夏寶華

（1.北京福田汽車股份有限公司工程研究總院 北京市 102206 2.智博汽車科技(上海)有限公司 上海市 201101）

當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)汽車正處于蓬勃發(fā)展期，車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)在汽車電子領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，當(dāng)用戶在駕駛車輛的時候隨時隨地都能感受到汽車接入車聯(lián)網(wǎng)后帶來的各種便捷操作和駕駛車輛的舒適體驗。雖然整車制造廠商生產(chǎn)的民用轎車對于接入互聯(lián)網(wǎng)來說，國家雖然沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要汽車整車制造產(chǎn)商強制接入車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，但是對于上市車輛接入車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)這已經(jīng)是汽車整車制造廠商生產(chǎn)民用轎車的一個標(biāo)準(zhǔn)配置了。

中國汽車工程學(xué)會在2017年發(fā)布了學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)《合作式智能運輸系統(tǒng)車用通信系統(tǒng)應(yīng)用層及應(yīng)用數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)》（TCSAE 53-2017）。在這份標(biāo)準(zhǔn)里，詳細(xì)的定義了車載單元OBU 技術(shù)要求，定義了車載單元與他單元之間的通信V2X 協(xié)議接口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以及構(gòu)筑車用通信系統(tǒng)的17 種主要應(yīng)用場景定義與實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。

中國信通院在2019年發(fā)布了《車聯(lián)網(wǎng)白皮書（C-V2X 分冊）》，在這份白皮書里進一步闡述了C-V2X 演進與發(fā)展規(guī)劃以及描述了5G 標(biāo)準(zhǔn)寬帶使用場景。

2020年國家和發(fā)展改革委員會聯(lián)合11 個部位制定了《智能汽車創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略》，在這份戰(zhàn)略規(guī)劃書里重新定義了新一代智能汽車，以及展望了汽車智能產(chǎn)業(yè)。

因此迫切需要設(shè)計與實現(xiàn)新一代智能T-Box 來承載V2X 的功能，實現(xiàn)5G 標(biāo)準(zhǔn)寬帶使用場景，迎接新一代智能汽車的誕生。

1 目前現(xiàn)狀與本案目的

1.1 現(xiàn)狀分析與傳統(tǒng)T-Box說明

在現(xiàn)代車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，做為實現(xiàn)Telematics 功能的部件，T-Box處于一個非常關(guān)鍵的位置：

（1）T-Box 連接著遠(yuǎn)程信息服務(wù)供應(yīng)商（Telematics Service Provider，TSP）、娛樂信息單元（Infotainment Head Unit，IHU）、車輛車身控制模塊（Body Control Module, BCM）及電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU），這樣車輛通過T-Box 就接入了車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中。

（2）對于IHU 來說，T-Box 本身管理的第二代移動通信（the 2nd Generation mobile communication technology，2G）/ 第三代移動通信（the 3rd Generation mobile communication technology，3G）/4G 模塊可以共享上網(wǎng)給IHU，因此IHU 可以透過T-Box 提供的共享上網(wǎng)功能接入互聯(lián)網(wǎng)，那么用戶就可以使用語音識別、在線音樂、網(wǎng)絡(luò)電臺等各種互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容供應(yīng)商（Content Provider, CP）服務(wù)。

圖1：傳統(tǒng)T-Box 系統(tǒng)框圖

圖2：4G T-Box 系統(tǒng)框圖

（3）對于手機應(yīng)用程序（Mobile Application, Mobile APP），TSP 將T-Box 與Mobile APP 緊密地連接在一起：用戶可以使用Mobile APP 來查詢車輛狀況以及其他車輛信息，也可以使用Mobile APP 提供的遠(yuǎn)程操作按鈕來發(fā)起車輛的遠(yuǎn)程控制，如用戶可以用遠(yuǎn)程開啟車輛空調(diào)／可以遠(yuǎn)程對車輛開鎖閉鎖操作等。

且T-Box 本身部署有全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System, GPS），通過本身的移動模塊可以方便的接入TSP 以及實現(xiàn)精準(zhǔn)定位車輛所在位置。因此可以說T-Box 是構(gòu)筑現(xiàn)代車輛網(wǎng)系統(tǒng)的重要組件：從TSP 的角度看，T-Box 就代表了接入車聯(lián)網(wǎng)的車輛。

按照T-Box 裝配的移動模塊制式，可以將T-Box 劃分為2G/3G/4G T-Box。

圖3：硬件框架設(shè)計圖

2G/3G 時代的T-Box，設(shè)計時大多是采用MCU+調(diào)制解調(diào)器（modem）解決方案[1]，我們稱之為傳統(tǒng)T-Box，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1。

