先進(jìn)的車載無線通信技術(shù)推動(dòng)智能交通系統(tǒng)的發(fā)展

摘要： 智能交通系統(tǒng)(ITS)建立在網(wǎng)絡(luò)化的信息通信技術(shù)的基礎(chǔ)之上，以實(shí)現(xiàn)交通管理的最佳化和道路的有效利用為手段，提高行車的安全性、舒適性以及道路的運(yùn)輸效率。本文介紹先進(jìn)無線通信技術(shù)在推動(dòng)智能交通發(fā)展中所發(fā)揮的作用，以及中國汽車電子行業(yè)所面臨的全新發(fā)展機(jī)遇。

關(guān)鍵詞： 智能交通系統(tǒng)；ITS；毫米波雷達(dá)；ASV

智能交通系統(tǒng)(ITS)建立在網(wǎng)絡(luò)化的信息通信技術(shù)的基礎(chǔ)之上，以實(shí)現(xiàn)交通管理的最佳化和道路的有效利用為手段，提高行車的安全性、舒適性以及道路的運(yùn)輸效率。據(jù)報(bào)道，日本在先進(jìn)安全自動(dòng)車(Advanced Safety Vehicle, ASV)概念中，把ITS所需要的重要駕駛支持系統(tǒng)歸納為包括如下方面：
*防止碰撞前方障礙物的支持系統(tǒng)；
*防止進(jìn)入彎道危險(xiǎn)速度支持系統(tǒng)；
*制動(dòng)并用式車間距離定速控制ACC(全速度域控制)系統(tǒng)；
*防止越出車線支持系統(tǒng)；
*維持車線支持裝置；
*防止碰撞車輛周圍死角障礙物系統(tǒng)；
*燈光隨動(dòng)系統(tǒng)(A FS)；
*被碰撞預(yù)知傷害降低系統(tǒng)；
*行人傷害降低及安全氣囊系統(tǒng)；
*睡意警報(bào)裝置；
*所有座位安全帶使用勸告裝置；
*后側(cè)方和側(cè)方信息提供裝置；
*緊急制動(dòng)信息提供裝置；
*夜間前方行人信息提供系統(tǒng)；

構(gòu)建上述系統(tǒng)需要用于道路環(huán)境和車輛狀態(tài)檢測的各種傳感器以及用于信息提供、報(bào)警及操作支持的各種控制裝置。此外，與ASV道路交通和通信信息系統(tǒng)配套的車載信息通信系統(tǒng)(Telematics)要滿足兩方面的通信需求：1. 與道路信息的協(xié)調(diào)；2. 與通信系統(tǒng)的協(xié)調(diào)。因此，以汽車為中心的信息通信技術(shù)、先進(jìn)的駕駛控制系統(tǒng)和環(huán)境識別系統(tǒng)是汽車電子發(fā)展的下一波熱點(diǎn)，其中，核心技術(shù)之一就是先進(jìn)的無線通信技術(shù)。

本文試圖向中國汽車電子、半導(dǎo)體和通信行業(yè)的技術(shù)人員概要介紹先進(jìn)的車載無線通信技術(shù)在推動(dòng)智能交通系統(tǒng)的發(fā)展中所發(fā)揮的作用，從而為中國汽車電子產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級提供參考。

車載無線網(wǎng)關(guān)提供統(tǒng)一的

信息通信平臺

目前，領(lǐng)先的汽車制造商已經(jīng)開始研發(fā)針對駕駛員的信息服務(wù)系統(tǒng)和信息通信系統(tǒng)。例如克萊斯勒集團(tuán)和Hughes Telematics公司宣布將提供集合了信息娛樂、安全和遠(yuǎn)程診斷功能的車載信息通信系統(tǒng)(Telematics)。福特公司將提供配備藍(lán)牙和微軟操作系統(tǒng)的汽車。Autonet Mobile公司也計(jì)劃推出能夠?yàn)檐囕v提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)的技術(shù)。

建立這些系統(tǒng)有望為制造商、零售商、消費(fèi)者、導(dǎo)航服務(wù)提供商以及內(nèi)容原創(chuàng)公司帶來新的附加價(jià)值。例如，基于陸地和衛(wèi)星的技術(shù)將為安全、保密、信息娛樂、遠(yuǎn)程診斷、維護(hù)通知和多播提供信息通信服務(wù)，最終有可能使遠(yuǎn)程升級車載系統(tǒng)成為可能。如圖1所示，下一代智能交通系統(tǒng)將建立在先進(jìn)的移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信和互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)之上。

圖1  基于互聯(lián)網(wǎng)的智能交通系統(tǒng)需要建立完善的車載信息通信系統(tǒng)
圖片來源：Hitachi公司

從上圖顯而易見，無線通信技術(shù)將在智能交通系統(tǒng)中扮演重要的角色。瑞薩科技的專家指出(圖2)，為了滿足基于無線的信息通信系統(tǒng)的需要，汽車中有望出現(xiàn)一個(gè)智能交通電子控制單元(ITS ECU)，由它通過WLAN和專用短程通信(DSRC, Dedicated Short Range Communication)實(shí)現(xiàn)車與車之間、車與路之間的通信?？梢韵胂螅?G無線通信有著廣闊的應(yīng)用前景，本文在此不贅述。

