物聯網空間站整理發佈
摘要：汽車是一個複雜而龐大的科技載體，因為其龐大的市場體量吸引了各類技術的投入，在車聯網中，將會集成哪些關鍵的技術呢?
交通工具作為日常生活的必需品之一，人們對它一直保持著很高的關注度與依賴度，而人們每天在交通工具上度過的時間也是以小時計算，尤其是在大城市中，這點尤為明顯，相信身處北上廣深等一線城市的人深有體會。正所謂“時間就是金錢”，有數以億計的人每天能花這麼多時間在交通工具上，就意味著這裡面蘊含著龐大的市場機會。這也是車聯網之所以成為市場上的“香餑餑”根本原因。
隨著技術的發展，人們對汽車等交通工具的需求絕不僅僅只是一個“搬運工”而已，希望能夠在汽車裡的時間可以做更多的事情，有更豐富的內容，這就需要車聯網技術來對“汽車生活”進行支撐。
汽車應用領域已經出現了一系列新技術，包括電力系統的改進、非常複雜的遠程信息處理，還有自動駕駛。今天的汽車有更多的電子產品。然而，隨著諸如高級駕駛輔助系統(ADAS)等功能成為標準配置，而不是昂貴的選項，更多的先進功能模塊將會進入尋常百姓家的汽車當中。
下面我們一起來探討一下，目前車聯網技術都需要哪些關鍵的技術。
車用傳感器技術
在眾多車聯網技術當中，傳感器技術是一項很基礎的支撐技術，在目前階段，傳感器以及涉及汽車的方方面面，比如說車速的監控、溫溼度、剎車、燃料監控等等，而未來，隨著智能化的程度越來越高，汽車裡面所使用的傳感器數量與種類也將會增加的更多。在車聯網中，主要涉及到的傳感器有：
汽車運行監測傳感器
在目前的汽車中，已經有功能豐富多樣的傳感器，來監測汽車的整體運行狀態，包括空調系統傳感器、空氣流量傳感器(MAF)、進氣歧管壓力傳感器(MAP)、曲軸位置傳感器(CKP)、凸輪軸位置傳感器(CMP)、發動機冷卻液溫度傳感器(ECT)、進氣溫度傳感器(IAT)、排氣溫度傳感器、節氣門開度傳感器、爆震傳感器、機油壓力傳感器、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、乘員區別傳感器等，其中碰撞傳感器又分為前碰撞傳感器和側碰撞傳感器。主要作用是在汽車發生碰撞時，判斷碰撞的烈度和方位，然後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航模式，利用超聲波從發射到接收的時間差來確定障礙物的位置，在未來的自動駕駛與半自動駕駛汽車中，可以通過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，利用幾個攝像頭合成汽車周圍的環境圖像，立體攝像頭還能生成3D圖像。在車聯網應用中，圖像傳感器除了能識別距離外，還能識別顏色和字體，比如說交通指示燈與指示牌，也能在其他傳感器失效時作為備用系統，增加安全性。
雷達傳感器
雷達傳感器的基本原理也是通過電磁波遇到障礙後的反射信號，能夠實時的計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距離雷達與短距離雷達能實時追蹤其他車輛的速度，並通過增加自動化駕駛的冗餘度來提升安全性。
LIDAR傳感器
LIDAR(光探測及測距)傳感器能發射不可見的激光光速，對周圍環境進行掃描，可探測障礙物、測量距離並生成3D圖像，LIDAR傳感器結合攝像頭的數據能精確識別障礙物，判斷前方是人還是其他的動物等等。
C-V2X通信
2015年2月，3GPPSA1正式啟動了LTE-V2X業務需求研究項目，拉開了LTE-V2X技術在3GPP各小組的標準化序幕，並於2017年3月完成V2X第一階段標準的制定。按C-V2X按業務模式可以分為以下4類，包括：
V2N(vehicle-to-network)通信，包括動態地圖下載，自動駕駛相關線路規劃、遠程控制等;
V2V(vehicle-to-vehicle)通信，包括核心防碰撞，避擁塞等安全類應用，V2V安全類應用不受限於網絡覆蓋;
V2P(vehicle-to-pedestrian)通信，車與人之間通信，主要用於行人安全;
V2I(vehicle-to-infrastructure)通信，用於車與道路設施之間通信，提供或接受本地道路交通信息。
LTE-V2X的分類
同時C-V2X根據接口的不同又可分為V2X-Direct和V2X-Cellular兩種通信方式。V2X-Direct通過PC5接口，採用車聯網專用頻段，實現車車、車路、車人之間直接通信，時延較低，支持的移動速度較高，但需要有良好的資源配置及擁塞控制算法。V2X-Cellular則通過蜂窩網絡U u接口轉發，採用蜂窩網頻段(如1.8GHz)。具體的PC5口和U u口對比如表所示。