圖1 顯示了傳統(tǒng)T-Box 原型的系統(tǒng)框圖：MCU 是T-Box 主要處理器，負(fù)責(zé)執(zhí)行Telematics 功能；modem 負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)；MCU 與modem 之間基于通用異步收發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Receiver Transmitter，UART）進行數(shù)據(jù)交換[3]。

進入4G 時代的T-Box，為適應(yīng)Telematics 業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展，其系統(tǒng)框架有了很大的改進，演進為采用MPU+MCU 解決方案[2]。典型的系統(tǒng)架構(gòu)如圖2。

4G T-Box 與傳統(tǒng)T-Box 比較，有下面的先進性：

（1）釋放MCU，MCU 更專注于控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network，CAN）數(shù)據(jù)收發(fā)與處理；

（2）MPU 處理運算能力遠(yuǎn)高于MCU，功能規(guī)劃上專門用來處理復(fù)雜Telematics 業(yè)務(wù)。

1.2 智能汽車對T-Box的基本要求

解讀智能汽車定義對于車載終端T-Box 的技術(shù)基本要求：

（1）5G+車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)，統(tǒng)一的通信接口協(xié)議定義與實現(xiàn)；

（2）車用專屬V2X 頻譜使用，V2X 應(yīng)用場景實現(xiàn)（包括車與車之間（Vehicle to Vehicle，V2V）、車與路之間（Vehicle to Infrastructure，V2I）、車與人之間（Vehicle to Pedestrian, V2P），實現(xiàn)車、基礎(chǔ)設(shè)施、交通環(huán)境等數(shù)據(jù)融合應(yīng)用；

（3）數(shù)據(jù)加密解解密與網(wǎng)絡(luò)安全訪問：安全管理聯(lián)動機制，提升網(wǎng)絡(luò)完全防護能力，加強數(shù)據(jù)安全監(jiān)督管理；

1.3 傳統(tǒng)T-Box的缺陷

基于智能汽車的定義，傳統(tǒng)T-Box 和4G T-Box 囿于技術(shù)實現(xiàn)手段的困難和設(shè)計方法的落后，無論從硬件體系缺陷還是軟件架構(gòu)局限，特別是：

（1）5G 寬帶網(wǎng)絡(luò)的升級；

（2）V2X 應(yīng)用場景的實現(xiàn)；

（3）網(wǎng)絡(luò)安全與數(shù)據(jù)加密實現(xiàn)。

這些基本功能在單片機方式的程序代碼中來構(gòu)造實現(xiàn)，成功可能性幾乎為零。在4G 時代的T-Box 靠軟件升級也是無法實現(xiàn)V2X功能與5G 標(biāo)準(zhǔn)寬帶應(yīng)用的基本要求，所以目前傳統(tǒng)T-Box 以及4G T-Box 是無法適應(yīng)新一代智能汽車定義車載設(shè)備之要求。

1.4 本案的目的

本案在闡述了傳統(tǒng)T-Box 以及4G T-Box 技術(shù)局限和設(shè)計落后的現(xiàn)狀，提出：我們迫切需要設(shè)計一種全新的T-Box，繼承4G T-Box的成熟穩(wěn)定的硬件體系即采用MPU+MCU 解決方案（如圖2 所示），硬件部件增加5G+V2X，使之既能繼承傳統(tǒng)T-Box 的全部功能，又能全部適應(yīng)智能汽車的定義。

重新設(shè)計C-V2X 5G T-Box 技術(shù)方案，我們將使用高成熟度的模塊化設(shè)計思想與實現(xiàn)方法，從硬件體系結(jié)構(gòu)、軟件構(gòu)造框架兩個基本層面深入與滲透模塊化設(shè)計并切實實現(xiàn)。對于傳統(tǒng)T-Box 的功能可以分化做為一個子模塊集成到模塊化的C-V2X 5G T-Box 中，這樣對于傳統(tǒng)T-Box 并非摒棄而是繼承，繼而拓展新的模塊化功能，這樣就可以“既能繼承傳統(tǒng)T-Box/4G T-Box 的全部功能，又能全部覆蓋智能汽車之定義”。這也就是本案的最終目的。

2 C-V2X 5G T-Box之軟硬方案

2.1 國內(nèi)V2X標(biāo)準(zhǔn)首選

V2X 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有兩種，即專用短距離通信技術(shù)（Dedicated Short Range Communication，DSRC）和C-V2X。

