车载无线通信技术浅析

喻 尚， 杨 艳， 张正轩， 黄 娜

（陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院， 陕西 西安 710200）

时代更替，智能化汽车成为各大汽车主机厂研发的重点，而实现智能化关键技术就是互联/无线通信。虽然无线通信技术很早在汽车领域应用，但浅尝辄止。智能车辆让无线通信技术再一次深耕汽车领域。本文分析各种无线通信技术，作为开发安全智能汽车的技术支撑，以便更好研究和应用。

1 无线通信

电磁波是由同向且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的震荡粒子波，具有波粒二象性，如图1所示。由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面。电磁波符合以下公式：

图1 电磁波

式中：c——光速（也是电磁波速度），m/s；f——信号频率，Hz；λ——信号波长，m。

电磁波的不同的频段划分［1］见表1。

由于频度范围和波长范围都很广的特点，主要对低/中频、蓝牙、5G、DSRC及UWB等通信技术进行车载应用分析。

2 应用技术浅析

2.1 低/中频通信应用

低频技术应用代表主要是汽车防盗和无钥匙系统。频段范围125～134kHz或更低，主要通过电感耦合的方式进行工作，即通过读写线圈和感应线圈间变压器耦合作用实现通信。低频传输数据量特别小，因此应用场景功能简单。

中频技术的产品应用主要有汽车遥控钥匙，主要范围315～433MHz，技术已经很成熟，原理和低频类似，不过多赘述。

车载化优点：技术成熟，且设备成本低。车载化缺点：①发射频率低，易被干扰以及被破解；②不满足大数据量通信需求。

表1 频段 （波段） 名称及范围

2.2 高频通信应用

2.2.1 蓝牙通信

蓝牙是一种短距离高频的无线通信技术，主要频段在2.4～2.485GHz，主要是由底层硬件、中间协议和高层应用组成模块。蓝牙技术有可一配多、频段全球通用、可自动传输以及安全性/抗干扰能力强等特点。传输距离随着蓝牙换代升级，已有支持100m范围或更高的性能出现。

车载化优点：①协议支持一对多，频段通用，协议安全可靠且成本低廉；②已实现蓝牙免提通信、车载蓝牙娱乐、蓝牙远程诊断和蓝牙防盗技术，有技术拓展优势。车载化缺点：通信距离增加和发射功率有关，通信定位误差大。

2.2.2 移动通信

高频技术应用代表是手机通信以及发展中的车联通信技术。以5G移动通信技术为代表，根据国际频段划分，中国的5G主要频段为2.5～4.9GHz。5G通信侧重于数据量的传输、大量节点同时通信时系统可靠性。因此我们需要了解香农公式［1］：

式中：B——频谱带宽，Hz；S——信号功率；N——噪声功率；C——最大传输速率，bit/s。

由公式（2） 可知，提升B或增加S/N都可以实现速率C的提升，结合公式（1） 和表1频段划分，得出高速率、大数据量通信的代价需要增加通信基站的数量。

5G新型微基站的诞生已解决第1步关键问题，而5G的推广应用也推进了微基站被大量布置覆盖，这样就为智能汽车通信提供天然的通信平台。此外，被定义为6G的太赫兹技术也已突破，中国已发布太赫兹芯片，超高频、超大容量的通信性能也备受期待。

车载化优点：①通信容量大、速率高；②借用通信基站，低成本实现车联网。车载化缺点：新通信基站的覆盖切换存在一定社会接受度阻力。

2.2.3 DSRC通信

DSRC是专用短距离通信 （Dedicated Short Range Communications，DSRC），可实现在特定小区域内 （通常数十米） 对高速运动下移动目标的识别和双向通信。主要频段5.86～5.925GHz。

DSRC由OBU （on-board unit）、RSU （road-side unit）和专用通信链路组成。DSRC通信协议是为OBU和RSU之间通信交互而制定，分别由物理层、数据链路层和应用层组成。 OBU和RSU之间上行链路和下行链路的交互通信框架如图2所示。结合通信需求DSRC以定点被动传输通信为例，通信流程可分为建立连接、信息交互和连接释放3个基本过程［2］。

图2 DSRC结构图

车载化优点：通信速率高以及通信延迟低等特点，已被广泛用于ETC系统中。车载化缺点：①RSU安装布置问题：需在道路旁进行RSU布置，安装数量、距离以及抗扰能力均有要求；②设备布网问题：DSRC技术需大量载体平台。

2.2.4 UWB通信

UWB （Ultra Wide band，超宽带） 是一种不需要使用载波，而是依靠持续的、时间非常短的基带脉冲信号（通常情况下） 传输数据通信技术。具有隐蔽性好、抗噪声抗干扰能力强、多径分辨率高、穿透能力强、功耗低、频带宽以及通信定位准确等优点。

UWB是一种占空比很低冲击脉冲，占比低达0.5%，可看成基带信号。脉冲是单周期高斯脉冲，可映射为数百个脉冲，如图3所示。有很宽的频谱，单周期脉冲宽度在ns级，频率范围在3.1～10.6GHz。UWB作为一种新型的通信技术，在多点定位方面的优异特性，满足日常车辆近程应用场景，定位原理如图4所示。

图3 超宽带波形示意图

图4 定位原理示意图

实现方式是把传输信息和一组重复周期的脉冲序列进行一定方式的调制，驱动放大，再耦合到天线发出去；在接收端UWB天线接收信号经滤波解调运算，恢复出所传输的信息。

车载化优点：①通信容量大、速率高、延迟和误码率低；②定位误差低。车载化缺点：①芯片成本较高；②部分信道已被占用，但短距离通信可用。

3 总结

无线通信技术作为未来汽车不可或缺的一种技术，快速、准确、可靠以及低成本等要素是检验该技术是否能够应用于汽车、智能车联的重要指标。原则如下。

1） 无线通信技术满足智能车联的通信大容量和快连接切换要求。

2） 无线通信技术标准化车载芯片或扩拓展芯片是推广应用的重要因素。

3） 无线通信技术避免通信信道频段的干扰以及满足车载EMC测试标准要求。

对比上述几种无线通信技术优缺点，具有远程大容量通信的5G技术和近程高准确的UWB通信技术结合，将最终成为未来车载无线通信的关键技术。如车辆外部信息感知简图5，两种无线通信技术将会在车辆的外部信息感知系统中有不可或缺地位。

图5 单/多车辆外部信息感知简图