第3章智能网联汽车网络技术.docx

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第3章智能网联汽车网络技术

课堂教学设计表

授课日期

2020年月日

授课学时

6学时

√理论实践

章名称

第3章智能网联汽车网络技术

节名称

3.1网络的类型与特点

3.2车载网络

3.3车载自组织网络

3.4车载移动互联网

目的

与要求

通过学习，掌握智能网联汽车网络体系构成，了解车载网络类型和特点，初步没把握车内网和车载自组织网络的基础知识，初步认识车载移动互联网。

教学内容

3.1网络类型和特点；

3.2CAN、LIN、FlexRay、Most总线技术在智能网联汽车上的应用

3.3车载自组织网络在智能网联汽车上的应用

3.4车载移动互联网的组成与应用

重点

与难点

3.2CAN、LIN、FlexRay、Most总线技术在智能网联汽车上的应用

3.3车载自组织网络在智能网联汽车上的应用

3.4车载移动互联网的组成与应用

授课方式

理论授课、视频辅导

课外作业

课堂小结

审批意见

签字：

年月日

备注

1.教师所编制的教案由所在教研室主任审批；

2.教研室主任编制的教案由所在二级学院院长（或者专业带头人）审批；

3.二级学院院长编制的教案，有所属专业的教研室主任审批。

板书设计

说明：

任课教师可根据黑板的屏数自行进行板书设计。

教学内容

目的、要求、方法、手段、时间分配、板书预案等

【导言】

随着汽车电动化、智能化、网联化的发展，汽车上的传感器越来越多，达到成百上千，而且汽车上的传感器和道路基础设施上的传感器也要互联互通，这样智能网联汽车就会变成一个庞大的网络系统。

【内容讲授】

3.1网络的类型与特点—类型

以车内总线通信为基础的车载网络

以短距离无线通信为基础的车载自组织网络

以远距离无线通信为基础的车载移动互联网络

3.1.1网络的类型—车载网络类型

（1）A类低速网络:

传输速率一般小于10kbit/s（千比特每秒），主流协议是LIN（局域互联网络），主要用于电动门窗、电动座椅、照明系统等

（2）B类中速网络：

传输速率在10~125kbit/s之间，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；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

（3）C类高速网络：

传输速率在125~1000kbit/s之间，对实时性要求高，主要面向高速、实时闭环控制的多路传输网；主流协议是高速CAN、FlexRay（服乐克思睿）等，主要用于发动机控制、ABS、ASR、ESP、悬架控制等

（4）D类多媒体网络：

传输速率在250kbit/s~100Mbit/s之间，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

（5）E类安全网络：

传输速率为10Mbit/s，主要面向汽车安全系统的网络

车载自组织网络

车载自组织网络是基于短距离无线通信技术自主构建的V2V、V2I、V2P之间的无线通信网络，实现V2V、V2I、V2P之间的信息传输，使车辆具有行驶环境感知、危险辨识、智能控制等功能，并能够实现V2V、V2I之间的协同控制

车载移动互联网

车载移动互联网是基于远距离通信技术构建的车辆与互联网之间连接的网络，实现车辆信息与各种服务信息在车载移动互联网上的传输，使智能网联汽车用户能够开展商务办公、信息娱乐服务等

3.1.2网络的特点

（1）复杂化：

智能网联汽车电控系统的网络体系结构复杂，它包含多达数百个ECU通信节点，ECU被划分到十几个不同的网络子系统之中，由ECU产生的需要进行通信的信号个数多达数千个

（2）异构化：

为满足各个功能子系统在网络带宽、实时性、可靠性和安全性的不同需求，CAN、LIN、FlexRay、MOST、以太网、自组织网络、移动互联网等多种网络技术都将在智能网联汽车上得到应用，因此，不同网络子系统中所采用的网络技术之间存在很大程度的异构性

（3）网关互连的层次化架构：

智能网联汽车电控系统和先进驾驶辅助系统的网络体系结构具有层次化特点，它同时包括同一网络子系统内不同ECU之间的通信和两个或多个网络子系统所包含的ECU之间的跨网关通信等多种情况。

