智能网联汽车技术 课件 项目三（任务4、5、6、7）车载网络

任务4车载网络01任务4车载网络02任务引入任务引入一辆奥迪A4L轿车停放几天后，发动机无法启动。接车后先检查蓄电池，发现蓄电池亏电。仔细检查发现继电器J271的触点烧结在一起。检查继电器J271的线路，当移动发动机控制模块时，意外发现发动机电子扇间歇运转，而且转速很慢。检查J217继电器也是间歇吸合。该车继电器J217吸合的条件是4号端子搭铁。轻轻摇动该端子到发动机控制模块的导线，发现该导线间歇搭铁。拔下发动机控制模块插头，去掉保护套，检查插头端子T94/69，发现该端子在装配时有一根导线接触到旁边的CAN总线所导致，修复损坏的线束后故障消失。那么，为什么端子导线接触CAN总线会导致间歇搭铁呢？03任务目标04能够熟悉汽车网络的概念能够熟悉汽车网络的概念2能够理解汽车网络包含哪些类型知识链接车载网络是基于CAN、LIN、FLexRay、MOST、以太网等总线技术建立的标准化整车网络，实现车内各电器、电子单元间的状态信息和控制信号在车内网上的传输，使车辆具有状态感知、故障诊断和管理控制等功能。而CAN和LIN车载网络在汽车中的应用最为频繁，MOST和FlexRay总线网络大多应用于高端汽车中,根据传输类型之间存在的差异，可以将车载总线分为CAN，LIN，FlexRay以及MOST四种。下面表格展示了这几种汽车常见网络的基本情况。图3-4-1常见车载网络的对比美国汽车工程师学会（SAE）提出将车载网络划分为5种类型，分别为A类低速网络、B类中速网络、C类高速网络、D类多媒体网络和E类安全应用网络。不同类型的车载网络，需要通过网管进行信号的解析交换，是不同的网络类型能够相互协调，保证车辆各系统正常运转。知识链接①A类低速网络。A类低速网络传输速率一般小于20kbit/s，有多种通信协议，该类网络的主要协议是LIN（局域互联网络）。LIN是用于连接智能传感器、执行器的低成本串行通信网络。LIN采用SCI、UART等通用硬件接口，配以相应的驱动程序，成本低廉，配置灵活，适应面较广，主要用于电动门窗、电动座椅、车内照明系统和车外照明系统等。②B类中速网络。B类中速网络传输速率为10k-125kbit/s，对实时性要求不太高，主要面向独立模块之间数据共享的中速网络。目前该网络的主流协议是低速CAN（控制器局域网络），主要用于故障诊断、空调、仪表显示等。知识链接③C类高速网络。C类高速网络传输速率为125k-1000kbit/s，对实时性要求高，主要面向高速、实施闭环控制的多路传输网。这类网络的主流协议是高速CAN、FlexRay等协议，主要用于牵引力控制、发动机控制、ABS、ASR、ESP、悬架控制等。④D类多媒体网络。D类多媒体网络传输速率为250M-150Mbit/s,该网络协议主要有MOST、以太网、蓝牙、ZigBee技术等，主要用于要求传输效率较高的多媒体系统、导航系统等。⑤E类安全网络。E类安全网络传输速率为10Mbit/s，主流协议是Biteflight，主要面向气囊等面向乘员的被动安全系统汽车安全系统的网络。CAN总线CAN是控制器局域网络（ControllerAreaNetwork）的简称，是德国博世公司在1985年时为了解决汽车上众多测试仪器与控制单元之间的数据传输，而开发的一种支持分布式控制的串行数据通信总线。目前，CAN总线已经是国际上应用最广泛的网络总线之一，它的数据信息传输速率最大为1Mbit/s，属于中速网络，通信距离（无须中继）最远可达10km。CAN总线采用双绞线作为传输介质，如下图所示。CAN总线图3-4-2双绞线传输介质媒体访问方式为位仲裁，是一种多主总线。CAN数据传输系统中每块ECU的内部包含一个CAN控制器，一个CAN收发器，每块ECU的外部连接两条CAN数据总线(CAN-H,CAN-L)。图3-4-3CAN总线结构CAN总线的特点：CAN总线(1)多主控制：在总线空闲时，所有单元都可开始发送消息；最先访问总线的单元可获得发送权；多个单元同时开始发送时，发送高优先级ID(标识符)消息的单元可获得发送权。(2)消息的发送：在CAN协议中，所有的消息都以固定的格式发送；总线空闲时，所有与总线相连的单元都可以开始发送新消息；两个以上的单元同时开始发送消息时，对各消息ID的每个位进行逐个仲裁比较；仲裁获胜（被判定为优先级最高）的单元可继续发送消息，仲裁失利的单元则立刻停止发送而进行接收工作。(3)系统的柔软性：与总线相连的单元没有类似于“地址”的信息；因此在总线上增加单元时，连接在总线上的其他单元的软硬件及应用层都不需要改变。CAN总线(4)高速度和远距离：当通信距离小于40m时，CAN总线的传输速率可以达到1Mbit/s；通信速度与其通信距离成反比，当其通信距离达到10km时，其传输速率仍可以达到约5kbit/s。