CONTENTS目錄項(xiàng)目引入01項(xiàng)目描述02項(xiàng)目目標(biāo)03知識(shí)鏈接04項(xiàng)目實(shí)施05項(xiàng)目小結(jié)0601項(xiàng)目引入項(xiàng)目引入車聯(lián)網(wǎng)(智能網(wǎng)聯(lián)汽車)產(chǎn)業(yè)是汽車、電子、信息通信、道路交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)深度融合的新興產(chǎn)業(yè)形態(tài)。發(fā)展車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè),有利于提升汽車網(wǎng)聯(lián)化、智能化水平,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛,發(fā)展智能交通,促進(jìn)信息消費(fèi),對(duì)我國(guó)推進(jìn)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革、推動(dòng)制造強(qiáng)國(guó)和網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)建設(shè)、實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。智能網(wǎng)聯(lián)汽車網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)作為智能網(wǎng)聯(lián)的血液,依托通信及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),以有線與無(wú)線通信的方式將動(dòng)力域、底盤域、座艙域、駕駛域以及車身域相聯(lián)結(jié),推動(dòng)智能座艙與智能駕駛的服務(wù)功能向更加多樣化的趨勢(shì)發(fā)展。目前智能網(wǎng)聯(lián)汽車上都采用了哪些網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)?這些網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)有什么特點(diǎn)?它們都支持哪些功能?這些都是客戶比較關(guān)注的問(wèn)題。本項(xiàng)目學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)的類型、特點(diǎn)和應(yīng)用。02項(xiàng)目描述項(xiàng)目描述隨著汽車智能化程度提升,智能座艙、智能網(wǎng)聯(lián)、智能駕駛等方面功能體驗(yàn)日益豐富,車輛、交通基礎(chǔ)設(shè)施、交通參與者、交通管理者及交通服務(wù)商之間的實(shí)時(shí)通信需求不斷提升,網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)在智能網(wǎng)聯(lián)汽車上的應(yīng)用日益廣泛。客戶在購(gòu)買或使用智能網(wǎng)聯(lián)汽車時(shí),非常關(guān)注車輛的網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù),請(qǐng)你針對(duì)某一款智能網(wǎng)聯(lián)汽車,向客戶介紹其網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及通信系統(tǒng),并在學(xué)習(xí)小組或班上進(jìn)行成果匯報(bào)。03項(xiàng)目目標(biāo)項(xiàng)目目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)1.了解智能網(wǎng)聯(lián)汽車網(wǎng)絡(luò)的組成及特點(diǎn);2.掌握CAN總線、LIN總線、MOST總線、FlexRay總線、車載以太網(wǎng)的定義及特點(diǎn);3.了解CAN總線、LIN總線、MOST總線、FlexRay總線、車載以太網(wǎng)的應(yīng)用;4.掌握V2X通信、C-V2X協(xié)同通信、專用短程通信(DSRC)的定義及特點(diǎn);5.了解V2X通信、C-V2X協(xié)同通信、DSRC的應(yīng)用。能力目標(biāo)1.能區(qū)別CAN總線、LIN總線、MOST總線、FlexRay總線、車載以太網(wǎng);2.能識(shí)別CAN總線、LIN總線、MOST總線、FlexRay總線、車載以太網(wǎng);3.能繪制整車車載網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D;4.能識(shí)別V2V通信、V2I通信、移動(dòng)通信等通信系統(tǒng);5.能結(jié)合實(shí)際車型說(shuō)明無(wú)線通信的應(yīng)用。項(xiàng)目目標(biāo)素質(zhì)目標(biāo)1.通過(guò)學(xué)習(xí)CAN總線、LIN總線、MOST總線等車載網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展與應(yīng)用,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神、奮斗精神和開(kāi)拓創(chuàng)新精神;2.通過(guò)學(xué)習(xí)車載以太網(wǎng)的應(yīng)用,培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維,認(rèn)識(shí)到凡事具有兩面性,學(xué)會(huì)一分為二地看待問(wèn)題;3.通過(guò)學(xué)習(xí)華為自主創(chuàng)新開(kāi)發(fā)的星閃技術(shù),培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí);4.通過(guò)學(xué)習(xí)C-V2X的發(fā)展,激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國(guó)的家國(guó)情懷和使命擔(dān)當(dāng)。04知識(shí)鏈接知識(shí)鏈接單元一智能網(wǎng)聯(lián)汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一、智能網(wǎng)聯(lián)汽車網(wǎng)絡(luò)的組成及特點(diǎn)

1.智能網(wǎng)聯(lián)汽車網(wǎng)絡(luò)的組成隨著汽車電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展,汽車上的傳感器越來(lái)越多,而且汽車上的傳感器和道路基礎(chǔ)設(shè)施上的傳感器也要互聯(lián)互通,這樣智能網(wǎng)聯(lián)汽車就會(huì)變成一個(gè)龐大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。智能網(wǎng)聯(lián)汽車網(wǎng)絡(luò)主要包括以車內(nèi)總線通信為基礎(chǔ)的車載網(wǎng)絡(luò)、以短距離無(wú)線通信為基礎(chǔ)的車載自組織網(wǎng)絡(luò)、以遠(yuǎn)距離無(wú)線通信為基礎(chǔ)的車載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)三種,如圖5-1所示。圖5-1智能網(wǎng)聯(lián)汽車網(wǎng)絡(luò)的組成知識(shí)鏈接

1)車載網(wǎng)絡(luò)車載網(wǎng)絡(luò)是指早期的汽車內(nèi)部傳感器、控制器和執(zhí)行器之間的通信用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連線方式連成復(fù)雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。典型的車載網(wǎng)絡(luò)類型包括CAN總線、LIN總線、FlexRay總線、MOST總線和車載以太網(wǎng)等總線技術(shù),如圖5-2所示。圖5-2車載網(wǎng)絡(luò)總線技術(shù)

知識(shí)鏈接為了方便研究和設(shè)計(jì)應(yīng)用,根據(jù)系統(tǒng)的復(fù)雜程度、傳輸流量、傳輸速度、傳輸可靠性和動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間等參量,美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)將車載網(wǎng)絡(luò)劃分為5種類型,分別為A類低速網(wǎng)絡(luò)、B類中速網(wǎng)絡(luò)、C類高速網(wǎng)絡(luò)、D類多媒體網(wǎng)絡(luò)和E類安全應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)。A類低速網(wǎng)絡(luò):傳輸速率一般小于10kbit/s,主流協(xié)議是LIN,主要用于電動(dòng)門窗、電動(dòng)座椅和照明系統(tǒng)等。B類中速網(wǎng)絡(luò):傳輸速率在10~125kbit/s,對(duì)實(shí)時(shí)性要求不太高,主要面向獨(dú)立模塊之間數(shù)據(jù)共享的中速網(wǎng)絡(luò)。主流協(xié)議是低速CAN,主要用于故障診斷、空調(diào)和儀表顯示。C類高速網(wǎng)絡(luò):傳輸速率在125~1000kbit/s,對(duì)實(shí)時(shí)性要求高,主要面向高速、實(shí)時(shí)閉環(huán)控制的多路傳輸網(wǎng)。主流協(xié)議是高速CAN、FlexRay等,主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)控制、ABS、ASR、ESP和懸架控制等。D類多媒體網(wǎng)絡(luò):傳輸速率在250kbit/s~100Mbit/s,網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主要有MOST、以太網(wǎng)、藍(lán)牙、紫蜂(ZigBee)技術(shù)等,主要用于對(duì)傳輸效率較高的多媒體系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)等。E類安全應(yīng)用網(wǎng)絡(luò):傳輸速率為10Mbit/s,主要面向汽車安全系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)。

知識(shí)鏈接2)車載自組織網(wǎng)絡(luò)車載自組織網(wǎng)絡(luò)是一種基于短距離無(wú)線通信技術(shù)自主構(gòu)建的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò),能使車輛具有行駛環(huán)境感知、危險(xiǎn)辨識(shí)、智能控制等功能。隨著無(wú)線通信技術(shù)與交通業(yè)聯(lián)系的日益密切,車載自組織網(wǎng)絡(luò)得到了大力發(fā)展。車載自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要包括V2V通信、V2I通信和V2P通信。V2V通信是通過(guò)GPS定位輔助建立無(wú)線多跳連接,從而能夠進(jìn)行暫時(shí)的數(shù)據(jù)通信,提供行車信息、行車安全等服務(wù);V2I通信能夠通過(guò)接入互聯(lián)網(wǎng)獲得更豐富的信息與服務(wù);V2P通信的研究剛剛起步,目前主要通過(guò)智能手機(jī)中的特種芯片提供行人和交通狀況。車載自組織網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)景主要包括碰撞預(yù)警、避免交通擁堵、緊急制動(dòng)警告、并線警告和交叉路口違規(guī)警告等。隨著車載自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,其應(yīng)用越來(lái)越廣泛,主要涉及安全、駕駛、公共服務(wù)、商用、娛樂(lè)等。

知識(shí)鏈接3)車載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)車載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)是基于遠(yuǎn)距離通信技術(shù)構(gòu)建的車輛與互聯(lián)網(wǎng)之間連接的網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)車輛信息與各種服務(wù)信息在車載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)上的傳輸,使智能網(wǎng)聯(lián)汽車用戶能夠開(kāi)展商務(wù)辦公、信息娛樂(lè)服務(wù)等。車載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)是先通過(guò)短距離通信技術(shù)在車內(nèi)建立無(wú)線個(gè)域網(wǎng)或無(wú)線局域網(wǎng),再通過(guò)4G/5G技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)連接,如圖5-3所示。車載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用就是車聯(lián)網(wǎng)。車聯(lián)網(wǎng)是指利用物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線通信、衛(wèi)星定位、云計(jì)算和語(yǔ)音識(shí)別等技術(shù),實(shí)現(xiàn)智能信號(hào)控制、實(shí)時(shí)交通誘導(dǎo)、交通秩序管理和交通信息服務(wù)等一系列交通管理與服務(wù)應(yīng)用,最終達(dá)到交通安全、行車高效、駕駛舒適和節(jié)能環(huán)保等目標(biāo)。

