根據車(chē)聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng )新聯(lián)盟的定義，車(chē)聯(lián)網(wǎng)是以車(chē)內網(wǎng)、車(chē)際網(wǎng)和車(chē)云網(wǎng)組成，進(jìn)行無(wú)線(xiàn)電通信和信息交互的大系統網(wǎng)絡(luò )。如圖5所示，通過(guò)三網(wǎng)融合，實(shí)現V2X之間通信的無(wú)縫連接，提高通信效率，減少通信盲區。
圖5 車(chē)內網(wǎng)、車(chē)際網(wǎng)、車(chē)云網(wǎng)三網(wǎng)融合
1. 車(chē)內網(wǎng)絡(luò )車(chē)內網(wǎng)絡(luò )是基于CAN、LIN、FlexRay、MOST、以太網(wǎng)等總線(xiàn)技術(shù)建立的標準化整車(chē)網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現車(chē)內各電器、電子單元間的狀態(tài)信息和控制信號在車(chē)內網(wǎng)上的傳輸，使車(chē)輛具有狀態(tài)感知、故障診斷和智能控制等功能。
圖6 車(chē)載網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)結構
如圖6所示車(chē)載網(wǎng)絡(luò )以高速以太網(wǎng)作為骨干，將動(dòng)力總成、底盤(pán)控制、車(chē)身控制、娛樂(lè )、ADAS(先進(jìn)駕駛輔助系統)共5個(gè)核心域連接在一起，各個(gè)域控制器在實(shí)現專(zhuān)用的控制功能的同時(shí)，還提供強大的網(wǎng)關(guān)功能。圖7所示奔馳222型號轎車(chē)網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)拓撲圖。
圖7 奔馳222型號轎車(chē)車(chē)載網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)拓撲圖
CAN A。車(chē)載智能信息系統 (CAN)；CAN C. 發(fā)動(dòng)機控制器區域網(wǎng)絡(luò ) (CAN)；CAN C1. 傳動(dòng)系統控制器區域網(wǎng)絡(luò ) (CAN)；CAN D. 診斷控制器區域網(wǎng)絡(luò )(CAN)；CAN HMI. 用戶(hù)界面控制器區域網(wǎng)絡(luò ) (CAN)；CAN I. 傳動(dòng)系傳感器控制器區域網(wǎng)絡(luò ) (CAN)；CAN L. 混合動(dòng)力控制器區域網(wǎng)絡(luò ) (CAN)；CAN PER. 外圍設備控制器區域網(wǎng)絡(luò ) (CAN)；Ethernet. 以太網(wǎng)；Flex E. 底盤(pán) FlexRay；LIN E2. 座椅承載識別區域互聯(lián)網(wǎng) (LIN)；LIN G1. 左側大燈局域互聯(lián)網(wǎng) (LIN)；G2. 右側大燈局域互聯(lián)網(wǎng) (LIN)；MOST. 多媒體傳輸系統。2. 車(chē)際網(wǎng)絡(luò )
車(chē)際網(wǎng)絡(luò ) ( 也稱(chēng)車(chē)載自組織網(wǎng)絡(luò )VehicularAdhoc Networks VANET)是指在交通環(huán)境中，以車(chē)輛、路側單元以及行人為節點(diǎn)而構成的開(kāi)放式移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò )。它通過(guò)結合全球定位系統及無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，如無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)、蜂窩網(wǎng)絡(luò )等，建立無(wú)線(xiàn)多跳連接，為處于高速移動(dòng)狀態(tài)的車(chē)輛提供高速率的數據接入服務(wù)，以實(shí)現V2X之間的信息交互，如圖8所示。
圖8 車(chē)載自組織網(wǎng)絡(luò )結構
車(chē)載自組織網(wǎng)絡(luò )是智能交通系統未來(lái)發(fā)展的通信基礎，也是智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)安全行駛的保障。
(1)專(zhuān)用短程通信(DSRC)