(5)远程数据请求：可通过发送“遥控帧”请求其他单元发送数据(6)错误处理：错误检测功能、错误通知功能、错误恢复功能(7)故障封闭：CAN总线可以判断出错误的类型是总线上暂时的数据错误（如外部噪声等）还是持续的数据错误（如单元内部故障、驱动器故障、断线等）；当总线上发生持续的数据错误时，可将引起此故障的单元从总线上隔离出去.LIN总线LIN是局部连接网络（LocalInterconnectNetwork）的简称，也被称为局域网子系统，是专门为汽车开发的一种低成本串行通信网络，用于实现汽车中的分布式电子系统控制。LIN网络的数据传输速率不大于20kbit/s，属于低速网络，媒体访问方式为单主多从，是一种辅助总线，辅助CAN总线工作；使用LIN总线可大大降低成本。LIN总线图3-4-4LIN总线LIN总线的特点：(1)LIN总线的通信是基于SCI数据格式，媒体访问采用单主节点、多从节点的方式，数据优先级由主节点决定，灵活性好；(2)一条LIN总线最多可以连接16个节点，共有64个标识符；(3)LIN总线采用低成本的单线连接，传输速率最高可达20kbit/s；(4)不需要进行仲裁，同时在从节点中无须石英或陶瓷振荡器，只采用片内振荡器就可以实现自同步，从而降低硬件成本；(5)几乎所有的MCU（微控制单元）均具备LIN所需硬件，且实现费用较低；(6)网络通信具有可预期性，信号传播时间可预先计算；LIN总线(7)通过主机节点可将LIN与上层网络（CAN）相连接，实现LIN的子总线辅助通信功能，从而优化网络结构，提高网络效率和可靠性；(8)LIN网络主要应用于车窗、门锁、开关面板、后视镜等。FlexRay总线FlexRay是一种用于汽车的高速可确定性的、具备故障容错的总线系统。汽车中的控制器件、传感器和执行器之间的数据交换主要是通过CAN网络进行的。然而新的线控技术（X-by-wire）系统设计思想的出现，导致车辆系统对信息传送速度尤其是故障容错与时间确定性的需求不断增加；FlexRay通过在确定的时间槽中传送信息，以及在两个通道上的故障容错和冗余信息的传送，可以满足这些新增加的要求，如下图所示。FlexRay总线图3-4-5FlexRay总线FlexRay总线的特点:(1)数据传输速率高：最大传输速率可达到10Mbit/s，双通道总数据传输速率可达到20Mbit/s，因此，应用在车载网络上，FlexRay的网络带宽可以是CAN网络的20倍。(2)可靠性好：具有冗余数据传输能力的总线系统使用两个相互独立的信道，每个信道都由一组双线导线组成；一个信道失灵时，该信道应传输的信息可在另一条没有发生故障的信道上传输；此外，总线监护器的存在进一步提高了通信的可靠性。(3)确定性：确定性数据传输用于确保时间触发区域内的每条信息都能实现实时传输。FlexRay总线(4)灵活性：灵活性是FlexRay总线的突出特点，体现在以下方面：支持多种方式的网络拓扑结构，点对点连接、串级连接、主动星形连接、混合型连接等；信息长度可配置，可根据实际控制应用需求，为其设定相应的数据载荷长度；双通道拓扑既可用于增加带宽，也可用于传输冗余的信息；周期内静态、动态信息传输部分的时间都可随具体应用而改变。FlexRay总线的应用:(1)替代CAN总线：数据传输速率要求超过CAN的应用，FlexRay替代多条CAN总线。(2)用做“数据主干网”：数据传输速率高，且支持多种拓扑结构，非常适合于车辆主干网络，连接多个独立网络。FlexRay总线(3)用于分布式测控系统：分布式测控系统用户要求确切知道消息到达时间，且消息周期偏差非常小，如动力系统、底盘系统的一体化控制中。(4)用于高安全性要求的系统：FlexRay本身不能确保系统安全，但它具备大量功能以支持面向安全的系统设计。MOST总线网络概述MOST总线是作为宝马公司、戴姆勒克莱斯勒公司、哈曼贝克公司（音响系统制造商）和奥塞斯-西利康系统公司之间参与建立的一个自主的实体MOST公司,由它控制总线的定义工作。MOST总线专门用于满足要求严格的车载环境。这种新的基于光纤的网络能够支持24.8Mbps的数据速率，与以前的铜缆相比具有减轻重量和减小电磁干扰(EMI)的优势。MOST总线网络概述图3-4-6MOST总线MOST总线网络概述MOST总线网络的特点:（2）无论是否有主控计算机都可以工作在右侧编辑区输入内容（4）支持数据的同步和异步传输在右侧编辑区输入内容（6）支持多种网络连接方式，提供MOST设备标准在右侧编辑区输入内容（8）光纤网络不会受到电磁辐射干扰与搭铁环的影响四种常用总线网络传输速率与成本的比较，如下图所示。