圖5-3車載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)鏈接2.智能網(wǎng)聯(lián)汽車網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)智能網(wǎng)聯(lián)汽車網(wǎng)絡(luò)主要有以下特點(diǎn)。1)復(fù)雜化智能網(wǎng)聯(lián)汽車電控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)復(fù)雜,它包含數(shù)百個(gè)ECU通信節(jié)點(diǎn),ECU被劃分到十幾個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)中,由ECU產(chǎn)生的需要進(jìn)行通信的信號(hào)個(gè)數(shù)多達(dá)數(shù)千個(gè)。2)異構(gòu)化為滿足各個(gè)功能子系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬、實(shí)時(shí)性、可靠性和安全性的不同需求,CAN、LIN、以太網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)都得到應(yīng)用。因此,不同網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)中所采用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之間存在很大程度的異構(gòu)性。3)網(wǎng)關(guān)互聯(lián)的層次化架構(gòu)智能網(wǎng)聯(lián)汽車電控系統(tǒng)和先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)具有層次化特點(diǎn),它同時(shí)包括同一網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)內(nèi)不同ECU之間的通信、兩個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)所包含的ECU之間的跨網(wǎng)關(guān)通信等多種情況。4)通信節(jié)點(diǎn)組成和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是變化的智能網(wǎng)聯(lián)汽車需要實(shí)現(xiàn)V2V、V2I、V2P之間的通信,它的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中包含的通信節(jié)點(diǎn)和體系結(jié)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是變化的。

知識(shí)鏈接二、車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)1.CAN總線1)定義控制器局域網(wǎng)絡(luò)(ControllerAreaNetwork,CAN),是ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議,它利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),將車載控制單元通過(guò)車載網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的高效傳輸。CAN總線由以研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國(guó)博世公司于1985年開(kāi)發(fā),并最終成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的總線技術(shù)之一,它的數(shù)據(jù)信息傳輸速率最大為1Mbit/s,屬于中速網(wǎng)絡(luò),通信距離(不需要中繼)最遠(yuǎn)可達(dá)10km,是汽車B類和C類網(wǎng)絡(luò)的主流總線。知識(shí)鏈接2)總體構(gòu)成CAN總線網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)有閉環(huán)和開(kāi)環(huán)兩種形式。閉環(huán)結(jié)構(gòu)如圖5-4所示,主要由電子控制單元、CAN數(shù)據(jù)總線及終端電阻組成。每塊電子控制單元的內(nèi)部包含一個(gè)CAN控制器和一個(gè)CAN收發(fā)器。總線兩端各連接一個(gè)120Ω的電阻,兩根信號(hào)線形成回路。這種CAN總線網(wǎng)絡(luò)由ISO11898標(biāo)準(zhǔn)定義,是高速、短距離的CAN網(wǎng)絡(luò),又稱高速CAN總線,通信速率為125kbit/s~1Mbit/s。圖5-4CAN總線網(wǎng)絡(luò)的閉環(huán)結(jié)構(gòu)知識(shí)鏈接CAN控制器接收控制單元中微處理器發(fā)出的數(shù)據(jù),處理數(shù)據(jù)并傳送給CAN收發(fā)器。同時(shí)也接收收發(fā)器收到的數(shù)據(jù),處理數(shù)據(jù)并傳給微處理器。CAN收發(fā)器將CAN控制器提供的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)并通過(guò)數(shù)據(jù)總線發(fā)送出,同時(shí),接收總線數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)傳給CAN控制器。CAN數(shù)據(jù)總線是用于傳輸數(shù)據(jù)的雙向串行總線,通常采用具有較強(qiáng)抗干擾能力的雙絞線,分為CAN高位線和CAN低位線,可以雙向傳遞數(shù)據(jù),可以防止電磁干擾對(duì)傳輸信息的影響,也可以防止本身對(duì)外界的干擾,如圖5-5所示。圖5-5CAN數(shù)據(jù)總線終端電阻又稱數(shù)據(jù)傳輸終端,避免數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時(shí)反射回來(lái)產(chǎn)生反射波而使數(shù)據(jù)遭到破壞。開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)的CAN總線網(wǎng)絡(luò),兩根信號(hào)線獨(dú)立,其余結(jié)構(gòu)與高速CAN類似,這種CAN總線網(wǎng)絡(luò)由ISO11519-2標(biāo)準(zhǔn)定義,是低速、遠(yuǎn)距離的CAN網(wǎng)絡(luò),又稱低速CAN總線,通信速率最高125kbit/s。知識(shí)鏈接3)特點(diǎn)CAN總線媒體訪問(wèn)方式為位仲裁,是一種多主總線、為事件觸發(fā)的實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)。具有以下幾大特點(diǎn)。(1)多主控制。多主控制是指在總線空閑時(shí),所有的單元都可開(kāi)始發(fā)送消息。最先訪問(wèn)總線的單元可獲得發(fā)送權(quán)(CSMA/CA方式,即帶有沖突避免的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)方式),多個(gè)單元同時(shí)開(kāi)始發(fā)送時(shí),發(fā)送高優(yōu)先級(jí)ID(標(biāo)識(shí)符)消息的單元可獲得發(fā)送權(quán)。(2)消息的發(fā)送。在CAN協(xié)議中,所有消息都以固定的格式發(fā)送。總線空閑時(shí),所有與總線相連的單元都可以開(kāi)始發(fā)送新消息。兩個(gè)以上的單元同時(shí)開(kāi)始發(fā)送消息時(shí),根據(jù)ID決定優(yōu)先級(jí)。ID并不是表示發(fā)送的目的地址,而是表示訪問(wèn)總線消息的優(yōu)先級(jí)。兩個(gè)以上的單元同時(shí)開(kāi)始發(fā)送消息時(shí),對(duì)各消息ID的每個(gè)位進(jìn)行逐個(gè)仲裁比較。仲裁獲勝(被判定為優(yōu)先級(jí)最高)的單元可繼續(xù)發(fā)送消息,仲裁失敗的單元?jiǎng)t立刻停止發(fā)送消息而進(jìn)行接收工作。(3)系統(tǒng)的柔軟性。與總線相連的單元沒(méi)有類似于“地址”的信息。因此在總線上增加單元時(shí),連接在總線上的其他單元的軟硬件及應(yīng)用層都不需要改變。

知識(shí)鏈接(4)高速度和遠(yuǎn)距離。當(dāng)通信距離小于40m時(shí),CAN總線的傳輸速率可以達(dá)到1Mbit/s。通信速度與其通信距離成反比,當(dāng)其通信距離達(dá)到10km時(shí),其傳輸速率仍可以達(dá)到約5kbit/s。(5)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求。所有的單元可通過(guò)發(fā)送“遙控幀”請(qǐng)求其他單元發(fā)送數(shù)據(jù)。(6)錯(cuò)誤檢測(cè)功能/錯(cuò)誤通知功能/錯(cuò)誤恢復(fù)功能。所有的單元都可以檢測(cè)錯(cuò)誤(錯(cuò)誤檢測(cè)功能)。檢測(cè)出錯(cuò)誤的單元會(huì)立即同時(shí)通知其他所有單元(錯(cuò)誤通知功能)。正在發(fā)送消息的單元一旦檢測(cè)出錯(cuò)誤,會(huì)強(qiáng)制結(jié)束當(dāng)前的發(fā)送。強(qiáng)制結(jié)束發(fā)送的單元會(huì)不斷反復(fù)地重新發(fā)送此消息直到成功發(fā)送為止(錯(cuò)誤恢復(fù)功能)。(7)故障封閉。CAN可以判斷出錯(cuò)誤的類型是總線上暫時(shí)的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤(如外部噪聲等)還是持續(xù)的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤(如單元內(nèi)部故障、驅(qū)動(dòng)器故障、斷線等)。當(dāng)總線上發(fā)生持續(xù)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤時(shí),可將引起此故障的單元從總線上隔離出去。(8)連接。CAN總線是可同時(shí)連接多個(gè)單元的總線?？蛇B接的單元總數(shù)理論上是沒(méi)有限制的,但實(shí)際上受總線上時(shí)間延遲及電氣負(fù)載限制。降低通信速度,可連接的單元數(shù)增加;提高通信速度,則可連接的單元數(shù)減少。

知識(shí)鏈接CAN總線在車輛的各個(gè)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用,包括貨車、客車、火車、纜車、叉車和許多其他車輛。傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車中,高速CAN總線主要連接發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元、ABS控制單元、安全氣囊控制單元及組合儀表等這些與汽車行駛直接相關(guān)的系統(tǒng)。這些系統(tǒng)由于信息傳遞量較大而且對(duì)信息傳遞速度有很高的要求,因此需要高速CAN總線來(lái)滿足其信息傳遞的需要。低速CAN總線主要連接中控鎖、電動(dòng)門窗、后視鏡、車內(nèi)照明燈等對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率要求不高的車身舒適系統(tǒng)。CAN總線在汽車上的應(yīng)用實(shí)例如圖5-6所示。

圖5-6CAN總線在汽車上的應(yīng)用實(shí)例知識(shí)鏈接近幾年發(fā)展迅速的新能源車,使用CAN總線進(jìn)行連接的電子模塊也逐漸增多,其中包括電池管理、電機(jī)控制、智能鑰匙、中控屏等。特別在新能源車的測(cè)試中,CAN總線數(shù)據(jù)可以幫助工程師更準(zhǔn)確地了解在不同工況下車內(nèi)各個(gè)部件的運(yùn)行情況,極大節(jié)省了工程師的時(shí)間。在汽車智能網(wǎng)聯(lián)時(shí)代,ADAS的普及不僅讓汽車集成了更多的傳感器,車載攝像頭以及娛樂(lè)系統(tǒng)對(duì)車載網(wǎng)絡(luò)的帶寬和延遲時(shí)間也提出了更高的要求,為了更好地適應(yīng)車上總線數(shù)據(jù)越來(lái)越多以及綠色節(jié)能的需求,很多車廠已經(jīng)開(kāi)始使用CANFD和CANPN。與CAN總線相比,CANFD在傳輸速率和每幀的數(shù)據(jù)量上面都有很大的提高,同時(shí)CANFD從物理設(shè)計(jì)上與CAN又比較接近,所以對(duì)于很多車廠而言其更新起來(lái)會(huì)相對(duì)比較容易。CANPN則是為了降低整車功耗,避免ECU在低功耗模式下被頻繁喚醒而推出的設(shè)計(jì)。知識(shí)鏈接2.LIN總線1)定義局域互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(LocalInterconnectNetwork,LIN),是一種低成本的串行通信網(wǎng)絡(luò),用于實(shí)現(xiàn)汽車中的分布式電子系統(tǒng)控制,如圖5-7所示,是目前常見(jiàn)的一種A類網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,與CAN以及其他B類或C類網(wǎng)絡(luò)比較,它的傳輸速率低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉。LIN總線的數(shù)據(jù)傳輸速率為20kbit/s,屬于低速網(wǎng)絡(luò),媒體訪問(wèn)方式為單主多從,是一種輔助總線,輔助CAN總線工作。圖5-7

