第4章智能網聯(lián)汽車網絡系統(tǒng)4.1網絡的類型與特點4.2車載網絡4.3車載自組織網絡4.4車載移動互聯(lián)網

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頁4.1網絡的類型與特點—類型以車內總線通信為基礎的車載網絡以短距離無線通信為基礎的車載自組織網絡以遠距離無線通信為基礎的車載移動互聯(lián)網絡

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頁4.1.1網絡的類型—車載網絡類型（1）A類低速網絡:傳輸速率一般小于10kbit/s（千比特每秒)，主流協(xié)議是LIN（局域互聯(lián)網絡），主要用于電動門窗、電動座椅、照明系統(tǒng)等（2）B類中速網絡：傳輸速率在10~125kbit/s之間，對實時性要求不太高，主要面向獨立模塊之間數據共享的中速網絡；主流協(xié)議是低速CAN（控制器局域網絡），主要用于故障診斷、空調、儀表顯示2024/8/234.1.1網絡的類型—車載網絡類型2024/8/23（3）C類高速網絡：傳輸速率在125~1000kbit/s之間，對實時性要求高，主要面向高速、實時閉環(huán)控制的多路傳輸網；主流協(xié)議是高速CAN、FlexRay（服樂克思睿）等，主要用于發(fā)動機控制、ABS、ASR、ESP、懸架控制等（4）D類多媒體網絡：傳輸速率在250kbit/s~100Mbit/s之間，網絡協(xié)議主要有MOST、以太網、藍牙、ZigBee技術等，主要用于要求傳輸效率較高的多媒體系統(tǒng)、導航系統(tǒng)等（5）E類安全網絡：傳輸速率為10Mbit/s，主要面向汽車安全系統(tǒng)的網絡4.1.1網絡的類型—車載網絡類型2024/8/234.1.1網絡的類型—車載自組織網絡車載自組織網絡是基于短距離無線通信技術自主構建的V2V、V2I、V2P之間的無線通信網絡，實現(xiàn)V2V、V2I、V2P之間的信息傳輸，使車輛具有行駛環(huán)境感知、危險辨識、智能控制等功能，并能夠實現(xiàn)V2V、V2I之間的協(xié)同控制2024/8/234.1.1網絡的類型—車載移動互聯(lián)網車載移動互聯(lián)網是基于遠距離通信技術構建的車輛與互聯(lián)網之間連接的網絡，實現(xiàn)車輛信息與各種服務信息在車載移動互聯(lián)網上的傳輸，使智能網聯(lián)汽車用戶能夠開展商務辦公、信息娛樂服務等2024/8/234.1.2網絡的特點（1）復雜化：智能網聯(lián)汽車電控系統(tǒng)的網絡體系結構復雜，它包含多達數百個ECU通信節(jié)點，ECU被劃分到十幾個不同的網絡子系統(tǒng)之中，由ECU產生的需要進行通信的信號個數多達數千個（2）異構化：為滿足各個功能子系統(tǒng)在網絡帶寬、實時性、可靠性和安全性的不同需求，CAN、LIN、FlexRay、MOST、以太網、自組織網絡、移動互聯(lián)網等多種網絡技術都將在智能網聯(lián)汽車上得到應用，因此，不同網絡子系統(tǒng)中所采用的網絡技術之間存在很大程度的異構性2024/8/234.1.2網絡的特點（3）網關互連的層次化架構：智能網聯(lián)汽車電控系統(tǒng)和先進駕駛輔助系統(tǒng)的網絡體系結構具有層次化特點，它同時包括同一網絡子系統(tǒng)內不同ECU之間的通信和兩個或多個網絡子系統(tǒng)所包含的ECU之間的跨網關通信等多種情況。如防碰撞系統(tǒng)功能的實現(xiàn)依賴于安全子系統(tǒng)、底盤控制子系統(tǒng)、車身子系統(tǒng)以及V2V、V2I、V2P之間的交互和協(xié)同控制（4）通信節(jié)點組成和拓撲結構是變化的：智能網聯(lián)汽車需要實現(xiàn)V2V、V2I、V2P之間的通信，它的網絡體系結構中包含的通信節(jié)點和體系結構的拓撲結構是變化的2024/8/234.2車載網絡車載網絡類型主要有CAN、LIN、FlexRay、MOST、以太網等2024/8/234.2.1

