一種結(jié)合車聯(lián)網(wǎng)和C-V2X的終端設(shè)備系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

摘要：本文介紹的網(wǎng)聯(lián)終端設(shè)備結(jié)合了蜂窩網(wǎng)移動(dòng)通信終端和C-V2X PC5直連通信終端，兩者通過以太網(wǎng)進(jìn)行信息交互，均由車載電池供電并連接到車輛總線，根據(jù)車輛總線消息進(jìn)入不同的工作模式；移動(dòng)通信終端可為車輛提供遠(yuǎn)控、防盜、OTA、數(shù)據(jù)路由等多種服務(wù)；C-V2X通信終端可與其他車輛、基礎(chǔ)設(shè)施等進(jìn)行交互，然后基于交互消息和自身狀態(tài)進(jìn)行判斷并向駕駛員提供預(yù)警信息。

車聯(lián)網(wǎng)是汽車電子、移動(dòng)通信、交通系統(tǒng)高度融合的新產(chǎn)業(yè)，是汽車行業(yè)最重要的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)方向。目前車聯(lián)網(wǎng)已逐漸開始普及，為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)聯(lián)功能安裝T-box 的新車在不斷增加。新車上安裝的T-box 配合覆蓋率非常高的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)可為車主、車廠和4S 店等提供多種網(wǎng)聯(lián)服務(wù)，例如可為車主提供車輛遠(yuǎn)程控制、防盜、車載ECU 軟件的OTA 升級(jí)等服務(wù)，可為車載其它設(shè)備提供數(shù)據(jù)路由，具有緊急狀態(tài)下的自動(dòng)或手動(dòng)呼叫等功能；車廠和4S 店可獲得車輛狀態(tài)及故障等信息，向車主推送維修、保養(yǎng)等提醒信息^[1]。

0   引言

C-V2X（Cellular-Vehicle to Everything）是一種車用無線通信技術(shù)，是將車輛與一切事物相連接的新一代信息通信技術(shù)，其中V 代表車輛，X 代表任何與車交互信息的對(duì)象，目前X 主要包含車V、人P、路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施I（例如路側(cè)單元RSU）和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)N。以C-V2X為代表的智能交通系統(tǒng)可非常有效地降低交通事故，提高交通效率。目前C-V2X 設(shè)備（簡(jiǎn)稱V-Box）已有新車開始裝配，其可與其他車輛、RSU 等通過PC5 直連通信實(shí)現(xiàn)信息交互，并通過T-box 與移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互，獲取更多更遠(yuǎn)的交通信息，這樣本車可通過這些信息判斷其他車輛的狀態(tài)、路況或行人的意圖等，從而做出預(yù)判并提醒駕駛員及時(shí)對(duì)車輛采取措施，以避免交通事故的發(fā)生，或者使車輛以最佳速度通過交通燈路口，減少車輛等待時(shí)間和道路擁堵幾率，提高道路通行效率等。

我國(guó)目前在大力推動(dòng)汽車的網(wǎng)聯(lián)化、智能化和電動(dòng)化，可以預(yù)見，隨著技術(shù)的發(fā)展、基礎(chǔ)設(shè)施的完善、相關(guān)法規(guī)的實(shí)施，車聯(lián)網(wǎng)和以C-V2X 為核心的智能交通系統(tǒng)將逐漸普及，給車主帶來更加快捷、舒適、安全的駕駛體驗(yàn)。

1   系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2   系統(tǒng)特點(diǎn)

本文介紹了一種T-box 加V-Box 的方案，該方案是把T-box 和V-Box 分為兩個(gè)單獨(dú)的模塊，兩者之間、兩者和車上其他ECU 之間通過以太網(wǎng)進(jìn)行信息交互，既可實(shí)現(xiàn)與移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)聯(lián)功能，也可實(shí)現(xiàn)C-V2X的PC5 直連通信；這樣既可實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)的功能，又可實(shí)現(xiàn)C-V2X 功能（如V2V、V2I、V2N）。

該架構(gòu)可在已具有T-box 的車型上增加V-Box 進(jìn)行升級(jí)增配，根據(jù)不同的車型等級(jí)提供不同的功能配置。

3   各模塊的功能及作用

3.1 在上述架構(gòu)圖中，T-box主要用于和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)通信

1）網(wǎng)聯(lián)模塊通過以太網(wǎng)將與移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)通信的上下行數(shù)據(jù)與V-Box 或車內(nèi)其他設(shè)備（如信息娛樂系統(tǒng)）進(jìn)行交互。網(wǎng)聯(lián)模塊配備主輔兩個(gè)外置天線，主天線具有收發(fā)功能，輔天線具有接收功能。為了在天線出現(xiàn)故障時(shí)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并通知車主，T-box 需具備天線開、短路診斷功能；網(wǎng)聯(lián)模塊和微處理器MCU 通過UART等進(jìn)行狀態(tài)交互。在待機(jī)模式下，為了可遠(yuǎn)程快速喚醒T-box，網(wǎng)絡(luò)模塊處于DRX 模式，當(dāng)待機(jī)超過一定時(shí)間（如14 天），為減少對(duì)車輛電池的消耗，網(wǎng)聯(lián)模塊的電源將被切斷進(jìn)入掉電狀態(tài)。

