隨著技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)汽車等交通工具的需求絕不僅僅只是一個(gè)“搬運(yùn)工”而已，希望能夠在汽車?yán)锏臅r(shí)間可以做更多的事情，有更豐富的內(nèi)容，這就需要車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來(lái)對(duì)“汽車生活”進(jìn)行支撐。汽車應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)出現(xiàn)了一系列新技術(shù)，包括電力系統(tǒng)的改進(jìn)、非常復(fù)雜的遠(yuǎn)程信息處理，還有自動(dòng)駕駛。今天的汽車有更多的電子產(chǎn)品。然而，隨著諸如高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)等功能成為標(biāo)準(zhǔn)配置，而不是昂貴的選項(xiàng)，更多的先進(jìn)功能模塊將會(huì)進(jìn)入尋常百姓家的汽車當(dāng)中。下面我們一起來(lái)探討一下，目前車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)都需要哪些關(guān)鍵的技術(shù)。車用傳感器技術(shù)在眾多車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)當(dāng)中，傳感器技術(shù)是一項(xiàng)很基礎(chǔ)的支撐技術(shù)，在目前階段，傳感器以及涉及汽車的方方面面，比如說(shuō)車速的監(jiān)控、溫濕度、剎車、燃料監(jiān)控等等，而未來(lái)，隨著智能化的程度越來(lái)越高，汽車?yán)锩嫠褂玫膫鞲衅鲾?shù)量與種類也將會(huì)增加的更多。在車聯(lián)網(wǎng)中，主要涉及到的傳感器有：汽車運(yùn)行監(jiān)測(cè)傳感器在目前的汽車中，已經(jīng)有功能豐富多樣的傳感器，來(lái)監(jiān)測(cè)汽車的整體運(yùn)行狀態(tài)，包括空調(diào)系統(tǒng)傳感器、空氣流量傳感器(MAF)、進(jìn)氣歧管壓力傳感器(MAP)、曲軸位置傳感器(CKP)、凸輪軸位置傳感器(CMP)、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度傳感器(ECT)、進(jìn)氣溫度傳感器(IAT)、排氣溫度傳感器、節(jié)氣門(mén)開(kāi)度傳感器、爆震傳感器、機(jī)油壓力傳感器、車速傳感器、液壓油溫度傳感器等等。安全系統(tǒng)傳感器主要有碰撞傳感器、安全傳感器、中央安全氣囊傳感器、安全帶傳感器、乘員區(qū)別傳感器等，其中碰撞傳感器又分為前碰撞傳感器和側(cè)碰撞傳感器。主要作用是在汽車發(fā)生碰撞時(shí)，判斷碰撞的烈度和方位，然后確定安全氣囊是否起爆。超聲波傳感器超聲波傳感器模擬蝙蝠的導(dǎo)航模式，利用超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間差來(lái)確定障礙物的位置，在未來(lái)的自動(dòng)駕駛與半自動(dòng)駕駛汽車中，可以通過(guò)超聲波傳感器辨別障礙物到汽車的距離。圖像傳感器圖像傳感器模擬人類的視野，利用幾個(gè)攝像頭合成汽車周圍的環(huán)境圖像，立體攝像頭還能生成3D圖像。在車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，圖像傳感器除了能識(shí)別距離外，還能識(shí)別顏色和字體，比如說(shuō)交通指示燈與指示牌，也能在其他傳感器失效時(shí)作為備用系統(tǒng)，增加安全性。雷達(dá)傳感器雷達(dá)傳感器的基本原理也是通過(guò)電磁波遇到障礙后的反射信號(hào)，能夠?qū)崟r(shí)的計(jì)算出汽車與障礙物的距離與接近速度，汽車車身四周所安裝的長(zhǎng)距離雷達(dá)與短距離雷達(dá)能實(shí)時(shí)追蹤其他車輛的速度，并通過(guò)增加自動(dòng)化駕駛的冗余度來(lái)提升安全性。LIDAR傳感器LIDAR(光探測(cè)及測(cè)距)傳感器能發(fā)射不可見(jiàn)的激光光速，對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行掃描，可探測(cè)障礙物、測(cè)量距離并生成3D圖像，LIDAR傳感器結(jié)合攝像頭的數(shù)據(jù)能精確識(shí)別障礙物，判斷前方是人還是其他的動(dòng)物等等。C-V2X通信2015年2月，3GPPSA1正式啟動(dòng)了LTE-V2X業(yè)務(wù)需求研究項(xiàng)目，拉開(kāi)了LTE-V2X技術(shù)在3GPP各小組的標(biāo)準(zhǔn)化序幕，并于2017年3月完成V2X第一階段標(biāo)準(zhǔn)的制定。按C-V2X按業(yè)務(wù)模式可以分為以下4類，包括：V2N(vehicle-to-network)通信，包括動(dòng)態(tài)地圖下載，自動(dòng)駕駛相關(guān)線路規(guī)劃、遠(yuǎn)程控制等;V2V(vehicle-to-vehicle)通信，包括核心防碰撞，避擁塞等安全類應(yīng)用，V2V安全類應(yīng)用不受限于網(wǎng)絡(luò)覆蓋;V2P(vehicle-to-pedestrian)通信，車與人之間通信，主要用于行人安全;V2I(vehicle-to-infrastructure)通信，用于車與道路設(shè)施之間通信，提供或接受本地道路交通信息。