CAN總線網絡——定義CAN是控制器局域網絡（ControllerAreaNetwork）的簡稱，是德國博世公司在1985年時為了解決汽車上眾多測試儀器與控制單元之間的數據傳輸，而開發(fā)的一種支持分布式控制的串行數據通信總線。目前，CAN總線已經是國際上應用最廣泛的網絡總線之一，它的數據信息傳輸速率最大為1Mbit/s，屬于中速網絡，通信距離（無須中繼）最遠可達10km。2024/8/234.2.1

CAN總線網絡——特點CAN總線采用雙絞線作為傳輸介質，媒體訪問方式為位仲裁，是一種多主總線2024/8/234.2.1

CAN總線網絡——特點（1）多主控制：在總線空閑時，所有單元都可開始發(fā)送消息；最先訪問總線的單元可獲得發(fā)送權；多個單元同時開始發(fā)送時，發(fā)送高優(yōu)先級ID(標識符)消息的單元可獲得發(fā)送權（2）消息的發(fā)送：在CAN協(xié)議中，所有的消息都以固定的格式發(fā)送；總線空閑時，所有與總線相連的單元都可以開始發(fā)送新消息；兩個以上的單元同時開始發(fā)送消息時，對各消息ID的每個位進行逐個仲裁比較；仲裁獲勝（被判定為優(yōu)先級最高）的單元可繼續(xù)發(fā)送消息，仲裁失利的單元則立刻停止發(fā)送而進行接收工作2024/8/234.2.1

CAN總線網絡——特點（3）系統(tǒng)的柔軟性：與總線相連的單元沒有類似于“地址”的信息；因此在總線上增加單元時，連接在總線上的其他單元的軟硬件及應用層都不需要改變。（4）高速度和遠距離：當通信距離小于40m時，CAN總線的傳輸速率可以達到1Mbit/s；通信速度與其通信距離成反比，當其通信距離達到10km時，其傳輸速率仍可以達到約5kbit/s（5）遠程數據請求：可通過發(fā)送“遙控幀”請求其他單元發(fā)送數據2024/8/234.2.1

CAN總線網絡——特點（6）錯誤檢測功能、錯誤通知功能、錯誤恢復功能（7）故障封閉：CAN總線可以判斷出錯誤的類型是總線上暫時的數據錯誤（如外部噪聲等）還是持續(xù)的數據錯誤（如單元內部故障、驅動器故障、斷線等）；當總線上發(fā)生持續(xù)的數據錯誤時，可將引起此故障的單元從總線上隔離出去（8）連接：CAN總線可以同時連接多個單元，可連接的單元總數理論上是沒有限制的；但實際上可連接的單元數受總線上的時間延遲及電氣負載的限制；降低傳輸速率，可連接的單元數增加；提高傳輸速率，則可連接的單元數減少2024/8/234.2.1

CAN總線網絡——應用2024/8/234.2.2

LIN總線網絡——定義LIN是局部連接網絡（LocalInterconnectNetwork）的簡稱，也被稱為局域網子系統(tǒng)，是專門為汽車開發(fā)的一種低成本串行通信網絡，用于實現(xiàn)汽車中的分布式電子系統(tǒng)控制。LIN網絡的數據傳輸速率為20kbit/s，屬于低速網絡，媒體訪問方式為單主多從，是一種輔助總線，輔助CAN總線工作；使用LIN總線可大大降低成本2024/8/234.2.2

LIN總線網絡——特點（1）LIN總線的通信是基于SCI數據格式，媒體訪問采用單主節(jié)點、多從節(jié)點的方式，數據優(yōu)先級由主節(jié)點決定，靈活性好（2）一條LIN總線最多可以連接16個節(jié)點，共有64個標識符（3）LIN總線采用低成本的單線連接，傳輸速率最高可達20kbit/s（4）不需要進行仲裁，同時在從節(jié)點中無須石英或陶瓷振蕩器，只采用片內振蕩器就可以實現(xiàn)自同步，從而降低硬件成本2024/8/234.2.2