V2X 早期主要是基于DSRC，目前使用場景如：電子收費系統(tǒng)（Electronic Toll Collection，ETC）專用通道，它就是實現(xiàn)車輛身份識別，電子扣費，實現(xiàn)不停車、免取卡，建立無人值守車輛通道的關(guān)鍵。另外，在小區(qū)停車場遇見的電子攔路口也有與之相同的技術(shù)應(yīng)用。DSRC 的特點是：它的特點是對短程（數(shù)十米的距離）中，高速行駛的車輛進行識別和連接，從以上應(yīng)用中也可看出來，它的技術(shù)是比較成熟的、穩(wěn)定的，也是當(dāng)前被廣泛認(rèn)可的。

C-V2X 是基于移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)的V2X 通信技術(shù)，就像是手機連入3G/4G 一樣。長期演進（Long Term Evolution，LTE） V2X 針對車輛應(yīng)用定義了兩種通信方式：集中式（LTE-V-Cell）和分布式（LTE-V-Direct）。集中式也稱為蜂窩式，需要基站作為控制中心。分布式也稱為直通式，無需基站作為支撐。

5G 的到來不僅對于手機是一場革命性風(fēng)暴，對于LTE V2X 也是最關(guān)鍵的一步。5G 時代除了下載速度快以外還有最重要的一點，延時性短，5G 強大的通信能力可以讓汽車更安全、更高效的運行。

C-V2X 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)點：

（1）基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，與目前的4G 成熟網(wǎng)絡(luò)和試運行中的5G網(wǎng)絡(luò)可以復(fù)用，部署成本低。

（2）網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣，網(wǎng)絡(luò)運營盈利模式清晰。

（3）三代合作伙伴計劃（3rd generation partnership project，3GPP）標(biāo)準(zhǔn)制定，全球通用，使用單一LTE 芯片組，模塊成本大幅降低。

（4）C-V2X 將作為5G 的重要組成部分持續(xù)演進。

從C-V2X 演進的技術(shù)優(yōu)勢來看，我國擁有全球最大的LTE 網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀，C-V2X 應(yīng)該是國內(nèi)V2X 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的首選。

基于此硬件體系是要基于C-V2X 標(biāo)準(zhǔn)，且一定要使用5G 基帶。

2.2 硬件設(shè)計方案

本案硬件設(shè)計框圖如圖3。

本案硬件之優(yōu)勢：

圖4：軟件框架設(shè)計圖

（1）硬件設(shè)計采用模塊化設(shè)計思想，內(nèi)部自定義總線接口，現(xiàn)在使用C-V2X 模組與5G 模組一體集成模塊，減少分體C-V2X模組與5G 模組設(shè)計耦合風(fēng)險，也節(jié)省布版空間。一體集成模塊節(jié)硬件設(shè)計成本比較低，極大地減小了硬件設(shè)計的風(fēng)險。

（2）硬件設(shè)計中考慮到了無線局域網(wǎng)（Wi-Fi）和低功耗藍(lán)牙（Bluetooth Low Energy，BLE），未來若車輛規(guī)劃藍(lán)牙智能鑰匙，有硬件體系的支撐，軟件系統(tǒng)很方便地就能實現(xiàn)智能藍(lán)牙鑰匙等業(yè)務(wù)需求。

（3）本案設(shè)計了車載以太網(wǎng)，支持以太網(wǎng)物理層收發(fā)器（PHY）和交換機（switch），以適應(yīng)未來車載以太網(wǎng)技術(shù)。

（4）主模塊使用5G 全網(wǎng)通modem，支持2G/3G/4G/5G 網(wǎng)絡(luò)制式。全網(wǎng)通完全兼容中國三大運營商，運營管理將不受運營商身份識別卡（Subscriber Identity Module，SIM）卡和網(wǎng)絡(luò)制式限制，方便了集團公司對于Telematics 業(yè)務(wù)運營管理。

2.3 軟件設(shè)計方案

本案軟件設(shè)計框圖如圖4。

本案軟件之優(yōu)勢：

（1）本案軟件設(shè)計時定義了三個設(shè)計原則：即軟件適應(yīng)之兼容性原則、軟件配置之靈活性原則以及軟件運行之穩(wěn)定性原則。兼容性原則可以保證軟件編碼實現(xiàn)時可以不斷地迭代升級，既能兼容以前的代碼也可以不斷地擴張新的功能。靈活性原則可以保證軟件有很好的柔軟度和最好的開放性，可以保證各個模塊可以很好的耦合，同時開放性也方便未來其他軟件模塊的植入，也可以開放接口給其他部門或第三方軟件植入。穩(wěn)定性考驗設(shè)計方案的成熟度與健壯性，可以有效地保證軟件模塊長時間運行，也是保證軟件產(chǎn)品耐用性的有效手段。