如防碰撞系统功能的实现依赖于安全子系统、底盘控制子系统、车身子系统以及V2V、V2I、V2P之间的交互和协同控制

（4）通信节点组成和拓扑结构是变化的：

智能网联汽车需要实现V2V、V2I、V2P之间的通信，它的网络体系结构中包含的通信节点和体系结构的拓扑结构是变化的

3.2车载网络

车载网络类型主要有CAN、LIN、FlexRay、MOST、以太网等

3.2.1CAN总线网络——定义

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，媒体访问方式为位仲裁，是一种多主总线

3.2.1CAN总线网络——特点

（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。

（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

（8）连接：

CAN总线可以同时连接多个单元，可连接的单元总数理论上是没有限制的；但实际上可连接的单元数受总线上的时间延迟及电气负载的限制；降低传输速率，可连接的单元数增加；提高传输速率，则可连接的单元数减少

3.2.2LIN总线网络——定义

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为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总线网络——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

（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总线通信距离最大不超过40m

LIN总线网络——应用

LIN网络主要应用于车窗、门锁、开关面板、后视镜等

3.2.3FlexRay总线网络——定义

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

FlexRay总线网络——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

（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总线网络——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

（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

3.2.4MOST总线网络——定义

MOST（多媒体定向系统传输）总线是使用光纤或双绞线作为传输介质的环形网络，可以同时传输音/视频流数据、异步数据和控制数据，支持高达150Mbit/s的传输速率。

MOST25是第1代总线标准，最高可支持24.6Mbit/s的传输速率，以塑料光纤作为传输介质；第2代标准MOST50的传输速率是MOST25的2倍，采用塑料光纤、非屏蔽双绞线作为传输介质；第3代标准MOST150，不仅最高可支持147.5Mbit/s的传输速率，还解决了与以太网的连接等问题，MOST150将成为MOST总线技术发展的趋势。

MOST总线网络——特点

（1）保证低成本条件下，最高可以达到147.5Mbit/s的速率

（2）无论是否有主控计算机都可以工作

（3）支持声音和压缩图像的实时处理

（4）支持数据的同步和异步传输

（5）发送/接收器嵌有虚拟网络管理系统

（6）支持多种网络连接方式，提供MOST设备标准

（7）通过采用MOST，可以减轻线束的质量

（8）光纤网络不会受到电磁辐射干扰与搭铁环的影响

MOST总线网络——应用

主要用于车载电视、车载电话、车载CD、车载互联网、DVD导航等系统的控制；用在车载摄像头等行车系统

3.2.5以太网——定义

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

以太网包括标准以太网（10Mbit/s）、快速以太网（100Mbit/s）、千兆以太网（1000Mbit/s）和万兆以太网（10Gbit/s）

以太网——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

（5）软硬件资源丰富：

大量的软件资源和设计经验可以显着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

3.2.5以太网——应用

博通、飞思卡尔和OmniVision推出了三方共同开发的360º全景停车辅助系统是世界上第一款基于以太网的停车辅助系统

3.3车载自组织网络

无线自组织网络是一种不同于传统无线通信网络的技术，它是由一组具有无线通信能力移动终端节点组成的、具有任意和临时性网络拓扑的动态自组织网络系统，其中每个终端节点既可作为主机，也可作为路由器使用。

作为主机，终端具有运行各种面向用户的应用程序的能力；作为路由器，终端可以运行相应的路由协议，根据路由策略和路由表完成数据的分组转发和路由维护工作。

3.3.1车载自组织网络的定义

一种自组织、结构开放的车辆间通信网络，通过结合GPS及无线通信技术，如无线局域网、蜂窝网络等，可为处于高速移动状态的车辆提供高速率的数据接入服务，并支持V2V、V2I之间的信息交互，已成为保障车辆行驶安全，提供高速数据通信、智能交通管理及车载娱乐的有效技术。