LTE-V2X的分類
同時(shí)C-V2X根據(jù)接口的不同又可分為V2X-Direct和V2X-Cellular兩種通信方式。V2X-Direct通過(guò)PC5接口，采用車聯(lián)網(wǎng)專用頻段，實(shí)現(xiàn)車車、車路、車人之間直接通信，時(shí)延較低，支持的移動(dòng)速度較高，但需要有良好的資源配置及擁塞控制算法。V2X-Cellular則通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)U u接口轉(zhuǎn)發(fā)，采用蜂窩網(wǎng)頻段(如1.8GHz)。具體的PC5口和U u口對(duì)比如表所示。
基于Uu通信和基于PC5通信比對(duì)
邊緣云車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)中有關(guān)駕駛安全類業(yè)務(wù)的主要特征是低時(shí)延、高可靠。在時(shí)延需求上，輔助駕駛要求20~100ms，而自動(dòng)駕駛要求時(shí)延可低至3ms。邊緣云是在現(xiàn)有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)低時(shí)延業(yè)務(wù)的使能技術(shù)之一。移動(dòng)多接入邊緣計(jì)算(Multi-access Edge Computing，MEC)是在靠近人、物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，融合網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用核心能力的開(kāi)放平臺(tái)，就近提供邊緣智能服務(wù)，滿足行業(yè)數(shù)字化在敏捷連接、實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應(yīng)用智能、安全與隱私保護(hù)等方面的關(guān)鍵需求。一般情況下針對(duì)車聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景，MEC系統(tǒng)有兩種構(gòu)建方式，一種是在基站側(cè)利用若干臺(tái)通用服務(wù)器構(gòu)建的邊緣云系統(tǒng)，完成流量本地卸載，及植入車聯(lián)網(wǎng)相關(guān)應(yīng)用。另一種是在基站內(nèi)部提供一定的計(jì)算能力。邊緣云提供本地化的云服務(wù)，并可連接公有云或者其他網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的私有云實(shí)現(xiàn)混合云服務(wù)。邊緣云計(jì)算通過(guò)將本地云平臺(tái)下沉在基站側(cè)，可為移動(dòng)終端提供低時(shí)延業(yè)務(wù)。通過(guò)LTE蜂窩網(wǎng)絡(luò)和MEC車聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的本地計(jì)算，在緊急情況是下發(fā)警告等服務(wù)駕駛信息給車載OBU，相比現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，車到車時(shí)延可降低至20ms以內(nèi)，大幅度減少車主反應(yīng)時(shí)間。此外，通過(guò)MEC車聯(lián)平臺(tái)還可實(shí)現(xiàn)路徑優(yōu)化分析，行車與停車引導(dǎo)，安全輔助信息推送和區(qū)域交通服務(wù)指引等。
基于MEC平臺(tái)實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用
網(wǎng)絡(luò)能力開(kāi)放運(yùn)營(yíng)商作為傳統(tǒng)的通信服務(wù)提供者，正在努力嘗試在新的產(chǎn)業(yè)合作中進(jìn)行角色轉(zhuǎn)換，以增加新的利潤(rùn)營(yíng)收點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)能力開(kāi)放便是其中的重要方式之一。5G網(wǎng)絡(luò)能力開(kāi)放將具有更加豐富的內(nèi)涵，除了4G網(wǎng)絡(luò)定義的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部信息、QOS控制、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控能力、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)服務(wù)能力等方面能力的對(duì)外開(kāi)放外，網(wǎng)絡(luò)虛擬化、SDN技術(shù)、以及大數(shù)據(jù)分析能力的引入，也為5G網(wǎng)絡(luò)提供了更為豐富的可以開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)能力，比如：網(wǎng)絡(luò)切片的編排管理能力等。