（1）保证低成本条件下，最高可以达到147.5Mbit/s的速率在右侧编辑区输入内容（3）支持声音和压缩图像的实时处理在右侧编辑区输入内容（5）发送/接收器嵌有虚拟网络管理系统在右侧编辑区输入内容（7）通过采用MOST，可以减轻线束的质量在右侧编辑区输入内容MOST总线网络概述MOST总线网络的特点:图3-4-7四种常用总线网络对比车载以太网以太网（Ethernet）是由美国施乐（Xerox）公司创建，并由施乐、英特尔（Intel）和数字装备（DEC）公司联合开发的基带局域网规范，是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。车载以太网是一种利用有线网络连接汽车内的各种组件的物理网络。它旨在满足汽车市场的需求，包括电气要求（EMI/RFI发射和EMC），带宽要求，延迟要求，同步和网络管理要求车载以太网图3-4-8以太网以太网的特点：(1)数据传输速率高：最大传输速率能达到10Gbit/s，并且还在提高，比任何一种现场总线都快。(2)应用广泛：以太网是一种标准的开放式网络，不同厂商的设备很容易互联。(3)容易与信息网络集成，有利于资源共享：由于具有相同的通信协议，以太网能实现与Internet的无缝连接，方便车辆网络与地面网络的通信。(4)支持多种物理介质和拓扑结构：以太网支持多种传输介质，包括同轴电缆、双绞线、光缆、无线等，使用户可根据带宽、距离、价格等因素作多种选择。车载以太网(5)软硬件资源丰富：大量的软件资源和设计经验可以显著降低系统的开发成本，加快系统的开发和推广速度。(6)可持续发展潜力大：车载网络采用以太网，可以避免其发展游离于计算机网络技术的发展主流之外，从而使车载网络与信息网络技术互相促进，共同发展。车载以太网任务5近距离通信技术任务引入前几年的车钥匙又大又笨重，挂在裤腰带上左摇右晃威风八面。但这几年车钥匙设计得越来越精致小巧，出现了卡片钥匙的发展趋势。卡片钥匙顾名思义，钥匙外观尺寸如同名片般大小，只需贴近门把手就能解锁车门。那么这种卡片钥匙是采用了哪种技术呢？任务目标1能够熟悉无线通信技术的概念2能够熟悉近距离通信技术的关键技术3能够了解近距离通信技术的发展趋势知识链接物联网无线通信技术是指车辆、硬件设备、家用电器、公共设施与电子产品、应用软件、控制器、传感器，分别连接到互联网当中，并通过无线网络技术进行信息交换。车载以太网任务5近距离通信技术图3-5-1近距离无线通信技术无线网络通信是在移动网络通信技术的基础上建立而成的，无线网络与移动网络之间的关系。无线网络通信技术按照连接方式，大致可以分为两类：一类是设备之间可以直接进行通信，不需要借助任何的中间设备进行连接，如蓝牙通信技术和红外线通信技术等。另一类是设备之间进行通信时，需要借助中间设备进行连接，如Wi-Fi通信技术等。车载以太网任务5近距离通信技术图3-5-2无线通信技术05什么是射频技术什么是射频技术无线射频识别技术英文简称为“RFID”。RFID是RadioFrequencyIdentification的缩写，即射频识别，它通过无线射频方式结合数据访问技术，进行非接触双向数据通信。RFID利用无线射频方式，通过电磁波实现对电子标签的读写，以实现识别目标和数据交换的目的。采用RFID技术的产品常称为感应式电子晶片或近接卡、感应卡、非接触卡、电子标签、电子条码，等等。06射频技术的组成射频技术的组成一套完整RFID系统由Reader（读写器，又称阅读器）、Transponder（电子标签）和天线组成,其动作原理为由Reader（读写器）发射一特定频率的无线电波能量给Transponder（电子标签）,用以驱动Transponder（电子标签）电路将内部之IDCode（编码）送出，此时Reader（读写器）便接收此IDCode。读写器发射无线电波能量能够覆盖的区域大小，取决于其发射功率。Transponder（电子标签）的特殊在于免用电池、免接触、免刷卡故不怕脏污，且晶片密码为世界唯一无法复制，安全性高、长寿命。以下是电子标签内部结构（芯片+天线）与RFID系统组成示意图。射频技术的组成图3-5-3射频技术的组成07RFID分类RFID分类RFID技术依据其标签的供电方式分类如下：（1）无源RFID:技术最成熟，应用也最为广泛。产品的结构简单，成本、故障率低，使用寿命长，而且由于省略了供电系统，体积可以小到厘米量级，适用于公交卡和二代身份证等。（2）有源RFID:虽然出现时间短，但已广泛用于高速公路电子不停车收费。电子标签使用外接电源供电，主动向读写器发送信号，主要工作在900MHz、2.45GHz、5.8GHz等较高频段。产品的传输距离较长，传输速度较高，但体积相对较大。适用于大范围的射频识别应用场合。RFID分类（3）半有源RFID:解决了无源RFID和有源RFID的缺点。