（2）自定義與實現(xiàn)的日志（log）記錄管理系統(tǒng)，實時記錄軟件模塊每時每刻執(zhí)行軌跡，方便測試人員完成軟件模塊的單元測試、臺駕測試與實車測試記錄軟件全面執(zhí)行的情況，為出現(xiàn)的運行問題提供最好的分析數(shù)據(jù)。產(chǎn)品裝車后，也是運營維護人員分析問題設(shè)備的最真實可靠的基礎(chǔ)。

（3）完善的軟件升級實現(xiàn)策略，全面支持空中升級（Over The Air，OTA），設(shè)計有整車OTA 的框架，除了T-Box 本身OTA的實現(xiàn)，同時也支持智能汽車其他ECU 的OTA 實現(xiàn)。OTA 對于車輛的遠(yuǎn)程技術(shù)支持是最便捷的設(shè)計。

（4）軟件有非常強大的自適應(yīng)框架，對于CAN 矩陣（Matrix）以及各種車型的匹配，軟件可以通過一定的策略自動匹配CAN Matrix 以適配所有車型。這樣設(shè)計方案產(chǎn)品化，不局限與某臺車輛或某種型號綁死關(guān)系充分體現(xiàn)了軟件設(shè)計的自適應(yīng)性。

3 MCU與MPU數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)傳輸一致性需求

從本案的硬件框圖圖3 中，MCU 與MPU 之間使用是串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）進行數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)通信的主要內(nèi)容就是CAN 報文。正確處理CAN 報文，是MPU 與MCU實現(xiàn)互聯(lián)互通的首要問題。從計算機系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲格式角度看，同樣的數(shù)據(jù)在MCU 與MPU 的存儲格式不一樣。如下：

（1）MCU：CAN 數(shù)據(jù)采集部件，本地數(shù)據(jù)格式是大端格式（Big endian）；

（2）MPU：CAN 數(shù)據(jù)解析、打包并發(fā)送包數(shù)據(jù)到平臺的部件，本地數(shù)據(jù)格式是小端格式（Little endian）；

從以上說明中，我們可以看到MCU 把數(shù)據(jù)通過SPI 發(fā)送到MPU 時，原始的CAN 報文是大端格式，MPU 對于CAN 數(shù)據(jù)進行解析時，需要將大端格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為MPU 本地存儲的小端數(shù)據(jù)格式才可以進行處理。而當(dāng)MPU 需要發(fā)送CAN 報文到MCU 時，也需要將本地小端格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為大端格式數(shù)據(jù)，然后通過SPI發(fā)送到MCU，MCU 才能正確解析來自MPU 的CAN 報文。

因此在MPU 端需要對數(shù)據(jù)完成一致性處理：對收到來自MCU的大端格式的CAN 報文轉(zhuǎn)換為小端格式，對發(fā)送到MCU 的報文需要先轉(zhuǎn)換為大端格式數(shù)據(jù)再發(fā)送到MCU。

3.2 大小端數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換計算公式

通常定義大端與小端轉(zhuǎn)換公式如下（以uint8_t 一個字節(jié)長度數(shù)據(jù)為例說明）：

式中，VB是8 比特大端格式輸入值，VL是8 比特小端格式輸出值。

其中：＞＞表示計算機位右移操作， ＜＜表示計算機左移操作。

“式（1）”里完成一次轉(zhuǎn)換：做了8 次右移操作，做了8 次與操作，做了8 次左移操作，做了7 次加法運算。雖然右移操作、與操作以及左移操作CPU 執(zhí)行起來非常高效，但是看起來是蠻花時間的。

3.3 優(yōu)化大小端數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換計算公式

現(xiàn)在對“式（1）”做一個優(yōu)化：因為一個字節(jié)占用8 比特位，一個字節(jié)也就有256 種有限的具體數(shù)據(jù)表示值。我們制定一個大小端對應(yīng)常量數(shù)據(jù)表，轉(zhuǎn)換時直接拿字節(jié)內(nèi)容做索引下標(biāo)，查表換算對應(yīng)的大小端實際值，這樣就可以一次查表操作完成轉(zhuǎn)換。具體實現(xiàn)如下：

