UDP穿透NAT技术实现数据唤醒车联网T-Box设备的方案

夏宝华 李佳 胡孟永

（北京福田汽车工程研究总院智博汽车科技(上海)有限公司 上海市 201101）

T-Box 是现代车联网系统中一个非常重要的部件，其主要功能是：用户可以通过T-Box 提供的Telematics 服务功能实现远程操控汽车的目的。通常TSP 部署智能T 服务的策略，车辆T-Box 与TSP 通过无线互联网进行交互，配合车辆BCM/ECU 完成用户远程操控汽车的命令请求。

1 目前现状缺陷与本案目的

当车辆在用户落锁后车辆进入安全防护状态，T-Box 以及整车CAN 进入休眠态。若此时用户想远程操控自己的车辆，用户需要打开手机APP 发送远程操控指令（如远程打开空调等功能）到TSP，TSP 收到用户的远程操控指令后先检查该车辆的T-Box 是否处于休眠状态，若T-Box 处于休眠状态TSP 根据策略需立即唤醒T-Box，T-Box 被唤醒后立即执行来自TSP 的远程操作指令，并将执行结果回送给TSP，TSP 将执行结果推送到用户手机APP 并呈现执行结果给用户。

TSP 唤醒车辆休眠中的T-Box，通用的方法基本上都是发送唤醒短信到T-Box 移动模块来实现的，整个作业流程如图1。

因为T-Box 休眠后虽然主CPU 是处于冻结非工作状态，但是T-Box 的移动模块处于DRX 模式。若有唤醒短信送达T-Box 所在的基站，通常1-2 个DRX 周期（运营商DRX 周期大多设定为1200 毫秒）就能收取到该唤醒短信，那么T-Box 的移动模块就可以立即唤醒主CPU，那么整个T-Box 就立即处于工作状态且同时也唤醒整车CAN。唤醒后的T-Box 马上就可以执行来自TSP 的远控命令。

另外TSP 唤醒T-Box 同样也可以采用电话呼叫来实现，即TSP需要唤醒处于休眠态的T-Box 时直接呼叫该T-Box 的电话号码，通常1-2 个DRX 周期T-Box 的电话模块就能收到唤醒来电，完成T-Box的唤醒过程。

使用短信和电话呼叫唤醒T-Box，有以下缺点：

（1）发送短信需要TSP 运营平台支付费用，TSP 运营成本很高；

（2）电话呼叫，TSP 运营平台需要租用电话中继线路，TSP运营成本也比较高。另外电话呼叫比发送短信速度慢，并发呼叫数量也远不如并发发送短信数量大，用户使用远程控制等待T-Box 唤醒时间长，体验差。

现在的T-Box 移动无线模块都支持：

（1）短信唤醒（2G 网络或VoIP 支持）；

（2）电话唤醒（2G 网络或VoIP 支持）；

（3）数据唤醒（3G/4G/5G 数据网络支持）；

因此本案提出使用数据唤醒方式来唤醒休眠中的T-Box。

2 数据唤醒T-Box的方案

针对以上短信/电话唤醒的缺点这一现状，本案试图通过3G/4G/5G 数据网络实现数据唤醒T-Box。

图1

现在车辆的T-Box 都支持3G/4G/5G 数据网络，休眠后根据3GPP DRX标准，若有数据到达该T-Box所在的蜂窝，休眠中的T-Box在下一个活动DRX 周期若发现有送来的数据T-Box 的3G/4G/5G无线模块就立即唤醒来接收数据，而3G/4G/5G 无线模块唤醒后也会将整个T-Box 唤醒，这样的方法就实现了通过数据唤醒T-Box 的目的。

