基于TDD-LTE移動通信技術(shù)的車聯(lián)網(wǎng)終端系統(tǒng)設(shè)計

周立夫，金曉華，劉晨曦，倪如金，劉祎

前言

Telematics（Telecommunication Informatics）是指應(yīng)用了無線通信技術(shù)的車載移動通信導航信息系統(tǒng)，簡稱移動信息系統(tǒng)[1]。它以無線網(wǎng)絡(luò)的語音、數(shù)字通信和衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)為平臺，通過定位系統(tǒng)和無線通信網(wǎng)，向駕駛員和乘客提供位置信息、交通信息、最佳路線、事故緊急救援、遠距離車輛診斷和互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)等。

隨著智能交通系統(tǒng)（ITS）的快速發(fā)展，Telematics應(yīng)運而生。目前、全球各區(qū)域的主要發(fā)達國家都已經(jīng)推出了Telematics業(yè)務(wù)。全球Telematics市場主要分布在北美、歐洲及亞太地區(qū)。比較有代表性的Telematics系統(tǒng)是北美地區(qū)通用汽車（GM）公司開發(fā)的OnStar系統(tǒng)以及歐洲正在實施的eCall系統(tǒng)。北美市場的Telematics市場應(yīng)用主要以安全及防范服務(wù)為主。在歐洲，現(xiàn)有的Telematics應(yīng)用以車輛導航裝置和交通信息為主，緊急救援及安全業(yè)務(wù)也在迅速發(fā)展[1,2]。

2010年中國物聯(lián)網(wǎng)大會正式提出了“車聯(lián)網(wǎng)”的概念，車聯(lián)網(wǎng)是綜合運用移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將各汽車終端聯(lián)系起來，實現(xiàn)汽車之間互聯(lián)溝通及管理平臺與車輛間信息交互的網(wǎng)絡(luò)。自2009年3月25日，由汽車廠商主導的telematics服務(wù)在中國正式商用。進入2010年，自主品牌生產(chǎn)商接過了接力棒，同年 4月，上汽榮威 350上市，配備telematics系統(tǒng)。目前國內(nèi)主流車廠，比如長城、奇瑞、東南、以及長安等均已有推出類似車聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的產(chǎn)品。

TDD-LTE（Time Division Duplex-Long Term Evolution）是中國移動主推的4G（the 4th Generation）通訊技術(shù)，Cat6版本的理論下行速率最高達300Mbps，2013年12月工信部將 TDD-LTE網(wǎng)絡(luò)的正式經(jīng)營許可發(fā)放給了中國移動、聯(lián)通和電信三大運營商,從此中國正式進入了4G時代，相比較3G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，4G最大的特點就是超高的網(wǎng)絡(luò)速率。車載Telematics系統(tǒng)，借助高速網(wǎng)絡(luò)速率，將帶來更多的全新的創(chuàng)新性應(yīng)用體驗。

1、車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)及服務(wù)內(nèi)容

1.1 車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

車載 Telematics產(chǎn)業(yè)鏈包含汽車廠商、車載 Telematics終端盒提供商、TSP（Telematics Service Provider）服務(wù)商、移動網(wǎng)絡(luò)運營商以及各種服務(wù)和內(nèi)容提供商等組成。車載Telematics系統(tǒng)簡稱車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)分車身部分和其他部分。車身部分主要包含T-BOX終端盒，音響（或?qū)Ш街鳈C或顯示屏），車身控制器單元。其他部分包含裝載APP應(yīng)用的手機、TSP服務(wù)臺以及基站等。

1.2 車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)服務(wù)內(nèi)容

車載Telematics系統(tǒng)作為車聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)的核心，應(yīng)用越來越廣泛，特別是借助于4G技術(shù)、車載顯示屏的操作界面、以及運行在顯示屏上的App程序，以及WIFI功能的開發(fā)，車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)已經(jīng)突破了傳統(tǒng)的僅僅導航、車身和安全相關(guān)的應(yīng)用，延伸到了互聯(lián)網(wǎng)、保險和生活服務(wù)等應(yīng)用。Telematics系統(tǒng)主要的服務(wù)內(nèi)容包含車身應(yīng)用、電話與安全、導航相關(guān)服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)相關(guān)服務(wù)、信息服務(wù)功能幾大類，如圖2所示。

1.2.1 車身應(yīng)用

T-BOX內(nèi)設(shè)計兩路高速CAN（Controller Area Network）收發(fā)器模塊，T-BOX通過兩路CAN總線與車身上其他電子模塊相聯(lián)系。一路高速 CAN做一般的數(shù)據(jù)交互用；另一路高速 CAN用做車身安全數(shù)據(jù)的傳送。通過系統(tǒng)的兩路高速CAN以及通訊模塊，T-BOX能實現(xiàn)車身的以下應(yīng)用：

（1）通過CAN網(wǎng)絡(luò)能實現(xiàn)對車身上其他電子模塊的診斷功能，將其他電子模塊的一些參數(shù)信息，通過 CAN網(wǎng)絡(luò)傳送到T-BOX，再通過4G模塊網(wǎng)絡(luò)，傳送到遠程服務(wù)器端（比如4S店或車廠售后服務(wù)部門），能遠程診斷分析模塊的故障信息。