LIN總線知識(shí)鏈接2)總體構(gòu)成LIN總線為單線總線。由于物理層限制,LIN總線系統(tǒng)一般包括三部分:主節(jié)點(diǎn)(也稱主控制單元)、從節(jié)點(diǎn)(也稱從控制單元)和單根導(dǎo)線。一個(gè)LIN總線系統(tǒng)最多可連接16個(gè)節(jié)點(diǎn),通常不超過(guò)12個(gè),且主節(jié)點(diǎn)有且僅有一個(gè),即單主多從的結(jié)構(gòu)。所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都包含一個(gè)從任務(wù),提供通過(guò)LIN總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù),主節(jié)點(diǎn)除了包含從任務(wù)外還包含一個(gè)主任務(wù),負(fù)責(zé)啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的通信。LIN總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5-8所示。圖5-8

LIN總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)知識(shí)鏈接(1)主節(jié)點(diǎn)。主節(jié)點(diǎn)的功能包括以下幾方面。①監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸過(guò)程和數(shù)據(jù)傳輸速率,發(fā)送信息標(biāo)題。②LIN主節(jié)點(diǎn)的軟件內(nèi)已經(jīng)設(shè)定了一個(gè)周期,該周期用于決定何時(shí)將哪些信息發(fā)送到LIN數(shù)據(jù)總線上以及發(fā)送多少次。③LIN主節(jié)點(diǎn)在LIN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)的LIN節(jié)點(diǎn)與CAN總線之間起“翻譯”作用,它是LIN總線系統(tǒng)中唯一與CAN數(shù)據(jù)總線相連的控制單元。④LIN主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行與相連LIN從節(jié)點(diǎn)間的自診斷。(2)從節(jié)點(diǎn)。從節(jié)點(diǎn)的功能包括以下幾方面。①接收、傳遞或忽略與從主系統(tǒng)接收到的信息標(biāo)題相關(guān)的數(shù)據(jù)。②可以通過(guò)一個(gè)“喚醒”信號(hào)喚醒主系統(tǒng)。③檢查接收/發(fā)送數(shù)據(jù)的總量。④只能按照主系統(tǒng)的要求與其他子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。知識(shí)鏈接3)特點(diǎn)LIN總線主要有以下特點(diǎn)。(1)采用單主多從的組網(wǎng)方式,無(wú)CAN總線那樣的仲裁機(jī)制,最多可連接16個(gè)節(jié)點(diǎn)(1主15從)。(2)對(duì)硬件要求簡(jiǎn)單,輔以簡(jiǎn)單驅(qū)動(dòng)程序便可實(shí)現(xiàn)LIN協(xié)議,所以幾乎所有的MCU均支持LIN。(3)不需要單獨(dú)的晶振,便能完成主、從節(jié)點(diǎn)的同步,硬件成本大幅降低。(4)僅使用一根信號(hào)線便可完成信息的傳輸,即所謂的單總線設(shè)備。(5)傳輸速率最高可達(dá)20kbit/s,符合A類網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn),滿足車身控制需要。(6)LIN網(wǎng)絡(luò)中新節(jié)點(diǎn)的加入,對(duì)網(wǎng)絡(luò)中其他原有節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)不會(huì)造成影響。知識(shí)鏈接4)應(yīng)用典型的LIN總線應(yīng)用是汽車的聯(lián)合裝配單元控制,如車門、方向盤、座椅、空調(diào)、照明燈、溫度傳感器和交流發(fā)電機(jī)等。圖5-9所示為L(zhǎng)IN總線在車燈控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由1個(gè)主節(jié)點(diǎn)和4個(gè)從節(jié)點(diǎn)(分別為左側(cè)前燈、右側(cè)前燈、左側(cè)后燈和右側(cè)后燈)構(gòu)成。主節(jié)點(diǎn)接收來(lái)自傳感器和CAN總線的信號(hào),經(jīng)過(guò)一定處理后,發(fā)送不同報(bào)文幀頭,以實(shí)現(xiàn)白天、傍晚、晚上、會(huì)車、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)各個(gè)模式或組合模式下,各從節(jié)點(diǎn)車燈的狀態(tài)控制。從節(jié)點(diǎn)1和從節(jié)點(diǎn)2包括遠(yuǎn)光燈、近光燈和側(cè)向燈,從節(jié)點(diǎn)3和從節(jié)點(diǎn)4包括尾燈和駐車燈。此外,對(duì)于主節(jié)點(diǎn)發(fā)出的報(bào)文幀,如果從節(jié)點(diǎn)沒(méi)有響應(yīng),則主節(jié)點(diǎn)上的報(bào)錯(cuò)指示燈點(diǎn)亮,并可以顯示出是哪個(gè)從節(jié)點(diǎn)發(fā)生了故障。圖5-9

LIN總線在車燈控制系統(tǒng)中的應(yīng)用知識(shí)鏈接3.MOST總線1)定義面向多媒體的系統(tǒng)傳輸(MediaOrientedSystemTransport,MOST)總線,是一種專門針對(duì)車內(nèi)使用而開(kāi)發(fā)的、服務(wù)于多媒體應(yīng)用的數(shù)據(jù)總線技術(shù)。自從2001年寶馬7系列汽車首次采用MOST技術(shù)以來(lái),該技術(shù)的普及速度突飛猛進(jìn)。MOST總線可連接汽車音響系統(tǒng)、車載電視、高保真音頻放大器、車載電話等模塊,其傳輸速率高達(dá)25Mbit/s,而且沒(méi)有電磁干擾,主要通過(guò)光纖進(jìn)行信號(hào)傳遞。最多可以同時(shí)傳送15個(gè)頻道的CD質(zhì)量的非壓縮音頻數(shù)據(jù),最多可以連接64個(gè)節(jié)點(diǎn)。知識(shí)鏈接2)總體構(gòu)成MOST總線利用光脈沖傳輸數(shù)據(jù),采用環(huán)形結(jié)構(gòu),如圖5-10所示,MOST總線中控制單元通過(guò)一根光導(dǎo)纖維沿環(huán)形方向?qū)?shù)據(jù)傳送至環(huán)形結(jié)構(gòu)中的下一個(gè)控制單元,這個(gè)過(guò)程一直持續(xù)到數(shù)據(jù)返回至最初傳送數(shù)據(jù)的控制單元為止,由此,形成了一個(gè)閉合的環(huán)路。在這個(gè)環(huán)路中只能朝著一個(gè)方向傳輸數(shù)據(jù)。如果MOST網(wǎng)絡(luò)中的某個(gè)控制模塊停止工作并且不能繼續(xù)傳遞光波,或者如果光纖電纜上有開(kāi)路,整個(gè)MOST網(wǎng)絡(luò)將停止工作,這樣所有在MOST網(wǎng)絡(luò)上的控制模塊也將停止工作。在增加控制模塊時(shí),MOST網(wǎng)絡(luò)的連線會(huì)增加并且信號(hào)路線可能會(huì)改變,這是因?yàn)槭褂昧宿D(zhuǎn)換器布線以連接新的控制模塊。圖5-10

MOST總線知識(shí)鏈接各個(gè)控制單元之間通過(guò)光導(dǎo)纖維相互連接而形成一個(gè)封閉環(huán)路,因此每個(gè)控制單元擁有兩根光導(dǎo)纖維,一根光導(dǎo)纖維用于發(fā)射器,另一根光導(dǎo)纖維用于接收器。需要使用專用插頭進(jìn)行連接。光導(dǎo)纖維上有端套,按照一定方向插入插座本體,再插入插頭殼體,如圖5-11所示。信號(hào)通過(guò)光波的形式在光導(dǎo)纖維中進(jìn)行傳輸,主要通過(guò)光的全反射,如圖5-12所示。光纖盡量不要彎折,彎折時(shí)半徑需要大于25mm,此時(shí),信號(hào)可正常傳遞,若半徑小于25mm,則會(huì)產(chǎn)生信號(hào)干擾,導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤。圖5-11

MOST總線插頭圖5-12信號(hào)傳輸知識(shí)鏈接3)特點(diǎn)MOST總線網(wǎng)絡(luò)具有以下特點(diǎn)。(1)在保證低成本的條件下,最高可以達(dá)到147.5Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。(2)無(wú)論是否有主控計(jì)算機(jī)都可以工作。(3)支持聲音和壓縮圖像的實(shí)時(shí)處理。(4)支持?jǐn)?shù)據(jù)的同步傳輸和異步傳輸。(5)發(fā)送器/接收器嵌有虛擬網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。(6)支持多種網(wǎng)絡(luò)連接方式,提供MOST設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)及方便、簡(jiǎn)潔的應(yīng)用系統(tǒng)界面。(7)采用MOST總線,不僅可以減輕連接各部件的線束的質(zhì)量、降低噪聲,而且可以減輕系統(tǒng)開(kāi)發(fā)技術(shù)人員的負(fù)擔(dān),最終在用戶處實(shí)現(xiàn)各種設(shè)備的集中控制。(8)光纖網(wǎng)絡(luò)不會(huì)受到電磁輻射干擾與搭鐵環(huán)的影響。知識(shí)鏈接4)應(yīng)用MOST總線在汽車上應(yīng)用廣泛,主要應(yīng)用在車輛的信息娛樂(lè)和多媒體系統(tǒng)中。例如,它可以連接車載音響系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航、手機(jī)接口以及后座娛樂(lè)系統(tǒng),如圖5-13所示。MOST網(wǎng)絡(luò)能夠同步傳輸高質(zhì)量的音頻和視頻信號(hào),為乘客提供一流的多媒體體驗(yàn)。此外,它也用于車輛內(nèi)部的攝像頭系統(tǒng),例如,用于倒車時(shí)的視覺(jué)輔助以及駕駛員疲勞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。圖5-13