半有源RFID仅对电子标签中保持数据的部分进行供电，产品处于休眠状态，因此耗电量较小。读写器先以125KHz低频信号在小范围内精确激活进入其识别范围的电子标签使之进入工作状态，再通过2.4GHz微波与其进行信息传递。08射频技术的应用射频技术的应用图3-5-4射频技术在汽车上的应用RFID技术可以用于机动车流量、车辆平均速度、道路拥挤状况等交通信息的采集，也可以用于交通信号优化控制、公交信号优化控制、特定区域出入管理等智能交通控制，以及违章、违法行为检测和车牌自动识别系统等领域。NFC技术NFC技术也称为近场通信（NearFieldCommunication），是一种高频无线通信技术，允许电子设备之间进行非接触式点对点数据传输（在10cm内）交换数据、图片和视频信息。该技术最早由Philips公司发起，Nokia公司和Sony公司等厂家主推。NFC技术由免接触式RFID演变而来,并向下兼容RFID,工作在13.56MHz频率，点对点的通信建立时间少于0.1s，传输速度分别有106kbit/s、212kbit/s和424kbit/s三种类型。09NFC工作原理NFC工作原理在被动模式下，NFC通信的发起设备提供射频场，以一种固定的传输速度将数据发送到目标设备。NFC通信的目标设备不必产生射频场，而使用负载调制技术以相同的速度将数据传回发起设备。因此，发起设备可以在该模式下以相同的连接和初始化过程检测目标设备，并与之建立联系。如下图所示。图3-5-5NFC被动通信模式NFC工作原理在主动模式下，任一设备向另一台设备发送数据时，都必须产生自己的射频场，以便进行通信，获得快速的连接设置。如下图所示。图3-5-6NFC主动通信模式NFC技术是一个开放接口平台，可以对无线网络进行快速、主动设置，将非接触读卡器、非接触卡和点对点功能整合进一块单芯片，为消费者的生活方式开创了不计其数的全新机遇。NFC工作原理虽然NFC技术与RFID技术一样，通过频谱中无线频率部分的电磁感应耦合方式传递，但是两者之间存在很大的区别，主要表现在以下四个方面：首先，NFC技术是一种提供轻松、安全、迅速的无线通信连接技术，其传输范围比RFID技术的米级以上的传输范围要小，具有距离近、带宽高、能耗低等特点；其次，NFC技术与现有非接触智能卡技术兼容，已经成为越来越多主要厂商支持的正式标准；再次，NFC技术是一种近距离连接协议，提供各种设备间轻松、安全、迅速而自动的通信；最后，RFID技术更多的被应用在生产、物流、跟踪和资产管理上，而NFC则在门禁、公交、手机支付等领域内发挥着巨大的作用。10车联网中的应用车联网中的应用NFC技术可以提高汽车使用的易用性和功能性，可以将智能手机作为汽车的智能钥匙用于解锁打开车门和关闭车门。2014年，芯片厂商NXP为苹果iPhone6和iPhone6Plus提供了内置NFC芯片，首次提出希望汽车厂商们能够加入对NFC技术的支持，通过智能手机解锁车门、发动汽车。宝马M850i的数字钥匙即采用该技术，使用智能手机放在车门把手上即可打开车门，然后将手机放入无线充电手机托盘即可启动车辆。2019年12月，华为钱包与比亚迪DiLink联合发布基于NFC的智能“手机车钥匙”，将搭载比亚迪宋Pro车型，实现解锁和上锁等一系列动作，为用户提供更便捷智能的数字车生活，如下图所示。2020年3月，小米手机也与比亚迪DiLink联合发布了手机NFC车钥匙功能，还可以读取车辆的状态数据。车联网中的应用图3-5-7华为钱包与比亚迪DiLink携手提供汽车智慧出行解决方案11WIFI技术WIFI技术WIFI全称wirelessfidelity，即“无线保真”，俗称“无线宽带”，是一种基于IEEE802.11标准的高频无线通信技术，是当今使用最广的一种无线网络传输技术。实际上就是把有线网络信号转换成无线信号，所以WIFI信号也是由有线网提供的，比如家里的ADSL、宽带之类的，只要接一个无线路由器，就可以把有线信号转换成WIFI信号。Wi-Fi技术通常使用2.4GUHF或5GSHFISM射频频段。2.4G频段具有室内环境中抗衰减能力强的优点，但是由于干扰多，不能保障足够的稳定性。5G频段具有抗干扰能力强，能提供更大的带宽，吞吐率高以及可扩展性强的优点，但只适合室内小范围覆盖和室外网桥，容易受到各种障碍物的衰减作用。12Wi-Fi技术的工作模式Wi-Fi技术的工作模式主要有STA模式、AccessPoint模式、Monitor模式、Ad-hoc（IBSS）模式、WDS模式、Mesh模式。以STA模式为例,它可以供任何一种无线网卡使用，是默认模式。在此模式下，无线网卡发送连接与认证消息给热点，热点接收到后完成认证后，发回成功认证消息，而后此网卡接入无线网络。