DSRC是基于美國電氣電子工程師協(xié)會(huì )(IEEE)，在IEEE802.11 的Wi-Fi技術(shù)基礎上改進(jìn)制定的IEEE802.11p標準和IEEE1609標準的V2V和V2I通信協(xié)議，是比較成熟、高效的無(wú)線(xiàn)通信系統技術(shù)，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(chē)制造企業(yè)采用并完善。我國在高速公不停車(chē)收費設備(ETC)也采用該項技術(shù)。DSRC通信在5.9GHz附近的頻段上，專(zhuān)門(mén)將車(chē)與車(chē)、車(chē)與道路基礎設施有機連接，實(shí)現在數百米的范圍內對高速行駛的車(chē)輛進(jìn)行識別和雙向通信，提供實(shí)時(shí)圖像、語(yǔ)音和數據信息傳輸，保證通信鏈路的低時(shí)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(chē)輛通過(guò)DSRC以10Hz的頻率，向路上其他車(chē)輛發(fā)送位置、車(chē)速、方向等信息；同時(shí)本車(chē)輛還能收到其他車(chē)輛所發(fā)出的信號，在必要時(shí)(例如馬路轉角有車(chē)輛駛出，或前方車(chē)輛突然緊急剎車(chē)，變換車(chē)道的情況發(fā)生)車(chē)內信號裝置會(huì )以閃爍、語(yǔ)音提醒或座椅、方向盤(pán)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。
圖9 專(zhuān)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10所示。
圖10 專(zhuān)用短程通信(DSRC)系統結構組成
分別是車(chē)載單元(on Board unit，OBU)、路側單元(road-side unit，RSU)、專(zhuān)用通信鏈路。OBU安裝在車(chē)輛上的嵌入式車(chē)載通信單元內，它通過(guò)專(zhuān)用的通信鏈路依照通信協(xié)議的規定與RSU進(jìn)行信息交互。RSU是安裝在指定地點(diǎn)(如車(chē)道旁邊、車(chē)道上方等)固定的通信設備，與不同OBU進(jìn)行實(shí)時(shí)高效的通信，并通過(guò)有線(xiàn)光纖的方式接入移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)設備，與云端智能交通(ITS)平臺進(jìn)行數據交互。專(zhuān)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(shí)現RSU向OBU寫(xiě)入信息的功能。
上行鏈路是從OBU到RSU的通信，主要實(shí)現RSU讀取OBU的信息，完成車(chē)輛狀態(tài)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(mǎn)足業(yè)務(wù)需要，建設投資較大。
(2)C-V2X 通信
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(chē)用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，包含基于4G網(wǎng)絡(luò )的LTE-V2X系統以及未來(lái)5G資源的5G-V2X系統，借助已存在的LTE網(wǎng)絡(luò )設施來(lái)實(shí)現V2V、V2I、V2P、V2N的信息交互，適應于更復雜的安全應用場(chǎng)景，滿(mǎn)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(cháng)期演進(jìn)，V2X)是我國具有自主知識產(chǎn)權的V2X技術(shù)，是基于TD．LTE(Time Division—Long Term Evolution，分時(shí)長(cháng)期演進(jìn))的ITS(Intelligent Transport System，智能交通系統)系統解決方案，屬于LTE后續演進(jìn)生態(tài)系統的重要應用分支。
②LTE-V2X協(xié)議架構與組成
LTE-V2X標準協(xié)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(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(wú)差錯的鏈路鏈接。應用層基于數據鏈路層提供的服務(wù)，實(shí)現通信初始化和釋放程序、廣播服務(wù)、遠程應用等相關(guān)操作。
LTE-V2X系統設備組成包含了UE(User Equipment，用戶(hù)終端)、RSU(Road Side Uni，路側單元)、和基站三部分，具體組成如圖11所示。
圖11 LTE—V2X通信系統的組成
UE包含了車(chē)載設備、個(gè)人用戶(hù)便攜設備等。RSU處于基站和UE之間，承擔著(zhù)V2I的數據通信任務(wù)?；臼浅袚薒TE-V2X系統的無(wú)線(xiàn)接入控制功能的設備，主要完成無(wú)線(xiàn)接入功能，包括管理空中接口、用戶(hù)資源分配、接入控制、移動(dòng)性控制等無(wú)線(xiàn)資源管理功能。GPS信號則通過(guò)衛星地面站與基站進(jìn)行通信。③LTE-V2X主要技術(shù)指標分析