MOST總線的應(yīng)用知識(shí)鏈接4.FlexRay總線1)定義隨著汽車電子電器架構(gòu)復(fù)雜度的提升,尤其當(dāng)前輔助駕駛系統(tǒng)、無(wú)人駕駛技術(shù)的快速發(fā)展,傳統(tǒng)的LIN、CAN總線已不堪重負(fù)且無(wú)法滿足未來(lái)高帶寬的要求,考慮到X-By-Wire(X代表汽車中的各個(gè)系統(tǒng),By-Wire又稱電子線控)應(yīng)用場(chǎng)景和更高的帶寬要求,CAN和LIN總線均無(wú)法滿足,而FlexRay則非常適用。FlexRay是一種用于汽車的高速、可確定性、具備故障容錯(cuò)能力的總線技術(shù),采用了基于時(shí)間觸發(fā)的機(jī)制,具有高帶寬、容錯(cuò)性好等特點(diǎn),在實(shí)時(shí)性、可靠性及靈活性方面都有很大的優(yōu)勢(shì),非常適用于安全性要求較高的線控場(chǎng)合及帶寬要求高的場(chǎng)合。傳輸速率為10Mbit/s,可采用雙絞線或光纖。2006年第一款采用FlexRay網(wǎng)絡(luò)并投入量產(chǎn)的車型是寶馬X5,應(yīng)用在電子控制減振系統(tǒng)中。知識(shí)鏈接2)總體構(gòu)成FlexRay節(jié)點(diǎn)主要由電源供給系統(tǒng)、主機(jī)、通信控制器、可選的總線監(jiān)控器和總線驅(qū)動(dòng)器組成。主機(jī)把FlexRay控制器分配的時(shí)間槽通知總線監(jiān)視器,總線監(jiān)視器允許FlexRay控制器在這些時(shí)間槽中傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可以隨時(shí)被接收。FlexRay節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖5-14所示。圖5-14

FlexRay節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)知識(shí)鏈接FlexRay的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要分為三種:總線型、星型和混合型?？偩€型拓?fù)涞闹饕獌?yōu)勢(shì)在于采用設(shè)計(jì)工程師熟悉的汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),因而可以有效控制成本。在需要更高帶寬、更短延遲時(shí)間或確定性行為,而同時(shí)容錯(cuò)功能并非必需的情況下,這種總線型拓?fù)浞浅Ｓ杏?典型的應(yīng)用就是直接替換CAN以滿足帶寬要求。而使用星型拓?fù)淇赏耆鉀Q容錯(cuò)問(wèn)題,因?yàn)槿绻霈F(xiàn)意外情況,星型拓?fù)涞闹房梢杂羞x擇地切斷。如果總線線纜長(zhǎng)度超過(guò)規(guī)定限制,星型拓?fù)溥€可以當(dāng)成復(fù)制器使用?？偩€型拓?fù)浜托切屯負(fù)渚С蛛p通道,即FlexRay總線有兩個(gè)通道,其最高速率都可達(dá)到10Mbit/s,也就是說(shuō),總線的兩個(gè)通道上的數(shù)據(jù)總速率可達(dá)20Mbit/s,網(wǎng)絡(luò)帶寬是CAN總線的20倍以上。而正是因?yàn)槭莾蓷l線路,能更好地實(shí)現(xiàn)冗余,使消息具有容錯(cuò)能力。圖5-15給出了FlexRay總線型拓?fù)涞腁、B雙通道傳輸結(jié)構(gòu),如果其中的某一通道出現(xiàn)故障,則可通過(guò)另一通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。但當(dāng)這兩條通道傳遞不同的信息時(shí),數(shù)據(jù)吞吐量將加倍。圖5-15雙通道傳輸結(jié)構(gòu)知識(shí)鏈接3)特點(diǎn)FlexRay提供了傳統(tǒng)車內(nèi)通信協(xié)議不具備的大量特性,包括以下三方面。(1)高速率和容錯(cuò)性。FlexRay支持兩通道,可通過(guò)一個(gè)或兩個(gè)通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,單個(gè)通道的數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)10Mbit/s,通過(guò)兩通道平行傳輸數(shù)據(jù)時(shí)可達(dá)20Mbit/s。也可通過(guò)雙通道傳輸相同的數(shù)據(jù),這種方式也是真實(shí)情況下大多應(yīng)用的方式,稱為通過(guò)冗余備份來(lái)實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)。當(dāng)其中某個(gè)通道出現(xiàn)故障或信息有誤時(shí),另一通道可繼續(xù)正常傳輸,并不會(huì)互相影響對(duì)方的數(shù)據(jù)傳輸。(2)確定性。FalexRay是一種時(shí)間觸發(fā)式的總線系統(tǒng),因此在時(shí)間控制區(qū)域內(nèi),時(shí)隙會(huì)分配給確定的消息,即會(huì)將規(guī)定好的時(shí)間段分配給特定的消息。時(shí)隙是經(jīng)固定周期重復(fù),也就是說(shuō)信息在總線上的時(shí)間可以預(yù)測(cè)出來(lái),因此保證了其確定性。這就意味著控制信號(hào)是根據(jù)預(yù)定義的時(shí)間進(jìn)度傳輸?shù)?無(wú)論系統(tǒng)外部發(fā)生什么情況,都不會(huì)產(chǎn)生計(jì)劃外事件。知識(shí)鏈接(3)靈活性。在FlexRay協(xié)議的開(kāi)發(fā)過(guò)程中,關(guān)注的主要問(wèn)題是靈活性。FlexRay除了支持時(shí)間觸發(fā)式通信外,還可通過(guò)事件觸發(fā)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸,例如,對(duì)于時(shí)間要求不高的信息,可配置在事件控制區(qū)域內(nèi)傳輸,形成以時(shí)間觸發(fā)為主,兼顧事件觸發(fā)的靈活特性。此外,FlexRay的拓?fù)涫嵌鄻拥?有總線型、星型和混合型三大類。再結(jié)合單通道和雙通道的使用,由于FlexRay的兩個(gè)通道可相互獨(dú)立實(shí)現(xiàn),因此兩個(gè)通道可采用不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),例如,一個(gè)通道為主動(dòng)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),另一個(gè)為總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),最終組合的結(jié)果可形成很多種。再例如,既有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的線型結(jié)構(gòu)和多節(jié)點(diǎn)的線型結(jié)構(gòu),還有增加冗余性的雙通道星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等。在線型總線和帶無(wú)源的星型連接中,兩個(gè)總線成員之間的最大距離為24m。知識(shí)鏈接4)應(yīng)用FlexRay總線網(wǎng)絡(luò)具有速度快、效率高、容錯(cuò)性強(qiáng)等特點(diǎn),可用于汽車動(dòng)力和底盤系的控制數(shù)據(jù)傳輸,有以下三方面。(1)替代CAN總線。當(dāng)單一CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸速率不能滿足要求時(shí),會(huì)采用兩條或多條CAN總線來(lái)實(shí)現(xiàn),FlexRay總線將是替代這種多總線解決方案的理想選擇。(2)用作“數(shù)據(jù)主干網(wǎng)”。FlexRay總線網(wǎng)絡(luò)具有很高的數(shù)據(jù)傳輸速率,并且支持多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),經(jīng)常用于分布式測(cè)控系統(tǒng)。分布式測(cè)控系統(tǒng)用戶要求知道消息到達(dá)的準(zhǔn)確時(shí)間,并且消息周期偏差非常小,如動(dòng)力系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)的一體化控制。(3)用于高安全性要求的系統(tǒng)。FlexRay總線本身不能確保系統(tǒng)安全,但它具備大量功能以支持面向安全的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。奧迪A8中的FlexRay總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使用FlexRay總線可以實(shí)現(xiàn)駕駛動(dòng)態(tài)控制、車距控制、自適應(yīng)巡航控制和圖像處理等功能。奧迪A8上的FlexRay總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5-16所示。圖5-16奧迪A8中的FlexRay總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)知識(shí)鏈接4種常用的總線網(wǎng)絡(luò)傳輸速率與成本的比較如圖5-17所示。圖5-174種常用的總線網(wǎng)絡(luò)傳輸速率與成本的比較知識(shí)鏈接5.車載以太網(wǎng)1)定義以太網(wǎng)最早由Xerox(施樂(lè))公司創(chuàng)建,1980年,DEC(美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司)、Intel(英特爾公司)和Xerox三家公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的基帶局域網(wǎng)規(guī)范,是當(dāng)今現(xiàn)有局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)包括標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)(10Mbit/s)、快速以太網(wǎng)(100Mbit/s)、千兆以太網(wǎng)(1000Mbit/s)和萬(wàn)兆以太網(wǎng)(10Gbit/s)。汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化甚至自動(dòng)駕駛時(shí)代已經(jīng)到來(lái),ADAS技術(shù)的不斷創(chuàng)新,高質(zhì)量汽車娛樂(lè)音頻和視頻的應(yīng)用,以及空中下載(OTA)、V2X、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)的發(fā)展都取得了進(jìn)展。車載網(wǎng)絡(luò)容量需求的爆炸性發(fā)展明顯超過(guò)了傳統(tǒng)車載網(wǎng)絡(luò)(如CAN或FlexRay)的承載能力,這也是以太網(wǎng)和汽車深度融合的機(jī)會(huì)。車載以太網(wǎng)是一種用以太網(wǎng)連接車內(nèi)電子單元的新型局域網(wǎng)技術(shù),傳輸介質(zhì)采用單對(duì)非屏蔽雙絞線或光纖,傳輸速率為100Mbit/s~10Gbit/s,同時(shí)還滿足汽車行業(yè)對(duì)高可靠性、低電磁輻射、低功耗、帶寬分配、低延遲以及高嚴(yán)格的時(shí)間同步實(shí)時(shí)性等方面的要求。知識(shí)鏈接2)相關(guān)技術(shù)(1)物理層技術(shù)。車載以太網(wǎng)的物理層有著較嚴(yán)格的電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)要求,傳統(tǒng)以太網(wǎng)無(wú)法直接在車載環(huán)境下布線。而博通公司的BroadR-Reach技術(shù)是一個(gè)良好的解決方案。BroadR-Reach的物理層技術(shù)已經(jīng)由OPEN聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)化,該物理層技術(shù)的特點(diǎn)是只用單對(duì)UTP(非屏蔽雙絞線)完成百兆甚至是千兆級(jí)別的數(shù)據(jù)傳輸速率,而普通的民用以太網(wǎng)是使用的4對(duì)UTP電纜。BroadR-Reach系統(tǒng)如圖5-18所示,相較于普通的百兆以太網(wǎng),布線的復(fù)雜程度與成本已經(jīng)顯著降低。圖5-18

