智能网联汽车技术与应用 课件 第6章 智能网联汽车通信技术

第6章智能网联汽车通信技术6.1智能网联汽车通信技术概述与组成03（2）V2I（Vehicle-to-Infrastructure）即车与路边交通设施间的信息交互。02（1）V2V（Vehicle-to-Vehicle）即车与车之间的信息交换。01V2X是将车辆与一切事物相连接的新一代信息通信技术，目的是通过不同的通信手段促成车辆与能影响车辆行驶的实体之间完成信息交互，主要包括：04（3）V2N（Vehicle-to-Network）即车与互联网之间的信息交互。6.1智能网联汽车通信技术概述与组成（4）V2P（Vehicle-to-Person）即车与行人的信息交互。智能网联汽车的实现依赖于无线通信技术的成熟，其直接决定了信息交互的实时性和有效性，包括专用短程通信技术（DSRC）、基于蜂窝网的车联网通信技术（C-V2X）、WiFi技术、eCall技术、蓝牙技术、ZigBee技术、VLC技术、UWB技术、RFID技术、NFC技术、IrDA技术等。以下章节对实现智能网联汽车的这些无线通信技术进行具体介绍。6.2DSRC通信协议V2X无线通信是针对汽车和道路联网提出的新型通信技术，也是实现智能网联汽车的较为关键、核心的技术。目前V2X全球存在两大标准流派，DSRC（DedicatedShortRangeCommunications，专用短程通信技术）和C-V2X（Cellular-Vehicle-to-Everything，基于蜂窝技术的车联网通信）。DSRC主要基于IEEE802.11p、IEEE1609和SAEJ2735、J2945等系列标准，是一种主要应用于V2V与V2I的通信标准，可以实现小范围内图像、语音和数据的实时、准确和可靠的双向传输。6.2DSRC通信协议美国标准化进程美国联邦通信委员会将5.85-5.925GHz频谱专门用于V2V、V2I通信，其中5MHz是预留的保护频段，余下的70MHz分成七个10MHz带宽的信道，包含一个传输高优级安全信息的控制信道（CCH）和六个传输普通IP数据业务的服务信道（SCH）。美国电气和电子工程师协会以及美国汽车工程师学会联合制定了相应标准，统称为WAVE体系。6.2DSRC通信协议欧洲标准化进程早在1994年，欧洲的标准化组织CEN/TC278第9工作组就开始了DSRC标准的起草工作，于1995年2月完成了ENV12253“5.8GHzDSRC物理层”和ENV12795“DSRC数据链路层”草案的编制工作，草案分别于1997年9月7日和1997年7月25日最终获得各国成员通过。而ENV12834“DSRC应用层”标准也于1997年10月10日获投票通过，至此，ENV12253，ENV12975和ENV12834形成了三层架构的DSRC标准，分别定义了物理层、数据链路层和应用层。6.2DSRC通信协议日本标准化进程日本的DSRC体系与美国相似，20世纪90年代末，日本无线工业及商贸联合会（AssociationofRadioIndustriesandBusinesses,ARIB）发布了面向交通信息和控制系统的DSRC标准。2001年发布的标准则对DSRC系统的不同设备间的无线空中接口参数进行了定义和明确。2011年，日本开始布设和升级路侧单元为5.8GHz的DSRC，2012年2月，ARIB发布的STD-T109中将755.5-764.5MHz频段用于道路安全应用。VICS采用2.4GHz频段，2018年2月，日本国土交通部宣布在2022年3月底将停止老旧的2.4GHzVICS系统，全部转移到5.8GHzDSRC技术的VICS系统，以实现基于V2I的智能交通业务。6.2DSRC通信协议6.2.2DSRC协议架构作为智能交通的重要使能技术，DSRC协议规范了路边单元与车载单元之间完成可靠数据传输的有关规程。采用了三层协议体系结构，包括物理层、数据链路层和应用层。