V2X技術(shù)影響用戶(hù)體驗的主要系統指標有延時(shí)時(shí)間、可靠性、數據速率、通信覆蓋范圍移動(dòng)性、用戶(hù)密度、安全性等。其相關(guān)指標有安全類(lèi)時(shí)延≤20ms，非安全類(lèi)時(shí)延≤100ms，峰值速率上行500Mbps、下行1Gbps，支持車(chē)速280km/h，在后續演進(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。
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(shù)方案。分別對應LTE-Uu(UTRAN-UE，接入網(wǎng)-用戶(hù)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(shù)是基于現有蜂窩技術(shù)的擴展，主要承載傳統的車(chē)聯(lián)網(wǎng)遠程業(yè)務(wù)，滿(mǎn)足終端與V2X應用服務(wù)器間大數據量傳輸要求，如圖12所示。
圖12 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(shù)引入LTED2D(Device-to-Device，端-端)，繞過(guò)RSU進(jìn)行V2V、V2I直接通信，主要承載了車(chē)輛主動(dòng)安全業(yè)務(wù)，圖13所示。 
圖13 基于PC5接口的終端直通的V2V通信
因此LTE-V-Direct具有低時(shí)延、通信容量大和無(wú)需網(wǎng)絡(luò )設備(基站或路邊設施)即可工作的優(yōu)點(diǎn)。上述通信方式的多樣性，不僅減少了網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，降低了系統的復雜程度，而且還提高了系統通信的低時(shí)延性和高可靠性，也降低了網(wǎng)絡(luò )部署和維護成本。⑤LTE-V2X安全認證技術(shù)
涉及交通時(shí)，其安全重要性不言而喻。由于車(chē)輛是一個(gè)高速移動(dòng)的物體，LTE-V2X系統需要提供安全機制來(lái)保障使用者的信息安全，預防非法及偽裝終端設備進(jìn)入網(wǎng)絡(luò )。對車(chē)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(hù)檢測、個(gè)人隱私保護、安全機制的更新、信息加密等。目前在傳統聯(lián)網(wǎng)系統中經(jīng)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(chē)輛管理數量來(lái)說(shuō)，同時(shí)也會(huì )造成時(shí)延的問(wèn)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(lái)說(shuō)是個(gè)可行的解決方法。
⑥LTE-V2X工作場(chǎng)景
如圖14所示為L(cháng)TE-V2X技術(shù)的典型工作場(chǎng)景。
圖14 LTE—V2X典型工作場(chǎng)景
圖14(a)中，車(chē)輛通過(guò)基站或路側單元獲得與遠端ITS(智能交通系統)服務(wù)器的IP地址接入；圖(b)中，車(chē)輛通過(guò)不同的基站或路側單元，進(jìn)而通過(guò)云平臺，獲得分發(fā)的遠距離車(chē)輛的信息；圖(c)中，車(chē)輛間直接交互與道路安全相關(guān)的低時(shí)延安全業(yè)務(wù)信息；圖(d)為非視距(notlineofsight，NLOS)場(chǎng)景，車(chē)輛在十字路口由于建筑物的遮擋不能直接交互低時(shí)延安全業(yè)務(wù)，此時(shí)可以通過(guò)基站或路側設備的轉發(fā)，獲得車(chē)輛間的道路安全信息。在上述場(chǎng)景中，圖(c)可采用LTE-V-direct模式進(jìn)行通信，其他場(chǎng)景可采用LTE-V-cell模式進(jìn)行通信。圖15所示是LTE-V2X技術(shù)在智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)上的應用框圖。
圖15 LTE—V2X通信技術(shù)在智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)上的應用框圖