優(yōu)化后的計算公式如下：

式中，VB是8 比特大端格式輸入值，VL是8 比特小端格式輸出值。

因為只有一次查表操作，看起來這樣優(yōu)化后的“式（2）”明顯比“式（1）”有很大優(yōu)化與提升。

3.4 定義完成全部數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換計算公式

現(xiàn)在定義兩字節(jié)整形大小端對應(yīng)的轉(zhuǎn)換公式如下：

式中，VB是16 比特大端格式輸入值，VL是16 比特小端格式輸出值。

進而定義四字節(jié)整形大小端對應(yīng)的轉(zhuǎn)換公式如下：

式中，VB是32 比特大端格式輸入值，VL是32 比特小端格式輸出值。

以上定義完成了大小端數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換所需要的全部計算公式“式（2）”（fuint8_t）、“式（3）”（fuint16_t）、“式（4）”（fuint32_t）。這些基礎(chǔ)計算公式對于輸入值本身并不區(qū)分大小端格式，則是按照推導(dǎo)設(shè)計的公式完成相應(yīng)的高低位位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、完成高低字節(jié)字節(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：若輸入是大端數(shù)據(jù)，則輸出是小端數(shù)據(jù)；反之亦然（若輸入是小端數(shù)據(jù)，則輸出是大端數(shù)據(jù)）。

3.5 實驗驗證

接下來，我們在某ARM 芯片上對fuint8_t 優(yōu)化前“式（1）”后“式（2）”所消耗的中央處理器單元（Central Process Unit，CPU）的時鐘（clock）做了實際驗對比，10 次隨機調(diào)用統(tǒng)計分析如表1 所示。

從表1，可以明顯地看出優(yōu)化后“式（2）”節(jié)省CPU 消耗clock 一半。通常在有限的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)中，這樣優(yōu)化效果是非常可觀的，可以節(jié)省寶貴的CPU 資源，讓其他重要的應(yīng)用程序（Application，APP）得到均衡的調(diào)度。

3.6 注解

（1）大端格式（Big endian），一種計算機系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲與表示格式：是指數(shù)據(jù)的高字節(jié)保存在內(nèi)存的低地址中，而數(shù)據(jù)的低字節(jié)保存在內(nèi)存的高地址中。

表1：消耗CPU clock 統(tǒng)計表

表2：FCW 運算主要數(shù)據(jù)項表

表3：消耗CPU clock 統(tǒng)計表

表4：V2X 場景覆蓋范圍表

（2）小端格式（Little endian），一種計算機系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲與表示格式：是指數(shù)據(jù)的高字節(jié)保存在內(nèi)存的高地址中，而數(shù)據(jù)的低字節(jié)保存在內(nèi)存的低地址中。

（3）對于3.1“從以上說明中……這里需要將大端格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為MPU 本地存儲的小端數(shù)據(jù)格式才進行處理。”，此處MPU從MCU 拿到CAN 報文是大端格式，因為MPU 本地是小端格式，因此從CAN 報文解析數(shù)據(jù)時是要經(jīng)過由大端格式轉(zhuǎn)換為小端格式才能進行解析并處理，否則數(shù)據(jù)就要出錯了。舉個例子比如車輛水溫，換算成攝氏度的計算公式為：

式中，Tc是溫度自然表達式，Tv是從車輛發(fā)送過來的CAN 數(shù)據(jù)。

假設(shè)Tv采集到的值是140，計算機內(nèi)大端格式數(shù)據(jù)表示為16 進制是0x31，換成10 進制就是49。在MPU 端開始解析車輛水溫，如果不轉(zhuǎn)換為小端格式，那么計算出來的車輛水溫為Tc=Tv-40=49-40=9℃。很明顯地，MPU 這樣解析出來的9℃是個錯誤值。

正確的計算方式為：先將大端格式數(shù)據(jù)表示為16 進制是0x31轉(zhuǎn)換為小端數(shù)據(jù)格式表示，16 進制是0x8C，換成10 進制就是140，這樣計算出來的車輛水溫為Tc=Tv-40=140-40=100℃。100℃才是正確的車輛水溫。

4 V2X場景實現(xiàn)

4.1 高精度GPS模組

V2X 場景的實現(xiàn)，是需要高精度GPS 模組支持：定位精度要求是納米級，且上報GPS 的頻率是10 赫茲（Hertz，Hz）。

根據(jù)本案硬件設(shè)計，如圖3 硬件框圖所示：MPU 外接高精度GPS 模組，GPS 模組通過UART 把美國國家海洋電子協(xié)會 （National Marine Electronics Association，NMEA）數(shù)據(jù)發(fā)送到MPU，另外有秒脈沖（Pulse Per Second，PPS）接入MPU 中斷處理信號。