BroadR-Reach系統(tǒng)知識(shí)鏈接以太網(wǎng)供電(PoE)技術(shù)是一種可以通過(guò)CAT5線纜傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)同時(shí)為該以太網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行直流供電的技術(shù)。IEEE802.3af(15.4W)是第一個(gè)PoE標(biāo)準(zhǔn),是現(xiàn)在PoE應(yīng)用的主流實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802.3at(25.5W)應(yīng)大功率終端的需求而誕生,在兼容IEEE802.3af的基礎(chǔ)上,提供更大的供電需求,可以滿足視頻監(jiān)控系統(tǒng)等大功率應(yīng)用的需求。如果在車載以太網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)PoE技術(shù),將使線纜數(shù)量減少,使成本降低,在電動(dòng)車上應(yīng)用前景更為廣闊。知識(shí)鏈接(2)鏈路層協(xié)議。雖然以太網(wǎng)有著低廉成本和靈活性的優(yōu)勢(shì),但是在車載以太網(wǎng)鏈路層協(xié)議方面,還需要解決以太網(wǎng)時(shí)間同步問(wèn)題和對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸問(wèn)題。目前技術(shù)最為成熟的兩項(xiàng)技術(shù)是以太網(wǎng)音頻視頻橋接和時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)。以太網(wǎng)音頻視頻橋接(EthernetAudio/VideoBridging,EAVB)是在傳統(tǒng)以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上,使用精準(zhǔn)時(shí)鐘同步,通過(guò)保障帶寬來(lái)限制傳輸延遲,提供高級(jí)別服務(wù)質(zhì)量以支持各種基于音頻視頻的媒體應(yīng)用。AVB協(xié)議集如圖5-19所示。AVB工作組在2012年11月正式更名為時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)工作小組(Time-SensitiveNetworking,TSN),在更名為TSN后,對(duì)部分原標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂,同時(shí)增添了幾個(gè)性能改進(jìn)標(biāo)準(zhǔn),以便更好地適應(yīng)汽車需要。圖5-19