⑦5G-V2X技術(shù)與LTE-V2X相比，5-V2X將支持更加多樣化的場(chǎng)景，融合多種無(wú)線(xiàn)接入方式，并充分利用低頻和高頻等頻譜資源。同時(shí)，5G還將滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò )靈活部署和高效運營(yíng)維護的需求，大幅提升頻譜效率、能源效率和成本效率，實(shí)現車(chē)載移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )的可持續發(fā)展?；?G新空口的V2X可以提供高吞吐量、寬帶載波支持、超低時(shí)延和高可靠性，從而支持眾多面向自動(dòng)駕駛的技術(shù)需求。5-V2X業(yè)務(wù)場(chǎng)景具體包括：
車(chē)輛編隊：車(chē)輛編隊使車(chē)輛形成動(dòng)態(tài)編隊一起行駛。編隊中的所有車(chē)輛從編隊頭車(chē)獲取信息來(lái)管理這個(gè)編隊，這些管理信息能夠以比正常行駛更接近(編隊車(chē)輛之間間隔僅2～5m)、更協(xié)調的方式同向行駛。
傳感器擴展：擴展傳感器使車(chē)輛之間、車(chē)與路側單元之間、車(chē)與行人之間以及車(chē)與V2X服務(wù)器之間可以交互本地傳感器信息和實(shí)時(shí)視頻圖像信息等，車(chē)輛可以獲得額外的環(huán)境感知能力，更全面了解周邊環(huán)境。
先進(jìn)駕駛：先進(jìn)駕駛用于支持半自動(dòng)或全自動(dòng)駕駛。每個(gè)車(chē)輛把通過(guò)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?chē)?chē)輛，從而支持多個(gè)車(chē)輛之間同步和協(xié)調其行駛軌跡。
駕駛：遠程駕駛使遠程司機或車(chē)聯(lián)網(wǎng)應用服務(wù)器遙控車(chē)輛的行駛，適應于車(chē)主不能自己駕車(chē)或遠程車(chē)輛處于危險環(huán)境中等特殊場(chǎng)景。高可靠性和低延遲通信是遠程駕駛的主要要求。5GV2X業(yè)務(wù)場(chǎng)景對通信的需求，具體如表1所示。
⑧C-V2X與DSRC(IEEE802.11p)的比較
作為車(chē)聯(lián)網(wǎng)的V2X無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，雖然DSRC(IEEE802.11p)有先發(fā)優(yōu)勢，但是C-V2X以蜂窩技術(shù)作為基礎，通過(guò)增強的接入層，應對當前和未來(lái)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(wǎng)絡(luò )基礎設施提供大容量的數據傳輸和低時(shí)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(jìn)上的體現，通過(guò)仿真比較了汽車(chē)分別采用LTE-V2X和DSRC時(shí)的最大容許剎車(chē)反應距離/時(shí)間(即汽車(chē)感知到前方危險后司機擁有的反應距離/時(shí)間)。如圖16所示結果顯示，相比于DSRC，LTE-V2X技術(shù)能夠讓司機在更遠距離的位置感知危險并開(kāi)始剎車(chē)，也就是司機擁有更長(cháng)的剎車(chē)反應時(shí)間。
圖16 C-V2X和DSRC(IEEE802.11p)傳輸距離比較
圖中例子是汽車(chē)以140km/h速度行駛的時(shí)候，采用LTE-V2X的汽車(chē)比采用DSRC技術(shù)的汽車(chē)擁有額外的5.9s(9.2s～3.3s)來(lái)決定是否剎車(chē)。
此外，C-V2X的直接通信技術(shù)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(wǎng)絡(luò )覆蓋區域外的直通需求。從產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程而言，C-V2X正在逐步縮小與DSRC(IEEE802.11p)之間的差距。尤其在網(wǎng)絡(luò )建設和維護方面，盡管DSRC可利用現有的Wi-Fi基礎進(jìn)行產(chǎn)業(yè)布局，由于Wi-Fi接入點(diǎn)未達到蜂窩網(wǎng)絡(luò )的廣覆蓋和高業(yè)務(wù)質(zhì)量，不僅DSRC的新建路側單元需要大量投資進(jìn)行部署，而且DSRCV2X通信安全相關(guān)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(wǎng)絡(luò )中的基站等安全設備進(jìn)行升級擴展，支持安全證書(shū)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(shù)和產(chǎn)業(yè)方面缺乏核心知識產(chǎn)權和產(chǎn)業(yè)基礎。而基于我國自主研發(fā)的4GTD-LTE移動(dòng)通信技術(shù)標準，C-V2X技術(shù)擁有核心自主知識產(chǎn)權，可以打破國外產(chǎn)業(yè)在V2X通信技術(shù)壟斷，減少在知識產(chǎn)權方面的限制。整個(gè)C-V2X預期發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)間節點(diǎn)如圖17所示。