。6.2DSRC通信协议6.2.2DSRC协议架构

在物理层和MAC层，DSRC使用IEEE802.11p提供车载环境下的无线接入。物理层为协议的最底层，主要提供帧传输控制服务和信道的激活/失效服务，收发定时及同步功能。数据链路层为中间层，它为DSRC应用层提供各种服务，其中最基本的服务便是让车载设备或路边设施实现同一个或同一组的点对点或点对多点的无差错通信，数据链路层具备了地址分配、差错检验、数据流控制等功能。应用层是协议的最高层，其功能主要围绕两个方面：数据和应用。6.2DSRC通信协议6.2.3DSRC系统结构组成DSRC系统结构主要由车载单元（OnBoardUnit,OBU）、路侧单元（RoadSideUnit,RSU）和专用短距离无线通信协议构成。OBU通常是具有微波装置和存储功能的电子终端。RSU是安装在道路旁边或上方的通信及计算设备，其功能是与OBU实时通信，在高速公路、停车场等地方提供车辆的自主识别、自动交易、交易信息记录等服务。根据信息传输形式的不同，DSRC系统可分为主动式和被动式。6.2DSRC通信协议6.2.4DSRC主要参数及性能对比美国联邦通信委员会将5.85-5.925GHz频谱划分给DSRC通信，这段频谱包含了7个10MHz的信道和在最底部预留的一个5MHz保护间隔，由低频至高频分别给予172，174，176，178，180，182和184频道编号，并指定了每个信道的类型（服务信道或控制信道）。

6.2DSRC通信协议6.2.4DSRC主要参数及性能对比

DSRC的物理层主要基于OFDM技术，64个子载波中只有52个子载波用于信号传输，其中4个子载波作为用于相位追踪的导频，剩下的48个子载波用于传输数据。表6-1DSRC调制方式、码率、传输速率对应关系表6-2DSRC与其他无线通信技术相关参数对应关系调制方式码率传输速率OFDM符号个数子载波个数BPSK1/23Mbps148BPSK3/44.5Mbps148QPSK1/26Mbps148QPSK3/49Mbps14816QAM1/212Mbps14816QAM3/418Mbps14864QAM2/324Mbps14864QAM3/427Mbps148DSRCCellularWiFiWiMAX数据速率3-27Mbps<2Mbps6-54Mbps1-32Mbps延迟<50毫秒秒级秒级秒级通信距离<1km<10km<0.1km<15km移动速度>60km/h>60km/h<5km/h>60km/h通信带宽10MHz<2MHz20MHz<10MHz通信频段5.86-5.92GHz0.8GHz、1.9GHz2.4GHz、5.2GHz2.5GHzIEEE标准802.11p-802.11a802.16e6.3C-V2X通信协议6.3.1C-V2X标准化进程C-V2X标准工作始于2015年，各工作组主要从业务需求、系统架构、安全研究和空口技术4个方面开展工作。

6.3C-V2X通信协议LTE-V2X标准进展主要包括业务需求、系统架构、空口技术和安全研究四个方面。业务需求方面，目前已经定义了包含车与车、车与路、车与人以及车与云平台的27个用例和LTE-V2X支持的业务要求。系统架构方面，目前已经确定了在PC5接口的Prose和Uu接口的LTE蜂窝通信的架构基础上增强支持V2X业务。空口技术方面，目前已明确了PC5接口的信道结构、同步过程、资源分配、同载波和相邻载波间的PC5和Uu接口共存、无线资源控制信令和相关的射频指标及性能要求等务。安全方面，目前已经完成了支持V2X业务的LTE架构增强的安全方面研究。