邊緣雲
車聯網業務中有關駕駛安全類業務的主要特徵是低時延、高可靠。在時延需求上，輔助駕駛要求20~100ms，而自動駕駛要求時延可低至3ms。邊緣雲是在現有移動網絡中實現低時延業務的使能技術之一。
移動多接入邊緣計算(Multi-access Edge Computing，MEC)是在靠近人、物或數據源頭的網絡邊緣側，融合網絡、計算、存儲、應用核心能力的開放平臺，就近提供邊緣智能服務，滿足行業數字化在敏捷連接、實時業務、數據優化、應用智能、安全與隱私保護等方面的關鍵需求。一般情況下針對車聯網場景，MEC系統有兩種構建方式，一種是在基站側利用若干臺通用服務器構建的邊緣雲系統，完成流量本地卸載，及植入車聯網相關應用。另一種是在基站內部提供一定的計算能力。邊緣雲提供本地化的雲服務，並可連接公有云或者其他網絡內部的私有云實現混合雲服務。
邊緣雲計算通過將本地雲平臺下沉在基站側，可為移動終端提供低時延業務。通過LTE蜂窩網絡和MEC車聯網平臺的本地計算，在緊急情況是下發警告等服務駕駛信息給車載OBU，相比現有網絡時延，車到車時延可降低至20ms以內，大幅度減少車主反應時間。此外，通過MEC車聯平臺還可實現路徑優化分析，行車與停車引導，安全輔助信息推送和區域交通服務指引等。
網絡能力開放
運營商作為傳統的通信服務提供者，正在努力嘗試在新的產業合作中進行角色轉換，以增加新的利潤營收點，網絡能力開放便是其中的重要方式之一。5G網絡能力開放將具有更加豐富的內涵，除了4G網絡定義的網絡內部信息、QOS控制、網絡監控能力、網絡基礎服務能力等方面能力的對外開放外，網絡虛擬化、SDN技術、以及大數據分析能力的引入，也為5G網絡提供了更為豐富的可以開放的網絡能力，比如：網絡切片的編排管理能力等。
網絡能力的開放應結合具體業務場景，並綜合考慮第三方應用平臺在系統架構及業務邏輯方面的差異性，從而實現簡單友好的開放。此外，網絡能力開放必須具有足夠的靈活性，隨著網絡功能的進一步豐富，網絡能力可向第三方應用實現持續開放，而不必對第三方平臺及網絡系統自身進行復雜的改動。
網絡能力開放主要包括：(1)網絡及用戶信息開放;(2)無線業務及網絡資源開放;(3)網絡計算資源開放。
運營商在新的產業模式下，實現網絡能力開放勢在必行，包含業務域，平臺域和網絡域。
網絡能力開放的三域架構願景圖
網絡域包含了運營商的BSS/OSS、MANO、網絡切片和網元實體、MEC、大數據分析平臺等網絡要素實體。
其中，BSS/OSS和MANO能力的結合實現對網絡切片的統一編排管理，以及對平臺域的能力開放。
網絡切片可支撐不同車聯網業務需求，在不同應用場景下實現不同的網絡配置。
網元實體實現具體的網絡控制能力、監控能力、網絡信息以及網絡基本服務能力的開放。
大數據分析平臺實現對網絡基礎數據的大數據分析，並將分析結果上報給平臺域進行對外開放。
其中，平臺域是實現網絡能力開放的大腦和核心，是連接網絡內部能力和外部業務需求的紐帶，也是真正實現網絡智能化的關鍵。車聯網系統中，平臺域不僅具有網絡管理能力，向下實現連接管理、終端管理，向上實現業務管理。允許第三方應用接入，實現車聯網業務虛擬運營管理，因此需要具備第三方業務的簽約管理，對業務域的API開放和計費功能，以及對網絡域的能力編排和能力調度功能。
業務域包含了車聯網所有可以和網絡有交互能力的個人和企業，可以是第三方業務提供商、虛擬運營商、終端用戶，或是運營商的自營業務等。業務域既可以向平臺域輸入網絡能力的需求信息，並接受平臺域提供的網絡能力，也可以向平臺域提供網絡域需求的能力信息，實現反向的能力開放。
車聯網信息安全
作為低時延、高可靠通信的重要應用，車聯網的信息安全問題同樣受到重視。隨著車聯網應用範圍不斷擴大，那麼安全攻擊也就相應增多。在車聯網“端—管—雲”的基本網絡架構下，每一個環節都是信息安全的防護重點。車聯網產業鏈較長，涉及到終端設備、通信設備、以及雲端管理和服務平臺，涉及的廠商有元器件供應商、設備生產商、整車廠商、軟硬件技術提供商、通信服務商、信息服務提供商等，包括控制安全、數據安全、功能安全等各個方面。
車聯網安全防護環節眾多、網絡安全問題複雜，其中容易受到攻擊的部分主要包括：
端：信息娛樂系統、T-box、CAN網絡、鑰匙;手機、手錶上的App;與CAN網絡連接的OBD設備等;
