一種結合車(chē)聯(lián)網(wǎng)和C-V2X的終端設備系統架構設計

摘要：本文介紹的網(wǎng)聯(lián)終端設備結合了蜂窩網(wǎng)移動(dòng)通信終端和C-V2X PC5直連通信終端，兩者通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行信息交互，均由車(chē)載電池供電并連接到車(chē)輛總線(xiàn)，根據車(chē)輛總線(xiàn)消息進(jìn)入不同的工作模式；移動(dòng)通信終端可為車(chē)輛提供遠控、防盜、OTA、數據路由等多種服務(wù)；C-V2X通信終端可與其他車(chē)輛、基礎設施等進(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警信息。

車(chē)聯(lián)網(wǎng)是汽車(chē)電子、移動(dòng)通信、交通系統高度融合的新產(chǎn)業(yè)，是汽車(chē)行業(yè)最重要的技術(shù)創(chuàng )新和產(chǎn)業(yè)方向。目前車(chē)聯(lián)網(wǎng)已逐漸開(kāi)始普及，為實(shí)現網(wǎng)聯(lián)功能安裝T-box 的新車(chē)在不斷增加。新車(chē)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(chē)主、車(chē)廠(chǎng)和4S 店等提供多種網(wǎng)聯(lián)服務(wù)，例如可為車(chē)主提供車(chē)輛遠程控制、防盜、車(chē)載ECU 軟件的OTA 升級等服務(wù)，可為車(chē)載其它設備提供數據路由，具有緊急狀態(tài)下的自動(dòng)或手動(dòng)呼叫等功能；車(chē)廠(chǎng)和4S 店可獲得車(chē)輛狀態(tài)及故障等信息，向車(chē)主推送維修、保養等提醒信息^[1]。

0   引言

C-V2X（Cellular-Vehicle to Everything）是一種車(chē)用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，是將車(chē)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(chē)輛，X 代表任何與車(chē)交互信息的對象，目前X 主要包含車(chē)V、人P、路側基礎設施I（例如路側單元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可非常有效地降低交通事故，提高交通效率。目前C-V2X 設備（簡(jiǎn)稱(chēng)V-Box）已有新車(chē)開(kāi)始裝配，其可與其他車(chē)輛、RSU 等通過(guò)PC5 直連通信實(shí)現信息交互，并通過(guò)T-box 與移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行交互，獲取更多更遠的交通信息，這樣本車(chē)可通過(guò)這些信息判斷其他車(chē)輛的狀態(tài)、路況或行人的意圖等，從而做出預判并提醒駕駛員及時(shí)對車(chē)輛采取措施，以避免交通事故的發(fā)生，或者使車(chē)輛以最佳速度通過(guò)交通燈路口，減少車(chē)輛等待時(shí)間和道路擁堵幾率，提高道路通行效率等。

我國目前在大力推動(dòng)汽車(chē)的網(wǎng)聯(lián)化、智能化和電動(dòng)化，可以預見(jiàn)，隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展、基礎設施的完善、相關(guān)法規的實(shí)施，車(chē)聯(lián)網(wǎng)和以C-V2X 為核心的智能交通系統將逐漸普及，給車(chē)主帶來(lái)更加快捷、舒適、安全的駕駛體驗。

1   系統設計

系統結構如圖1 所示。

圖1 系統結構

2   系統特點(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)單獨的模塊，兩者之間、兩者和車(chē)上其他ECU 之間通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行信息交互，既可實(shí)現與移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )的網(wǎng)聯(lián)功能，也可實(shí)現C-V2X的PC5 直連通信；這樣既可實(shí)現車(chē)聯(lián)網(wǎng)的功能，又可實(shí)現C-V2X 功能（如V2V、V2I、V2N）。