6.3C-V2X通信协议LTE-eV2X标准进展LTE-eV2X是指支持V2X高级业务场景的增强型技术阶段（Rel-15），在保持与Rel-14后向兼容性下，进一步提升了V2X直通模式的可靠性、数据速率和时延性能，以部分满足V2X高级业务需求。5G-V2X标准进展该阶段标准用于支持V2X的高级业务场景。6.3.2LTE-V2XLTE-V2X通信方式LTE-V2X是一种基于LTE蜂窝网络系统的车辆间通信专用协议，是由大唐团队在国内外最早提出。LTE-V2X定义了两种通信方式：直通通信方式（LTE-V-Direct）和蜂窝通信方式（LTE-V-Cell），分别对应PC5和Uu两类接口。

（1）直通通信方式LTE-V2X针对道路安全业务的低时延高可靠传输要求、节点高速运动、隐藏终端等问题，提出了LTE-V-Direct的物理层技术、资源分配方法、服务质量管理、拥塞控制机制等。6.3.2LTE-V2XLTE-V2X通信方式（2）蜂窝通信方式LTE-V-Cell是LTE-V2X的集中式模式，采用星型拓扑，将蜂窝网络作为集中式的控制中心和数据信息转发中心，由基站完成集中式调度、拥塞控制和干扰协调等，可以显著提高LTE-V2X的接入和组网效率，保证业务的连续性和可靠性。LTE-V2X网络架构为支持LTE-V-Direct和LTE-V-Cell两种互为补充的通信方式，以及各种车联网应用的需求，3GPP在LTE4G网络架构基础上扩展设计了LTE-V2X网络架构。LTE4G蜂窝网络系统架构主要包括核心网、接入网以及用户终端（UE）部分，其中核心网与接入网间需要进行控制平面和用户平面的接口连接；接入网与UE间通过协议栈定义的无线空口进行连接。图6-5LTE-V2X网络架构LTE-V2X资源分配方式LTE-V2X的资源分配方法需考虑业务需求，多对多广播通信，集中式和分布式资源分配方法以及地理位置信息等因素，从而实现灵活的时频资源分配。根据PC5接口的资源分配方法和蜂窝通信基站的关系，资源分配方法可以分为以下两种：模式4，UE自主资源选择；模式3，基站调度分配资源。（1）UE自主资源选择（模式4）模式4定义的自主模式选择机制不通过基站调度进行用户间直通通信，从而避免了基站调度的信令开销。（2）基站调度分配资源（模式3）在模式3定义的基站分配资源机制中，由于UE使用的资源是基站集中调度的，因此可以很好地避免资源冲突。结合UE的地理位置信息，基站可实现基于地理位置的资源分配。6.3.35GNR-V2X6.3.35GNR-V2X与LTE直通链路（Sidelink）传输不同，5G-NR直通链路引入了四种新的设计，具体包括：1）不仅支持广播，还支持单播和群播。2）为了改善延迟性能，在NR直通链路中采用免授权传输。3）为了减轻不同UEs发起的不同直通链路传输之间的资源冲突，增强了信道感知和资源选择过程，并对PSCCH进行了重新设计。4）为了实现高连接密度，在NR直通链路传输中支持拥塞控制和服务质量管理。5GNR-V2X网络架构011）从接入网到核心网均采用5G网络。022）接入网采用4G网络，核心网采用5G网络。033）从接入网到核心网均采用4G网络。5GNR-V2X传输模式（1）组播Rel-16在物理层引入距离参数“Range”，基于各种应用场景下对终端关联范围的不同需求，高层可配置不同的距离参数。（2）单播Rel-16引入了新的PC5RRC消息与信令协议PC5-Signaling以支持单播通信。PC5-Signaling用于初始化UE到UE的单播连接。5GNR-V2X资源分配方式NR-V2X支持两种资源分配模式：模式1，基站调度资源；模式2，UE基于感知自主进行资源分配。（1）模式1（基站调度资源）模式1是在基站控制下的资源分配模式，即直通链路的通信资源全部由基站分配。