網(wǎng)絡(luò)能力的開(kāi)放應(yīng)結(jié)合具體業(yè)務(wù)場(chǎng)景，并綜合考慮第三方應(yīng)用平臺(tái)在系統(tǒng)架構(gòu)及業(yè)務(wù)邏輯方面的差異性，從而實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單友好的開(kāi)放。此外，網(wǎng)絡(luò)能力開(kāi)放必須具有足夠的靈活性，隨著網(wǎng)絡(luò)功能的進(jìn)一步豐富，網(wǎng)絡(luò)能力可向第三方應(yīng)用實(shí)現(xiàn)持續(xù)開(kāi)放，而不必對(duì)第三方平臺(tái)及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)自身進(jìn)行復(fù)雜的改動(dòng)。網(wǎng)絡(luò)能力開(kāi)放主要包括：(1)網(wǎng)絡(luò)及用戶信息開(kāi)放;(2)無(wú)線業(yè)務(wù)及網(wǎng)絡(luò)資源開(kāi)放;(3)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算資源開(kāi)放。運(yùn)營(yíng)商在新的產(chǎn)業(yè)模式下，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能力開(kāi)放勢(shì)在必行，包含業(yè)務(wù)域，平臺(tái)域和網(wǎng)絡(luò)域。
網(wǎng)絡(luò)能力開(kāi)放的三域架構(gòu)愿景圖
網(wǎng)絡(luò)域包含了運(yùn)營(yíng)商的BSS/OSS、MANO、網(wǎng)絡(luò)切片和網(wǎng)元實(shí)體、MEC、大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)等網(wǎng)絡(luò)要素實(shí)體。其中，BSS/OSS和MANO能力的結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)切片的統(tǒng)一編排管理，以及對(duì)平臺(tái)域的能力開(kāi)放。網(wǎng)絡(luò)切片可支撐不同車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求，在不同應(yīng)用場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)不同的網(wǎng)絡(luò)配置。網(wǎng)元實(shí)體實(shí)現(xiàn)具體的網(wǎng)絡(luò)控制能力、監(jiān)控能力、網(wǎng)絡(luò)信息以及網(wǎng)絡(luò)基本服務(wù)能力的開(kāi)放。大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)分析，并將分析結(jié)果上報(bào)給平臺(tái)域進(jìn)行對(duì)外開(kāi)放。其中，平臺(tái)域是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能力開(kāi)放的大腦和核心，是連接網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部能力和外部業(yè)務(wù)需求的紐帶，也是真正實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)智能化的關(guān)鍵。車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，平臺(tái)域不僅具有網(wǎng)絡(luò)管理能力，向下實(shí)現(xiàn)連接管理、終端管理，向上實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)管理。允許第三方應(yīng)用接入，實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)虛擬運(yùn)營(yíng)管理，因此需要具備第三方業(yè)務(wù)的簽約管理，對(duì)業(yè)務(wù)域的API開(kāi)放和計(jì)費(fèi)功能，以及對(duì)網(wǎng)絡(luò)域的能力編排和能力調(diào)度功能。業(yè)務(wù)域包含了車聯(lián)網(wǎng)所有可以和網(wǎng)絡(luò)有交互能力的個(gè)人和企業(yè)，可以是第三方業(yè)務(wù)提供商、虛擬運(yùn)營(yíng)商、終端用戶，或是運(yùn)營(yíng)商的自營(yíng)業(yè)務(wù)等。業(yè)務(wù)域既可以向平臺(tái)域輸入網(wǎng)絡(luò)能力的需求信息，并接受平臺(tái)域提供的網(wǎng)絡(luò)能力，也可以向平臺(tái)域提供網(wǎng)絡(luò)域需求的能力信息，實(shí)現(xiàn)反向的能力開(kāi)放。車聯(lián)網(wǎng)信息安全作為低時(shí)延、高可靠通信的重要應(yīng)用，車聯(lián)網(wǎng)的信息安全問(wèn)題同樣受到重視。隨著車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，那么安全攻擊也就相應(yīng)增多。