图解通信原理与案例分析-34：车联网中的系统架构与主要的通信技术
前言：
车联网的概念源于物联网，即车辆物联网，是以行驶中的车辆为信息感知对象，借助新一代信息与通信技术，实现车与X（即车与其他车、人、路、服务平台）之间的网络连接，提升车辆整体的智能驾驶水平，为用户提供安全、舒适、智能、高效的驾驶感受与交通服务，同时提高交通运行效率，提升社会交通服务的智能化水平。本文主要探讨是的车联网的网络通信架构与其中的通信技术 。
目录
第1章 车联网概述
1.1 概述
1.2 车联网中的三网与三网融合（纵向逻辑切分）
第2章 车联网的网络架构
2.1 车联网的四层网络架构（横向逻辑切分）
2.2 车联网中的主要子系统（物理切分）
第3章 主要的关键技术
3.1 射频识别技术
3.2 传感网络技术
3.3 卫星定位技术
3.4 无线通信技术
3.5 大数据分析技术
3.6 标准及安全体系
第4章 车联网中的五大通信
4.1 车内设备之间的通信
4.2 车内设备与道路之间的通信
4.3 车与云平台间的通信
4.4 车与人之间的通信
4.5 车与车之间的通信
第5章 车联网与辅助自动驾驶
第6章 汇总
第1章 车联网概述
1.1 概述
车联网是指车辆上的车载设备通过无线通信技术，对信息网络平台中的所有车辆动态信息进行有效利用，在车辆运行中提供不同的功能服务。
车联网的概念源于物联网，即车辆物联网，是以行驶中的车辆为信息感知对象，借助新一代信息与通信技术，实现车与X（即车与其他车、人、路、服务平台）之间的网络连接，提升车辆整体的智能驾驶水平，为用户提供安全、舒适、智能、高效的驾驶感受与交通服务，同时提高交通运行效率，提升社会交通服务的智能化水平。
车联网是利用传感技术感知车辆的状态信息，并借助无线通信网络（传输技术）与现代智能信息（处理技术），实现交通的智能化管理，以及交通信息服务的智能决策和车辆的智能化控制。
车联网是物联网在车辆管理系统中的特殊的应用。
1.2 车联网中的三网与三网融合（纵向逻辑切分）
车联网主要实现如下的“三网融合”：
（1）车内网：单车内部的电子设备之间构建的网络。
（2）车际网：单车与单车管理系统构建的网络。
（3）车载移动互联网：车载设备与互联网构建的网络。
第2章 车联网的网络架构
2.1 车联网的四层网络架构（横向逻辑切分）
联网技术是在交通基础设备日益完善和车辆管理难度不断加大的背景下被提出的。
在车联网网络架构是基于物联网的网络架构发展起来的。
主要由四大层次结构组成，按照其层次由低到高分别是应用层、平台层、网络层和采集层。
（1）采集层
采集层负责数据的采集。它是由各种车载传感器完成的，通过这些传感器设备，车辆不仅可以实时地了解自己的位置、朝向、行驶距离、速度和加速度等车辆信息，还可以通过各种环境传感器感知外界环境的信息，包括温度、湿度、光线、距离等；不仅方便驾驶员及时了解车辆和信息，还可以对外界变化做出及时的反应。还包括车辆实时运行参数、道路环境参数（需要与预设的道路基础设施通信）以及预测参数等等。
所有采集到的数据，将会通过网络层，上传到后台服务器进行统一的处理与分析，得到用户所需要的业务数据，为车联网提供可靠的数据支持。
（2）网络层
网络层主要功能是提供透明的信息传输服务，包括2G/3G/4G/5G WIFI, LoRa等无线传输网络。
（3）平台层（云）
实现对输入输出的数据的汇总、分析、加工、存储，一般由网络服务器以及WEB服务组成。
比如，GPS定位信号及车载传感器信号上传到后台服务中心，由服务器对数据进行统计的管理，为每辆车提供相应的业务，同时可以对数据进行联合分析，形成车与车之间的各种关系，成为局部车联网服务业务，为用户群提供高效、准确、及时的数据服务。
（4）应用层