了解网络拓扑结构之前，先要了解两个重要的基本概念：站点STA（Station），是指具有WIFI通信功能的，而且连接到无线网络中的终端设备，如手机、平板电脑、笔记本计算机等。接入点AP（AccessPoint），也称为基站，是我们常说的WIFI热点，相当于一个转发器，将互联网上的数据转发给接入设备。Wi-Fi技术的工作模式WiFi可以通过不同的网络拓扑结构进行组网，其发现和接入网络也有自身的要求和步骤。WiFi无线网络包括两种类型的拓扑形式：基础网（Infrastructure）和自组网（Ad-hoc）。基础网模式是基于AP组建的基础无线网络，由AP创建，众多STA加入所组成，AP是整个网络的中心，各STA间不能直接通信，需经AP转发。自组网模式也称为对等模式，允许一组具有无线功能的计算机或移动设备之间为数据共享而迅速建立起无线连接。由两个及以上STA组成，网络中不存在AP。各设备自发组网，设备之间是对等的。网络中所有的STA之间都可以直接通信，不需要转发。Wi-Fi技术的工作模式图3-5-8AP+STA组网模式13WIFI技术系统协议WIFI技术系统协议根据OSI模型（开放系统互联模型）的层次划分，Wi-Fi系统采用五层结构，用于实现无线通信。这五层结构包括以下层次：图3-5-9WIFI协议结构14车联网的应用车联网的应用智能网联汽车车载Wi-Fi系统可快速搭建移动热点，在不依赖于移动蜂窝网络的状态下实现网络连接，体验无线上网。驾驶员可以使用手机等移动设备远程查看车辆的位置、轮胎气压、油量与行驶里程等信息，以及查看车辆的性能与检测报告。同时，可以让驾驶员与乘客把移动设备中的内容同步传输到车辆的信息娱乐系统以及后座的显示屏上，实现手机与车机的同步互联、双屏互动操作。斑马智行车载互联网系统可与手机良好的互动，如图所示。车联网的应用图3-5-10WIFI的应用15蓝牙技术蓝牙技术蓝牙的名字来源于10世纪丹麦国王HaraldBlatand－英译为HaroldBluetooth。在行业协会筹备阶段,需要一个极具有表现力的名字来命名这项高新技术。行业组织人员，在经过一夜关于欧洲历史和未来无限技术发展的讨论后，认为用Blatand国王的名字命名再合适不过了，所以蓝牙技术也称为Bluetooth。蓝牙技术是一种支持移动电话、掌上电脑、无线耳机、智能汽车以及相关外设等设备不必借助电缆就能联网，组成一个巨大的无线通信网络进行近距离通信的技术。采用高速跳频扩展技术FHSS（FrequencyHoppingSpreadSpectrum）,跳频速率为每秒1600次，每次传送一个封包，封包大小从126bit-2871bit皆可，其封包内容可以是数据或语音等不同的资料。资料封包可借助自动重送（ARQ）机制来加以保护，其设备采用的是GFSK调制技术，其最高传输速率为1Mbps，蓝牙技术实际数据有效速率为721Kbps，话音采用连续可变斜率调制CVSD（ContinuousVariableSlopeDeltaModulation连续可变斜率调制）编码方式，CVSD方式抗干扰能力很强，即使在误码率达到4%时仍然有可以接受的话音质量。蓝牙通信协议采用时分多址TDMA(TimeDivisionMulti-access)。蓝牙技术支持一个异步数据通道，或3个并发的同步话音通道，或一个同时传送异步数据和同步话音的通道。每一个话音通道支持64kbps的同步话音；异步通道支持最大速率721kbps、反向应答速率为57.6kbps的非对称连接，或者432.6kbps的对称连接。目前，蓝牙技术已经经过了5代10个版本的更新，分别为1.0、1.1、1.2、2.0、2.1、3.0、4.0、4.1、4.2、5.0。蓝牙技术图3-5-11蓝牙技术16蓝牙技术的特点蓝牙技术的特点功耗低，对人体危害小；采用跳频技术，数据包短，抗信号衰减能力强；可同时支持数据、音频、视频信号，传输距离较短。17蓝牙体系结构蓝牙体系结构蓝牙由底层硬件模块、中间协议层和高层应用三大部分构成。（1）底层硬件模块。由基带、射频模块和链路控制单元组成，基带用于完成蓝牙数据和跳频的传输；射频模块通过不需要授权的2.4GHzISM频段的微波，实现数据流传输和过滤；链路控制单元用于实现链路建立、连接和拆除的安全控制。（2）中间协议层。主要包括服务发现协议、逻辑链路控制和适应协议、电话通信协议和串口仿真协议四个部分，服务发现协议层提供上层应用程序一种机制以便于使用网络中的服务；逻辑链路控制和适应协议负责数据拆装、复用协议和控制服务质量，是其他协议层作用实现的基础；电话通信协议定义了用于蓝牙电话系统的通信协议；串口仿真协议使蓝牙设备能够通过蓝牙连接模拟标准串口通信。（3）高层应用。位于协议层最上部的框架部分，主要有文件传输、网络、局域网访问，通蓝牙体系结构过相应的应用程序在一定的应用模式实现无线通信。