情况，向基站发送调度请求，等待基站分配资源。（2）模式2（UE自主资源选择）模式2是一种基于感知的自主资源选择机制。工作在模式2的UE始终处于感知状态，当触发了资源选择过程时，UE物理层通过前面一段时间（资源感知窗）内的感知结果判断将来一段时间（资源选择窗）内的资源占用情况，排除资源选择窗内的不可用资源，最后形成一个候选资源集合上报给MAC层，MAC层根据资源选择约束条件在该候选资源集合中选择传输资源。5GNR-V2X关键通信技术（1）毫米波通信毫米波的频率范围为30-300GHz，波长范围为1-10毫米。（2）波束形成在波束形成技术中，基站有多个天线，可以自动调整每个天线的相位，形成电磁波在接收点的叠加，从而提高接收信号的强度。（3）D2D（Device-to-Device）D2D作为5G的一项重要技术，允许相互接近的车辆利用授权的蜂窝频带直接相互通信，可以实现高数据速率和长传输范围，支持大规模高清视频流传输。（4）小蜂窝（Small-cell）小蜂窝在形状、覆盖范围和发射功率上比传统的宏蜂窝小得多，覆盖范围大约为100-200m。5GNR-V2X应用场景5G标准Rel-16版已于2020年7月3日冻结，标志着5G第一个演进版本标准完成。这也是第一个5GNR-V2X标准。3GPPTR22.886对5GNR-V2X定义了25种应用场景，并归纳为编队行驶、扩展传感器、高级驾驶、远程驾驶四大类，具体如下：（1）车辆编队行驶使车辆能够动态地形成一个一起行进的编队。编队里的所有车辆都从领头车辆那里获得信息来管理这个编队。（2）扩展传感器车辆和RSU可以感知交通环境，并通过V2V/V2I将其感知结果共享给其他车辆。（3）高级驾驶支持半自动或全自动驾驶。每辆车和/或RSU与其附近的车辆共享从其本地传感器获得的感知数据，使各车可以同步、协调其轨迹或行驶状态，同时，每辆车也可以与附近的车辆分享其驾驶意图。5GNR-V2X应用场景（4）远程驾驶可以远程操作车辆。当自动驾驶车辆在道路行驶过程中发生故障时，可由平台后端驾驶器远程控制。6.6.46G通信技术6.6.4.16G网络架构6G网络旨在开发一个高度动态、高智能的立体系统，使网络能够自适应环境，满足各种应用需求和服务类型。目前，业界有观点认为，6G网络是5G网络、卫星通信网络及深海远洋网络的有效集成，卫星通信网络涵盖通信、导航、遥感遥测等各个领域，实现空天地海一体化的全球连接。空天地海一体化网络将优化空（各类飞行器及设备等）、天（各类卫星、地球站、空间飞行器等）、地（现有陆地蜂窝、非蜂窝网络设施等）、海（海上及海下通信设备、海洋岛屿网络设施等）基础设施，实现太空、空中、陆地、海洋等全要素覆盖。6.46G通信技术6.4.16G网络架构图6-66G空天地海一体化网络架构6.46G通信技术6.4.26G性能指标6G的峰值速率、时延、流量密度、连接数密度、移动性、频谱效率、定位能力、频谱支持能力和网络能效等关键性能指标都将有明显的提升。表6-36G/5G关键性能指标对比指标6G5G提升峰值速率100Gbps-1Tbps10-20Gbps10-100倍时延0.1ms，接近实时处理海量数据时延1ms10倍流量密度100-10000Tbps/平方公里10Tbps/平方公里10-1000倍连接密度1亿个/平方公里100万个/平方公里100倍移动性大于1000km/h500km/h2倍频谱效率200-300bps/Hz可达100bps/Hz2-3倍定位能力室外1米，室内10厘米室外十米，室内几米甚至1米以下10倍频谱支持能力常用载波带宽可达到20GHz，多载波聚合可能实现100GHzSub6G常用载波带宽可达100MHz，多载波聚合可能实现200MHz；毫米波频段常用载波带宽可达400MHz，多载波聚合可能实现800MHz50-100倍网络能效可达200bits/J可达100bits/J2倍6.46G通信技术太赫兹（THz）通信技术太赫兹频段通常指的是100GHz至10THz范围内的频谱，相应的波长为30微米至3毫米。