在車聯(lián)網(wǎng)“端—管—云”的基本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，每一個(gè)環(huán)節(jié)都是信息安全的防護(hù)重點(diǎn)。車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈較長(zhǎng)，涉及到終端設(shè)備、通信設(shè)備、以及云端管理和服務(wù)平臺(tái)，涉及的廠商有元器件供應(yīng)商、設(shè)備生產(chǎn)商、整車廠商、軟硬件技術(shù)提供商、通信服務(wù)商、信息服務(wù)提供商等，包括控制安全、數(shù)據(jù)安全、功能安全等各個(gè)方面。車聯(lián)網(wǎng)安全防護(hù)環(huán)節(jié)眾多、網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題復(fù)雜，其中容易受到攻擊的部分主要包括：端：信息娛樂(lè)系統(tǒng)、T-box、CAN網(wǎng)絡(luò)、鑰匙;手機(jī)、手表上的App;與CAN網(wǎng)絡(luò)連接的OBD設(shè)備等;管：包括從車機(jī)、T-box到后臺(tái)的通訊，App到后臺(tái)的通訊等;其中V2X是車聯(lián)網(wǎng)通信的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)于不可信節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)、隔離以及處罰都缺乏相應(yīng)的機(jī)制;云：TSP后臺(tái)所在的云端服務(wù)器等;在解決車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全策略上，針對(duì)不同的部分采取不同的安全防護(hù)措施。比如說(shuō)車載智能終端，除了硬件采取加密措施，例如芯片防護(hù)、硬件加密外，開(kāi)啟車聯(lián)網(wǎng)終端安全監(jiān)測(cè)分析，加強(qiáng)對(duì)終端應(yīng)用程序的應(yīng)用加密、安全啟動(dòng)等。通信安全：加強(qiáng)訪問(wèn)控制，實(shí)施分域管理，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分域管理，將控制域與信息服務(wù)域進(jìn)行隔離，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分域管理，降低攻擊風(fēng)險(xiǎn);加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)切面的功能，網(wǎng)絡(luò)側(cè)進(jìn)行異常流量檢測(cè)，提升車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)能力;加強(qiáng)身份認(rèn)證及秘鑰管理，進(jìn)行基于證書(shū)的私有通信加密。云服務(wù)平臺(tái)：采用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行安全加固，部署防火墻、入侵檢測(cè)系統(tǒng)等安全設(shè)備;建立車聯(lián)網(wǎng)用戶憑證管理系統(tǒng)，對(duì)車輛、移動(dòng)終端、應(yīng)用程序等進(jìn)行身份驗(yàn)證、加強(qiáng)密鑰管理;對(duì)不同業(yè)務(wù)進(jìn)行物理隔離，依照業(yè)務(wù)的安全級(jí)別采用不同級(jí)別的安全防護(hù)措施;對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，同時(shí)建立數(shù)據(jù)共享、集中管理的核心憑條，對(duì)威脅情報(bào)及不安全因素進(jìn)行系統(tǒng)共享。
車聯(lián)網(wǎng)信息安全防護(hù)措施
高精度定位位置信息為實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的提供重要參考，位置信息越準(zhǔn)確，車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)可靠性越高。因此，高精度定位研究是實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。在室外場(chǎng)景下，常用的定位技術(shù)包括GPS、北斗、輔助GPS(Assisted GPS,A-GPS)以及基于無(wú)線通信蜂窩網(wǎng)絡(luò)的定位，如小區(qū)ID技術(shù)(Cell-ID)，增強(qiáng)型小區(qū)ID技術(shù)(Enhance Cell ID,ECID)。其中北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)是我國(guó)擁有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，目標(biāo)是形成完善的國(guó)家衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)支撐、推廣和保障體系，推動(dòng)衛(wèi)星導(dǎo)航在國(guó)民經(jīng)濟(jì)社會(huì)各行業(yè)的廣泛應(yīng)用。