汽車通訊系統中電子網絡技術的應用研究

楊玉好，袁國倫

(雅安職業技術學院，四川 雅安 625100)

0 引言

汽車通訊系統中的電子網絡技術應用廣泛，它是一種集成概念，主要包括：物聯網、智能通行和車聯網等。隨著近年來汽車行業的飛速發展與新能源汽車的發展，汽車出行成為現代人類的一種生活方式，而智能化的交通運行成為了人們的期望。無線移動的電子通信技術是車聯網信息傳輸的重要技術手段，目前汽車將逐漸成為移動的多媒體信息中心，與辦公場所、家庭住宅通過先進的通訊技術密切相連，充分體現“無縫移動通信”的互聯要求，并逐漸向靈活性、數字化、互聯性、整合性及私密性趨勢發展。

本文通過對電子網絡技術及其在汽車通訊領域的應用進行論述并展望，進而為相關研究提供理論基礎。

1 電子網絡技術

1.1 物聯網技術

近年來物聯網廣泛應用于農業生產、家居生活、工業監控等行業，在汽車通訊中尤為頻繁。物聯網的概念于1999年由美國ID公司率先提出，其主要結構包括感知層、網絡層和應用層。感知層是以感知層傳感器技術為中心，由各種傳感器組成，通過傳感器實現信息采集、目標識別的作用。網絡層目的是實現信息輸送與通訊[1]。應用層是將各個服務組進行應用實現。在物聯網中，智能接口用于異構網絡的無縫集成，異構設備之間的互操作性是物聯網的主要目標之一。物聯網正在革新許多新的研究和應用發展領域，正在將智能化整合到現有領域。

1.2 智能交通系統

智能交通系統作為一種應用電子網絡技術面向社會交通服務的系統，能實現交通系統信息的收集、處理、分發和交換。該系統是未來智能化交通系統的發展方向(圖1)，采用多種高精尖技術對地面路況進行全方位判斷，通過高效利用交通設施，如紅綠燈、燈崗等對交通進行梳理，減少交通壓力使交通流順暢。

圖1 智能交通系統構成圖

隨著智能交通系統的發展，智能交通系統(ITS)已經向車載通信發展。車輛對車輛(V2V)和車輛對路邊單元(V2R)通信的概念作為另一種稱為車輛專用網絡(VANETs)的通信網絡在研發中出現[1,2]。該系統能夠在道路旁或道路上移動的任何預先建立的基礎設施的幫助下，實現道路車輛之間的通信。許多與新一代無線接入技術(WAT)相關的最先進設備與車輛結合在一起，這些設備包括用戶端，如車載顯示屏、傳感器等終端，如全球定位系統(GPS)、中央處理器(CPU)等[3,4]。作為車載單元的集成使車輛通信能夠提高安全性、舒適性和經濟性。在稀疏車輛網絡環境中，預先建立的基礎設施或特定路線中預先指定的常規車輛(如公共汽車)被用作路邊單元(RSU)，用于提供道路車輛之間的通信。

1.3 車輛互聯網

車輛互聯網(IOV)又稱車聯網，是物聯網在汽車通訊中的革命之一，是一種利用射頻識別技術區別車輛的屬性、提取信息、將車輛狀態加載至標簽中的應用，現階段已發展成通過智能手機連到智能汽車，主要是通過無線技術與路邊單元的輔助實現車輛間的實時通信，從而降低事故發生率[5]，以低廉的運營成本及較強的交通安全保障受到大眾注視。并且基于感知層傳感器技術、中間傳輸技術和后端信息處理技術的智能交通IOV-IOT關鍵技術，實現了車輛與道路、旅行者和車輛、旅行者和管理者之間的互操作性。

2 電子網絡技術在汽車通信的應用

2.1 衛星定位系統

現階段，正在穩定運行的衛星定位系統有北斗導航系統(中國)、GPS系統(美國)、GLONASS(俄羅斯)、伽利略(歐洲)，衛星定位系統是通過衛星掃描為用戶提供所處環境的電子地圖，而用戶使用時僅僅需要一個終端就能實現全天候、高精度、實時性高的衛星定位導航服務。其中配合進行導航服務的主要技術是浮動車數據技術，其基本原理是通過車載導航設備記錄車輛在移動過程中的車況信息，配合地圖匹配路徑進行道路模型建立，通過算法進行處理從而得到浮動車的位置信息。當某一區域車輛數量充足時，通過對車輛位置信息的收集，信息中心處理后就能獲得這一區域的交通動態，如事故多發地、堵車信息、路況信息等，再對用戶進行反饋，進而實現減少用戶在道路上行駛的時間。