LIN總線網絡——特點（5）幾乎所有的MCU（微控制單元）均具備LIN所需硬件，且實現(xiàn)費用較低（6）網絡通信具有可預期性，信號傳播時間可預先計算（7）通過主機節(jié)點可將LIN與上層網絡（CAN）相連接，實現(xiàn)LIN的子總線輔助通信功能，從而優(yōu)化網絡結構，提高網絡效率和可靠性（8）LIN總線通信距離最大不超過40m2024/8/234.2.2

LIN總線網絡——應用LIN網絡主要應用于車窗、門鎖、開關面板、后視鏡等2024/8/234.2.3

FlexRay總線網絡——定義FlexRay是一種用于汽車的高速可確定性的、具備故障容錯的總線系統(tǒng)。汽車中的控制器件、傳感器和執(zhí)行器之間的數據交換主要是通過CAN網絡進行的。然而新的線控技術（X-by-wire）系統(tǒng)設計思想的出現(xiàn)，導致車輛系統(tǒng)對信息傳送速度尤其是故障容錯與時間確定性的需求不斷增加；FlexRay通過在確定的時間槽中傳送信息，以及在兩個通道上的故障容錯和冗余信息的傳送，可以滿足這些新增加的要求2024/8/234.2.3

FlexRay總線網絡——特點（1）數據傳輸速率高：最大傳輸速率可達到10Mbit/s，雙通道總數據傳輸速率可達到20Mbit/s，因此，應用在車載網絡上，F(xiàn)lexRay的網絡帶寬可以是CAN網絡的20倍（2）可靠性好：具有冗余數據傳輸能力的總線系統(tǒng)使用兩個相互獨立的信道，每個信道都由一組雙線導線組成；一個信道失靈時，該信道應傳輸的信息可在另一條沒有發(fā)生故障的信道上傳輸；此外，總線監(jiān)護器的存在進一步提高了通信的可靠性2024/8/234.2.3

FlexRay總線網絡——特點（3）確定性：確定性數據傳輸用于確保時間觸發(fā)區(qū)域內的每條信息都能實現(xiàn)實時傳輸（4）靈活性：靈活性是FlexRay總線的突出特點，體現(xiàn)在以下方面：支持多種方式的網絡拓撲結構，點對點連接、串級連接、主動星形連接、混合型連接等；信息長度可配置，可根據實際控制應用需求，為其設定相應的數據載荷長度；雙通道拓撲既可用于增加帶寬，也可用于傳輸冗余的信息；周期內靜態(tài)、動態(tài)信息傳輸部分的時間都可隨具體應用而改變2024/8/234.2.3

FlexRay總線網絡——應用（1）替代CAN總線：數據傳輸速率要求超過CAN的應用，F(xiàn)lexRay替代多條CAN總線（2）用做“數據主干網”：數據傳輸速率高，且支持多種拓撲結構，非常適合于車輛主干網絡，連接多個獨立網絡（3）用于分布式測控系統(tǒng)：分布式測控系統(tǒng)用戶要求確切知道消息到達時間，且消息周期偏差非常小，如動力系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)的一體化控制中。（4）用于高安全性要求的系統(tǒng)：FlexRay本身不能確保系統(tǒng)安全，但它具備大量功能以支持面向安全的系統(tǒng)設計2024/8/234.2.3

FlexRay總線網絡——應用2024/8/234.2.4

MOST總線網絡——定義MOST（多媒體定向系統(tǒng)傳輸）總線是使用光纖或雙絞線作為傳輸介質的環(huán)形網絡，可以同時傳輸音/視頻流數據、異步數據和控制數據，支持高達150Mbit/s的傳輸速率。MOST25是第1代總線標準，最高可支持24.6Mbit/s的傳輸速率，以塑料光纖作為傳輸介質；第2代標準MOST50的傳輸速率是MOST25的2倍，采用塑料光纖、非屏蔽雙絞線作為傳輸介質；第3代標準MOST150，不僅最高可支持147.5Mbit/s的傳輸速率，還解決了與以太網的連接等問題，MOST150將成為MOST總線技術發(fā)展的趨勢。2024/8/234.2.4