当蓝牙设备之间想要相互交流时，首先进行配对创建网络环境，一台设备作为主设备，所有其它设备作为从设备。配对搜索称为短程临时网络模式，也被称之为微微网。微微网在蓝牙设备加入和离开无线电短程传感时动态、自动建立。18蓝牙技术在汽车上的应用蓝牙技术在汽车上的应用蓝牙技术的应用主要有车载蓝牙电话、车载蓝牙音响、车载蓝牙后视镜、汽车虚拟钥匙、获取车辆信息（胎压、续驶、位置等）、穿戴设备监测人体状态（血压、脉搏、酒精监测等）并与车辆信息交互等。如下图所示。蓝牙技术在汽车上的应用图3-5-12蓝牙技术在汽车上的应用19什么是NB-IoT什么是NB-IoT窄带物联网（NarrowBandInternetofThings,NB-IoT）成为万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180kHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本。NB-IoT是IoT(物联网)领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接。NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。NB-IoT设备电池寿命可以提高至至少5-10年，同时还能提供非常全面的室内网络覆盖。什么是NB-IoT图3-5-13NB-IoT通信技术20NB-IoT网络优势NB-IoT网络优势（1）广覆盖：将提供改进的室内覆盖，在同样的频段下，NB-IoT比现有的网络增益20dB，相当于提升了100倍覆盖区域的能力。01（2）具备支撑海量连接的能力：NB-IoT一个扇区能够支持10万个连接，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构。02（3）更低功耗：NB-IoT终端模块的待机时间可长达10年。03（4）更低的模块成本。NB-IoT采用较简单的硬件设计、低功耗的芯片组和标准化程度较高的元件，降低了模块的成本。0421NB-IOT在车联网应用NB-IOT在车联网应用（1）智慧路灯：是指通过短距、长距通信技术，实现路灯控制和拓展灯杆资源增值业务，达到降低能耗和维护人力成本，以灯杆为基础向智慧城市业务演进。其主要功能包括自动调节亮度、远程照明控制、故障主动报警、灯具线缆防盗。01（3）智能抄表：系统由智能终端采集、无线方式组网汇聚数据传输到后端服务系统，通过对综合动态数据实时监测和分析，为实现精确管理、节约能源的目标提供有效的数据和手段。03（2）智慧停车：智慧停车解决方案，采用NB-IoT技术，实现一键泊车、一键寻车、一键缴费和智慧监管。在提升停车位的使用效率和降低管理难度的同时，为车主提高了便捷性。02任务6中短距离通信技术任务引入现在越来越多的汽车通过高速路口时，会选择ETC通道自动扣费，省时省力。ETC通过车内电子信息与高速口电子收费信息通信，车辆行驶到高速口，路侧收费系统直接从ETC里面扣掉高速路费，非常的先进，那么ETC是如何实现无接触扣费的呢？任务目标22能够熟悉中短距无线通信技术常见应用场景能够熟悉中短距无线通信技术常见应用场景2能够熟悉理解DSRC、LTE-V通信技术的工作原理及特点23能够了解中短距离通信技术的发展趋势24DSRC的概念DSRC的概念DSRC技术是DedicatedShortRangeCommunication简称，即专用短程通信技术，是由IEEE802.11p底层通信协议与IEEE1609系列标准所构成的技术，由美国主导，福特、丰田等车企推动，具备低传输延迟特性，以提供车用环境中短距离通讯服务。IEEE802.11p解决了在高速移动环境中数据的可靠低时延传输问题。IEEE1609系列规范阐释了V2X通信的系统架构、资源管理、安全机制等。该技术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，将车辆和道路有机连接，专门用于道路环境的车辆与车辆、车辆与基础设施、基础设施与基础设施间通信距离有限的无线通信方式，是智能网联汽车系统最重要的通信方式之一。25DSRC的工作原理DSRC的工作原理与Wi-Fi、蓝牙等其它通信技术采用的共享开放2.4GHz频带不同，DSRC技术专属的交通安全频谱位于1999年美国联邦通讯委员会（FCC）分配给汽车通讯使用的5.9GHz频带的一段75MHz的带宽，被分为7个频道，目标的通信范围可达1km内。每辆车都会在信道172中，以10~20次/s的频率，交互DSRC基础安全信息。紧急信息则会在信道184中，以更高的优先级进行传播。