管：包括從車機、T-box到後臺的通訊，App到後臺的通訊等;其中V2X是車聯網通信的關鍵技術，對於不可信節點的檢測、隔離以及處罰都缺乏相應的機制;
雲：TSP後臺所在的雲端服務器等;
在解決車聯網網絡安全策略上，針對不同的部分採取不同的安全防護措施。
比如說車載智能終端，除了硬件採取加密措施，例如芯片防護、硬件加密外，開啟車聯網終端安全監測分析，加強對終端應用程序的應用加密、安全啟動等。
通信安全：加強訪問控制，實施分域管理，對網絡進行分域管理，將控制域與信息服務域進行隔離，對數據進行分域管理，降低攻擊風險;加強網絡切面的功能，網絡側進行異常流量檢測，提升車聯網網絡安全防護能力;加強身份認證及秘鑰管理，進行基於證書的私有通信加密。
雲服務平臺：採用現有網絡技術進行安全加固，部署防火牆、入侵檢測系統等安全設備;建立車聯網用戶憑證管理系統，對車輛、移動終端、應用程序等進行身份驗證、加強密鑰管理;對不同業務進行物理隔離，依照業務的安全級別採用不同級別的安全防護措施;對數據進行加密處理，同時建立數據共享、集中管理的核心憑條，對威脅情報及不安全因素進行系統共享。
車聯網信息安全防護措施
高精度定位
位置信息為實現車聯網業務的提供重要參考，位置信息越準確，車聯網業務可靠性越高。因此，高精度定位研究是實現車聯網業務的關鍵技術之一。
在室外場景下，常用的定位技術包括GPS、北斗、輔助GPS(Assisted GPS,A-GPS)以及基於無線通信蜂窩網絡的定位，如小區ID技術(Cell-ID)，增強型小區ID技術(Enhance Cell ID,ECID)。
其中北斗導航定位系統是我國擁有獨立知識產權的衛星定位系統，目標是形成完善的國家衛星導航應用產業支撐、推廣和保障體系，推動衛星導航在國民經濟社會各行業的廣泛應用。
而定位技術在室內場景下的更為複雜，為滿足室內定位性能要求，近年來國內外學者及科研機構研究利用WLAN、射頻識(Radio Frequency Identification,RFID)、超寬帶(Ultra Wide Band,UWB)、藍牙等無線網絡來實現室內移動終端的定位技術，其定位精度可達米級，而採用UWB技術甚至可達釐米級精度。
無線定位系統示意圖
無線定位系統主要由兩部分組成，包括信息提取和位置計算。各部分功能如下：
信息提取：可用於定位的對象包括無線信號(例如GPS、北斗、WiFi、蜂窩網等)、傳感器(例如加速器、陀螺儀等)以及地圖信息等，而不同的對象提取出的定位信息參數也各不相同。對於無線信號，收發機之間距離信息需要通過估計兩者無線信道鏈路的參數信息來獲取，該參數包括接收信號強度(Received Signal Strength,RSS)、到達時間(Time of Arrival,TOA)、到達時間差(Time Difference of Arrival,TDOA)、到達角(Angle of Arrival,AOA)等。實際接收的無線信號受非視距傳輸及多徑效應、陰影效應的影響，因而即使精確估計信道參數信息，也難以獲取準確的收發機之間的直線距離。傳感器獲得的是定位目標的運動方向、步長等信息。地圖信息通常通過繪製高精地圖，獲得向量化參數，用來對定位目標進行約束或優化。上述參數是進行下一步位置估計的前提。
位置計算：定位算法是整個定位系統性能的關鍵性影響因素，一方面要求定位算法有較好的精準度;另一方面又要求定位系統有較低的複雜度和時延。精準度與複雜度之間的平衡，是定位系統開發考慮的重要因素。根據提取參數的不同，採用的定位算法也各不相同。例如根據無線信號提取的參數，可以採用非線性方程組算法、最優化算法或圖樣匹配算法，而採用傳感器信息和地圖信息則可採用位置跟蹤算法，包括粒子濾波、路徑約束等。另外，在高精度定位系統中，通常採用多源信息融合的混合定位算法。
語音識別技術
無論多好的觸摸體驗，對駕車者來說，行車過程中觸摸操作終端系統都是不安全的，因此語音識別技術顯得尤為重要，它將是車聯網發展的助推器。成熟的語音技術能夠讓司機通過嘴巴來對車聯網發號施令索取服務，能夠用耳朵來接收車聯網提供的服務，這是最適合車這個快速移動空間的應用體驗的。成熟的語音識別技術依賴於強大的語料庫及運算能力，因此車載語音技術的發展本身就得依賴於網絡，因為車載終端的存儲能力和運算能力都無法解決好非固定命令的語音識別技術，而必須要採用基於服務端技術的“雲識別”技術。
當然，技術是不斷髮展變化的，在車聯網的發展中，肯定會碰到現在還沒有想到的問題，也會有新的技術與解決方案出現，未來車聯網將會如何，我們拭目以待。
閱讀更多 物聯傳媒 的文章