（2）通過CAN網(wǎng)絡(luò)，T-BOX能獲取車身的一些信息（比如油量、溫度、行駛里程等）。

（3）通過CAN網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對其他電子模塊的系統(tǒng)固件的升級。升級包通過TSP下發(fā)到各個T-BOX單元，T-BOX單元再通過 CAN網(wǎng)絡(luò)連接到待升級的電子模塊，實現(xiàn)系統(tǒng)固件的升級。同時，也能實現(xiàn)T-BOX自身固件的升級。

1.2.2 電話和安全功能

T-BOX借助于音響（或?qū)Ш剑┲鳈C的顯示屏，能操作撥打一般的任意號碼的語音電話，也支持來電接收或者拒絕。同時，借助于安裝在車身的按鍵模塊，可以撥打 e-call（Emergency call，即緊急呼叫電話），b-call（Breakdown call，即道路救援）電話。e-call和b-call均是分別撥打指定的電話號碼，這兩個電話號碼預(yù)先設(shè)置在T-BOX里，可以在4S店的時候根據(jù)具體情況做修改。系統(tǒng)支持雙向的語音通話資訊，短信收發(fā)功能。

當裝載T-BOX的車子發(fā)生碰撞時，TBOX將自動觸發(fā)報警，自動撥打TSP電話，同時會發(fā)送當前位置信息到TSP。TSP服務(wù)人員接通電話，或回撥電話確認事故。并會將相應(yīng)位置信息發(fā)送給救援人員，啟動緊急救援。

通過T-BOX內(nèi)的加速度傳感器芯片，能實現(xiàn)防盜功能。當汽車熄火后，如果發(fā)現(xiàn)車子被盜時，有超過預(yù)設(shè)閥值的震動發(fā)生，系統(tǒng)將自動傳送位置信息以及報警信息到TSP，同時，會下發(fā)短消息到駕乘人員。

1.2.3 導航功能

通過內(nèi)置于T-BOX的定位模塊，系統(tǒng)接收GPS/北斗衛(wèi)星信號，獲得 T-BOX （即車輛）所處的位置信息。通過音響(或主機)顯示屏，顯示位置信息。也可實現(xiàn)導航功能。

導航功能均需有人機交互界面，一般通過車身中央顯示屏單元或音響（導航）主機顯示屏進行操作。通過運行在主機上的應(yīng)用軟件，能實現(xiàn)一鍵導航的功能。即用戶在車內(nèi)按下按鍵，接通TSP服務(wù)中心，由坐席代表根據(jù)用戶需求查找目的地，并發(fā)送到車輛（車機），方便用戶導航。

1.2.4 網(wǎng)絡(luò)相關(guān)

T-BOX通過USB與中央顯示屏或音響（導航）主機連接，用戶通過中央顯示屏的人機界面，實現(xiàn)上網(wǎng)功能；同時，通過內(nèi)置于T-BOX的WIFI模塊，在車內(nèi)或周邊形成的WIFI熱點，駕乘人員能較方便的使用手機，連接到T-BOX的WIFI熱點，再通過4G網(wǎng)絡(luò)連接到互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)車內(nèi)的一個局域網(wǎng)上網(wǎng)功能。

通過運行在音響（導航）主機上的一些應(yīng)用軟件以及TSP的信息推送，能實現(xiàn)更多的針對車載場合的特定應(yīng)用（比如天氣預(yù)報、周圍景點信息推送、在線新聞、在線音樂、股票信息等。

1.2.5 信息服務(wù)功能

T-BOX在實現(xiàn)車身安全、語音及導航等主要應(yīng)用功能外，還能實現(xiàn)很多的增值服務(wù)，比如語音播報功能、郵件接收、航班以及車票的預(yù)定、周邊酒店和餐飲信息推送及預(yù)定，以及對駕駛?cè)藛T的駕車習慣分析，作為下一年車險的購買的參考等[3]。

2、T-BOX系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在車身應(yīng)用、電話和安全、導航。網(wǎng)絡(luò)相關(guān)以及秘書功能等的應(yīng)用，設(shè)計T-BOX平臺系統(tǒng)。T-BOX平臺系統(tǒng)的主要功能模塊包含：無線通訊模塊、導航或定位模塊等、WIFI模塊等、按鍵觸發(fā)模塊、音頻處理模塊、CAN通訊模塊和電源模塊等。一般是通過CAN（或USB）接口，與車載導航娛樂系統(tǒng)顯示屏或車載中央顯示屏通訊，實現(xiàn)人機互動。

2.1 T-BOX系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計

T-BOX硬件平臺基于雙處理器架構(gòu)設(shè)計，一片基于Cortex-M3的MCU芯片和一片基于Cortex-A9的內(nèi)核的CPU芯片組成。T-BOX平臺系統(tǒng)的硬件架構(gòu)如圖3所示。主要包含處理器系統(tǒng)、4G通訊模塊、定位模塊、WIFI模塊、電源部分、音頻處理部分、按鍵處理、CAN通信模塊以及傳感器模塊部分組成。下面介紹主要的幾個功能模塊：