AVB協(xié)議集知識(shí)鏈接時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)(TimeTriggeredEthernet,TTEthernet)首次由Kopetz等人提出,是一種基于IEEE802.3以太網(wǎng)之上的汽車或工業(yè)領(lǐng)域的實(shí)時(shí)通信候選網(wǎng)絡(luò)。它允許實(shí)時(shí)的時(shí)間觸發(fā)通信與低優(yōu)先級(jí)的事件觸發(fā)通信共存,使以太網(wǎng)具備滿足高安全等級(jí)的系統(tǒng)要求的同時(shí),依然可以承擔(dān)對(duì)實(shí)時(shí)性要求不過(guò)于嚴(yán)格,但仍然需要高帶寬的以太網(wǎng)傳輸需求。TTTech公司開(kāi)發(fā)的TTEthernet已經(jīng)通過(guò)了美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)化(SAEAS6802)。知識(shí)鏈接3)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)車載以太網(wǎng)常見(jiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有星型、菊花鏈型和樹(shù)型,這些結(jié)構(gòu)在交換式以太網(wǎng)中支持IEEE802.3和IEEE802.1Q標(biāo)準(zhǔn)。星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5-20所示,其特點(diǎn)是管理方便、極易擴(kuò)展、安裝維護(hù)成本低,但由于需要專用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(如交換機(jī))作為其核心節(jié)點(diǎn),對(duì)核心設(shè)備的負(fù)擔(dān)較重,可靠性要求高,各節(jié)點(diǎn)的分布處理能力較低。菊花鏈型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5-21所示,其特點(diǎn)是由星型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成,通過(guò)菊花鏈或串行的方式增加下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。菊花鏈型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)容易擴(kuò)展,各節(jié)點(diǎn)可以分布處理,網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的負(fù)擔(dān)相對(duì)較輕,但節(jié)點(diǎn)之間的通信較復(fù)雜,安裝維護(hù)成本較高。圖5-20星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖5-21菊花鏈型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)知識(shí)鏈接結(jié)合以上兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了樹(shù)型結(jié)構(gòu),在汽車網(wǎng)絡(luò)中權(quán)衡了良好的分布處理性能和安裝維護(hù)成本,圖5-22給出了一種樹(shù)型結(jié)構(gòu)的車載以太網(wǎng)的實(shí)施方法。圖5-22樹(shù)型知識(shí)鏈接4)特點(diǎn)當(dāng)前越來(lái)越多車廠開(kāi)始應(yīng)用車載以太網(wǎng)技術(shù),使用單對(duì)非屏蔽雙絞線以太網(wǎng)連接車內(nèi)部分電子控制單元,組成局域網(wǎng),以太網(wǎng)技術(shù)提高了數(shù)據(jù)傳輸帶寬,同時(shí)滿足了汽車對(duì)高可靠性、低功耗、低成本、低延遲及實(shí)時(shí)性的要求,主要特點(diǎn)如下。(1)帶寬高,可達(dá)100Mbit/s,1Gbit/s。(2)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接,全雙工通信。(3)成本相對(duì)較低,采用標(biāo)準(zhǔn)為100BASE-T1,1000BASE-T1。(4)軟硬件技術(shù)相對(duì)已成熟,協(xié)議開(kāi)放。知識(shí)鏈接5)應(yīng)用車載以太網(wǎng)的發(fā)展可分為三個(gè)階段。(1)第一階段:子系統(tǒng)級(jí)別。這一階段單獨(dú)在某個(gè)子系統(tǒng)使用以太網(wǎng),如圖5-23所示。這一階段的衍生產(chǎn)品目前已經(jīng)在整車上實(shí)施,如基于DoIP標(biāo)準(zhǔn)的車載自診斷系統(tǒng)(OBD),或者已有實(shí)例應(yīng)用,如使用IP攝像頭的駕駛輔助系統(tǒng)。圖5-23第一階段知識(shí)鏈接(2)第二階段:架構(gòu)級(jí)別。這一階段將幾個(gè)子系統(tǒng)功能整合,形成一個(gè)擁有功能集合的小系統(tǒng),如圖5-24所示,將多媒體、駕駛輔助和診斷界面結(jié)合在一起,融合了傳感器、全景攝像頭及雷達(dá)等多種數(shù)據(jù)。因?yàn)榭梢员ＷC更高的帶寬、更低的延遲,所以在涉及安全方面的應(yīng)用時(shí),攝像頭可以使用更高分辨率的未壓縮的數(shù)據(jù)傳輸,從而避免如壓縮失真等導(dǎo)致障礙物檢測(cè)失敗的問(wèn)題。它將配備一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn),如駕駛輔助系統(tǒng)、帶高分辨率IP攝像頭的全景停車場(chǎng),以及多屏幕交互式高清信息娛樂(lè)系統(tǒng)。圖5-24第二階段知識(shí)鏈接(3)第三階段:域級(jí)別。前兩個(gè)階段專注于一個(gè)特定的應(yīng)用領(lǐng)域,第三階段使用以太網(wǎng)為車載網(wǎng)絡(luò)骨干,集成動(dòng)力總成、底盤、車身、多媒體、輔助駕駛,真正形成一個(gè)域級(jí)別的汽車網(wǎng)絡(luò),如圖5-2所示。輔助駕駛系統(tǒng)可以采用以太網(wǎng)傳輸高清攝像頭和高精度雷達(dá)數(shù)據(jù),娛樂(lè)系統(tǒng)可以使用以太網(wǎng)傳輸視頻和音頻數(shù)據(jù),車輛相關(guān)數(shù)據(jù)(車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)、道路環(huán)境高清視頻數(shù)據(jù)、雷達(dá)數(shù)據(jù))可以通過(guò)遠(yuǎn)程信息處理模塊或V2X傳輸?shù)酵獠吭贫似脚_(tái)、基站、數(shù)據(jù)控制中心等,車載娛樂(lè)系統(tǒng)控制器可以通過(guò)4G/5G、WiFi、藍(lán)牙等方式下載音頻和視頻。圖5-2車載網(wǎng)絡(luò)總線技術(shù)知識(shí)鏈接單元二智能網(wǎng)聯(lián)汽車通信技術(shù)一、無(wú)線通信的定義與分類1.定義無(wú)線通信是利用電磁波的輻射和傳播,經(jīng)過(guò)空間送信息的通信方式。它是電信網(wǎng)的重要組網(wǎng)部分,可以用于傳送電報(bào)、電話、傳真、圖像、數(shù)據(jù)以及播和電視節(jié)目等通信業(yè)務(wù),也可用于遙控遙測(cè)、報(bào)警、雷達(dá)、導(dǎo)航、海上救援等特種業(yè)務(wù)。無(wú)線通信系統(tǒng)一般由發(fā)射設(shè)備、傳輸介質(zhì)和接收設(shè)備組成。其中發(fā)射設(shè)備和接收設(shè)備需要安裝天線,完成電磁波的發(fā)射與接收,如圖5-25所示。圖5-25無(wú)線通信系統(tǒng)的組成知識(shí)鏈接1)發(fā)射設(shè)備發(fā)射設(shè)備是將原始的信號(hào)源轉(zhuǎn)換成適合在給定傳輸介質(zhì)上傳輸?shù)男盘?hào),其中包括調(diào)制器、頻率變換器、功率放大器等。調(diào)制器將低頻信號(hào)加到高頻載波信號(hào)上;頻率變換器進(jìn)一步將信號(hào)變換成發(fā)射電波所需要的頻率,如短波頻率、微波頻率等;信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后,再通過(guò)天線發(fā)射出去。2)傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)為電磁波。電磁波是指同相振蕩且互相垂直的電場(chǎng)和磁場(chǎng)在空間以波的形式移動(dòng),其傳播方向垂直于電場(chǎng)與磁場(chǎng)構(gòu)成的平面。3)接收設(shè)備接收設(shè)備將收到的信號(hào)還原成原來(lái)的信息。接收設(shè)備把天線接收下來(lái)的射頻載波信號(hào),經(jīng)過(guò)信號(hào)放大、頻率變換,最后經(jīng)過(guò)解調(diào)將原始信息恢復(fù)出來(lái),完成無(wú)線通信。知識(shí)鏈接2.分類無(wú)線通信可以按傳輸信號(hào)形式、無(wú)線終端狀態(tài)、電磁波波長(zhǎng)、傳輸方式和通信距離等進(jìn)行分類。1)根據(jù)傳輸信號(hào)形式分類根據(jù)傳輸信號(hào)形式的不同,無(wú)線通信可以分為模擬無(wú)線通信和數(shù)字無(wú)線通信。(1)模擬無(wú)線通信。模擬無(wú)線通信是將采集的信號(hào)直接進(jìn)行傳輸,傳輸?shù)氖悄M信號(hào)。(2)數(shù)字無(wú)線通信。數(shù)字無(wú)線通信是將采集的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)后再進(jìn)行傳輸,傳輸?shù)男盘?hào)只包括數(shù)字0和1。隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字無(wú)線通信已經(jīng)取代模擬無(wú)線通信。2)根據(jù)無(wú)線終端狀態(tài)分類根據(jù)無(wú)線終端狀態(tài)的不同,無(wú)線通信可以分為固定無(wú)線通信和移動(dòng)無(wú)線通信。(1)固定無(wú)線通信。固定無(wú)線通信是指終端設(shè)備是固定的,如固定電話通信。(2)移動(dòng)無(wú)線通信。移動(dòng)無(wú)線通信是指終端設(shè)備是移動(dòng)的,如移動(dòng)電話通信。知識(shí)鏈接3)根據(jù)電磁波波長(zhǎng)分類根據(jù)電磁波波長(zhǎng)的不同,無(wú)線通信可以分為長(zhǎng)波無(wú)線通信、中波無(wú)線通信、短波無(wú)線通信、超短波無(wú)線通信和微波無(wú)線通信等。(1)長(zhǎng)波無(wú)線通信。長(zhǎng)波無(wú)線通信是利用波長(zhǎng)大于1000m、頻率低于300kHz的電磁波進(jìn)行的無(wú)線通信,又稱低頻通信。它可細(xì)分為在長(zhǎng)波(波長(zhǎng)在1~10km、頻率在30~300kHz)、甚長(zhǎng)波(波長(zhǎng)在10~100km、頻率在3~30kHz)、特長(zhǎng)波(波長(zhǎng)在100~1000km、頻率在300~3000Hz)、超長(zhǎng)波(波長(zhǎng)在1000~10000km、頻率在30~300Hz)和極長(zhǎng)波(波長(zhǎng)在1萬(wàn)~10萬(wàn)km、頻率在3~30Hz)波段的通信。(2)中波無(wú)線通信。中波無(wú)線通信是利用波長(zhǎng)在100~1000m、頻率在300~3000kHz的電磁波進(jìn)行的無(wú)線通信。(3)短波無(wú)線通信。短波無(wú)線通信是利用波長(zhǎng)在10~100m、頻率在3~30MHz的電磁波進(jìn)行的無(wú)線通信。(4)超短波無(wú)線通信。超短波無(wú)線通信是利用波長(zhǎng)在1~10m、頻率在30~300MHz的電磁波進(jìn)行的無(wú)線通信。知識(shí)鏈接（5)微波無(wú)線通信。微波無(wú)線通信是利用波長(zhǎng)小于1m、頻率高于300MHz的電磁波進(jìn)行的無(wú)線通信。它可細(xì)分為分米波(波長(zhǎng)在100~1000mm、頻率在300~3000MHz)、厘米波(波長(zhǎng)為1~10cm、頻率在3~30GHz)、毫米波(波長(zhǎng)在1~10mm、頻率在30~300GHz)、絲米波(波長(zhǎng)在0.1~1mm、頻率在300~3000GHz)無(wú)線通信。知識(shí)鏈接4)根據(jù)傳輸方式分類根據(jù)信道路徑和傳輸方式的不同,無(wú)線通信可以分為紅外通信、可見(jiàn)光通信、微波中繼通信和衛(wèi)星通信等。(1)紅外通信。紅外通信是一種利用紅外線傳輸信息的通信方式。(2)可見(jiàn)光通信。可見(jiàn)光通信是利用可見(jiàn)光波段的光作為信息載體,在空氣中直接傳輸光信號(hào)的通信方式。(3)微波中繼通信。微波中繼通信是利用微波的視距傳輸特性,采用中繼站接力方法達(dá)成的無(wú)線電通信方式。(4)衛(wèi)星通信。衛(wèi)星通信實(shí)際上也是一種微波通信,它以衛(wèi)星作為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)微波信號(hào),在多個(gè)地面站之間通信。知識(shí)鏈接5)根據(jù)通信距離分類根據(jù)通信距離,無(wú)線通信可以分為短距離無(wú)線通信和遠(yuǎn)距離無(wú)線通信。(1)短距離無(wú)線通信。短距離無(wú)線通信和遠(yuǎn)距離無(wú)線通信在傳輸距離上目前并沒(méi)有嚴(yán)格的定義,一般來(lái)說(shuō),只要通信收發(fā)兩端是以無(wú)線方式傳輸信息,并且傳輸距離限定在較短的范圍內(nèi)(一般是幾厘米至幾百米),就可以稱為短距離無(wú)線通信,它具有低成本、低功耗和對(duì)等通信這三個(gè)重要特征。短距離無(wú)線通信技術(shù)主要有藍(lán)牙技術(shù)、ZigBee技術(shù)、WiFi技術(shù)、超寬帶技術(shù)、60GHz技術(shù)、紅外技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)、近場(chǎng)通信技術(shù)、可見(jiàn)光技術(shù)、DSRC技術(shù)、LTE-V技術(shù)等。(2)遠(yuǎn)距離無(wú)線通信。當(dāng)無(wú)線通信傳輸距離超過(guò)短距離無(wú)線通信的傳輸距離時(shí),稱為遠(yuǎn)距離無(wú)線通信。遠(yuǎn)距離無(wú)線通信技術(shù)主要有移動(dòng)通信、微波通信和衛(wèi)星通信等。知識(shí)鏈接二、V2X通信1.定義V2X即車輛自身和外界事物之間的信息交換。