而定位技術(shù)在室內(nèi)場(chǎng)景下的更為復(fù)雜，為滿足室內(nèi)定位性能要求，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者及科研機(jī)構(gòu)研究利用WLAN、射頻識(shí)(Radio Frequency Identification,RFID)、超寬帶(Ultra Wide Band,UWB)、藍(lán)牙等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)移動(dòng)終端的定位技術(shù)，其定位精度可達(dá)米級(jí)，而采用UWB技術(shù)甚至可達(dá)厘米級(jí)精度。
無(wú)線定位系統(tǒng)示意圖
無(wú)線定位系統(tǒng)主要由兩部分組成，包括信息提取和位置計(jì)算。各部分功能如下：信息提?。嚎捎糜诙ㄎ坏膶?duì)象包括無(wú)線信號(hào)(例如GPS、北斗、WiFi、蜂窩網(wǎng)等)、傳感器(例如加速器、陀螺儀等)以及地圖信息等，而不同的對(duì)象提取出的定位信息參數(shù)也各不相同。對(duì)于無(wú)線信號(hào)，收發(fā)機(jī)之間距離信息需要通過(guò)估計(jì)兩者無(wú)線信道鏈路的參數(shù)信息來(lái)獲取，該參數(shù)包括接收信號(hào)強(qiáng)度(Received Signal Strength,RSS)、到達(dá)時(shí)間(Time of Arrival,TOA)、到達(dá)時(shí)間差(Time Difference of Arrival,TDOA)、到達(dá)角(Angle of Arrival,AOA)等。實(shí)際接收的無(wú)線信號(hào)受非視距傳輸及多徑效應(yīng)、陰影效應(yīng)的影響，因而即使精確估計(jì)信道參數(shù)信息，也難以獲取準(zhǔn)確的收發(fā)機(jī)之間的直線距離。傳感器獲得的是定位目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方向、步長(zhǎng)等信息。地圖信息通常通過(guò)繪制高精地圖，獲得向量化參數(shù)，用來(lái)對(duì)定位目標(biāo)進(jìn)行約束或優(yōu)化。上述參數(shù)是進(jìn)行下一步位置估計(jì)的前提。位置計(jì)算：定位算法是整個(gè)定位系統(tǒng)性能的關(guān)鍵性影響因素，一方面要求定位算法有較好的精準(zhǔn)度;另一方面又要求定位系統(tǒng)有較低的復(fù)雜度和時(shí)延。精準(zhǔn)度與復(fù)雜度之間的平衡，是定位系統(tǒng)開(kāi)發(fā)考慮的重要因素。根據(jù)提取參數(shù)的不同，采用的定位算法也各不相同。例如根據(jù)無(wú)線信號(hào)提取的參數(shù)，可以采用非線性方程組算法、最優(yōu)化算法或圖樣匹配算法，而采用傳感器信息和地圖信息則可采用位置跟蹤算法，包括粒子濾波、路徑約束等。另外，在高精度定位系統(tǒng)中，通常采用多源信息融合的混合定位算法。語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)無(wú)論多好的觸摸體驗(yàn)，對(duì)駕車者來(lái)說(shuō)，行車過(guò)程中觸摸操作終端系統(tǒng)都是不安全的，因此語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)顯得尤為重要，它將是車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的助推器。成熟的語(yǔ)音技術(shù)能夠讓司機(jī)通過(guò)嘴巴來(lái)對(duì)車聯(lián)網(wǎng)發(fā)號(hào)施令索取服務(wù)，能夠用耳朵來(lái)接收車聯(lián)網(wǎng)提供的服務(wù)，這是最適合車這個(gè)快速移動(dòng)空間的應(yīng)用體驗(yàn)的。成熟的語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)依賴于強(qiáng)大的語(yǔ)料庫(kù)及運(yùn)算能力，因此車載語(yǔ)音技術(shù)的發(fā)展本身就得依賴于網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)檐囕d終端的存儲(chǔ)能力和運(yùn)算能力都無(wú)法解決好非固定命令的語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)，而必須要采用基于服務(wù)端技術(shù)的“云識(shí)別”技術(shù)。當(dāng)然，技術(shù)是不斷發(fā)展變化的，在車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展中，肯定會(huì)碰到現(xiàn)在還沒(méi)有想到的問(wèn)題，也會(huì)有新的技術(shù)與解決方案出現(xiàn)，未來(lái)車聯(lián)網(wǎng)將會(huì)如何，我們拭目以待。
轉(zhuǎn)自智能汽車電子與軟件
