先進(jìn)的車(chē)載無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)推動(dòng)智能交通系統的發(fā)展

摘要： 智能交通系統(ITS)建立在網(wǎng)絡(luò )化的信息通信技術(shù)的基礎之上，以實(shí)現交通管理的最佳化和道路的有效利用為手段，提高行車(chē)的安全性、舒適性以及道路的運輸效率。本文介紹先進(jìn)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在推動(dòng)智能交通發(fā)展中所發(fā)揮的作用，以及中國汽車(chē)電子行業(yè)所面臨的全新發(fā)展機遇。

關(guān)鍵詞： 智能交通系統；ITS；毫米波雷達；ASV

智能交通系統(ITS)建立在網(wǎng)絡(luò )化的信息通信技術(shù)的基礎之上，以實(shí)現交通管理的最佳化和道路的有效利用為手段，提高行車(chē)的安全性、舒適性以及道路的運輸效率。據報道，日本在先進(jìn)安全自動(dòng)車(chē)(Advanced Safety Vehicle, ASV)概念中，把ITS所需要的重要駕駛支持系統歸納為包括如下方面：
*防止碰撞前方障礙物的支持系統；
*防止進(jìn)入彎道危險速度支持系統；
*制動(dòng)并用式車(chē)間距離定速控制ACC(全速度域控制)系統；
*防止越出車(chē)線(xiàn)支持系統；
*維持車(chē)線(xiàn)支持裝置；
*防止碰撞車(chē)輛周?chē)澜钦系K物系統；
*燈光隨動(dòng)系統(A FS)；
*被碰撞預知傷害降低系統；
*行人傷害降低及安全氣囊系統；
*睡意警報裝置；
*所有座位安全帶使用勸告裝置；
*后側方和側方信息提供裝置；
*緊急制動(dòng)信息提供裝置；
*夜間前方行人信息提供系統；

構建上述系統需要用于道路環(huán)境和車(chē)輛狀態(tài)檢測的各種傳感器以及用于信息提供、報警及操作支持的各種控制裝置。此外，與ASV道路交通和通信信息系統配套的車(chē)載信息通信系統(Telematics)要滿(mǎn)足兩方面的通信需求：1. 與道路信息的協(xié)調；2. 與通信系統的協(xié)調。因此，以汽車(chē)為中心的信息通信技術(shù)、先進(jìn)的駕駛控制系統和環(huán)境識別系統是汽車(chē)電子發(fā)展的下一波熱點(diǎn)，其中，核心技術(shù)之一就是先進(jìn)的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。

本文試圖向中國汽車(chē)電子、半導體和通信行業(yè)的技術(shù)人員概要介紹先進(jìn)的車(chē)載無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在推動(dòng)智能交通系統的發(fā)展中所發(fā)揮的作用，從而為中國汽車(chē)電子產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級提供參考。

車(chē)載無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)提供統一的

信息通信平臺

目前，領(lǐng)先的汽車(chē)制造商已經(jīng)開(kāi)始研發(fā)針對駕駛員的信息服務(wù)系統和信息通信系統。例如克萊斯勒集團和Hughes Telematics公司宣布將提供集合了信息娛樂(lè )、安全和遠程診斷功能的車(chē)載信息通信系統(Telematics)。福特公司將提供配備藍牙和微軟操作系統的汽車(chē)。Autonet Mobile公司也計劃推出能夠為車(chē)輛提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)的技術(shù)。

建立這些系統有望為制造商、零售商、消費者、導航服務(wù)提供商以及內容原創(chuàng )公司帶來(lái)新的附加價(jià)值。例如，基于陸地和衛星的技術(shù)將為安全、保密、信息娛樂(lè )、遠程診斷、維護通知和多播提供信息通信服務(wù)，最終有可能使遠程升級車(chē)載系統成為可能。如圖1所示，下一代智能交通系統將建立在先進(jìn)的移動(dòng)通信、衛星通信和互聯(lián)網(wǎng)的基礎之上。

圖1  基于互聯(lián)網(wǎng)的智能交通系統需要建立完善的車(chē)載信息通信系統
圖片來(lái)源：Hitachi公司

從上圖顯而易見(jiàn)，無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)將在智能交通系統中扮演重要的角色。瑞薩科技的專(zhuān)家指出(圖2)，為了滿(mǎn)足基于無(wú)線(xiàn)的信息通信系統的需要，汽車(chē)中有望出現一個(gè)智能交通電子控制單元(ITS ECU)，由它通過(guò)WLAN和專(zhuān)用短程通信(DSRC, Dedicated Short Range Communication)實(shí)現車(chē)與車(chē)之間、車(chē)與路之間的通信?？梢韵胂?，3G無(wú)線(xiàn)通信有著(zhù)廣闊的應用前景，本文在此不贅述。