旨在將“人—車—路—云”等交通參與要素有機(jī)地聯(lián)系在一起,不僅可以為交通安全和效率類應(yīng)用提供通信基礎(chǔ),還可以將車輛與其他車輛、行人、路側(cè)設(shè)施等交通元素有機(jī)結(jié)合,彌補(bǔ)了單車智能不足,推動(dòng)了協(xié)同式應(yīng)用服務(wù)發(fā)展。V2X是智能網(wǎng)聯(lián)汽車通信技術(shù)的核心。車輛自身與外界事物進(jìn)行信息交換主要有以下幾種形式。知識(shí)鏈接1)V2VV2V即車輛自身(本身)與其他車輛之間的信息交換,如圖5-26所示。車輛自身與其他車輛之間的信息交換內(nèi)容,主要包括以下幾方面。①本車的行駛速度與附近范圍內(nèi)車輛的行駛速度進(jìn)行信息內(nèi)容的交換。②本車的行駛方向與附近范圍內(nèi)車輛的行駛方向進(jìn)行信息內(nèi)容的交換。③本車的緊急狀況與附近范圍內(nèi)車輛的行駛狀況進(jìn)行信息內(nèi)容的交換。圖5-26V2V應(yīng)用場(chǎng)景知識(shí)鏈接2)V2IV2I即車輛自身與基礎(chǔ)設(shè)施之間的信息交換,如圖5-27所示。車輛自身與基礎(chǔ)設(shè)施之間的信息交換內(nèi)容,主要包括以下幾方面。①車輛的行駛狀態(tài)與前方交通信號(hào)燈的實(shí)際狀況進(jìn)行信息內(nèi)容的交換。②車輛的行駛狀態(tài)與途經(jīng)公交站臺(tái)的實(shí)際情況進(jìn)行信息內(nèi)容的交換。③車輛當(dāng)前行駛的方向和速度與前方交通標(biāo)志牌所提示的內(nèi)容進(jìn)行信息內(nèi)容的交換。④車輛的行駛狀態(tài)與前方立交橋或隧道的監(jiān)控情況進(jìn)行信息內(nèi)容的交換。⑤車輛的導(dǎo)航目的地與停車場(chǎng)空位情況進(jìn)行信息內(nèi)容的交換。圖5-27V2I應(yīng)用場(chǎng)景知識(shí)鏈接3)V2PV2P即車輛自身與外界行人之間的信息交換,如圖5-28所示。車輛自身與外界行人之間的信息交換內(nèi)容,主要包括以下幾方面。①車輛自身的行駛速度與行人當(dāng)前位置進(jìn)行信息內(nèi)容的交換。②車輛自身的行駛方向與行人當(dāng)前位置進(jìn)行信息內(nèi)容的交換。圖5-28V2P應(yīng)用場(chǎng)景知識(shí)鏈接4)V2RV2R(VehicletoRoad)即車輛自身與道路之間的信息交換。根據(jù)道路的特殊性,V2R又可分為兩大類型:一類是車輛自身與城市道路之間的信息交換;另一類是車輛自身與高速道路之間的信息交換,如圖5-29所示。車輛自身與道路之間的信息交換內(nèi)容,主要包括以下幾方面。①車輛自身的行駛路線與道路當(dāng)前情況進(jìn)行信息內(nèi)容的交換。②車輛自身的行駛方向與前方道路發(fā)生的事故進(jìn)行信息內(nèi)容的交換。③車輛行駛的導(dǎo)航信息與前方道路的路標(biāo)牌進(jìn)行信息內(nèi)容的交換。圖5-29V2R應(yīng)用場(chǎng)景知識(shí)鏈接5)V2NV2N(VehicletoNetwork)即車輛自身或駕駛員與互聯(lián)網(wǎng)之間的信息交換,如圖5-30所示。駕駛員與互聯(lián)網(wǎng)之間的信息交換,主要包括駕駛員通過(guò)車載終端系統(tǒng)向互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送需求,如娛樂(lè)應(yīng)用、新聞資訊、車載通信等;還可以通過(guò)應(yīng)用軟件及時(shí)從互聯(lián)網(wǎng)上獲取車輛的防盜信息。車輛自身與互聯(lián)網(wǎng)之間的信息交換,主要包括以下幾方面。①車輛自身的行駛信息和傳感器數(shù)據(jù),與互聯(lián)網(wǎng)分析的大數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行信息內(nèi)容的交換。②車輛終端系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)上的資源進(jìn)行信息內(nèi)容的交換。③車輛自身的故障系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程求助系統(tǒng)進(jìn)行信息內(nèi)容的交換。圖5-30V2N應(yīng)用場(chǎng)景知識(shí)鏈接智能網(wǎng)聯(lián)汽車V2X功能的實(shí)現(xiàn)條件是必須首先實(shí)現(xiàn)車輛自身的智能化。車輛的智能化主要包括車載傳感器的環(huán)境感知功能、汽車數(shù)據(jù)通信處理能力,以及數(shù)據(jù)分析后的決策功能。只有在實(shí)現(xiàn)了車輛智能化的基礎(chǔ)上,才能利用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能網(wǎng)聯(lián)汽車的V2X功能,如圖5-31所示。圖5-31實(shí)現(xiàn)V2X功能的條件知識(shí)鏈接2.技術(shù)分類V2X技術(shù)分類主要包括DSRC和C-V2X兩種,如圖5-32所示。圖5-32V2X技術(shù)分類知識(shí)鏈接3.應(yīng)用場(chǎng)景第三代合作伙伴計(jì)劃(3rdGenerationPartnershipProject,3GPP)是一個(gè)由五大區(qū)域中七個(gè)主要成員組成的國(guó)際電信標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展協(xié)會(huì),致力于滿足區(qū)域通信標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)的需求,同時(shí)促進(jìn)國(guó)際通信標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)間的互操作性。V2X有很多應(yīng)用場(chǎng)景,在3GPPR14SAI中定義的27個(gè)V2X應(yīng)用場(chǎng)景如表5-1所示。表5-1在3GPPR14SAI中定義的27個(gè)V2X應(yīng)用場(chǎng)景知識(shí)鏈接三、C-V2X協(xié)同通信1.蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)移動(dòng)通信是指通信的雙方至少有一方在運(yùn)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)通信,包括移動(dòng)臺(tái)與固定臺(tái)之間、移動(dòng)臺(tái)與移動(dòng)臺(tái)之間、移動(dòng)臺(tái)與用戶之間的通信。在移動(dòng)通信中,常處于移動(dòng)狀態(tài)的電臺(tái)稱為移動(dòng)臺(tái),常處于固定狀態(tài)的電臺(tái)稱為基地臺(tái)或基站。蜂窩移動(dòng)通信(CellularMobileCommunication)采用蜂窩無(wú)線組網(wǎng)方式,如圖5-33所示,在終端和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間通過(guò)無(wú)線通道連接起來(lái),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)用戶在活動(dòng)中相互通信,其主要特征是終端的移動(dòng)性,并具有越區(qū)切換和跨本地網(wǎng)自動(dòng)漫游功能。蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)是當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。圖5-33蜂窩移動(dòng)通信知識(shí)鏈接蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展,大致可分為以下5個(gè)階段。1)1G網(wǎng)絡(luò)1G網(wǎng)絡(luò)是第一代移動(dòng)通信技術(shù),出現(xiàn)于1980年,最高傳輸速率為2.4kbit/s。它采用了模擬信號(hào)技術(shù),在蜂窩基站的作用下,可將網(wǎng)絡(luò)信號(hào)在鄰近的各個(gè)基站之間進(jìn)行相互傳遞,主要解決語(yǔ)音通信的問(wèn)題。最為典型的應(yīng)用案例就是當(dāng)年的模擬移動(dòng)電話,即“大哥大”。1G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的誕生不僅為人類的生活、工作提供了諸多便利,同時(shí)也拉開(kāi)了移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)的序幕。但是1G網(wǎng)絡(luò)在技術(shù)和系統(tǒng)上也存在諸多局限性,如無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、業(yè)務(wù)量小、質(zhì)量差、通信完整性差、無(wú)加密、速度低等。2)2G網(wǎng)絡(luò)2G網(wǎng)絡(luò)是第二代移動(dòng)通信技術(shù),出現(xiàn)于1990年,最高傳輸速率為150kbit/s。它舍棄了1G網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的模擬信號(hào)傳輸技術(shù),轉(zhuǎn)而采用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信,這樣大幅提高了通話質(zhì)量和通信系統(tǒng)的存儲(chǔ)容量,可以提供話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。最為典型的應(yīng)用案例就是短信和手機(jī)彩鈴。2G數(shù)字網(wǎng)絡(luò)不僅使手機(jī)得到了廣泛應(yīng)用,而且推動(dòng)了移動(dòng)通信技術(shù)的高速發(fā)展。然而,隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)(特別是多媒體業(yè)務(wù))需求的不斷增長(zhǎng),2G網(wǎng)絡(luò)在系統(tǒng)容量和頻譜效率方面的局限性日益顯現(xiàn)。知識(shí)鏈接3)3G網(wǎng)絡(luò)隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)飛速發(fā)展。2000年,以數(shù)字多媒體移動(dòng)通信為目的的第三代(3G)移動(dòng)通信系統(tǒng)進(jìn)入商用階段,最高傳輸速率為6Mbit/s。3G網(wǎng)絡(luò)時(shí)代最典型的應(yīng)用是通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、圖片、視頻等內(nèi)容的數(shù)據(jù)傳輸。此外,第三代數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)商還必須建立自己的3G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。3G被視為開(kāi)啟移動(dòng)通信新紀(jì)元的關(guān)鍵技術(shù)。2007年,喬布斯發(fā)布iPhone,智能手機(jī)的浪潮席卷全球。從某種意義上講,終端功能的大幅提升也加快了移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展腳步。2008年,支持3G網(wǎng)絡(luò)的iPhone3G發(fā)布,人們可以在手機(jī)上直接瀏覽計(jì)算機(jī)網(wǎng)頁(yè)、收發(fā)郵件、進(jìn)行視頻通話、收看直播等,人類正式步入移動(dòng)多媒體時(shí)代。知識(shí)鏈接4)4G網(wǎng)絡(luò)4G網(wǎng)絡(luò)是第四代移動(dòng)通信技術(shù)。它是一款集3G和無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)(WirelessLocalAreaNetwork,WLAN)為一體的技術(shù),可以傳輸高質(zhì)量的視頻圖像,圖像傳輸質(zhì)量可與高清電視相媲美。寬帶、大容量的高速蜂窩系統(tǒng)支持交互式多媒體服務(wù)、高質(zhì)量視頻、3D動(dòng)畫和寬帶上網(wǎng)。國(guó)際電信聯(lián)盟定義了4G的標(biāo)準(zhǔn)———具備100Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率,達(dá)到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的通信技術(shù),理論上都可以稱為4G。以下是第四代移動(dòng)通信技術(shù)的幾個(gè)具體標(biāo)準(zhǔn)。(1)數(shù)據(jù)速率提高到100Mbit/s,移動(dòng)速率從步行達(dá)到車速以上。(2)支持高速數(shù)據(jù)和高分辨率多媒體服務(wù)的需要,實(shí)現(xiàn)寬帶多媒體通信,形成綜合寬帶通信網(wǎng)。(3)對(duì)全速移動(dòng)用戶能夠提供150Mbit/s的高質(zhì)量影像等多媒體業(yè)務(wù)。2013年12月,工業(yè)和信息化部在其官網(wǎng)上宣布向中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)電信和中國(guó)聯(lián)通頒發(fā)“LTE/第四代數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信業(yè)務(wù)(TD-LTE)”經(jīng)營(yíng)許可,也就是4G牌照。至此,移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)代。知識(shí)鏈接5)5G網(wǎng)絡(luò)(1)5G網(wǎng)絡(luò)的定義。5G網(wǎng)絡(luò)即為第五代移動(dòng)通信技術(shù),其傳輸速率可達(dá)4G網(wǎng)絡(luò)傳輸速率的百倍之多,如圖5-34所示。不同于傳統(tǒng)的各代移動(dòng)通信,5G不再由某項(xiàng)業(yè)務(wù)能力或者某個(gè)典型技術(shù)特征所定義,它不僅是更高速率、更大帶寬、更強(qiáng)能力的技術(shù),而且是一個(gè)多業(yè)務(wù)多技術(shù)融合的網(wǎng)絡(luò),更是面向業(yè)務(wù)應(yīng)用和用戶體驗(yàn)的智能網(wǎng)絡(luò),最終打造成以用戶為中心的信息生態(tài)系統(tǒng)。5G網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)使物聯(lián)網(wǎng)能夠獲得更加廣泛的應(yīng)用,包括智能網(wǎng)聯(lián)汽車、機(jī)器人、智慧城市和智慧農(nóng)場(chǎng)等的應(yīng)用。