应用层是车联网的最高层次，它利用平台层提供的车辆信息服务，获取车辆的信息，为终端用户提供各种车辆服务业务。包括：
- 导航：车辆行驶与导航
- 通信：通过车载电话系统进行通信
- 监控：用于远程监控车辆的运行
- 定位：用于远程定位车辆的位置
- 安全：车联网能够为车与车之间的间距提供保障，降低车辆发生碰撞事故的几率
- 调度：车联网可以帮助车主实时导航，并通过与其它车辆和网络系统的通信，提高交通运行的效率
- 娱乐：网络电视
- 上网：移动互联网
- VR：购物
2.2 车联网中的主要子系统（物理切分）
（1）车辆和车载系统（数据采集层）
车辆和车载系统，是参与交通的每一辆汽车和车上的各种设备。
（2）车辆标识系统（采集层）
车辆上的若干标志标识和外界的标识识别设备构成了车辆标识系统，其中标志以RFID识别和图像识别系统为主。
（3）路边设备系统（采集层）
路边设备系统会沿交通路网设置，一般会安装在交通热点地区、交叉路口或者高危险地区，通过采集通过特定地点的车流量，分析不同拥堵段的信息，给予交通参与者避免拥堵的若干建议。
（4）信息通信网络系统（网络层）
有了若干信息之后，还需要信息通信系统对各种数据的传输，这是网络链路层的重要组成部分，目前车联网的通信系统以WIFI、移动网络、无线网络、蓝牙网络为主，车联网的大部分网络需求需要和网络运营商合作，以便和用户的手机随时连接。
（5）信息处理系统（平台层）
网络层主要功能是提供透明的信息传输服务，
（6）信息应用系统（应用层）
由应用层的各种车辆应用系统组成，包括手机端APP应用和服务器端的应用。
第3章 主要的关键技术
3.1 射频识别技术
射频身份识别： RFID (Radio frequency identification)，是自动识别技术的一种，通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，利用无线射频方式对记录媒体（电子标签或射频卡）进行读写，从而达到识别目标和数据交换的目的。
RFID不但可以感知物体位置，还能感知物体的移动状态并进行跟踪。
《图解通信原理与案例分析-32：物流仓储和智能交通中的RFID通信技术详解》
图解通信原理与案例分析-32：物流仓储、智能交通中的RFID通信技术详解_文火冰糖的硅基工坊的博客-CSDN博客_rfid通信原理
3.2 传感网络技术
车辆服务需要大量数据的支持，这些数据的原始来源正是由各类传感器进行采集。
不同的传感器或大量的传感器通过采集系统组成一个庞大的数据采集系统，动态采集一切车联网服务所需要的原始数据，例如车辆位置、状态参数、交通信息等。当前传感器已由单个或几个传感器演化为由大量传感器组成的传感器网络，并且通能够根据不同的业务进行处性化定制。为服务器提供数据源，经过分析处理后作为各项业务数据为车辆提供优质服务。
《图解通信原理与案例分析-33：传感器种类以及传感器工作原理详解》
图解通信原理与案例分析-33：传感器种类以及传感器工作原理详解_文火冰糖的硅基工坊的博客-CSDN博客
3.3 卫星定位技术
随着全球定位技术的发展，车联网的发展迎来了新的历史机遇，传统的GPS系统成为了车联网技术的重要技术基础，为车辆的定位和导航提供了高精度的可靠位置服务，成为车联网的核心业务之一。随着我国北斗导航系统的日益完善并投入使用，车联网技术又有了新的发展方向，并逐步实现向国产化、自主知识产权的时期过渡。北斗导航系统将成为我国车联网体系的核心技术之一，成为车联网核心技术自主研发的重要开端。
《图解通信原理与案例分析-28：四大全球卫星导航系统GNSS的基本原理与技术对比---中国的北斗、美国的GPS、欧洲的伽利略、俄罗斯的格洛纳斯》