圖2  以汽車為中心的無線通信技術(shù)
圖片來源：瑞薩科技

值得注意的是DSRC技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向。國際上，DSRC標(biāo)準(zhǔn)化體系分為歐、美、日三大陣營所制訂。歐洲采用的是CEN／TC278標(biāo)準(zhǔn)、日本采用的是ISO／TC204標(biāo)準(zhǔn)，它們都選擇5.8GHz作為DSRC通信頻率；美國正逐步地將應(yīng)用于智能交通領(lǐng)域內(nèi)的自動(dòng)車輛識別的頻率轉(zhuǎn)向5.8GHz～5.9GHz系統(tǒng)，F(xiàn)CC（美國聯(lián)邦通信委員會(huì)）也正式將5.9GHz頻段批準(zhǔn)用于專用短程通信。中國目前采用的是源于ISO／TC204國際標(biāo)準(zhǔn)化組織智能運(yùn)輸系統(tǒng)技術(shù)委員會(huì)(國內(nèi)編號為SAC／TC268)的5.795-5.815GHz  ISM頻段。目前，2.45GHz系統(tǒng)應(yīng)用相對較少，沒有形成主流。

傳統(tǒng)上，DSRC是ITS智能交通系統(tǒng)領(lǐng)域中專門用于機(jī)動(dòng)車輛在高速公路等收費(fèi)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)不停車自動(dòng)收費(fèi)EFC(Electronic Fee Collection)的技術(shù)，也就是長距離RFID射頻識別(又稱電子標(biāo)簽E-tag)。DSRC標(biāo)準(zhǔn)主要涉及兩類設(shè)備：路邊設(shè)備RSU(Road-Side Unit)和車載設(shè)備OBU(On-Board Unit)。正是通過路邊設(shè)備RSU與車載設(shè)備OBU之間建立通信，使得裝有OBU的機(jī)動(dòng)車輛在中速(50~60Km／h)情況下通過部置有RSU天線的門架時(shí)，實(shí)現(xiàn)車輛與路邊設(shè)備RSU的數(shù)據(jù)交換。

國際上，松下電器在CEATEC JAPAN 2006上展出了支持5.8GHz頻段DSRC的新一代ITS車載設(shè)備，這種通信系統(tǒng)將過去一直用于EFC的DSRC應(yīng)用范圍擴(kuò)展到了其他服務(wù)和安全行駛輔助領(lǐng)域，例如，接收交通擁堵信息等等。該產(chǎn)品預(yù)計(jì)將在2007年度投入實(shí)用。

此外，推出DSRC芯片方案的還有沖電氣工業(yè)、東光和TransCore公司。以TransCore公司研制出的Modem為例，它除了具備專用短距離通信功能之外，還能夠?qū)崿F(xiàn)長距離GPS和衛(wèi)星通信的功能。據(jù)報(bào)道，該Modem的GPS精確度可達(dá)1米，并提供與汽車之間的多路通信通道，能夠給車輛提供安全服務(wù)，且具有自動(dòng)預(yù)警功能，并不受地域限制。該項(xiàng)技術(shù)將使汽車OEM廠商可以開發(fā)出完整的預(yù)防安全系統(tǒng)，具備火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警以及防止相撞的功能。

利用DSRC技術(shù)避免汽車之間的相撞事故是一項(xiàng)尖端的技術(shù)研究目標(biāo)。業(yè)內(nèi)認(rèn)為，DSRC基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)是一個(gè)相當(dāng)漫長的過程，這為中國半導(dǎo)體行業(yè)開發(fā)具備WiMAX、DSRC、GPS甚至蜂窩電話通信功能的統(tǒng)一無線網(wǎng)關(guān)，促進(jìn)智能交通系統(tǒng)的發(fā)展提供的重要機(jī)會(huì)?？梢灶A(yù)見的是，未來的汽車將成為一個(gè)隨時(shí)隨地由無線網(wǎng)絡(luò)連接的移動(dòng)通訊平臺。

利用毫米波雷達(dá)和圖像傳感器構(gòu)建智能駕駛控制系統(tǒng)

據(jù)日本Hitachi公司的研究顯示，日本和西方國家正在努力開發(fā)更為先進(jìn)的安全技術(shù)，其目標(biāo)是把每年的交通事故和災(zāi)害降低30%~50%，為此，要開發(fā)一種新型的駕駛控制系統(tǒng)，這種的系統(tǒng)的主要功能包括：
*自適應(yīng)巡航系統(tǒng)(ACC)；
*預(yù)防撞剎車系統(tǒng)(Precrash Safety System)；
*停止和前進(jìn)(Stop-And-Go)控制系統(tǒng)；
*車道保持系統(tǒng)(LKS)；

