2021年07月19日 | 一种结合车联网和C-V2X的终端设备系统架构设计

摘要：本文介绍的网联终端设备结合了蜂窝网移动通信终端和C-V2X PC5直连通信终端，两者通过以太网进行信息交互，均由车载电池供电并连接到车辆总线，根据车辆总线消息进入不同的工作模式；移动通信终端可为车辆提供远控、防盗、OTA、数据路由等多种服务；C-V2X通信终端可与其他车辆、基础设施等进行交互，然后基于交互消息和自身状态进行判断并向驾驶员提供预警信息。

车联网是汽车电子、移动通信、交通系统高度融合的新产业，是汽车行业最重要的技术创新和产业方向。目前车联网已逐渐开始普及，为实现网联功能安装T-box 的新车在不断增加。新车上安装的T-box 配合覆盖率非常高的移动通信网络可为车主、车厂和4S 店等提供多种网联服务，例如可为车主提供车辆远程控制、防盗、车载ECU 软件的OTA 升级等服务，可为车载其它设备提供数据路由，具有紧急状态下的自动或手动呼叫等功能；车厂和4S 店可获得车辆状态及故障等信息，向车主推送维修、保养等提醒信息[1]。

0   引言

C-V2X（Cellular-Vehicle to Everything）是一种车用无线通信技术，是将车辆与一切事物相连接的新一代信息通信技术，其中V 代表车辆，X 代表任何与车交互信息的对象，目前X 主要包含车V、人P、路侧基础设施I（例如路侧单元RSU）和移动通信网络N。以C-V2X为代表的智能交通系统可非常有效地降低交通事故，提高交通效率。目前C-V2X 设备（简称V-Box）已有新车开始装配，其可与其他车辆、RSU 等通过PC5 直连通信实现信息交互，并通过T-box 与移动通信网络进行交互，获取更多更远的交通信息，这样本车可通过这些信息判断其他车辆的状态、路况或行人的意图等，从而做出预判并提醒驾驶员及时对车辆采取措施，以避免交通事故的发生，或者使车辆以最佳速度通过交通灯路口，减少车辆等待时间和道路拥堵几率，提高道路通行效率等。

我国目前在大力推动汽车的网联化、智能化和电动化，可以预见，随着技术的发展、基础设施的完善、相关法规的实施，车联网和以C-V2X 为核心的智能交通系统将逐渐普及，给车主带来更加快捷、舒适、安全的驾驶体验。

1   系统设计

系统结构如图1 所示。

图1 系统结构

2   系统特点

本文介绍了一种T-box 加V-Box 的方案，该方案是把T-box 和V-Box 分为两个单独的模块，两者之间、两者和车上其他ECU 之间通过以太网进行信息交互，既可实现与移动通信网络的网联功能，也可实现C-V2X的PC5 直连通信；这样既可实现车联网的功能，又可实现C-V2X 功能（如V2V、V2I、V2N）。

该架构可在已具有T-box 的车型上增加V-Box 进行升级增配，根据不同的车型等级提供不同的功能配置。

3   各模块的功能及作用

3.1 在上述架构图中，T-box主要用于和移动通信网络通信

1）网联模块通过以太网将与移动通信网络通信的上下行数据与V-Box 或车内其他设备（如信息娱乐系统）进行交互。网联模块配备主辅两个外置天线，主天线具有收发功能，辅天线具有接收功能。为了在天线出现故障时能及时发现并通知车主，T-box 需具备天线开、短路诊断功能；网联模块和微处理器MCU 通过UART等进行状态交互。在待机模式下，为了可远程快速唤醒T-box，网络模块处于DRX 模式，当待机超过一定时间（如14 天），为减少对车辆电池的消耗，网联模块的电源将被切断进入掉电状态。

2）MCU 通过总线收发器收发车辆总线消息并进行解码，根据车辆发送的总线消息（如车辆点火、熄火等），对T-box 整机进行开机、待机等控制，并对各模块电源进行管理，实现关键模块的正确上电时序以及整机在待机模式下的低功耗要求。MCU 同时还对自身和其他模块进行监控，避免整机进入死循环等状态，如网联模块发送定时信号给MCU，如果MCU超时未收到此信号，则认为网联模块出现意外并强制对其进行复位。

3）总线收发器为CAN 收发器，可根据整车总线网络选择高速CAN 或CAN FD。使用CAN FD 可在T-box待机状态下根据总线报文确定是否唤醒T-box，从而降低功耗。

4）电源模块的设计在兼顾成本的前提下要考虑几个因素：整机和各模块峰值电流的要求，待机模式下低功耗的要求，关键模块的供电诊断，车厂或国标的电源测试标准要求（如ISO7637、传导辐射测试、传导抗扰测试等）。

3.2 V-Box用于PC5直连通信（如和其他车辆、RSU的通信）

1）C-V2X 直连通信模块主要用于和其他对象直接交互信息，并根据接收到的消息和本车的状态信息做出预警等判断；具备两个V2X 天线。

2）MCU 除了接收解码CAN 消息用于V-box 整机的开关机控制和各模块的电源管理，还将与车辆状态相关的CAN 消息（如车辆速度、左右转弯、刹车、双闪灯状态等）解码后发送给C-V2X 直连通信模块，该模块再将这些消息发送给周围车辆；MCU 同时还对自身和其他模块如直连通信模块、应用处理器进行监控，以避免出现死循环等问题。

3）由于V-Box 要处理的C-V2X 消息数据量大，如按周围300 m 范围内有200 辆车、每辆车交互10 条消息/ 秒计算，V-Box 每秒需要处理2 000 条消息，对处理器的算力要求高，因此需要外加应用处理器专门用于C-V2X 消息的处理。

4）由于C-V2X 对定位精度和时间精度要求高，除了有通信模块内置的模块用于GNSS 数据接收、定位和授时外，还需要外加惯性测量单元IMU（陀螺仪+ 加速度计）和专门的算法用于特殊场景的定位和授时，例如隧道、高楼林立的市区等。

5）硬件安全模块HSM 主要用于C-V2X 消息的签名、验签、证书验证以及秘钥存储等，需要支持相应的国密算法。

6）以太网除了和T-box 交互移动通信网络信息，还将通过以太网网关将V-Box 产生的前向碰撞预警、车辆失控等预警信息转发给其他系统，为驾驶员提供及时的图文、语音预警。如果车辆配备驾驶辅助系统，V-Box 还可作为传感器，该系统在综合V-Box、雷达、摄像头、超声波等的输入后进行运算决策，然后对车辆进行相应控制（如刹车、减速等）。

4   实际应用

本系统所介绍的方案已应用在实际产品中，可实现TCSAE-53-2017 标准中的安全和效率类场景，例如V2I 场景的道路危险状况提示、闯红灯预警和绿波车速引导、弱势交通参与者碰撞预警等；V2V 场景的前向碰撞预警、盲区提醒和故障车辆预警等，取得了良好的应用效果。

参考文献：

[1] 中国汽车工程学会.TCSAE-53-2017合作式智能运输系统车用通信系统应用层及应用数据交互标准[S].