圖2  以汽車(chē)為中心的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)
圖片來(lái)源：瑞薩科技

值得注意的是DSRC技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向。國際上，DSRC標準化體系分為歐、美、日三大陣營(yíng)所制訂。歐洲采用的是CEN／TC278標準、日本采用的是ISO／TC204標準，它們都選擇5.8GHz作為DSRC通信頻率；美國正逐步地將應用于智能交通領(lǐng)域內的自動(dòng)車(chē)輛識別的頻率轉向5.8GHz～5.9GHz系統，FCC（美國聯(lián)邦通信委員會(huì )）也正式將5.9GHz頻段批準用于專(zhuān)用短程通信。中國目前采用的是源于ISO／TC204國際標準化組織智能運輸系統技術(shù)委員會(huì )(國內編號為SAC／TC268)的5.795-5.815GHz  ISM頻段。目前，2.45GHz系統應用相對較少，沒(méi)有形成主流。

傳統上，DSRC是ITS智能交通系統領(lǐng)域中專(zhuān)門(mén)用于機動(dòng)車(chē)輛在高速公路等收費點(diǎn)實(shí)現不停車(chē)自動(dòng)收費EFC(Electronic Fee Collection)的技術(shù)，也就是長(cháng)距離RFID射頻識別(又稱(chēng)電子標簽E-tag)。DSRC標準主要涉及兩類(lèi)設備：路邊設備RSU(Road-Side Unit)和車(chē)載設備OBU(On-Board Unit)。正是通過(guò)路邊設備RSU與車(chē)載設備OBU之間建立通信，使得裝有OBU的機動(dòng)車(chē)輛在中速(50~60Km／h)情況下通過(guò)部置有RSU天線(xiàn)的門(mén)架時(shí)，實(shí)現車(chē)輛與路邊設備RSU的數據交換。

國際上，松下電器在CEATEC JAPAN 2006上展出了支持5.8GHz頻段DSRC的新一代ITS車(chē)載設備，這種通信系統將過(guò)去一直用于EFC的DSRC應用范圍擴展到了其他服務(wù)和安全行駛輔助領(lǐng)域，例如，接收交通擁堵信息等等。該產(chǎn)品預計將在2007年度投入實(shí)用。

此外，推出DSRC芯片方案的還有沖電氣工業(yè)、東光和TransCore公司。以TransCore公司研制出的Modem為例，它除了具備專(zhuān)用短距離通信功能之外，還能夠實(shí)現長(cháng)距離GPS和衛星通信的功能。據報道，該Modem的GPS精確度可達1米，并提供與汽車(chē)之間的多路通信通道，能夠給車(chē)輛提供安全服務(wù)，且具有自動(dòng)預警功能，并不受地域限制。該項技術(shù)將使汽車(chē)OEM廠(chǎng)商可以開(kāi)發(fā)出完整的預防安全系統，具備火災自動(dòng)報警以及防止相撞的功能。

利用DSRC技術(shù)避免汽車(chē)之間的相撞事故是一項尖端的技術(shù)研究目標。業(yè)內認為，DSRC基礎設施網(wǎng)絡(luò )的建設是一個(gè)相當漫長(cháng)的過(guò)程，這為中國半導體行業(yè)開(kāi)發(fā)具備WiMAX、DSRC、GPS甚至蜂窩電話(huà)通信功能的統一無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)，促進(jìn)智能交通系統的發(fā)展提供的重要機會(huì )?？梢灶A見(jiàn)的是，未來(lái)的汽車(chē)將成為一個(gè)隨時(shí)隨地由無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )連接的移動(dòng)通訊平臺。

利用毫米波雷達和圖像傳感器構建智能駕駛控制系統

據日本Hitachi公司的研究顯示，日本和西方國家正在努力開(kāi)發(fā)更為先進(jìn)的安全技術(shù)，其目標是把每年的交通事故和災害降低30%~50%，為此，要開(kāi)發(fā)一種新型的駕駛控制系統，這種的系統的主要功能包括：
*自適應巡航系統(ACC)；
*預防撞剎車(chē)系統(Precrash Safety System)；
*停止和前進(jìn)(Stop-And-Go)控制系統；
*車(chē)道保持系統(LKS)；

為了實(shí)現上述功能，需要采用一系列基于毫米波雷達的環(huán)境識別傳感器、圖像處理攝像機以及新型的剎車(chē)、方向盤(pán)和其它子系統。其中的關(guān)鍵無(wú)線(xiàn)電技術(shù)就是毫米波雷達傳感器。