圖17 LTE—V2X發(fā)展預期
(3)車(chē)云網(wǎng)
車(chē)云網(wǎng)也稱(chēng)車(chē)載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)。它是以車(chē)為移動(dòng)終端，通過(guò)遠距離無(wú)線(xiàn)通信(Telematics)技術(shù)構建的車(chē)與互聯(lián)網(wǎng)之間的網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現車(chē)與服務(wù)信息在車(chē)載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)上傳輸，如圖18所示。車(chē)載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)是先通過(guò)短距離通信技術(shù)在車(chē)內建立無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)或無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)，再通過(guò)4G或5G技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)連接。
圖18 車(chē)載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)結構組成
二、車(chē)聯(lián)網(wǎng)的應用
1.車(chē)聯(lián)網(wǎng)應用分類(lèi)便捷、安全和環(huán)保是車(chē)聯(lián)網(wǎng)應用的核心價(jià)值。車(chē)聯(lián)網(wǎng)通過(guò)對多樣化信息的融合，可以面向不同用戶(hù)開(kāi)發(fā)個(gè)性化的應用，為出行者提供更加便捷的交通服務(wù)，為車(chē)輛駕駛員提供智能化的安全服務(wù)和控制，為交通管理部門(mén)提供節能環(huán)保的交通服務(wù)和控制。表2列出了車(chē)聯(lián)網(wǎng)基本的應用內容。
豐田汽車(chē)在TNGA(豐田全球新體系架構)生產(chǎn)的新一代凱美瑞、卡羅拉等車(chē)型上借助現代信息和通信技術(shù)，導入了TOYOTA Connect(豐田智行互聯(lián))系統(即車(chē)載通信系統，簡(jiǎn)稱(chēng)車(chē)聯(lián)網(wǎng))，實(shí)現車(chē)內、車(chē)與車(chē)、車(chē)與路、車(chē)與人、車(chē)與服務(wù)平臺的全方位網(wǎng)絡(luò )連接。
圖24 豐田車(chē)載通信系統組成示意圖
如圖24所示是豐田車(chē)載通信系統組成示意圖。通過(guò)車(chē)載通信系統，能夠24小時(shí)365天提供緊急救援，車(chē)輛被盜追蹤等真正“安心、安全”的服務(wù)；同時(shí)通過(guò)車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現車(chē)況確認、遠程控制、提供“快捷、便利”的服務(wù)。在CR(客戶(hù)服務(wù))活動(dòng)支援方面，根據車(chē)輛使用狀況向客戶(hù)提供最合適的商品，確保車(chē)輛入廠(chǎng)保養與維修；故障發(fā)生時(shí)及時(shí)主動(dòng)給客戶(hù)提供遠程診斷幫助。
TOYOTA Connect車(chē)聯(lián)網(wǎng)服務(wù)項目和目的，如圖25所示。
圖25 豐田智行互聯(lián)系統服務(wù)項目
圖26所示為是車(chē)載通信系統電路圖。豐田車(chē)載通信零件組成及功能說(shuō)明如表4。
圖26 豐田車(chē)載通信系統電路圖
豐田車(chē)載通信零件組成及功能說(shuō)明如表4。
車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是車(chē)輛信息化的核心內容，是互聯(lián)網(wǎng)、車(chē)際網(wǎng)V2X和車(chē)內網(wǎng)技術(shù)一體化發(fā)展的必然結果。今后，隨著(zhù)5G技術(shù)在V2X的運用，V2X通信技術(shù)能夠實(shí)現更加安全、高效、便捷的駕駛體驗，同時(shí)也是未來(lái)高度自動(dòng)駕駛的基礎支撐,是汽車(chē)產(chǎn)業(yè)融入萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代的重要途徑。相信車(chē)輛全面智能化、網(wǎng)聯(lián)化已為時(shí)不遠了。
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