TSP 使用数据唤醒T-Box 的必要条件：TSP 能实现P2P 访问T-Box 并将唤醒数据发送到对应的T-Box 上。

为了实现P2P 数据唤醒T-Box，本案中TSP 与T-Box 之间的唤醒数据通信协议将使用UDP。

2.1 建立TSP与T-Box唤醒方案

建立TSP 与T-Box 唤醒方案模型如图2，在图2 的模型中，主要部件为：

（1）【TSP 唤醒交换服务程序】 部署在TSP 公网IP 所在服务器上，负责帮助T-Box 程序与TSP 唤醒服务程序建立UDP P2P数据通道。

（2）【T-Box 程序】 部署在T-Box 上，在TSP 唤醒交换服务程序的帮助下，穿透移动互联网与TSP 唤醒服务程序建立UDP P2P 数据通道。

（3）【TSP 唤醒服务程序】 部署在TSP 其他服务器上，在TSP 唤醒交换服务程序的帮助下，穿透互联网与T-Box 程序建立UDP P2P数据通道。维护T-Box唤醒资源表。在需要唤醒某T-Box时，将UDP唤醒数据发送到UDP P2P数据通道上，实现数据唤醒T-Box。

表1

图2

图3

（4）【T-Box 唤醒资源表】 存放T-Box 身份识别信息与UDP P2P 数据通道对应关系。

（5）【T-Box 与TSP 唤醒服务程序UDP P2P 数据通道】 当TSP 唤醒服务程序需要唤醒某T-Box 时，通过此通道发送唤醒数据到T-Box 程序，实现数据唤醒T-Box。

2.2 基本原理

【T-Box 程序】和【TSP 唤醒服务程序】首先连接部署在公网IP 服务器上的【TSP 唤醒交换服务程序】，在【TSP 唤醒交换服务程序】的帮助下【T-Box 程序】和【TSP 唤醒服务程序】交换双方的UDP IP 地址和端口号，这样【T-Box 程序】和【TSP 唤醒服务程序】都知道对方NAT 后的UDP IP 地址和端口号。这样双方就能建立穿透NAT 的【T-Box 与TSP 唤醒服务程序UDP P2P 数据通道】。同时【TSP 唤醒服务程序】维护【T-Box 唤醒资源表】，即建立T-Box身份识别信息与UDP P2P 数据通道对应关系。这样当TSP 需要唤醒某T-Box 时，【TSP 唤醒服务程序】查询【T-Box 唤醒资源表】获取到该T-Box 对应的【T-Box 与TSP 唤醒服务程序UDP P2P 数据通道】参数，随即【TSP 唤醒服务程序】发送唤醒数据到该通道上，这样就实现了使用数据唤醒T-Box 的目的。

3 数据唤醒T-Box作业流程

图3 说明了数据唤醒T-Box 作业流程：

（1）当TSP 收到手机APP 发来的远程控制命令后，发唤醒T-Box 请求到【TSP 唤醒服务程序】。

（2）【TSP 唤醒服务程序】先检查该T-Box 是否处于休眠状态，若不是处于休眠状态就结速本次唤醒作业。

（3）【TSP 唤醒服务程序】查询【T-Box 唤醒资源表】获取到该T-Box 对应的【T-Box 与TSP 唤醒服务程序UDP P2P 数据通道】参数。

（4）【TSP 唤醒服务程序】发送唤醒数据到该通道上，发送完毕后结速本次唤醒作业。

4 数据唤醒T-Box的优势

下面列表比较一下电话、短信、数据唤醒的指标参数，如表1所示。

通过表1 不难看出本案实现的数据唤醒T-Box 有以下优点：

（1）实现可靠，TSP 可以落地实现。

（2）作业速度快，响应快。

（3）平均唤醒T-Box 时间实测3-5 秒，用户体验佳。

（4）无需租用专门线路，使用现有互联网链路就可以实现本案。

（5）因为无需租用专门线路，因此本案实现不需支付发送短信费用以及租用电话中继线路费用。

（6）并发唤醒T-Box 数量没有上限。

本案除了在部署实现上需要有相当的技术门槛，其他指标都优于电话、短信唤醒，因此在未来车联网方案设计部署时需要加强推广与落地。