圖5：V2X 數(shù)據(jù)發(fā)送流程

圖6：V2X 數(shù)據(jù)接收流程

圖7：FCW 處理流程

GPS 模組定位后：

（1）以每秒10Hz 頻率發(fā)送NMEA 數(shù)據(jù)到MPU，滿足V2X場景每秒接收10 次NMEA 數(shù)據(jù)；

（2）GPS 觸發(fā)PPS 信號對MPU 進行精確授時處理，精度可達納秒級。

4.2 V2X數(shù)據(jù)收發(fā)

MPU 模組內(nèi)嵌直接通信（PC5）協(xié)議棧，軟件開發(fā)工具（Software Develop Kit，SDK）提供有PC5 協(xié)議棧收發(fā)API，因此V2X 應(yīng)用程序可以很方便地實現(xiàn)V2X 數(shù)據(jù)的收發(fā)處理。

在《合作式智能運輸系統(tǒng)車用通信系統(tǒng)應(yīng)用層及應(yīng)用數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)》里定義了V2X 數(shù)據(jù)的收發(fā)時采用抽象語法標(biāo)記（Abstract Syntax Notation One，ASN.1）進行編解碼器對原始數(shù)據(jù)進行處理，V2X 應(yīng)用程序要將ASN.1 編解碼器集成到程序里來使用。

圖5 顯示了本案發(fā)送V2X 數(shù)據(jù)的處理流程。

說明：

（1）圖5 V2X 數(shù)據(jù)發(fā)送流程是實現(xiàn)一次完整的V2X 消息集合（MessageSet）數(shù)據(jù)包發(fā)送過程，實際運行中由GPS 接收NMEA回調(diào)函數(shù)觸發(fā)該流程。因為GPS 上報NMEA 數(shù)據(jù)頻率是10Hz，所以當(dāng)GPS 模組定位后每秒會觸發(fā)10 次該流程。即本案T-Box 每秒會使用該發(fā)送流程向周圍其他V2X 設(shè)備發(fā)送10 幀本設(shè)備V2X MessageSet 數(shù)據(jù)。

（2）V2X 應(yīng)用程序在啟用數(shù)據(jù)發(fā)送流程前，首先要注冊高精度GPS 接收NMEA 數(shù)據(jù)回調(diào)函數(shù)，這樣當(dāng)高精度GPS 定位后就會向V2X 應(yīng)用程序發(fā)送收到GPS 有效數(shù)據(jù)信號，即本流程過程調(diào)用步驟2。

（3）過程調(diào)用步驟3，這里是采集CAN 數(shù)據(jù)。在從MCU采集CAN 信號時，需使用本案式（2）、式（3）和式（4）完成MCU 的大端CAN 數(shù)據(jù)格式向MPU 的小端CAN 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。

（4）圖5 V2X 數(shù)據(jù)發(fā)送流程步驟7，這里是將本設(shè)備V2X MessageSet 數(shù)據(jù)發(fā)送給V2X 應(yīng)用程序引擎（如圖4，V2X engine）。V2X 應(yīng)用程序引擎會將本設(shè)備數(shù)據(jù)與收到的其他設(shè)備的數(shù)據(jù)進行運算處理，來實現(xiàn)各種V2X 場景應(yīng)用。

圖6 顯示了本案接收V2X 數(shù)據(jù)的處理流程。

說明：

（1）圖6 V2X 數(shù)據(jù)接收流程是實現(xiàn)一次完整的V2X MessageSet 數(shù)據(jù)包接收過程，實際運行中由PC5 注冊回調(diào)函數(shù)觸發(fā)。

（2）V2X 應(yīng)用程序在啟用數(shù)據(jù)接收流程前，首先要注冊PC5注冊回調(diào)函數(shù)，這樣當(dāng)V2X 模組收到其他設(shè)備的MessageSet 數(shù)據(jù)立即觸發(fā)V2X 應(yīng)用程序調(diào)用數(shù)據(jù)接收流程完成數(shù)據(jù)接收處理，即本流程過程調(diào)用2。

（3）圖6 V2X 數(shù)據(jù)接收流程步驟4，這里是將其他設(shè)備V2X MessageSet 數(shù)據(jù)發(fā)送給V2X 應(yīng)用程序引擎。這樣V2X 應(yīng)用程序引擎會將本設(shè)備數(shù)據(jù)與收到的其他設(shè)備的數(shù)據(jù)進行運算處理，來實現(xiàn)各種V2X 場景應(yīng)用。