2.2 汽車通信技術系統

2.2.1 總線通信技術

汽車總線通信技術是將汽車內部的各個ECU節點聯結起來，從而形成一個汽車內部的局域網絡。節點根據自身的傳感器信息及總線上的信息，完成預定的控制功能和動作，如電機啟停等，節點之間的通訊通過總線來實現。每個節點一般由MCU(或DSP等)、接口電路、總路線控制器、總線驅動器等構成。主要形式及技術參數如表1所示。主要包括CAN(Controller Area Network)全稱為“控制器局域網”技術，CAN FD(CAN with Flexible Data-rate)是BOSCH公司2011年發布的CAN替代總線技術、LIN(Local Interconnect Network)低成本的串行總線通信技術等。

表1 常見汽車總線通信技術對比

2.2.2 無線通訊

無線通訊是指僅利用電磁波而不通過線纜進行的通信方式，無線通訊的實現方式有很多種，如無線電、廣播、蜂窩式網絡(1G、2G、3G、4G、5G)、短距離點對點通訊(遙控、DSRC)、無線感測網絡(ZigBee、Bluetooth)、無線局域網(WLAN、WiFi)等。無線通訊系統廣泛應用于IOV，如3G技術、4G技術、WiFi技術、ZigBee技術等，在應用過程中常常和傳感器配合使用，其中無線通訊系統有著傳輸速度快、安全性高、成本低、空間小等特點。常見的汽車無線通訊技術主要包括汽車上的無線通信技術(LTE、WiFi、BT、NFC、ETC、5G、C-V2X等)。近年來隨著新能源汽車的發展，汽車結構中布線越來越多，無線通訊技術空間小、布線少的特點越來越吸引廠家。在網絡化時代車輛采集的數據量巨大，需要通過無線通訊系統將數據傳輸至云端進行分析與儲存，所以無線通訊技術是車輛通訊中的核心技術與重要組成部分。目前，我國的5G技術為IOV帶來了更加廣闊的發展空間，無線傳輸技術也可在數據支持下完成對車輛進行遠程控制，例如，特斯拉公司的無人駕駛與小鵬汽車公司的自動倒車入庫等。

2.3 云計算技術

云計算將用于分析和計算IOV中的道路、大規模車輛路徑規劃方案、智能交通調度計算。首先，數據通過無線通訊技術傳輸至云端進行儲存，通過云計算，在短時間內進行車輛路徑規劃方案的計算，并將優化后的數據傳輸至用戶端，從而指導用戶操作。另外隨著時間推進，云端數據庫越發龐大，通過強大的計算與龐大的實時數據庫支持，對服務的穩定性起到了強大的支撐，提升用戶使用便捷度與體驗感。例如，車輛駛入某地區后的車況信息、交通信息、天氣信息等，讓用戶出行更加便利。

2.4 電子收費系統(ETC)

該系統通過識別車輛將車輛、收費站系統及相關設施建立聯系，主要起到完成收費數據與車輛識別的作用。現階段常用于高速路收費，當車輛初次駛入收費站時，通過傳感器對車內ETC進行掃描。實現車輛在運行過程中在不停駛的情況下進行繳費，并且在掃描后數據進入ETC管理中心與系統后，收費站欄桿、付費流程會通過計算機自動進行識別，在疫情當下的今天，大幅度減少車輛運行過程中的人員接觸具有重要意義。除此之外，在車輛違規停車等還可通過地面傳感器識別技術、攝像頭視頻識別技術等對車輛進行感知，從而減少交通事故的發生。其中ETC安裝在收費站路邊傳感器單元和車載單元中，當車輛通過時通過無線傳輸進行信息通信。

2.5 交通誘導系統

交通誘導系統(TGS)是在根據起、終兩點與當前的交通路況及未來一段時間的交通情況預測的綜合考量后對用戶進行最佳路徑引導，其目的是改善用戶體驗和道路擁堵，并且在用戶駕駛過程中，仍會通過不斷更新的道路情況進行路線改進與優化。

該系統通過優化路徑的方式誘導用戶選擇最優路徑，并且也會減少交通擁堵的情況發生，減少車輛在道路停留時間，降低尾氣排放最終達到在路網中車輛組成的交通流的最優合理分布。

2.6 車輛M2M通訊系統

車輛M2M通訊系統使車輛之間的實時信息交換來防止事故。該系統可實現各種自動操作，包括速度控制、車道變換、停車、轉向控制等。該系統對高速公路和密集的城市交通環境非常有益，在這兩種環境中，在緊急情況下，車輛自動控制對安全性具有重大影響。在緊急情況下，它會聯系警察和家人或朋友及其他服務機構，具有自動控制和手動控制兩種應用模式，可以提供與車輛當前及歷史相關的所有信息，如乘客數量、速度、方向、位置、車道、緊急情況原因等。

3 結論

總之，隨著科技的發展與人們對更便捷、更安全生活的向往，在汽車通信過程中電子網絡技術滲透廣泛。本文通過對物聯網、智能交通和IOV概念的介紹與相關電子網絡技術在汽車通訊中應用的介紹，對不同情況的應用進行論述，深入探討電子網絡技術在汽車通訊中的應用，并為今后理論研究提供理論基礎。