太赫兹频段丰富的频率资源可提供超高带宽（高达10sGHz），并支持V2V以及V2I数据密集型通信所需的高速链路。6.46G通信技术动态频谱共享技术6G的太赫兹频率特性会使其网络密度骤增，动态频谱共享将成为提高频谱效率、优化网络部署的重要手段，通过智能化、分布式的频谱共享接入机制，灵活扩展频谱的可用范围，优化频谱使用规则，进一步满足未来6G系统频谱资源使用需求。6.46G通信技术无蜂窝通信技术解决6G多尺度网络中移动性问题的一个重要方法是无蜂窝通信（CellFreeCommunications）技术。在无蜂窝通信系统中，部署了大量接入点，它们通过回程网络和中央处理站进行协作，以服务分布在广阔区域上的所有用户。在这样的系统中，没有蜂窝或蜂窝边界。6.46G通信技术人工智能与边缘智能人工智能将在6G网络中发挥重要作用，包括通信和网络规划、资源管理、网络控制和自动化等。随着移动计算和物联网（InternetofThings,IoT）的普及，数以亿计的移动和物联网设备连接到互联网，在网络边缘产生大量数据。在这一趋势的推动下，需要将人工智能推进到网络边缘。为满足这一需求，可以利用边缘计算将计算任务和服务从网络核心推向网络边缘，从而产生新的交叉学科——边缘智能。车联网的发展依赖通信、计算和数据分析技术，为了存储和处理智能网联汽车产生的海量数据，可以通过移动边缘计算（MobileEdgeComputing,MEC）向设备提供边缘智能服务。6.5WiFi通信技术6.5.1技术概述6.5.2技术标准WiFi技术发展史上有4大标志。第一个标志是802.11b的推出。第二个标志是802.11g的制定。第三个标志是802.11n的推出。第四个标志是2014年推出的802.11ac。表6.4802.11系列标准技术指标

工作频段调制技术最大速率天线技术802.112.4GHzFHSS/DSSS2MbpsSISO802.11b2.4GHzCCK/DSSS11MbpsSISO802.11a5GHzOFDM54MbpsSISO802.11g2.4GHzDSSS/OFDM54MbpsSISO802.11n2.4GHz/5GHzOFDM600Mbps4*4MIMO802.11ac5GHzOFDM6.9GbpsMU-MIMO802.11ax5GHzOFDMA11GbpsMU-MIMO6.5WiFi通信技术6.5.3技术特点1）覆盖范围广。2）传输速率高。3）成本低廉。4）绿色低能耗。6.5WiFi通信技术6.5.4WiFi在智能网联汽车中的应用目前已有基于WiFi组网的通用智能车载终端设计，其中，智能终端由智能主机和各种智能传感器外设组成，主机与外设之间使用易于扩展的WiFi连接。外设主要包括视频监控外设、GIS、CAN（ControllerAreaNetwork）总线、防盗，温湿烟外设等。6.6蓝牙通信技术6.6.1技术概述蓝牙技术是由爱立信、IBM、Intel、Nokia和东芝五家公司一起制订的近距离无线通信技术标准，是一种低成本的近距离无线通信技术。6.6蓝牙通信技术6.6.2技术发展蓝牙技术已经历12个版本，如表6-5所示，最新的版本是2020年发布的蓝牙5.2版本。