為了實(shí)現(xiàn)上述功能，需要采用一系列基于毫米波雷達(dá)的環(huán)境識別傳感器、圖像處理攝像機(jī)以及新型的剎車、方向盤和其它子系統(tǒng)。其中的關(guān)鍵無線電技術(shù)就是毫米波雷達(dá)傳感器。

圖3  環(huán)境識別技術(shù)在汽車中的應(yīng)用
圖片來源：Hitachi公司

目前，國際汽車半導(dǎo)體廠家在毫米波雷達(dá)器件上已經(jīng)取得了一系列突破。例如，飛思卡爾半導(dǎo)體已經(jīng)展示了使用硅鍺(SiGe)技術(shù)的面向77GHz頻帶毫米波雷達(dá)的射頻(RF)芯片。該芯片主要面向在部分汽車上配備的車與車之間的間距控制系統(tǒng)及預(yù)防撞安全系統(tǒng)等的車間距檢測用途。與此同時(shí)，飛思卡爾還開發(fā)將射頻芯片與接口IC、微控制器一起封裝的毫米波雷達(dá)模塊，以及旨在使該模塊實(shí)現(xiàn)小型化的小型天線。由于通用毫米波雷達(dá)將來會(huì)成為必不可少的裝備，據(jù)稱，該公司今后還將對毫米波雷達(dá)的所有技術(shù)進(jìn)行不斷開發(fā)。

此外，新日本無線公司成功開發(fā)了使用76GHz頻帶的面向車載毫米波雷達(dá)的VCO。在AlN底板上形成基于微帶線的電路后，通過表面封裝耿氏二極管及變?nèi)荻O管形成VCO。日本村田公司也推出了采用介質(zhì)振蕩器、振蕩頻率為38GHz的VCO。京瓷不久前也推出了兩款用于60GHz頻段無線通信和76GHz頻段車載雷達(dá)等毫米波頻段的陶瓷天線。

在實(shí)際使用的過程中，雷達(dá)系統(tǒng)與偏航速率傳感器采用一體化設(shè)計(jì)，配備于車前隔柵后方。成功的案例包括：德爾福最大檢測角度為15度的新型巡航控制系統(tǒng)毫米波雷達(dá)；雷克薩斯LS460車型使用毫米波雷達(dá)和攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)車輛前方障礙物識別功能和后方車輛識別功能；日野為Profia車型增加的標(biāo)配追尾減輕制動(dòng)系統(tǒng)，它利用毫米波雷達(dá)判斷出追尾危險(xiǎn)后，發(fā)出警報(bào)音并起動(dòng)制動(dòng)器，通過追尾減輕制動(dòng)系統(tǒng)中的“預(yù)防撞安全系統(tǒng) ”來防止碰撞。 

由于毫米波雷達(dá)產(chǎn)生的電波能夠穿透人體，從而給健康造成不良影響，因此毫米波雷達(dá)在能夠檢測的障礙物方面存在局限性，比如不能將行人作為障物來檢測等，只能借助于攝像技術(shù)。在這方面，NEC搶占日本市場半壁江山的“預(yù)防撞安全”系統(tǒng)市場，該公司利用車載圖像識別并行處理器，通過采用結(jié)合毫米波雷達(dá)及攝像頭等多個(gè)傳感器的信息進(jìn)行綜合處理的方式，檢測包括前方車輛及行人在內(nèi)的立體物體的距離和速度，向駕駛員發(fā)出警報(bào)，從而減輕沖撞造成的傷害。因此，代表了環(huán)境識別技術(shù)的發(fā)展方向之一。圖3為基于毫米波雷達(dá)和圖像傳感器的環(huán)境識別技術(shù)在汽車中的應(yīng)用的示意圖。

結(jié)語

隨著智能交通系統(tǒng)的發(fā)展以及駕駛員對信息通信需求的增加，對路-車之間、車-車之間無線通信技術(shù)的需求與日俱增。

比較而言，傳統(tǒng)的車載無線電設(shè)備—收音機(jī)、GPS、遙控?zé)o鑰進(jìn)入、TPMS和GSM/GPRS設(shè)備等,都是相對獨(dú)立的無線電設(shè)備。在智能交通系統(tǒng)中，把無線通信技術(shù)、車載汽車計(jì)算平臺、信息顯示系統(tǒng)以及駕駛控制系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來，構(gòu)成統(tǒng)一的ITS ECU或車載信息通信系統(tǒng)(Telematics)平臺，將對無線電通信技術(shù)提出更高的要求，設(shè)計(jì)過程中面臨的最大挑戰(zhàn)在于如何將不同標(biāo)準(zhǔn)和頻點(diǎn)的無線電通信設(shè)備集成為一體。在此，軟件無線電技術(shù)將有著無限的應(yīng)用空間。

由于智能交通系統(tǒng)的建設(shè)牽涉面廣，因此，需要汽車制造商與汽車電子、半導(dǎo)體、通信、軟件設(shè)計(jì)及內(nèi)容提供等行業(yè)開展廣泛的跨行業(yè)協(xié)作。此外，國家的產(chǎn)業(yè)政策支持以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的引導(dǎo)也是至關(guān)重要的。

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