素有机地联系在一起，构建一个智慧的交通体系。整个V2X 系统可以分为云端、路端与车载端：

云端

V2X 云平台，实现大数据及人工智能算法智能分析、交通调度优化、高精度定位、车辆状态管理、车辆在线升级、信息服务等；

路侧端

包括路侧通信单元RSU（Road Side Unit）、路测计算单元（MEC）,路侧感知单元（雷达、摄像头、交通信号灯与指示牌等环境信息）；

车载端

完成BSM消息的上报、V2X 消息的接收与解析、CAN 数据的读取与解析、消息的展示与提醒、保障信息安全。

车载连接网络

汽车内部

网络是将众多电子控制单元 (ECU) 和传感器相互连接在一起，旨在促进实现高级驾驶员辅助系统（ADAS）更先进的功能。目前，大多数汽车搭载 60 至 100 个传感器。在未来五至十年内，传感器数量预期还要翻番。换而言之，传感器的数量将超过现代汽车中集成的 ECU 的数量。之所以构建这个日益复杂的网络，是因为迫切需要提高对不同汽车系统的控制质量。例如，电荷交换、燃料喷射、处理后废气都需要更高的控制级别，以遵守未来的排放和能效法规。

汽车外部

网络意味着将汽车集成到通过无线通信和互联网建立的现代数字数据流中。

让汽车与智能手机等移动设备无缝连接，以便在车内传输信息和运行应用。
让汽车自身成为物联网 (IoT) 的一部分，提供基于云或互联网服务的信息。这样做的目的是拓宽驾驶员的视野范围和信息量，远超出驾驶员的视线和有限背景信息，从而提供更出色的驾驶员支持，并且全面改善交通流量。

车联网通信

车联网应用呈现迫切的需求，车联网由多个系统和网络组成，它们分别为环境(V2X)、云（远程通信）、驾驶员/乘客（信息娱乐）提供异构连接。

V2X：连接到外部环境

如图 1 所示，车联网可以出色地融入围绕物联网开发的生态系统中。大家通常首先会想到车对车 (V2V) 连接，提供车道堵塞或自动刹车警报，但在多方面互连基础设施和移动设备的驱动下，车联网将很快成为智能城市的一部分。

设想一下，交通灯根据流量模式自动变化，或者对通勤需求做出响应，能够搜索多个街区寻找停车点，这些均可通过物联网实现。

图1 异构连接

V2X 能够感知外部环境，在车联网中实现下一代驾驶自动化和实时监控。V2X 当前有两种主要标准：

电气与电子工程师学会 (IEEE) 802.11p 标准

802.11p 标准定义了行车环境无线接入 (WAVE)，包括汽车和路边单元 (RSU)中的专用短距离通信 (DSRC) 设备。它是对流行的 802.11 无线(Wi-Fi) 网络标准的修订。DSRC 在 5.9 千兆赫 (GHz) 频段中工作，带宽为 75 兆赫兹 (MHz)，范围大约为 1,000 米。

蜂窝车对万物 (C-V2X) 蜂窝网络长期演进 (LTE)

C-V2X 用于支持主动安全系统，针对车对车 (V2V)、车对基础设施 (V2I) 以及车对行人 (V2P) 的情况，使用 5.9 GHz 智能交通系统 (ITS) 频段中的低延迟直接传输技术来侦测和交换信息，从而提高态势感知，同时无需订阅蜂窝网络服务或任何网络辅助技术。第三代合作伙伴计划 (3GPP) 第 14 版规范对 C-V2X 作出了定义，其中包括基于 PC5 的直接通信，且制定了通往 5G 新无线电(5GNR) 的明确发展路径。

基于 IEEE 802.11p 的产品已经上市。现在很多汽车已经采用了IEEE 802.11p 技术。C-V2X 刚开始进入汽车领域，在当今的蜂窝网络生态系统的强大支持下，C-V2X（图2）很可能快速成熟。

图2 C-V2X 通信

汽车安全是 V2X 的常见应用，包括：

V2V：例如防碰撞
V2I：例如动态交通信号
V2P：例如向行人和骑行者发出安全警报
V2N：车对网络。例如实时交通和天气、定制导航以及其他云服务

V2X 还将利用 V2V 通信，实现更高效的车队管理和队列行驶。

表1 DSRC 和 C-V2X对比

V2X 被用于增强 ADAS 的功能。ADAS 通常采用摄像头和雷达传感器，让驾驶员能够看到汽车周边大约 200 米范围的情况。V2X 应用可以共享和协调信息，将 ADAS 的有效范围扩展至数千公里。

车载安全系统和传感器等 LiDAR 技术（包括激光、扫描仪、光检测器接收器、GPS），也与 V2X 配合使用，成为实现自动驾驶汽车的关键推动因素。

远程通信：汽车与云进行通信

远程通信提供高带宽连接，用于物联网集成和云服务。远程通信早已在商用汽车中使用，帮助企业监控和优化各个运营要素，例如：

燃油油耗
汽车维护
车队使用
汽车定位
最佳路线
驾驶员行为

未来车联网中的远程通信将涵盖所有蜂窝网络标准，以提供 1 GB/秒(Gbps) 的处理能力，快速赶上领先智能手机功能。

Gigabit LTE 将会用于众多应用中，从智能手机和笔记本电脑到便携式热点和汽车。Gigabit LTE 指的是 LTE 等级 16 (CAT16 LTE) 下行数据流，在 3GPP 版本 12 中推出。当今的系统将 Gigabit LTE 与 LTE 等级13 上行链路配对，以实现高达 150 Mbps 的上传速度。CAT16 LTE 实现了 5G 低延迟和更高可靠性，采用 256 正交幅度调制 (QAM)、3x20兆赫兹 (MHz) 载波聚合 (CA) 和 4x4 多路输入/多路输出 (MIMO) 技术。对于每个 LTE 等级，QAM、CA 和 MIMO 技术以不同配置结合使用，从而达到额定最大速度。通过这种技术组合达到的实际额定下行链路速度不足 1 Gbps，但也非常接近这个值，979 MB/秒 (Mbps)。

汽车中的远程通信单元是汽车的主要数据连接，随着汽车制造商试图配合使用智能手机服务，需要的数据量也将快速增长。移动电信运营商和汽车 OEM 将会寻求从传输到汽车的远程通信数据中盈利，这将提高远程通信系统的复杂性。图 3 显示远程通信蜂窝前端模块 (FEM)。

与智能手机相比，远程通信的关键优势是天线性能。在汽车远程通信中，天线通常位于鲨鱼鳍中，在金属车身外部。而智能手机位于汽车内部，这意味着手机天线在金属车身内部。这样会降低天线性能，因为汽车的作用相当于一个法拉第笼，接地金属屏蔽层包围了设备，从而排除静电和电磁影响。为了减少这种法拉第笼效应，汽车制造商将所有远程通信天线（包括蜂窝天线）都安装在鲨鱼鳍中。这使用户能够将智能手机连接到汽车，从而消除法拉第笼效应。