MOST總線網絡——特點（1）保證低成本條件下，最高可以達到147.5Mbit/s的速率（2）無論是否有主控計算機都可以工作（3）支持聲音和壓縮圖像的實時處理（4）支持數據的同步和異步傳輸（5）發(fā)送/接收器嵌有虛擬網絡管理系統(tǒng)（6）支持多種網絡連接方式，提供MOST設備標準（7）通過采用MOST，可以減輕線束的質量（8）光纖網絡不會受到電磁輻射干擾與搭鐵環(huán)的影響2024/8/234.2.4

MOST總線網絡——應用主要用于車載電視、車載電話、車載CD、車載互聯(lián)網、DVD導航等系統(tǒng)的控制；用在車載攝像頭等行車系統(tǒng)2024/8/23四種常用總線網絡傳輸速率與成本的比較2024/8/234.2.5以太網——定義以太網（Ethernet）是由美國施樂（Xerox）公司創(chuàng)建，并由施樂、英特爾（Intel）和數字裝備（DEC）公司聯(lián)合開發(fā)的基帶局域網規(guī)范，是當今現(xiàn)有局域網采用的最通用的通信協(xié)議標準以太網包括標準以太網（10Mbit/s）、快速以太網（100Mbit/s）、千兆以太網（1000Mbit/s）和萬兆以太網（10Gbit/s）2024/8/234.2.5以太網——特點（1）數據傳輸速率高：最大傳輸速率能達到10Gbit/s，并且還在提高，比任何一種現(xiàn)場總線都快（2）應用廣泛：以太網是一種標準的開放式網絡，不同廠商的設備很容易互聯(lián)（3）容易與信息網絡集成，有利于資源共享：由于具有相同的通信協(xié)議，以太網能實現(xiàn)與Internet的無縫連接，方便車輛網絡與地面網絡的通信2024/8/234.2.5以太網——特點（4）支持多種物理介質和拓撲結構：以太網支持多種傳輸介質，包括同軸電纜、雙絞線、光纜、無線等，使用戶可根據帶寬、距離、價格等因素作多種選擇（5）軟硬件資源豐富：大量的軟件資源和設計經驗可以顯著降低系統(tǒng)的開發(fā)成本，加快系統(tǒng)的開發(fā)和推廣速度（6）可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ螅很囕d網絡采用以太網，可以避免其發(fā)展游離于計算機網絡技術的發(fā)展主流之外，從而使車載網絡與信息網絡技術互相促進，共同發(fā)展2024/8/234.2.5以太網——應用博通、飛思卡爾和OmniVision推出了三方共同開發(fā)的360o全景停車輔助系統(tǒng)是世界上第一款基于以太網的停車輔助系統(tǒng)2024/8/234.2.5以太網——應用2024/8/234.3車載自組織網絡無線自組織網絡是一種不同于傳統(tǒng)無線通信網絡的技術，它是由一組具有無線通信能力移動終端節(jié)點組成的、具有任意和臨時性網絡拓撲的動態(tài)自組織網絡系統(tǒng)，其中每個終端節(jié)點既可作為主機，也可作為路由器使用。作為主機，終端具有運行各種面向用戶的應用程序的能力；作為路由器，終端可以運行相應的路由協(xié)議，根據路由策略和路由表完成數據的分組轉發(fā)和路由維護工作。2024/8/234.3.1車載自組織網絡的定義一種自組織、結構開放的車輛間通信網絡，通過結合GPS及無線通信技術，如無線局域網、蜂窩網絡等，可為處于高速移動狀態(tài)的車輛提供高速率的數據接入服務，并支持V2V、V2I之間的信息交互，已成為保障車輛行駛安全，提供高速數據通信、智能交通管理及車載娛樂的有效技術。車載自組織網絡是智能交通系統(tǒng)未來發(fā)展的通信基礎，也是智能網聯(lián)汽車安全行駛的保障2024/8/234.3.2車載自組織網絡的類型車載自組織網絡結構主要有V2V、V2I、V2PV2V是通過GPS定位輔助建立無線多跳連接，從而能夠進行暫時的數據通信，提供行車信息、行車安全等服務V2I能夠通過接入互聯(lián)網獲得更豐富的信息與服務V2P研究剛剛起步。2024/8/234.3.2車載自組織網絡的類型2024/8/234.3.2車載自組織網絡的類型（1）車間自組織型：車輛之間形成自組織網絡，不需借助路側單元，這種通信模式也稱之為V2V通信模式，也是傳統(tǒng)移動自組織網絡的通信模式（2）無線局域網/蜂窩網絡型：在這種通信模式下，車輛節(jié)點間不能直接通信，必須通過接入路側單元互相通信，這種通信模式也稱為V2I通信模式，相比車間自組織型，路側單元建設成本較高（3）混合型：混合型是前兩種通信模式的混合模式，車輛可以根據實際情況選擇不同的通信方式2024/8/234.3.3車載自組織網絡的路由協(xié)議類型路由協(xié)議是一種指定數據包轉送方式的網上協(xié)議負責將數據分組從源節(jié)點通過網絡轉發(fā)到目的節(jié)點；包括尋找源節(jié)點和目的節(jié)點的優(yōu)化路徑；將數據分組沿著優(yōu)化路徑正