图解通信原理与案例分析-28：四大全球卫星导航系统GNSS的基本原理与技术对比---中国的北斗、美国的GPS、欧洲的伽利略、俄罗斯的格洛纳斯_文火冰糖的硅基工坊的博客-CSDN博客
3.4 无线通信技术
传感网络采集的少量处理需要通信系统传输出云才能得到及时的处理和分析，分析后的数据也要经过通信网络的传输才能到达车辆终端设备。考虑到车辆的移动特性，车联网技术只能采用无线通信技术来进行数据传输，因此无线通信技术是车联网技术的核心组成部分之一。在各种无线传输技术的支持下，数据可以在服务器的控制下进行交换，实现业务数据的实时传输，并通过指令的传输实现对网内车辆的实时监测和控制。 
《图解通信原理与案例分析-20：4G LTE调制与多路复用技术：QAM正交幅度调制、多载波调制、O-FDM正交频分复用、SC-FDMA频分复用、IQ调制、混频》
图解通信原理与案例分析-20：4G LTE调制与多路复用技术：QAM正交幅度调制、多载波调制、O-FDM正交频分复用、SC-FDMA频分复用、IQ调制、混频_文火冰糖的硅基工坊的博客-CSDN博客
《图解通信原理与案例分析-26： 5G NR是如何支持海量机器类通信mMTC的？移动通信对物联网的支持》
图解通信原理与案例分析-26： 5G NR是如何支持海量机器类通信mMTC的？移动通信对物联网的支持_文火冰糖的硅基工坊的博客-CSDN博客
《图解通信原理与案例分析-18：低功耗、远距离物联网无线通信技术LoRa概述与扩频通信的基本原理》
图解通信原理与案例分析-18：低功耗、远距离物联网无线通信技术LoRa概述与扩频通信的基本原理_文火冰糖的硅基工坊的博客-CSDN博客_lora 原理
3.5 大数据分析技术
大数据（Big Data）是指借助于计算机技术、互联网，捕捉到数量繁多、结构复杂的数据或信息的集合体。在计算机技术和网络技术的发展推动下，各种大数据处理方法已经开始得到广泛的应用。常见的大数据技术包括信息管理系统、分布式数据库、数据挖掘、类聚分析等，成为不断推动大数据在车联网中应用的强大驱动力。
3.6 标准及安全体系
车联网作为一个庞大的物联网应用系统，包含了大量的数据、处理过程和传输节点，其高效运行必须有一套统一的标准体系来规范，从而确保数据的真实性和完整性，完成各项业务的应用。
标准化已成为车联网技术发展的迫切要求，也是一项复杂的管理技术。
另外，车辆联网和获取服务本身也是为了更好地为车辆安全行驶提供保障，因此安全体系的建立也十分重要。能否根据当前车联网发展情况，建立一套高效的标准和安全体系，已经成为决定未来车联网技术发展的关键因素。
第4章 车联网中的五大通信
车联网中应用到了大量的无线通信技术。
4.1 车内设备之间的通信
指车辆内部各设备间的信息数据传输，用于对设备状态的实时检测与运行控制，建立数字化的车内控制系统。
车内设备之间通信，主要是指嵌入系统内部，通过MCU实现各个设备之间的通信，属于嵌入系统内部的有线通信。所有的传感器都归属于MCU的IO设备。
因此，车内设备之间的通信，属于“计算机体系架构的范畴”，车内设备之间的通信本质上就是hi一个小型的嵌入式系统。
MUC与外设的接口有：local bus，i2c总线，SPI总线、RS232串口、CAN总线等。
《图解通信原理与案例分析-7：I2C总线和SPI总线通信--专用的时钟信号线进行数字时钟同步》
图解通信原理与案例分析-7：I2C总线和SPI总线通信--专用的时钟信号线进行数字时钟同步_文火冰糖的硅基工坊的博客-CSDN博客_spi时钟线
4.2 车内设备与道路之间的通信
是指借助地面道路固定的、预先设置的通信设施，实现车辆与道路间的信息交流，用于车辆管理平台监测道路车辆的状况，道路车辆感知周边环境的状况，引导车辆选择最佳行驶路径。
这里涉及两个不同的通信领域，一是道路设备如何监控车辆，二是车路如何监控道路设备，然后通过道路设备提供的信息，感知自己的位置。