表6-5历代蓝牙版本蓝牙版本发布时间最大传输速度传输距离蓝牙5.2202048Mbps300米蓝牙5.1201948Mbps300米蓝牙5.0201648Mbps300米蓝牙4.2201424Mbps50米蓝牙4.1201324Mbps50米蓝牙4.0201024Mbps50米蓝牙3.0+HS200924Mbps10米蓝牙2.1+EDR20073Mbps10米蓝牙2.0+EDR20042.1Mbps10米蓝牙1.220031Mbps10米蓝牙1.12002810Kbps10米蓝牙1.01998723.1Kbps10米6.6蓝牙通信技术6.6.3技术特点DCBA1）便携性。2）低功耗。。3）全球范围适用。4）抗干扰能力好。E5）兼容性较好。。F6）安全性。。6.6蓝牙通信技术6.6.4蓝牙在智能网联汽车中的应用11）蓝牙免提通信。22）汽车蓝牙防盗技术。33）蓝牙车辆远程状况诊断。44）车辆定位。6.7Zigbee通信技术6.7.1技术概述ZigBee技术基于IEEE802.15.4标准，是一种模拟蜜蜂之间的交流方式而研发出来的新型短距离无线网络通信技术，适用于距离短、速率低的设备之间的数据传输，主要用于自动控制、监控、远程控制等领域，可以内嵌至各种设备内部。6.7Zigbee通信技术6.7.2技术特点1）低功耗。012）低成本。023）低速率。034）近距离。045）短时延。056）网络容量高。067）免执照频段。076.7Zigbee通信技术6.7.3Zigbee在智能网联汽车中的应用通过在智能交通系统中应用ZigBee技术，能够对公交车运行进行全面性监测，有助于提高公交车的服务能力，优化公交车调度。利用ZigBee技术和数字移动通信技术共同构建无线传输网络，监测公交车离到站的时间，及时采集公交车的日常运行信息，并把信息统一传送到监控平台，优化公交资源的配置。另外，基于ZigBee无线网络的智能交通系统可以实现实时的道路信息采集和信息传输，实现智能监控、最优路线规划、出行信息服务等功能，同时还可以根据道路信息实现对交通灯的控制。6.8可见光通信技术6.8.1技术概述可见光通信技术(VisibleLightCommunication，VLC)是指利用可见光波段的光作为信息载体，不使用光纤等有线信道的传输介质，而在空气中直接传输光信号的通信方式。6.8可见光通信技术6.8.2技术特点1）成本低。2）传输速率高。3）兼容性好。4）绿色环保。6.8可见光通信技术6.8.3VLC系统组成（1）VLC发射器VLC发射器使用可见光将信息转换为可以在无线光通信介质上传输的消息。（2）VLC接收器VLC接收器用于从调制光束中提取数据。6.8可见光通信技术6.8.4VLC在智能网联汽车中的应用LED照明不仅非常可靠，节约能源，而且寿命通过较长，因此，目前大量车辆照明系统都利用了LED技术。此外，新一代基于LED的交通信号灯也正在迅速普及。这些交通信号灯具有维护成本低，寿命长和能耗低的优点，并且具有更好的可视性。6.9超宽带通信技术6.9.1技术概述美国联邦通信委员会对超宽带通信技术（UWB）的规定为：如果一个无线电系统在3.1-10.6GHz频段中占用500MHz以上的带宽或者其拥有中心频率20%的相对带宽带，则称之为UWB技术。UWB无线通信是一种不用载波，而采用时间间隔极短(小于1ns)的脉冲进行通信的方式，也称做脉冲无线电或无载波通信。6.9超宽带通信技术6.9.2技术特点1）抗干扰性能强。2）传输速率高。3）能耗低。4）辅助定位。5）保密性好。6.9超宽带通信技术6.9.3UWB在智能网联汽车中的应用（1）智能数字钥匙目前在汽车领域，UWB技术比较成熟的应用是智能数字钥匙。（2）人员体征监控UWB技术工作在8GHz左右的频段，在穿透人体的衣物和皮肤方面比毫米波雷达的能力强，在检测心跳变化或者胸腔变化这些微小幅度动作上的灵敏度很高。（3）UWB短距雷达测距UWB短距雷达应用之一是自动泊车。6.10RFID通信技术10.2RFID工作原理RFID无线识别系统主要由RFID电子标签、RFID阅读器和数据管理