確轉發(fā)2024/8/234.3.3車載自組織網絡的路由協(xié)議類型單播路由：是指數據包源節(jié)點向網絡中一個節(jié)點轉發(fā)數據廣播路由：是指數據包源節(jié)點向網絡中的所有其他節(jié)點轉發(fā)數據多（組）播路由：是指數據包源節(jié)點向網絡中多個節(jié)點轉發(fā)數據2024/8/234.3.3車載自組織網絡的路由協(xié)議類型基于拓撲結構的路由協(xié)議：是指網絡中的節(jié)點通過周期性地廣播路由信息得到其他節(jié)點的位置信息從而選擇下一跳進行數據包轉發(fā)2024/8/234.3.3車載自組織網絡的路由協(xié)議類型基于地理位置的路由：路由協(xié)議通過位置服務方式實時準確地獲取自身車輛和目的車輛的位置信息，同時通過路由廣播的方式獲得廣播范圍內鄰居節(jié)點的位置信息，根據分組轉發(fā)策略擇優(yōu)選擇下一跳進行數據包轉發(fā)基于移動預測的路由：由于節(jié)點的移動性，通過節(jié)點速度、加速度、距離和時間等參數，預測通信鏈路的生命周期，即可預測該路由路徑的有效期2024/8/234.3.3車載自組織網絡的路由協(xié)議類型基于路側單元的路由：借助于道路的路側單元（RSU），可以解決車輛在稀疏情況下，導致節(jié)點鏈路中斷；RSU為路邊可靠的固定節(jié)點，具有高帶寬、低誤碼率和低延遲傳輸特點，并作為主干鏈路，當車輛節(jié)點出現(xiàn)鏈路中斷時，RSU將采用存儲轉發(fā)策略來發(fā)送數據包基于概率的路由：用概率描述車輛節(jié)點在某一段時間內該鏈路還未斷開或存在的可能性；在該路由協(xié)議中，需要建立相關的模型，并且這些模型的建立是基于某些網絡特性的前提下，這樣才能統(tǒng)計相關的變量的分布信息2024/8/234.3.4車載自組織網絡的特點節(jié)點速度變化大：節(jié)點的可能速度在0~200km/h之間。節(jié)點速度很大時對應用程序的影響也很大，比如由于速度太快，導致即時環(huán)境變化太快，使得對環(huán)境感知的應用也變得困難。在另外一種極端情況下，即節(jié)點幾乎不移動，網絡拓撲相對穩(wěn)定。然而，車輛的緩慢移動意味著車輛密度很大，這會導致高干擾、介質接入等諸多問題2024/8/234.3.4車載自組織網絡的特點運動模式多變：車輛是在預定義的道路上行駛的，一般情況下有兩個行駛方向。在十字路口時，車輛的行駛方向具有不確定性。將道路分為高密度城市道路、高速公路和鄉(xiāng)村道路三種類型。城市場景下，交通流非常的無序；高速公路上的車速度快，幾乎整個運動都是處于一維情況；鄉(xiāng)村道路上很難形成連通的網絡2024/8/234.3.4車載自組織網絡的特點節(jié)點密度：在相同的無線通信范圍內，可能存在零到幾十、甚至上百的車輛；當節(jié)點密度非常小時，幾乎不可能完成瞬時消息轉發(fā)，需要更復雜的消息傳播機制，可以先存儲信息，并在車輛相遇時轉發(fā)信息。這樣可能導致一些信息被同一車輛重復多次。當節(jié)點密度很大時，消息只可能被選定的節(jié)點重復，否則會導致重載信道。節(jié)點密度與時間也相關。在白天，高速公路和城市中節(jié)點密度較高，足以實現(xiàn)瞬時轉發(fā)，有足夠的時間使路由處理分段網絡。但在夜間，無論哪種類型的道路，車輛都很少2024/8/234.3.4車載自組織網絡的特點節(jié)點異構性：在車載自組織網絡中，節(jié)點有許多不同種類。車輛和路側單元的區(qū)別。而車輛可以進一步分為城市公交、私家車、出租車、救護車、道路建設和維修車輛等，并不是每輛車都要安裝所有的應用。例如只有救護車需要安裝能夠在其行駛路線上發(fā)出警告的應用。路側單元功能不同，可以簡單的向網絡發(fā)送數據，或者擁有自組織網絡的完整功能。此外，路側單元節(jié)點可以提供對背景網絡的訪問，如向交通管理中心報告道路狀況2024/8/234.3.4車載自組織網絡的特點可預測的運動性：盡管車輛節(jié)點的運行規(guī)律比較復雜，但車輛的運動趨勢在一定程度上仍然是可以預測的。在高速公路場景，根據車輛所處的車道、實時的道路狀況以及汽車自身的速度和方向就可以推測汽車在隨后短時間內的運動趨勢。在城市場景中，不同類型的車輛具有不同的運動趨勢。公交車的行駛平均速度緩慢且具有間隔性靜止狀態(tài)，因此根據公交節(jié)點的速度大小和道路特點就可以推測出短時間內的運動趨勢2024/8/234.3.5車載自組織網絡的應用場景碰撞預警2024/8/234.3.5車載自組織網絡的應用場景避免交通擁堵2024/8/234.3.5車載自組織網絡的應用場景緊急制動警告2024/8/234.3.5車載自組織網絡的應用場景并線警告2024/8/234.3.5車載自組織網絡的應用場景交叉路口違規(guī)警告2024/8/234.4