每一条基础安全信息都包含两部分信息，第一部分信息是强制性信息，包括位置、速度、方向、角度、加速度、制动系统状态和车辆尺寸；第二部分是可选信息，例如防抱死制动系统状态、历史路径、传感器数据、转向盘状态等。如下图所示。DSRC的工作原理图3-6-1DSRC技术频道的划分DSRC技术主要由车载单元（OnBoardUnit，OBU）、路旁部署的路侧单元（Road-SideUnit，RSU）两个部分组成。通过车载单元与路侧设备之间的无线通信实现路网与车辆之间的双向信息交流，将车辆与道路有机地连接在一起。如图3-6-2所示。DSRC的工作原理图3-6-2DSRC系统的组成示意图OBU是具有微波通信功能和信息存储功能的移动识别设备，既可以作为独立的数据载体制成电子标签，也可以附加智能卡读写接口实现数据存储和访问控制。RSU是OBU的读写控制器，由加密电路、编码解码器和微波通信控制器等组成，以DSRC通信协议的数据交换方式和微波无线传递手段实现信息交换。DSRC的工作原理根据信息调制方式的不同，DSRC分为主动式和被动式两种。主动式又称为收发器系统，OBU和RSU均有振荡器用于发射电磁波，当RSU向OBU发射询问信号后，OBU利用自身的电池能量发射数据给RSU。被动式又称为异频收发系统，由RSU发射电磁波，OBU接收电磁波激活后进入通信状态，并以一种切换频率反向发送给RSU，被动式的OBU可以有电源也可以没有电源。26DSRC的优缺点DSRC的优缺点DSRC具有易于部署、低成本和原生的自组织网络支持等优点。而且，针对V2X通信的终端高速移动和数据传输的高可靠、低延时等需求进行了优化，适合应用在V2X场景，尤其是一些和安全相关的交通场景。与此同时，DSRC也存在以下缺点：①车辆接入互联网的路侧设备覆盖问题。如果汽车需要接入互联网，必须依靠连接到互联网的路侧DSRC终端的支持，这需要在路侧大量布置能够接入互联网的终端设备。②考虑车辆高速移动的环境下复杂的网络拓扑结构，数据包的多级连跳通信以及路由问题削弱了DSRC高可靠和低延时的性能。③DSRC在高密度场景下，车辆之间的信道接入竟争会变得非常强烈，从而导致通信延迟增加和传输速率下降。④由于DSRC路侧设施投入大，商业盈利模式尚未明确。27DSRC技术的应用DSRC技术的应用DSRC技术的应用，在国内主要以车与路通信中的ETC不停车收费系统为代表，如下图所示。车辆经过特定的ETC车道，通过车载OBU与路侧RSU的通信，在无需停车和收费人员采取任何操作的情况下，自动完成收费过程。此外，DSRC应用还可以实现电子地图下载和交通调度等。图3-6-3ETC不停车收费系统示意图DSRC通信终端包括的车载OBU和路侧RSU两大部分硬件如图3-6-4所示。DSRC技术的应用车载OBU路侧RSU图3-6-4DSRCETC不停车收费系统设备28LTE-V的概念LTE-V的概念LTE-V技术是大唐电信基于TD-LTE技术而推出的具有中国自主知识产权的车载中短距离通信技术，支持在车辆与车辆（V2V）、车辆与基础设施（V2I）、车辆与行人（V2P）之间快速组网，构建数据共享交互桥梁。图3-6-5LTE-V技术LTE-V的概念如上图3-6-5所示，LTE-V能重复使用现有的蜂巢式基础建设与频谱，营运商不需要重新进行基础设施建设以及提供专用频谱，组网成本可以大幅降低，主要解决交通实体之间的“共享传感”（SensorSharing）问题，可将车载探测系统（如雷达、摄像头）从数十米视距范围扩展到数百米以上以及非视距范围，实现在相对简单的交通场景下的辅助驾驶。29分类及工作模式分类及工作模式LTE-V技术包括集中式（LTE-V-Cell）和分布式（LTE-V-Direct）两种，如下图所示。其中，LTE-V-Cell需要基站作为控制中心，实现大带宽、大覆盖通信，定义车辆与路侧通信单元以及基站设备的通信方式；LTE-V-Direct则是可以无需基站作为支撑，可直接实现车辆与周边环境节点低时延、高可靠通信。图3-6-6LTE-V技术分类分类及工作模式LTE-V-Cell的传输带宽最高可扩展至100MHz，速率可达1Gbit/s,用户面时延≤10ms，控制面时延≤50ms,支持车速500km/h，在5G时代演进成C-V2X技术，主要有电信企业推动。LTE-V技术分为Uu和PC5两种接口。其中，Uu为”接入网---终端“通信模式，通过基站进行终端之间的通信；PC5为“用户终端---用户终端”空口短距直传通信模式，不需要通过基站即可完成终端之间的通信。相对于普通LTE，LTE-V增加了端到端的直接通信能力，这使LTE-V能够满足于V2X的低延时通信要求。30LTE-V的特点LTE-V的特点LTE-V的优缺点总结如下表3-6-1所示。