4.3 V2X應(yīng)用程序引擎

V2X 應(yīng)用程序引擎體現(xiàn)在本案軟件設(shè)計方案如圖4 所示。其主要功能是：

（1）實時采集本設(shè)備的MessageSet 數(shù)據(jù)，實時采集其他設(shè)備MessageSet 數(shù)據(jù)；

（2）快速運算MessageSet 數(shù)據(jù)，計算結(jié)果若有V2X 場景如前向碰撞預(yù)警、交叉路口碰撞預(yù)警等場景）定義的結(jié)果出現(xiàn)，則向V2X 應(yīng)用程序發(fā)送相關(guān)的預(yù)警信號，再由V2X 應(yīng)用程序?qū)㈩A(yù)警結(jié)果通知到相關(guān)的設(shè)備人機交互界面（Human Machine Interface，HMI）（如車機、儀表等）對車輛駕駛員進行碰撞預(yù)警；

那V2X 應(yīng)用程序引擎的運算能力的主要性能指標(biāo)，在標(biāo)準(zhǔn)里定義其延時要＜100 毫秒（millisecond，ms）。

接下來的章節(jié)以前向碰撞預(yù)警（Forward Collision Warning，F(xiàn)CW）為例。

4.3.1 FCW 計算公式

FCW 的定義為：主車（Host Vehicle，HV）在車道上行駛，與正前方車道的遠(yuǎn)車（Remote Vehicle，RV）存在追尾碰撞危險時，F(xiàn)CW 應(yīng)用將對HV 駕駛員進行預(yù)警。

接下來本案以FCW 場景為例，主要論述一下提高V2X 應(yīng)用程序引擎的運算能力的設(shè)計要點。

首先定義計算公式如下。

式中，Mh是HV 本次HV 的MessageSet, Mr是RV 的MessageSet。輸出值Mfcw是有前車碰撞預(yù)警的MessageSet。

參與FCW 運算的MessageSet 主要數(shù)據(jù)如表2 所示。

使用表2 里的數(shù)據(jù)項來描述Mh、Mr其公式如下：

接下來要定義一個滿足FCW 的數(shù)據(jù)集合，如下。

對于“式（5）”使用“式（6）”、“式（7）”和“式（8）”進行推導(dǎo)如下：

首先計算出ΔM。

接著計算Mfcw。

V2X 應(yīng)用程序引擎采集到有效HV 和RV 數(shù)據(jù)后，調(diào)用“式（5）”就可以完成本次前向預(yù)警計算：

（1）若Mfcw=[0, 0, 0, 0]則表示HV 與RV 處于安全狀態(tài)；

（2）=Mr則表示HV 將要追尾RV，此時V2X 應(yīng)用程序引擎應(yīng)發(fā)出預(yù)警信號到應(yīng)用程序進一步處理。

4.3.2 FCW 處理流程

V2X 程序引擎使用“式（5）”進行數(shù)據(jù)處理流程如圖7。

4.3.3 FCW 計算公式效率

對于“式（5）”、“式（6）”、“式（7）”和“式（8）”我們做了模擬代碼，并在C-V2X 5G T-Box 原型機上進行了實際運行驗證，其統(tǒng)計結(jié)果如表3 所示CPU 消耗clock。

從表3 可以看出執(zhí)行1 次“式（5）”消耗時間不超過1ms，那么在標(biāo)準(zhǔn)定義的最大延時＜100ms 內(nèi)，V2X 應(yīng)用程序engine 可以完整的處理100 筆以上FCW 數(shù)據(jù)計算運算。目前這樣的結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)定義以及與實車運行的需要。

4.3.4 FCW 計算公式注解

對于“式（8）”中取值范圍說明：

（1）δt,因為標(biāo)準(zhǔn)定義FCW 最大延時＜100ms，所以對于參與運算的兩筆數(shù)據(jù)時刻差＜100ms 內(nèi)算有效值，否則對于V2X 應(yīng)用程序引擎來說認(rèn)為數(shù)據(jù)無效；

（2）δlng,通常取-50 米到50 米的經(jīng)度度值，這里計算方法以上海地區(qū)為例：上海位于北緯30 度處，緯線周長為34668千米，即1 米對應(yīng)的經(jīng)度度值等于360 度/34668 千米，即1 米≈0.00001038 度。

（3）δlat,通常取-50 米到50 米的緯度度值，這里計算方法：經(jīng)線周長為40076 千米，即1 米對應(yīng)的維度度值等于360 度/40076千米，即1 米≈0.00000898 度。