車載移動互聯(lián)網——定義移動互聯(lián)網：是以移動網絡作為接入網絡的互聯(lián)網及服務，包括移動終端、移動網絡和應用服務3個要素移動互聯(lián)網包含兩方面的含義：一方面，移動互聯(lián)網是移動通信網絡與互聯(lián)網的融合，用戶以移動終端接入無線移動通信網絡、無線城域網、無線局域網等方式訪問互聯(lián)網；另一方面，移動互聯(lián)網還產生了大量新型的應用，這些應用與終端的可移動、可定位和隨身攜帶等特性相結合，為用戶提供個性化的、位置相關的服務2024/8/234.4.1

車載移動互聯(lián)網的定義

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移動互聯(lián)網的特點（1）終端移動性：用戶可以在移動狀態(tài)下接入和使用互聯(lián)網服務，移動的終端便于用戶隨身攜帶和隨時使用（2）業(yè)務及時性。用戶使用移動互聯(lián)網能夠隨時隨地獲取自身或其他終端的信息，及時獲取所需的服務和數據（3）服務便利性：由于移動終端的限制，移動互聯(lián)網服務要求操作簡便，響應時間短（4）業(yè)務/終端/網絡的強關聯(lián)性：移動互聯(lián)網服務需要同時具備移動終端、接入網絡和運營商提供的業(yè)務3項基本條件（5）終端和網絡的局限性：在網絡能力方面，受到無線網絡傳輸環(huán)境、技術能力等因素限制；在終端能力方面，受到終端大小、處理能力、電池容量等的限制2024/8/234.