表3-6-1LTE-V的优缺点31车联网的应用车联网的应用LTE-V技术，可应用于交叉路口的会车避让，紧急车辆优先通行，前方车辆的紧急刹车告警以及多车的编队自动驾驶。如下图所示。图3-6-7LTE-V技术应用车联网的应用2018年9月15－18日在无锡召开的世界物联网博览会上，奥迪、大众、一汽、东风、长安、上汽等汽车厂商，采用搭载华为LTE-V（基于移动通信技术演进形成的车联网无线通信技术）车载终端的汽车，进行了V2X智慧交通场景演示。华为LTE-V车载终端成为国内首个在开放道路上成功应用的LTE-V车联网终端，通过集成千寻位置的亚米级定位服务及融合惯导算法，为汽车提供了车道级的定位能力。华为LTE-V通信终端包括车载OBU、路侧RSU两大部分硬件，如下图所示。车载OBU路侧RSU图3-6-8华为LTE-V通信终端任务7远距离移动通信技术任务引入这是个万物互联的时代，手机、电脑、电视、冰箱、空调、洗衣机甚至电饭煲，这些常用设备都接入了网络；物联网改变了人们的生活习惯，对网络的依赖度越来越高。汽车也从一个动力为主的单体逐步接入到互联网中，这个过程需要远距离通信技术来实现，那么汽车接入网络会用到哪些远距离的通信技术呢？任务目标车载OBU路侧RSU1能够熟悉移动网络通信技术的概念2能够熟悉移动网络通信技术的发展阶段3能够了解5G技术的原理及发展趋势4能够熟悉卫星定位技术的概念与发展趋势知识链接移动网络通信技术是一种综合技术的应用，它是由有线通信技术和无线通信技术融合而成，具体是指通过移动网络信号系统，作为主体的人或设备可在不受位置约束的条件下，与固定位置或正在发生位移的另一方的主体人或设备进行通信的方式。移动网络信号系统主要由空间系统（如卫星等）、地面系统（如地面基站、交换中心等）两大部分组成。车载OBU路侧RSU图3-7-1移动网络通信5G移动网络通信技术5G移动通信技术概述5G移动通信技术即第五代移动通信技术（5thgenerationmobilenetworks），简称为5G技术，是最新一代蜂窝移动通信技术。5G技术是对包括3G、4G技术在内的现有通信技术的技术更新，是4G网络的延伸。网络延迟低于1ms，数据传输速率可达1Gbit/s，比4GLTE网络快10-100倍，其发展如下图所示：表3-7-1移动网络通信技术发展阶段5G移动网络通信技术1G网络1G网络是第一代移动网络通信技术，它采用了模拟信号技术，在蜂窝基站的作用下，可将网络信号在邻近的各个基站之间进行相互的传递。最终实现了移动电话的语音通话功能，最为典型的应用案例就是—大哥大。5G移动网络通信技术2G网络2G网络是第二代移动网络通信技术，它舍弃了1G网络时代的模拟信号传输技术，转而采用数字信号进行网络通信，这样大大提高了通话质量和通信系统的存储容量，最为典型的应用案例就是短信和手机铃声。5G移动网络通信技术3G网络为移动网络技术的规范化发展，国际电信联盟（ITU）针对第三代移动网络技术，颁发了《国际移动通信2000标准》。在2000年5月，国际电信联盟，最终确定了四大标准，分别为CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA、WIMAX的无线接口标准。在我国国内仅支持3个标准：中国联通的WCDMA、中国电信的CDMA2000、中国移动的TD-SCDMA。5G移动网络通信技术4G网络WLAN是英文WirelessLocalAreaNetworks的缩写，即无线局域网络。WLAN遵循由国际电气和电子工程学会（IEEE,InstituteofElectricalandElectronicEngineers）所定义的无线网络通信IEEE802.11标准。4G网络将3G网络技术和WLAN技术有效的融合在一起，使网络传输速率和传输质量较之前相比，得到了大幅度的提高。目前4G网络制式共有两种，LTE-FDD和LTE-TDD。5G移动网络通信技术5G网络5G网络即为第五代移动通信网络，其传输速率可达4G网络的百倍之多。5G网络的出现，使得物联网能够获得更加广泛的应用，包括了诸如智能网联汽车、机器人、智慧城市、智慧农场等。5G网络标准分为独立组网模式（SA）和非独立组网模式（NSA）两大类。独立组网模式是指需要全新打造5G网络环境，如5G基站、5G核心网等。非独立组网模式是指在现有的4G硬件设施基础上，实施5G网络的部署工作。5G移动网络通信技术设备到设备的通信D2D是DevicetoDevice的英文缩写，即设备到设备的通信。D2D通信是指在一定距离范围内，设备之间的直接通信。图3-7-2D2D通信5G移动网络通信技术大规模输入输出技术5G网络环境下的大规模输入输出技术是指通过大规模天线阵列进行信号的发射和接收。如下图3-7-3所示。图3-7-35G信号接收关系5G移动网络通信技术高频段传输