车载自组织网络是智能交通系统未来发展的通信基础，也是智能网联汽车安全行驶的保障

3.3.2车载自组织网络的类型

车载自组织网络结构主要有V2V、V2I、V2P

V2V是通过GPS定位辅助建立无线多跳连接，从而能够进行暂时的数据通信，提供行车信息、行车安全等服务

V2I能够通过接入互联网获得更丰富的信息与服务

V2P研究刚刚起步。

（1）车间自组织型：

车辆之间形成自组织网络，不需借助路侧单元，这种通信模式也称之为V2V通信模式，也是传统移动自组织网络的通信模式

（2）无线局域网/蜂窝网络型：

在这种通信模式下，车辆节点间不能直接通信，必须通过接入路侧单元互相通信，这种通信模式也称为V2I通信模式，相比车间自组织型，路侧单元建设成本较高

（3）混合型：

混合型是前两种通信模式的混合模式，车辆可以根据实际情况选择不同的通信方式

3.3.3车载自组织网络的路由协议类型

路由协议是一种指定数据包转送方式的网上协议

负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点；包括寻找源节点和目的节点的优化路径；将数据分组沿着优化路径正确转发

单播路由：

是指数据包源节点向网络中一个节点转发数据

广播路由：

是指数据包源节点向网络中的所有其他节点转发数据

多（组）播路由：

是指数据包源节点向网络中多个节点转发数据

基于拓扑结构的路由协议：

是指网络中的节点通过周期性地广播路由信息得到其他节点的位置信息从而选择下一跳进行数据包转发

基于地理位置的路由：

路由协议通过位置服务方式实时准确地获取自身车辆和目的车辆的位置信息，同时通过路由广播的方式获得广播范围内邻居节点的位置信息，根据分组转发策略择优选择下一跳进行数据包转发

基于移动预测的路由：

由于节点的移动性，通过节点速度、加速度、距离和时间等参数，预测通信链路的生命周期，即可预测该路由路径的有效期

3.3.4车载自组织网络的特点

节点速度变化大：

节点的可能速度在0~200km/h之间。

节点速度很大时对应用程序的影响也很大，比如由于速度太快，导致即时环境变化太快，使得对环境感知的应用也变得困难。

在另外一种极端情况下，即节点几乎不移动，网络拓扑相对稳定。

然而，车辆的缓慢移动意味着车辆密度很大，这会导致高干扰、介质接入等诸多问题

运动模式多变：

车辆是在预定义的道路上行驶的，一般情况下有两个行驶方向。

在十字路口时，车辆的行驶方向具有不确定性。

将道路分为高密度城市道路、高速公路和乡村道路三种类型。

城市场景下，交通流非常的无序；高速公路上的车速度快，几乎整个运动都是处于一维情况；乡村道路上很难形成连通的网络。

节点密度：

在相同的无线通信范围内，可能存在零到几十、甚至上百的车辆；当节点密度非常小时，几乎不可能完成瞬时消息转发，需要更复杂的消息传播机制，可以先存储信息，并在车辆相遇时转发信息。