圖5-342G~5G網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率對(duì)比漫畫知識(shí)鏈接(2)5G網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)模式。5G組網(wǎng)從大框架下看主要分為非獨(dú)立組網(wǎng)(NonStandAlone,NSA)和獨(dú)立組網(wǎng)(StandAlone,SA)兩種主要模式。NSA是指將5G的組網(wǎng)安置在4G的基礎(chǔ)設(shè)施上,也就是在原4G基站上搭載5G。非獨(dú)立組網(wǎng)使用的還是4G的核心網(wǎng),只是增加了5G的基站,讓5G的終端用戶具有享受5G寬帶的能力。因?yàn)樗暮诵木W(wǎng)沒(méi)有變,所以在5G商用初期相對(duì)容易實(shí)現(xiàn),可以迅速普及5G商用,普及成本低,并且能夠快速推進(jìn)5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍,適合前期的基礎(chǔ)建設(shè)。所以NSA也是目前絕大多數(shù)國(guó)家的主流商用5G的先行組網(wǎng)模式。SA是指通過(guò)建設(shè)獨(dú)立的5G基站方式組網(wǎng),需要完全新建5G核心網(wǎng)才能投入使用。改造核心網(wǎng)并不容易,該組網(wǎng)方式投入更大,實(shí)現(xiàn)基本覆蓋需要更長(zhǎng)的時(shí)間。所以SA組網(wǎng)模式會(huì)在NSA5G普及過(guò)程中逐步推進(jìn)。知識(shí)鏈接(3)5G網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)。5G移動(dòng)通信技術(shù)具有以下特點(diǎn)。①高速度。5G的基站峰值要求不低于20Gbit/s,因此用戶可以1s下載一部高清電影,也可以支持VR視頻。高速度為未來(lái)對(duì)速度有很高要求的業(yè)務(wù)提供了機(jī)會(huì)和可能。②泛在網(wǎng)。泛在網(wǎng)有兩個(gè)層面的含義:一是廣泛覆蓋,二是縱深覆蓋。隨著業(yè)務(wù)的發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)需要廣泛存在。只有實(shí)現(xiàn)廣泛覆蓋和縱深覆蓋才能支持更加豐富的業(yè)務(wù),才能在復(fù)雜的場(chǎng)景上使用。③低功耗。5G要支持大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用,就必須有功耗要求。如果能把功耗降低,讓大部分物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品一周充一次電,甚至一個(gè)月充一次電,就能大大改善用戶體驗(yàn),促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的快速普及。④低時(shí)延。5G可將時(shí)延降低到1ms。5G的一個(gè)應(yīng)用新場(chǎng)景是無(wú)人駕駛汽車,無(wú)人駕駛時(shí)需要中央控制中心和汽車進(jìn)行互聯(lián),車與車之間也應(yīng)進(jìn)行互聯(lián)。在高速行駛時(shí)需要在最短的時(shí)延中,把信息送到車上進(jìn)行制動(dòng)與車控反應(yīng)。知識(shí)鏈接⑤萬(wàn)物互聯(lián)。5G時(shí)代終端不是按人來(lái)定義的,這是因?yàn)槊總€(gè)人、每個(gè)家庭都可能擁有數(shù)個(gè)終端。通信行業(yè)對(duì)5G的愿景是每平方千米可以支撐100萬(wàn)個(gè)移動(dòng)終端。⑥重構(gòu)安全。在5G基礎(chǔ)上建立的是智能互聯(lián)網(wǎng),智能互聯(lián)網(wǎng)不僅要實(shí)現(xiàn)信息傳輸,還要建立起社會(huì)和生活的新機(jī)制與新體系。智能互聯(lián)網(wǎng)的基本要求是安全、易管理、高效、方便,這就需要重新構(gòu)建5G安全體系。知識(shí)鏈接(4)5G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)景。3GPP定義了5G網(wǎng)絡(luò)的三大應(yīng)用場(chǎng)景,如圖5-35所示。圖5-355G網(wǎng)絡(luò)的三大應(yīng)用場(chǎng)景知識(shí)鏈接eMBB即“增強(qiáng)移動(dòng)寬帶”,是指對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)速度有更高要求,并且有廣覆蓋下移動(dòng)性保證的應(yīng)用場(chǎng)景,包括高速下載、AR、VR、高清視頻等業(yè)務(wù)類型。通過(guò)直接推動(dòng)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量能力,滿足上述以及未來(lái)出現(xiàn)業(yè)務(wù)類型對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)速度的需求,提升客戶的直觀體驗(yàn)。URLLC即“高可靠低延遲通信”,是指連接時(shí)延要達(dá)到1ms級(jí)別并且支持高速移動(dòng)(500km/h)情況下的高可靠性(99.999%)的應(yīng)用場(chǎng)景。主要的應(yīng)用場(chǎng)景包括自動(dòng)駕駛、工業(yè)控制、遠(yuǎn)程醫(yī)療等,可以大幅提高相關(guān)行業(yè)的自動(dòng)化、智能化水平,推動(dòng)企業(yè)跨越式發(fā)展。mMTC即“海量機(jī)器類通信”,是指數(shù)據(jù)速率較低且時(shí)延不敏感,但存在海量連接的應(yīng)用場(chǎng)景。在該場(chǎng)景下,終端可以做到更低的功耗、更小的體積、更長(zhǎng)的工作壽命,因此,可以在智慧城市、智慧家居和環(huán)境監(jiān)控等各種垂直行業(yè)中廣泛應(yīng)用,從而最終做到萬(wàn)物互聯(lián)。知識(shí)鏈接(5)5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。①網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)。5G網(wǎng)絡(luò)將面向不同的應(yīng)用場(chǎng)景,如超高清視頻、VR、大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等,不同的場(chǎng)景對(duì)網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性、安全性、時(shí)延性、可靠性甚至計(jì)費(fèi)方式的要求是不一樣的,因此,需要將一張物理網(wǎng)絡(luò)分成多個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò),每個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)面向不同的應(yīng)用場(chǎng)景需求。虛擬網(wǎng)絡(luò)間是邏輯獨(dú)立的,互不影響。網(wǎng)絡(luò)切片是一種按需組網(wǎng)的方式,可以讓運(yùn)營(yíng)商在統(tǒng)一的基礎(chǔ)設(shè)施上分離出多個(gè)虛擬的端到端網(wǎng)絡(luò),使每個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片從無(wú)線接入網(wǎng)到承載網(wǎng)再到核心網(wǎng)上進(jìn)行邏輯隔離,以適配各種各樣類型的應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)切片如圖5-36所示。圖5-36網(wǎng)絡(luò)切片知識(shí)鏈接②多接入邊緣計(jì)算。多接入邊緣計(jì)算(MEC)是位于網(wǎng)絡(luò)邊緣的、基于云的IT計(jì)算和存儲(chǔ)環(huán)境。它使數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算能力部署更靠近用戶的邊緣,從而降低了網(wǎng)絡(luò)時(shí)延,可更好地提供低時(shí)延、高寬帶應(yīng)用。MEC可通過(guò)開(kāi)放生態(tài)系統(tǒng)引入新應(yīng)用,從而幫助運(yùn)營(yíng)商提供更豐富的增值服務(wù),如數(shù)據(jù)分析、定位服務(wù)、AR和數(shù)據(jù)緩存等。③設(shè)備到設(shè)備的通信。設(shè)備到設(shè)備的通信(DevicetoDevice,D2D)是指在一定距離范圍內(nèi),設(shè)備之間的直接通信,如圖5-37所示。圖5-37D2D通信知識(shí)鏈接D2D技術(shù)不需要借助基站的幫助就能夠?qū)崿F(xiàn)通信終端之間的直接通信,拓展網(wǎng)絡(luò)連接和接入方式。由于D2D是短距離直接通信,所以信道質(zhì)量高,能夠?qū)崿F(xiàn)較高的數(shù)據(jù)速率、較低的時(shí)延和較低的功耗。通過(guò)廣泛分布的終端,D2D能夠改善覆蓋,實(shí)現(xiàn)頻譜資源的高效利用。D2D支持更靈活的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和連接方法,提升鏈路靈活性和網(wǎng)絡(luò)可靠性。④多進(jìn)多出技術(shù)。多進(jìn)多出(MultipleInputMultipleOutput,MIMO)技術(shù),是指在發(fā)射端和接收端分別使用多個(gè)發(fā)射天線和接收天線,使信號(hào)通過(guò)發(fā)射端與接收端的多個(gè)天線傳送和接收,從而提高通信質(zhì)量。它能充分利用空間資源,通過(guò)多個(gè)天線實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收,在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的情況下,可以成倍地提高系統(tǒng)信道容量,顯示出明顯的優(yōu)勢(shì),被視為下一代移動(dòng)通信的核心技術(shù)。在4G網(wǎng)絡(luò)通信中,MIMO天線數(shù)量較少,多為4個(gè)或8個(gè),天線數(shù)量少就限制了4G網(wǎng)絡(luò)的通信容量。5G網(wǎng)絡(luò)在4G網(wǎng)絡(luò)研究的基礎(chǔ)上,提出了大規(guī)模MIMO的概念,就是在基站端安裝幾百根天線(128根、256根或者更多),從而實(shí)現(xiàn)幾百根天線同時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù),其理論上的通信容量是無(wú)限的。知識(shí)鏈接⑤毫米波高頻段通信技術(shù)。毫米波主要是指頻率為30~300GHz的電磁波,相比傳統(tǒng)的低頻段,毫米波具有更大的帶寬和更高的傳輸速率。在5G網(wǎng)絡(luò)中,由于毫米波頻段擁有更大的帶寬資源,因此其可以支持的傳輸速率也相對(duì)更高,能為用戶提供更大的信息傳輸帶寬和更低的延遲,這也是5G網(wǎng)絡(luò)傳輸速率快且損失小的重要原因。⑥同時(shí)同頻全雙工。同時(shí)同頻全雙工技術(shù)是指在相同的頻譜上,通信的收發(fā)雙方同時(shí)發(fā)射和接收信號(hào)。與傳統(tǒng)的TDD和FDD雙工方式相比,這種方式理論上可使空口頻譜效率提高1倍。全雙工技術(shù)能夠突破FDD和TDD方式的頻譜資源使用限制,使頻譜資源的使用更加靈活。然而,全雙工技術(shù)需要具備極高的干擾消除能力,這對(duì)干擾消除技術(shù)提出了極大的挑戰(zhàn),同時(shí)還存在相鄰小區(qū)同頻干擾的問(wèn)題。在多天線及組網(wǎng)場(chǎng)景下,全雙工技術(shù)的應(yīng)用難度更大。知識(shí)鏈接2.C-V2X協(xié)同通信1)定義C-V2X協(xié)同通信是融合蜂窩網(wǎng)通信和終端直通通信的新一代車聯(lián)網(wǎng)技術(shù),它既能解決車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的低時(shí)延、高可靠通信難題,又能夠利用已有的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)部署支持信息服務(wù)類業(yè)務(wù),同時(shí)可利用移動(dòng)通信的產(chǎn)業(yè)規(guī)模經(jīng)濟(jì)降低成本。C-V2X協(xié)同通信提供兩種互補(bǔ)的通信模式:一種是直通模式,終端間通過(guò)直通鏈路(PC5接口)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,不經(jīng)過(guò)基站,實(shí)現(xiàn)V2V、V2I、V2P等直通通信,支持蜂窩覆蓋內(nèi)和蜂窩覆蓋外兩種場(chǎng)景;另一種是蜂窩模式,沿用傳統(tǒng)蜂窩通信模式,使用終端和基站之間的Uu接口實(shí)現(xiàn)V2N通信,并可基于基站的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)V2V、V2I、V2P通信。C-V2X協(xié)同通信技術(shù)如圖5-38所示。圖5-38C-V2X協(xié)同通信技術(shù)知識(shí)鏈接3GPP標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展的過(guò)程主要包括了兩個(gè)階段:基于LTE技術(shù)的LTE-V2X和基于5G新空口(NewRadio,NR)技術(shù)的NR-V2X(又稱5G-V2X)。其中,LTE-V2X主要面向基本道路安全類業(yè)務(wù)和交通效率類業(yè)務(wù),引入了基于PC5接口的終端直通鏈路通信方式,以支持低時(shí)延、高可靠的直通通信。5G-V2X主要面向傳感器共享、車輛編隊(duì)、增強(qiáng)自動(dòng)駕駛等V2X增強(qiáng)應(yīng)用,基于5GNR設(shè)計(jì),引入了直通鏈路單播、組播通信模式以及基于混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求(HybridAutomaticRepeatReQuest,HARQ)的反饋機(jī)制。知識(shí)鏈接2)架構(gòu)C-V2X協(xié)同通信的總體業(yè)務(wù)架構(gòu)如圖5-39所示,C-V2X協(xié)同通信涉及云端、路側(cè)端和車載端三個(gè)領(lǐng)域。(1)云端。云端可以連接第三方業(yè)務(wù)應(yīng)用的信息中心,為路側(cè)端和車載端發(fā)送全局的業(yè)務(wù)控制、業(yè)務(wù)共享