一種結合車聯網和C-V2X的終端設備系統架構設計

摘要：本文介紹的網聯終端設備結合了蜂窩網移動通信終端和C-V2X PC5直連通信終端，兩者通過以太網進行信息交互，均由車載電池供電并連接到車輛總線，根據車輛總線消息進入不同的工作模式；移動通信終端可為車輛提供遠控、防盜、OTA、數據路由等多種服務；C-V2X通信終端可與其他車輛、基礎設施等進行交互，然后基于交互消息和自身狀態進行判斷并向駕駛員提供預警信息。

車聯網是汽車電子、移動通信、交通系統高度融合的新產業，是汽車行業最重要的技術創新和產業方向。目前車聯網已逐漸開始普及，為實現網聯功能安裝T-box 的新車在不斷增加。新車上安裝的T-box 配合覆蓋率非常高的移動通信網絡可為車主、車廠和4S 店等提供多種網聯服務，例如可為車主提供車輛遠程控制、防盜、車載ECU 軟件的OTA 升級等服務，可為車載其它設備提供數據路由，具有緊急狀態下的自動或手動呼叫等功能；車廠和4S 店可獲得車輛狀態及故障等信息，向車主推送維修、保養等提醒信息^[1]。

0   引言

C-V2X（Cellular-Vehicle to Everything）是一種車用無線通信技術，是將車輛與一切事物相連接的新一代信息通信技術，其中V 代表車輛，X 代表任何與車交互信息的對象，目前X 主要包含車V、人P、路側基礎設施I（例如路側單元RSU）和移動通信網絡N。以C-V2X為代表的智能交通系統可非常有效地降低交通事故，提高交通效率。目前C-V2X 設備（簡稱V-Box）已有新車開始裝配，其可與其他車輛、RSU 等通過PC5 直連通信實現信息交互，并通過T-box 與移動通信網絡進行交互，獲取更多更遠的交通信息，這樣本車可通過這些信息判斷其他車輛的狀態、路況或行人的意圖等，從而做出預判并提醒駕駛員及時對車輛采取措施，以避免交通事故的發生，或者使車輛以最佳速度通過交通燈路口，減少車輛等待時間和道路擁堵幾率，提高道路通行效率等。

我國目前在大力推動汽車的網聯化、智能化和電動化，可以預見，隨著技術的發展、基礎設施的完善、相關法規的實施，車聯網和以C-V2X 為核心的智能交通系統將逐漸普及，給車主帶來更加快捷、舒適、安全的駕駛體驗。

1   系統設計

系統結構如圖1 所示。

圖1 系統結構

2   系統特點

本文介紹了一種T-box 加V-Box 的方案，該方案是把T-box 和V-Box 分為兩個單獨的模塊，兩者之間、兩者和車上其他ECU 之間通過以太網進行信息交互，既可實現與移動通信網絡的網聯功能，也可實現C-V2X的PC5 直連通信；這樣既可實現車聯網的功能，又可實現C-V2X 功能（如V2V、V2I、V2N）。

該架構可在已具有T-box 的車型上增加V-Box 進行升級增配，根據不同的車型等級提供不同的功能配置。

3   各模塊的功能及作用

3.1 在上述架構圖中，T-box主要用于和移動通信網絡通信

1）網聯模塊通過以太網將與移動通信網絡通信的上下行數據與V-Box 或車內其他設備（如信息娛樂系統）進行交互。網聯模塊配備主輔兩個外置天線，主天線具有收發功能，輔天線具有接收功能。為了在天線出現故障時能及時發現并通知車主，T-box 需具備天線開、短路診斷功能；網聯模塊和微處理器MCU 通過UART等進行狀態交互。在待機模式下，為了可遠程快速喚醒T-box，網絡模塊處于DRX 模式，當待機超過一定時間（如14 天），為減少對車輛電池的消耗，網聯模塊的電源將被切斷進入掉電狀態。

2）MCU 通過總線收發器收發車輛總線消息并進行解碼，根據車輛發送的總線消息（如車輛點火、熄火等），對T-box 整機進行開機、待機等控制，并對各模塊電源進行管理，實現關鍵模塊的正確上電時序以及整機在待機模式下的低功耗要求。MCU 同時還對自身和其他模塊進行監控，避免整機進入死循環等狀態，如網聯模塊發送定時信號給MCU，如果MCU超時未收到此信號，則認為網聯模塊出現意外并強制對其進行復位。

3）總線收發器為CAN 收發器，可根據整車總線網絡選擇高速CAN 或CAN FD。使用CAN FD 可在T-box待機狀態下根據總線報文確定是否喚醒T-box，從而降低功耗。

4）電源模塊的設計在兼顧成本的前提下要考慮幾個因素：整機和各模塊峰值電流的要求，待機模式下低功耗的要求，關鍵模塊的供電診斷，車廠或國標的電源測試標準要求（如ISO7637、傳導輻射測試、傳導抗擾測試等）。

3.2 V-Box用于PC5直連通信（如和其他車輛、RSU的通信）

1）C-V2X 直連通信模塊主要用于和其他對象直接交互信息，并根據接收到的消息和本車的狀態信息做出預警等判斷；具備兩個V2X 天線。

2）MCU 除了接收解碼CAN 消息用于V-box 整機的開關機控制和各模塊的電源管理，還將與車輛狀態相關的CAN 消息（如車輛速度、左右轉彎、剎車、雙閃燈狀態等）解碼后發送給C-V2X 直連通信模塊，該模塊再將這些消息發送給周圍車輛；MCU 同時還對自身和其他模塊如直連通信模塊、應用處理器進行監控，以避免出現死循環等問題。

3）由于V-Box 要處理的C-V2X 消息數據量大，如按周圍300 m 范圍內有200 輛車、每輛車交互10 條消息/ 秒計算，V-Box 每秒需要處理2 000 條消息，對處理器的算力要求高，因此需要外加應用處理器專門用于C-V2X 消息的處理。

4）由于C-V2X 對定位精度和時間精度要求高，除了有通信模塊內置的模塊用于GNSS 數據接收、定位和授時外，還需要外加慣性測量單元IMU（陀螺儀+ 加速度計）和專門的算法用于特殊場景的定位和授時，例如隧道、高樓林立的市區等。

5）硬件安全模塊HSM 主要用于C-V2X 消息的簽名、驗簽、證書驗證以及秘鑰存儲等，需要支持相應的國密算法。

6）以太網除了和T-box 交互移動通信網絡信息，還將通過以太網網關將V-Box 產生的前向碰撞預警、車輛失控等預警信息轉發給其他系統，為駕駛員提供及時的圖文、語音預警。如果車輛配備駕駛輔助系統，V-Box 還可作為傳感器，該系統在綜合V-Box、雷達、攝像頭、超聲波等的輸入后進行運算決策，然后對車輛進行相應控制（如剎車、減速等）。

4   實際應用

本系統所介紹的方案已應用在實際產品中，可實現TCSAE-53-2017 標準中的安全和效率類場景，例如V2I 場景的道路危險狀況提示、闖紅燈預警和綠波車速引導、弱勢交通參與者碰撞預警等；V2V 場景的前向碰撞預警、盲區提醒和故障車輛預警等，取得了良好的應用效果。

參考文獻：

[1] 中國汽車工程學會.TCSAE-53-2017合作式智能運輸系統車用通信系統應用層及應用數據交互標準[S].

（本文來源于《電子產品世界》雜志2021年6月期）