圖3  環(huán)境識別技術(shù)在汽車(chē)中的應用
圖片來(lái)源：Hitachi公司

目前，國際汽車(chē)半導體廠(chǎng)家在毫米波雷達器件上已經(jīng)取得了一系列突破。例如，飛思卡爾半導體已經(jīng)展示了使用硅鍺(SiGe)技術(shù)的面向77GHz頻帶毫米波雷達的射頻(RF)芯片。該芯片主要面向在部分汽車(chē)上配備的車(chē)與車(chē)之間的間距控制系統及預防撞安全系統等的車(chē)間距檢測用途。與此同時(shí)，飛思卡爾還開(kāi)發(fā)將射頻芯片與接口IC、微控制器一起封裝的毫米波雷達模塊，以及旨在使該模塊實(shí)現小型化的小型天線(xiàn)。由于通用毫米波雷達將來(lái)會(huì )成為必不可少的裝備，據稱(chēng)，該公司今后還將對毫米波雷達的所有技術(shù)進(jìn)行不斷開(kāi)發(fā)。

此外，新日本無(wú)線(xiàn)公司成功開(kāi)發(fā)了使用76GHz頻帶的面向車(chē)載毫米波雷達的VCO。在A(yíng)lN底板上形成基于微帶線(xiàn)的電路后，通過(guò)表面封裝耿氏二極管及變容二極管形成VCO。日本村田公司也推出了采用介質(zhì)振蕩器、振蕩頻率為38GHz的VCO。京瓷不久前也推出了兩款用于60GHz頻段無(wú)線(xiàn)通信和76GHz頻段車(chē)載雷達等毫米波頻段的陶瓷天線(xiàn)。

在實(shí)際使用的過(guò)程中，雷達系統與偏航速率傳感器采用一體化設計，配備于車(chē)前隔柵后方。成功的案例包括：德?tīng)柛Ｗ畲髾z測角度為15度的新型巡航控制系統毫米波雷達；雷克薩斯LS460車(chē)型使用毫米波雷達和攝像機實(shí)現車(chē)輛前方障礙物識別功能和后方車(chē)輛識別功能；日野為Profia車(chē)型增加的標配追尾減輕制動(dòng)系統，它利用毫米波雷達判斷出追尾危險后，發(fā)出警報音并起動(dòng)制動(dòng)器，通過(guò)追尾減輕制動(dòng)系統中的“預防撞安全系統 ”來(lái)防止碰撞。 

由于毫米波雷達產(chǎn)生的電波能夠穿透人體，從而給健康造成不良影響，因此毫米波雷達在能夠檢測的障礙物方面存在局限性，比如不能將行人作為障物來(lái)檢測等，只能借助于攝像技術(shù)。在這方面，NEC搶占日本市場(chǎng)半壁江山的“預防撞安全”系統市場(chǎng)，該公司利用車(chē)載圖像識別并行處理器，通過(guò)采用結合毫米波雷達及攝像頭等多個(gè)傳感器的信息進(jìn)行綜合處理的方式，檢測包括前方車(chē)輛及行人在內的立體物體的距離和速度，向駕駛員發(fā)出警報，從而減輕沖撞造成的傷害。因此，代表了環(huán)境識別技術(shù)的發(fā)展方向之一。圖3為基于毫米波雷達和圖像傳感器的環(huán)境識別技術(shù)在汽車(chē)中的應用的示意圖。

結語(yǔ)

隨著(zhù)智能交通系統的發(fā)展以及駕駛員對信息通信需求的增加，對路-車(chē)之間、車(chē)-車(chē)之間無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的需求與日俱增。

比較而言，傳統的車(chē)載無(wú)線(xiàn)電設備—收音機、GPS、遙控無(wú)鑰進(jìn)入、TPMS和GSM/GPRS設備等,都是相對獨立的無(wú)線(xiàn)電設備。在智能交通系統中，把無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、車(chē)載汽車(chē)計算平臺、信息顯示系統以及駕駛控制系統有機地結合起來(lái)，構成統一的ITS ECU或車(chē)載信息通信系統(Telematics)平臺，將對無(wú)線(xiàn)電通信技術(shù)提出更高的要求，設計過(guò)程中面臨的最大挑戰在于如何將不同標準和頻點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)電通信設備集成為一體。在此，軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)將有著(zhù)無(wú)限的應用空間。

由于智能交通系統的建設牽涉面廣，因此，需要汽車(chē)制造商與汽車(chē)電子、半導體、通信、軟件設計及內容提供等行業(yè)開(kāi)展廣泛的跨行業(yè)協(xié)作。此外，國家的產(chǎn)業(yè)政策支持以及相關(guān)標準的引導也是至關(guān)重要的。

參考文獻：
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