（1）道路设备监控、感知道路设备
在此种场景中，汽车就是一个物联网的终端，一个嵌入式系统的终端，涉及到的主题就是：一个物联网的终端，如何把自身的信息传递给汇集设备。
常见的技术是RFID通信，详见：《图解通信原理与案例分析-32：物流仓储、智能交通中的RFID通信技术详解》
图解通信原理与案例分析-32：物流仓储、智能交通中的RFID通信技术详解_文火冰糖的硅基工坊的博客-CSDN博客_rfid通信原理
RFID只适合在高速公路或停车场入口等闭合空间的场景，不适合开放空间的场景，比如马路的公共停车位。
开放空间的场景，需要新的检测汽车位置信息的技术，需要新的上报自身信息的无线技术，如LoRa或4G/5G无线通信技术。
关于地磁检测相关检测以及与之相关的LoRa无线通信技术，请参考：
《图解通信原理与案例分析-18：低功耗、远距离物联网无线通信技术LoRa概述与扩频通信的基本原理》
图解通信原理与案例分析-18：低功耗、远距离物联网无线通信技术LoRa概述与扩频通信的基本原理_文火冰糖的硅基工坊的博客-CSDN博客_lora 原理
（2）车辆监控、感知道路的状态
让车辆感知外部的道路状态，最通用的方法就是GPS通信与GPS导航，关于GPS导航参见：《图解通信原理与案例分析-28：四大全球卫星导航系统GNSS的基本原理与技术对比---中国的北斗、美国的GPS、欧洲的伽利略、俄罗斯的格洛纳斯》
图解通信原理与案例分析-28：四大全球卫星导航系统GNSS的基本原理与技术对比---中国的北斗、美国的GPS、欧洲的伽利略、俄罗斯的格洛纳斯_文火冰糖的硅基工坊的博客-CSDN博客。
除了通过GPS获取自身的信息外，在自动驾驶领域，汽车还需要监控道路的其他信息，这属于自动驾驶领域的范畴，在车联网这样的物联网应用领域，基本不需要车辆监控道路的状态。
在车联网的应用中，主要是道路监测车辆的状态，
而关于车辆检测道路状态相关的通信技术，可以推迟到“自动驾驶相关的通信技术”这个场景中再继续讨论。这里涉及一大堆新的无线通信技术，比如雷达、计算机视觉、计算机听觉、红外灯通信等技术，让车辆智能的感知外部的环境。
4.3 车与云平台间的通信
是指车辆通过卫星无线通信或移动蜂窝等无线通信技术实现与车联网服务平台的信息传输，接受平台下达的控制指令，实时共享车辆数据。
这里的通信技术主要采用的是广域网无线通信技术，常见的无线广域网技术有LoRa协议、2G/3G/4G/5G蜂窝通信。
在这种场景下，车就是一个无线的终端，并通过无线通信基站连接到无线接入网中，并最终连接到互联网上的车联网云平台。
4.4 车与人之间的通信
是指用户可以通过Wi-Fi、蓝牙、蜂窝等无线通信手段与车辆进行信息沟通，使用户能通过对应的移动终端设备监测并控制车辆。
人与车通信的方式有两种，
一种就近距离无线通信，比蓝牙，通过蓝牙，手机直接与车载网络设备相连。
另一种，就是需要通过车联网云平台，手机终端与车载网络，都通过无线接入网连接到车联网云平台，并通过云平台进行信息的交互。这里的无线通信技术有：LoRa，WIFI, 2G/3G/4G/5G蜂窝通信。
4.5 车与车之间的通信
是指车辆与车辆之间实现信息交流与信息共享，包括车辆位置、行驶速度等车辆状态信息，可用于判断道路车流状况。
在车联网应用中，车与车之间不需要直接通过通信，他们之间的通信，需要借助于车联网云平台。
在自动驾驶中，车与车之间，以及车与外部环境之间的通信就显得尤为重要， 比如通过雷达进行通信或通过机器视觉感知外部环境。
第5章 车联网与辅助自动驾驶
车联网是物联网的范畴，车是物联网的终端 ，解决的是云平台对车这个终端状态的感知。
自动驾驶是人工智能的范畴，解决的是车对环境的感知。
第6章 汇总