2）MCU 通過總線收發(fā)器收發(fā)車輛總線消息并進(jìn)行解碼，根據(jù)車輛發(fā)送的總線消息（如車輛點(diǎn)火、熄火等），對(duì)T-box 整機(jī)進(jìn)行開機(jī)、待機(jī)等控制，并對(duì)各模塊電源進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵模塊的正確上電時(shí)序以及整機(jī)在待機(jī)模式下的低功耗要求。MCU 同時(shí)還對(duì)自身和其他模塊進(jìn)行監(jiān)控，避免整機(jī)進(jìn)入死循環(huán)等狀態(tài)，如網(wǎng)聯(lián)模塊發(fā)送定時(shí)信號(hào)給MCU，如果MCU超時(shí)未收到此信號(hào)，則認(rèn)為網(wǎng)聯(lián)模塊出現(xiàn)意外并強(qiáng)制對(duì)其進(jìn)行復(fù)位。

3）總線收發(fā)器為CAN 收發(fā)器，可根據(jù)整車總線網(wǎng)絡(luò)選擇高速CAN 或CAN FD。使用CAN FD 可在T-box待機(jī)狀態(tài)下根據(jù)總線報(bào)文確定是否喚醒T-box，從而降低功耗。

4）電源模塊的設(shè)計(jì)在兼顧成本的前提下要考慮幾個(gè)因素：整機(jī)和各模塊峰值電流的要求，待機(jī)模式下低功耗的要求，關(guān)鍵模塊的供電診斷，車廠或國(guó)標(biāo)的電源測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求（如ISO7637、傳導(dǎo)輻射測(cè)試、傳導(dǎo)抗擾測(cè)試等）。

3.2 V-Box用于PC5直連通信（如和其他車輛、RSU的通信）

1）C-V2X 直連通信模塊主要用于和其他對(duì)象直接交互信息，并根據(jù)接收到的消息和本車的狀態(tài)信息做出預(yù)警等判斷；具備兩個(gè)V2X 天線。

2）MCU 除了接收解碼CAN 消息用于V-box 整機(jī)的開關(guān)機(jī)控制和各模塊的電源管理，還將與車輛狀態(tài)相關(guān)的CAN 消息（如車輛速度、左右轉(zhuǎn)彎、剎車、雙閃燈狀態(tài)等）解碼后發(fā)送給C-V2X 直連通信模塊，該模塊再將這些消息發(fā)送給周圍車輛；MCU 同時(shí)還對(duì)自身和其他模塊如直連通信模塊、應(yīng)用處理器進(jìn)行監(jiān)控，以避免出現(xiàn)死循環(huán)等問題。

3）由于V-Box 要處理的C-V2X 消息數(shù)據(jù)量大，如按周圍300 m 范圍內(nèi)有200 輛車、每輛車交互10 條消息/ 秒計(jì)算，V-Box 每秒需要處理2 000 條消息，對(duì)處理器的算力要求高，因此需要外加應(yīng)用處理器專門用于C-V2X 消息的處理。

4）由于C-V2X 對(duì)定位精度和時(shí)間精度要求高，除了有通信模塊內(nèi)置的模塊用于GNSS 數(shù)據(jù)接收、定位和授時(shí)外，還需要外加慣性測(cè)量單元IMU（陀螺儀+ 加速度計(jì)）和專門的算法用于特殊場(chǎng)景的定位和授時(shí)，例如隧道、高樓林立的市區(qū)等。

5）硬件安全模塊HSM 主要用于C-V2X 消息的簽名、驗(yàn)簽、證書驗(yàn)證以及秘鑰存儲(chǔ)等，需要支持相應(yīng)的國(guó)密算法。

6）以太網(wǎng)除了和T-box 交互移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)信息，還將通過以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)將V-Box 產(chǎn)生的前向碰撞預(yù)警、車輛失控等預(yù)警信息轉(zhuǎn)發(fā)給其他系統(tǒng)，為駕駛員提供及時(shí)的圖文、語(yǔ)音預(yù)警。如果車輛配備駕駛輔助系統(tǒng)，V-Box 還可作為傳感器，該系統(tǒng)在綜合V-Box、雷達(dá)、攝像頭、超聲波等的輸入后進(jìn)行運(yùn)算決策，然后對(duì)車輛進(jìn)行相應(yīng)控制（如剎車、減速等）。

4   實(shí)際應(yīng)用

本系統(tǒng)所介紹的方案已應(yīng)用在實(shí)際產(chǎn)品中，可實(shí)現(xiàn)TCSAE-53-2017 標(biāo)準(zhǔn)中的安全和效率類場(chǎng)景，例如V2I 場(chǎng)景的道路危險(xiǎn)狀況提示、闖紅燈預(yù)警和綠波車速引導(dǎo)、弱勢(shì)交通參與者碰撞預(yù)警等；V2V 場(chǎng)景的前向碰撞預(yù)警、盲區(qū)提醒和故障車輛預(yù)警等，取得了良好的應(yīng)用效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì).TCSAE-53-2017合作式智能運(yùn)輸系統(tǒng)車用通信系統(tǒng)應(yīng)用層及應(yīng)用數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)[S].

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年6月期）