該架構可在已具有T-box 的車(chē)型上增加V-Box 進(jìn)行升級增配，根據不同的車(chē)型等級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(guò)以太網(wǎng)將與移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )通信的上下行數據與V-Box 或車(chē)內其他設備（如信息娛樂(lè )系統）進(jìn)行交互。網(wǎng)聯(lián)模塊配備主輔兩個(gè)外置天線(xiàn)，主天線(xiàn)具有收發(fā)功能，輔天線(xiàn)具有接收功能。為了在天線(xiàn)出現故障時(shí)能及時(shí)發(fā)現并通知車(chē)主，T-box 需具備天線(xiàn)開(kāi)、短路診斷功能；網(wǎng)聯(lián)模塊和微處理器MCU 通過(guò)UART等進(jìn)行狀態(tài)交互。在待機模式下，為了可遠程快速喚醒T-box，網(wǎng)絡(luò )模塊處于DRX 模式，當待機超過(guò)一定時(shí)間（如14 天），為減少對車(chē)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(guò)總線(xiàn)收發(fā)器收發(fā)車(chē)輛總線(xiàn)消息并進(jìn)行解碼，根據車(chē)輛發(fā)送的總線(xiàn)消息（如車(chē)輛點(diǎn)火、熄火等），對T-box 整機進(jìn)行開(kāi)機、待機等控制，并對各模塊電源進(jìn)行管理，實(shí)現關(guān)鍵模塊的正確上電時(shí)序以及整機在待機模式下的低功耗要求。MCU 同時(shí)還對自身和其他模塊進(jìn)行監控，避免整機進(jìn)入死循環(huán)等狀態(tài)，如網(wǎng)聯(lián)模塊發(fā)送定時(shí)信號給MCU，如果MCU超時(shí)未收到此信號，則認為網(wǎng)聯(lián)模塊出現意外并強制對其進(jìn)行復位。

3）總線(xiàn)收發(fā)器為CAN 收發(fā)器，可根據整車(chē)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )選擇高速CAN 或CAN FD。使用CAN FD 可在T-box待機狀態(tài)下根據總線(xiàn)報文確定是否喚醒T-box，從而降低功耗。

4）電源模塊的設計在兼顧成本的前提下要考慮幾個(gè)因素：整機和各模塊峰值電流的要求，待機模式下低功耗的要求，關(guān)鍵模塊的供電診斷，車(chē)廠(chǎng)或國標的電源測試標準要求（如ISO7637、傳導輻射測試、傳導抗擾測試等）。

3.2 V-Box用于PC5直連通信（如和其他車(chē)輛、RSU的通信）

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

2）MCU 除了接收解碼CAN 消息用于V-box 整機的開(kāi)關(guān)機控制和各模塊的電源管理，還將與車(chē)輛狀態(tài)相關(guān)的CAN 消息（如車(chē)輛速度、左右轉彎、剎車(chē)、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?chē)?chē)輛；MCU 同時(shí)還對自身和其他模塊如直連通信模塊、應用處理器進(jìn)行監控，以避免出現死循環(huán)等問(wèn)題。

3）由于V-Box 要處理的C-V2X 消息數據量大，如按周?chē)?00 m 范圍內有200 輛車(chē)、每輛車(chē)交互10 條消息/ 秒計算，V-Box 每秒需要處理2 000 條消息，對處理器的算力要求高，因此需要外加應用處理器專(zhuān)門(mén)用于C-V2X 消息的處理。

4）由于C-V2X 對定位精度和時(shí)間精度要求高，除了有通信模塊內置的模塊用于GNSS 數據接收、定位和授時(shí)外，還需要外加慣性測量單元IMU（陀螺儀+ 加速度計）和專(zhuān)門(mén)的算法用于特殊場(chǎng)景的定位和授時(shí)，例如隧道、高樓林立的市區等。

5）硬件安全模塊HSM 主要用于C-V2X 消息的簽名、驗簽、證書(shū)驗證以及秘鑰存儲等，需要支持相應的國密算法。

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(guò)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)將V-Box 產(chǎn)生的前向碰撞預警、車(chē)輛失控等預警信息轉發(fā)給其他系統，為駕駛員提供及時(shí)的圖文、語(yǔ)音預警。如果車(chē)輛配備駕駛輔助系統，V-Box 還可作為傳感器，該系統在綜合V-Box、雷達、攝像頭、超聲波等的輸入后進(jìn)行運算決策，然后對車(chē)輛進(jìn)行相應控制（如剎車(chē)、減速等）。

4   實(shí)際應用

本系統所介紹的方案已應用在實(shí)際產(chǎn)品中，可實(shí)現TCSAE-53-2017 標準中的安全和效率類(lèi)場(chǎng)景，例如V2I 場(chǎng)景的道路危險狀況提示、闖紅燈預警和綠波車(chē)速引導、弱勢交通參與者碰撞預警等；V2V 場(chǎng)景的前向碰撞預警、盲區提醒和故障車(chē)輛預警等，取得了良好的應用效果。

參考文獻：

[1] 中國汽車(chē)工程學(xué)會(huì ).TCSAE-53-2017合作式智能運輸系統車(chē)用通信系統應用層及應用數據交互標準[S].

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年6月期）