这样可能导致一些信息被同一车辆重复多次。

当节点密度很大时，消息只可能被选定的节点重复，否则会导致重载信道。

节点密度与时间也相关。

在白天，高速公路和城市中节点密度较高，足以实现瞬时转发，有足够的时间使路由处理分段网络。

但在夜间，无论哪种类型的道路，车辆都很少

节点异构性：

在车载自组织网络中，节点有许多不同种类。

车辆和路侧单元的区别。

而车辆可以进一步分为城市公交、私家车、出租车、救护车、道路建设和维修车辆等，并不是每辆车都要安装所有的应用。

例如只有救护车需要安装能够在其行驶路线上发出警告的应用。

路侧单元功能不同，可以简单的向网络发送数据，或者拥有自组织网络的完整功能。

此外，路侧单元节点可以提供对背景网络的访问，如向交通管理中心报告道路状况

可预测的运动性：

尽管车辆节点的运行规律比较复杂，但车辆的运动趋势在一定程度上仍然是可以预测的。

在高速公路场景，根据车辆所处的车道、实时的道路状况以及汽车自身的速度和方向就可以推测汽车在随后短时间内的运动趋势。

在城市场景中，不同类型的车辆具有不同的运动趋势。

公交车的行驶平均速度缓慢且具有间隔性静止状态，因此根据公交节点的速度大小和道路特点就可以推测出短时间内的运动趋势

3.3.5车载自组织网络的应用场景

碰撞预警

避免交通拥堵

紧急制动警告

并线警告

交叉路口违规警告

3.4　车载移动互联网——定义

移动互联网：

是以移动网络作为接入网络的互联网及服务，包括移动终端、移动网络和应用服务3个要素

移动互联网包含两方面的含义：

一方面，移动互联网是移动通信网络与互联网的融合，用户以移动终端接入无线移动通信网络、无线城域网、无线局域网等方式访问互联网；另一方面，移动互联网还产生了大量新型的应用，这些应用与终端的可移动、可定位和随身携带等特性相结合，为用户提供个性化的、位置相关的服务

3.4.2　移动互联网的特点

（1）终端移动性：

用户可以在移动状态下接入和使用互联网服务，移动的终端便于用户随身携带和随时使用

（2）业务及时性。

用户使用移动互联网能够随时随地获取自身或其他终端的信息，及时获取所需的服务和数据

（3）服务便利性：

由于移动终端的限制，移动互联网服务要求操作简便，响应时间短

（4）业务/终端/网络的强关联性：

移动互联网服务需要同时具备移动终端、接入网络和运营商提供的业务3项基本条件

（5）终端和网络的局限性：

在网络能力方面，受到无线网络传输环境、技术能力等因素限制；在终端能力方面，受到终端大小、处理能力、电池容量等的限制

3.4.3　移动互联网的接入方式

卫星通信网络：

优点是通信区域大、距离远、频段宽、容量大；可靠性高、质量好、噪声小、可移动性强、不容易受自然灾害影响；缺点是存在传输时延大、回声大、费用高

3.4.3　移动互联网的接入方式

卫星通信网络：

优点是通信区域大、距离远、频段宽、容量大；可靠性高、质量好、噪声小、可移动性强、不容易受自然灾害影响；缺点是存在传输时延大、回声大、费用高

无线城域网：

以微波等无线传输为介质，提供同城数据高速传输、多媒体通信业务和互联网接入服务等，具有传输距离远、覆盖面积大、接入速度快、高效、灵活、经济、较为完备的QoS机制等优点；缺点是暂不支持用户在移动过程中实现无缝切换

无线局域网：

指以无线或无线与有线相结合的方式构成的局域网，如Wi-Fi。

无线局域网具有布网便捷、可操作性强、网络易于扩展等优点；缺点是性能、速率和安全性存在不足

无线个域网：

采用红外、蓝牙等技术构成的覆盖范围更小的局域网。

有蓝牙、ZigBee、UWB、60GHz、IrDA、RFID、NFC等，具有低功耗、低成本、体积小等优点；缺点主要是覆盖范围小

蜂窝网络：

由移动站、基站子系统、网络子系统组成，采用蜂窝网络（4G/5G网络）作为无线组网方式，通过无线信道将移动终端和网络设备进行连接

3.4.4　车载移动互联网——组成

车载移动互联网：

以车为移动终端，通过远距离无线通信技术构建的车与互联网之间的网络，实现车辆与服务信息在车载移动互联网上的传输

车载移动互联网的典型应用就是车联网

应用举例:

-PPT

智能网联汽车是智能汽车与车联网交集的产品

智能网联汽车是车联网的重要组成部分，智能网联汽车的技术进步和产业发展有利于支撑车联网的发展

车联网是智能网联汽车的最重要载体，只有充分利用互联技术才能保障智能网联汽车真正拥有充分的智能和互联

智能网联汽车的聚焦点是在车上，发展重点是提高汽车行驶安全性，其终极目标是无人驾驶汽车

车联网的聚焦点是建立一个比较大的交通体系，发展重点是给交通参与者提供信息服务，其终极目标是智能交通系统

多媒体演示，5分钟师生进行讨论环节

板书与多媒体教学相结合，理论内容讲授8分钟

重点内容讲授12分钟，提问并答疑

理论内容讲授15分，进行课堂讨论

理论内容讲授5分钟

小结本节课3分钟

布置作业2分钟