2.2 4G通訊模塊

4G通訊模塊選用的基于美國高通公司的 MDM9215基帶芯片為核心的通訊模塊，包含了 TDD-LTE、FDD-LTE、HSPA+和 GSM 四種制式，能兼容移動、聯(lián)通和電信的等運營商的通訊要求，通過更換內(nèi)置SIM卡，替換成不同的運營商。

TDD-LTE包含的頻段分別是：頻段38、頻段39、頻段40和頻段41。

FDD-LTE包含的頻段是：頻段1、頻段3和頻段8。

HSPA+包含的頻段是：頻段1、頻段2、頻段5和頻段8。

GSM頻段包含：900MHz和1800MHz頻段。

T-BOX系統(tǒng)里的CPU通過USB接口，與4G模塊通訊，實現(xiàn)上網(wǎng)、電話以及對4G模塊進行控制。

2.3 導航和定位模塊

導航和定位模塊實現(xiàn)導航和定位功能。系統(tǒng)選用帶GPS（Global Positioning System）、北斗和伽利略功能的定位芯片。通過對導航模塊內(nèi)部寄存器的簡單配置，能實現(xiàn)GPS加北斗，GPS加伽利略功能的導航定位功能。通過GPS加北斗雙定位技術(shù)，定位精度和定位速度均比單GPS定位或單北斗定位有改善。

2.4 處理器系統(tǒng)部分

處理器部分包含兩顆處理器芯片，一顆是內(nèi)含 Cortex-M3的 MCU芯片，最高主頻 80MHz，另外一顆是內(nèi)含Cortex-A9內(nèi)核的CPU芯片，最高主頻達800MHz，CPU芯片外擴DDR3存儲器芯片，以及Flash芯片，構(gòu)成處理器最小系統(tǒng)。WIFI功能、上網(wǎng)功能、與4G通訊模塊交互功能、導航和慣導的相關(guān)算法均在CPU里處理。MCU模塊主要用來做電源管理、與車身接口信號處理以及 CAN通訊接口。MCU和CPU之間通過SPI接口實現(xiàn)互聯(lián)。

2.5 WIFI功能模塊

WIFI模塊選用的是包含2.4GHz和5GHz雙頻段的的模塊，采用單一天線的接口，通過SDIO接口與處理器相連。最高速率達150Mbps，最大允許8個用戶接入。

2.6 T-BOX系統(tǒng)平臺軟件設(shè)計

T-BOX的系統(tǒng)軟件工作流程如圖4所示： 主要包括系統(tǒng)初始化、工作狀態(tài)和待機狀態(tài)處理。系統(tǒng)初始化主要完成系統(tǒng)電源加載、寄存器的配置、軟件加載等，隨后根據(jù)車輛狀態(tài)（是否在ACC ON狀態(tài)）選擇是進入正常工作狀態(tài)還是進入待機工作模式。當處于正常模式時，所有的T-BOX已設(shè)計的應(yīng)用均能正常開啟。當系統(tǒng)在低電流工作模式時，此時大部分功能均處于關(guān)閉，僅有少部分預(yù)定義的與安全相關(guān)功能處于中斷檢測狀態(tài)，比如碰撞檢測、e-call電話、防盜監(jiān)測等，在低電流工作模式時，系統(tǒng)一旦監(jiān)測到有類似中斷事件發(fā)生，T-BOX系統(tǒng)自動喚醒，切換到正常工作狀態(tài)。

3、總結(jié)

本文在簡單分析了車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的主要架構(gòu)及服務(wù)內(nèi)容基礎(chǔ)上，設(shè)計了一套T-BOX平臺產(chǎn)品。該平臺產(chǎn)品根據(jù)不同客戶的需求，做功能的相應(yīng)的增加和裁剪，即可衍生出不同的T-BOX產(chǎn)品。該平臺已在公司應(yīng)用項目上被實際設(shè)計成多款T-BOX產(chǎn)品。隨著移動通訊技術(shù)、電子技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的不斷發(fā)展，作為車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用最基本的硬件載體，T-BOX將稱為車載標配電子單元。同時，車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用將會帶來更多的變化和創(chuàng)新，未來T-BOX產(chǎn)品還將融合更多的新技術(shù)，比如車載以太網(wǎng)技術(shù)、V2V（Vehicle to Vehicle）技術(shù)、V2X技術(shù)以及更多的新應(yīng)用。

[1] 余崢. 車載Telematics系統(tǒng)研究[J]. 汽車電, 2011(7):1-4..

[2] 夏峰，陸珂?zhèn)?，陳啟? Telematics系統(tǒng)研究與車載終端設(shè)計[J].微處理機, 2009,(4): 78-81.

[3] Peter Handel, Richard Welch and Jens Ohlsson. Insurance Telematics:Opportunities and Challenges with the Smartphone Solution[J].IEEE Intelligent Transportation Systems Magazine. Winter 2014:

[4] 劉凌青. 中國 Telematics行業(yè)的現(xiàn)狀和未來[J]. 汽車與配件.2013-17:26-27.