（4）δv,HV 與RV 車速比較計算δv：

=0 表示vh=vr

＜0 表示vh＜vr

＞0 表示vh＞vr。

4.4 V2X場景覆蓋范圍

本案覆蓋了標(biāo)準(zhǔn)定義的17 種應(yīng)用場景，如表4 所示。

對于表4，其中：

（1）1-12 項為安全應(yīng)用場景。

（2）13-16 項為效率應(yīng)用場景。

（3）17 項為信息服務(wù)應(yīng)用場景。

5 實車測試問題解決與優(yōu)化

依據(jù)本技術(shù)方案我們完成了C-V2X T-Box 原型機的開發(fā)：

（1）硬件印刷電路板（Printed Circuit Board，PCB）電子設(shè)計與制板；

（2）軟件進行了重構(gòu)，繼承了4G T-Box 的全部功能，新加入了V2X 應(yīng)用程序與engine。

實車實驗部署了原型機進行了V2X 應(yīng)用場景驗證，出現(xiàn)如下問題：

（1）起初實車測試驗證中發(fā)現(xiàn)HV 與RV 距離超過50 米時，數(shù)據(jù)丟包率非常高。通過對于基于車輛移動性V2X 鏈路連通性能分析[4]：空曠的測試路面，沒有遮擋物，直線視野非常好，車流速率，車輛速度，車輛密度等影響鏈路連通性能的條件都非常好，那么理論上V2X 鏈路連通性能應(yīng)該是最佳狀態(tài)。實際的丟包率高反應(yīng)了超過50 米時V2X 鏈路連通性能就非常差，分析問題應(yīng)該是V2X模組無線信道衰落引起的。繼續(xù)跟進V2X 模組收發(fā)天線發(fā)射功率，發(fā)現(xiàn)硬件板卡天線附近有磁珠影響天線發(fā)射功率。移除磁珠后，繼續(xù)進行實驗測試，HV 與RV 直線距離可達200 米。問題得以解決。

（2）V2X 模組工作半小時后，容易出現(xiàn)大量的丟包情況。問題（1）已經(jīng)排除出了天線收發(fā)功率衰減引起的問題，那么現(xiàn)在出現(xiàn)的問題應(yīng)該是V2X 模組長時間運行后，HV 與RV 之間通信信道穩(wěn)定性與路徑路由長時間運行失效，以至于不能持續(xù)長時間支持V2X 海量數(shù)據(jù)收發(fā)引起的。基于此，我們請模組供應(yīng)商對V2X 路由協(xié)議進行了優(yōu)化處理，用鏈路連接失效時間（LET）和有效帶寬建立雙重約束，通過選用LET 構(gòu)建最優(yōu)通信路由路徑[5]。后續(xù)測試驗證中，超過兩小時的行車測試未出現(xiàn)大量丟包現(xiàn)象，實際證明問題得以優(yōu)化解決。

6 結(jié)論

本技術(shù)方案，完全覆蓋了《合作式智能運輸系統(tǒng)車用通信系統(tǒng)應(yīng)用層及應(yīng)用數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)》所定義的V2X 應(yīng)用場景，也充分詮釋了來自于《智能汽車創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略》定義的智能汽車概念。

對于傳統(tǒng)T-Box 方案以及4G -Tbox 方案，本案并非完全摒棄已經(jīng)成熟的設(shè)計思想，而是很好地體現(xiàn)了設(shè)計思想的繼承與發(fā)展，創(chuàng)造性地延長了現(xiàn)代T-Box 產(chǎn)品的演進之路。本案的原型機：硬件上集成了V2X 模組與車載以太網(wǎng)模組以及BT BLE 模組，無線移動基帶無縫地升級到了5G，這樣不但兼容了2G/3G/4G 移動互聯(lián)網(wǎng)，也一步跨入了5G 移動互聯(lián)網(wǎng)；軟件上，全部地繼承了上代產(chǎn)品的所有Telematics 功能，在此基礎(chǔ)上又成功地部署了V2X 應(yīng)用程序與engine。因為硬件體系支撐了車載以太網(wǎng)以及BT BLE，未來本案軟件功能在智能汽車平臺上將有很大舞臺：如實現(xiàn)整車OTA，實現(xiàn)智能藍(lán)牙鑰匙，實現(xiàn)基于車載以太網(wǎng)的診斷協(xié)議（Diagnostic Communication over IP, DoIP）功能，實現(xiàn)基于BT 網(wǎng)（Mesh）和BT 信標(biāo)（Beacon）的車輛近場操控功能等。

從智能汽車概念的角度看，本T-Box 技術(shù)方案是對現(xiàn)有車聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計方案顛覆性地?fù)Q代更迭，也是一次非常成功的技術(shù)方案創(chuàng)新。