项目编号： 1816
面向车辆环境智能无线网络通信研究
Research on Intelligent Wireless Network Communication for Vehicle Environment
项目研制单位：上海大学??? ?泛亚汽车技术中心有限公司
主要研制人员：孙彦赞、张磊、苏晋升、方勇、刘昇栋、花德培、郭格、肖健超
赵江湖、吴克胜、谢庆港、李鹏飞、肖予乾、
1、研究内容介绍
当前车辆外部网络的无线互联互通已有大量的相关研究，但目前对于车载内部网络的互联互通还主要是依靠有线连接搭建整车网络，连接车载的每一个传感器、控制器和ECUs模块，实现模块间通信，基于无线通信技术的车载内部网络搭建的研究还很少。随着智能网联汽车发展的快速推进及实现，车载电子设备间的信息共享会更加密切，智能网联汽车的信息传感设备数量随之大幅增长，造成传感器、控制器、和ECUs之间相互连接的线缆长度、重量和连接复杂度也急剧增加，以至于当前基于有线网络连接形式进行车载内部网络组网的方式不仅会增加车载有线网络的布线难度、汽车的重量和体积、车辆功能集成时间，而且会降低车载内部网络的可拓展性，不利于后期车载内部网络的升级拓展和维修保养。
无线通信技术作为有线连接的一种替代选择，可有效减少因有线连接带来的各种问题和费用开销。因此，在车辆上融合物联网相关的解决方案，展开面向车辆环境智能无线网络通信的研究，形成车载的无线网络控制系统，突破线束的制约，对缩短车辆功能的集成时间，提升车载乘客使用汽车电子设备的便利性和舒适性，增强车载内部网络模块的可拓展性和可维护性，促进智能网联汽车的研究与实现都具有重要意义。
针对车载A类低速网络、B类中速网络、D类高速网络中非车辆行驶安全模块的传输速率要求的差异和有线组网特点，研究面向车辆环境智能无线网络通信研究，具体包括：针对不同车载模块对通信速率、可靠性和功耗等要求的差异，研究车载内部无线网络实现的单跳/多跳、分布式/集中式多制式混合自适应组网；研究狭小车载空间内模块间多制式无线通信的干扰协调，解决融合多制式无线混合组网下的同频干扰问题；结合各车载模块的业务特点和功耗要求，研究车载多制式混合组网的节能优化。具体研究内容如下：
1） 车载内部网络融合多制式无线通信的自适应混合组网
基于车载网络中A类低速网络、B类中速网络和D类高速网络对传输速率要求的不同和有线网络架构的特点，研究融合ZigBee和WiFi无线通信技术的自适应组网方案，实现车载网络中的非车辆行驶安全类应用模块的无线互联互通。其中针对A类网络数据传输速率低、通信频率低、基于LIN总线单主/多从的集中式组网特点，研究基于ZigBee的星型集中式无线组网；针对B类中速网络的CAN总线组网特点，研究基于ZigBee的分布式网状结构组网；针对D类高速网络的高速数据传输速率和基于MOST总线架构的组网特点，研究基于高数据传输速率的WiFi组建分布式网状结构组网，并同时兼容现有基于Bluetooth的无线传输模块。通过上述研究实现车载内部各模块的融合多制式无线通信的自适应混合组网。
2）车载内部网络多制式无线混合组网的干扰协调
由于基于ZigBee、WiFi、Bluetooth的无线通信技术均工作于ISM频段，因此会带来各制式无线通信的同频干扰问题。为此，首先研究基于车载模块节点业务特征的业务通信优先级区分机制，对于音视频流媒体传输、车辆运行参数传输等通信实时性要求较高的通信配置较高的无线传输优先级，对于车内温度传感信息、空气质量信息等通信延时性较低的通信配置较低的优先级。对于不同优先级的模块节点数据，在定时模块上采用不同的数据发送间隔，以降低通信模块间同时通信的干扰碰撞概率，降低干扰；然后，研究模块节点通信干扰避免的功率控制、资源分配算法，进一步降低网络间干扰；最后，研究报文冲撞控制和无线消息拥塞控制机制，对车载无线模块的数据进行分析、压缩和分类等进行预处理，减少冗余信息，提升通信效率，进而避免报文冲撞和消息拥塞问题，进一步提高通信的可靠性。
3）多制式无线混合组网的节能机制研究
在车载有线网络升级为无线互联的过程中，模块节点的供电是个问题，为解决这个问题，节能必不可少。而且节能和环保也是绿色新能源汽车的发展趋势。为此，首先根据车载模块的分布，研究高能效的无线组网设计，实现网络节点的高能效部署；其次，研究无线高能效优化设计，包括面向无线组网时的融合多种无线通信制式的高能效设计和面向车载模块时的多种通信协议的高能效设计；接着，研究无线网络的高能效数据融合算法，以有效地减少网络中的数据量，提高发送有效数据的效率；最后，针对某些业务发送频率低或事件触发的车载模块节点，研究采用无线模块的睡眠和唤醒节能机制，设置合理的睡眠唤醒机制，达到节点节能和时延的优化折中。
本项目完成了一套基于车载内部网络融合多制式无线通信自适应混合组网方案，实现了车载端用户数据的采集以及车内部件的控制；同时基于无线网络环境，提出了一套车载网络多制式无线组网的干扰协调方案，协调解决网内以及网外间的网络干扰问题；最后考虑各节点能耗问题，提出了一套车载网络多制式无线组网的节能机制方案，减少车内各传感节点以及控制节点的能量消耗，以延长网络寿命，避免频繁的更换节点电池。同时搭建了一套基于车载智能无线网络通信系统，通过车载端、服务器端以及用户端三大模块实现远端的人车交互功能，极大提升用户体验。
工程实现：
1）实车组网
2）WSN Monitor网络动态拓扑测试
3）信息采集与反向控制
2、技术创新点
1）提出了一种车内有线网络到无线网络的升级方法。针对车载A类低速网络、B类中速网络、D类高速网络中非车辆行驶安全模块的传输速率要求的差异和有线组网特点，设计车载内部无线网络基于ZIGBEE及WiFi实现的单跳/多跳、集中式/分布式多制式无线网络升级方案。
2）提出了一种基于联合时频优先级策略的车内无线通信平台及其抗干扰方法。对于车载三类网络共存出现的干扰问题，提出基于时频优先级策略的协调方案，包括时频干扰检测模块，信道优先级和车载任务优先级列表，链路调度模块和信道跳变模块。该方法能够突破线束的制约，缩短车辆功能的集成时间，提升各类网络的实时传输数据和执行命令的效率，使无线通信网络在车内环境更加高效地协同工作。
3）提出了一种车载无线多制式混合组网的方法，通过ZigBee模块、Wi-Fi模块和蓝牙模块实现对车内部分有线网络的无线改造升级，根据ZigBee、Wi-Fi和蓝牙不同的数据传输特性，将这三大模块分别应用在车辆环境监测、车辆信息传输以及车内娱乐互联上，其中使用ZigBee无线通信的车辆环境监测系统是对车载A类低速网络的改造，而使用Wi-Fi和蓝牙无线传输面向信息、音视频系统是对车载D类网络的改造。
3、专利/论文/获奖情况
发表专利：
（1）肖健超, 孙彦赞, 方勇, 李军亮, 苏晋升, 张磊. 一种车载有线网络到无线网络的接口设计方法[P], 2020年5月，中国发明专利，专利授权号：CN111147338A.
（2）赵江湖, 孙彦赞, 方勇, 李军亮, 苏晋升, 张磊. 一种车载无线多制式混合组网的方法[P], 2020年4月，中国发明专利，专利授权号：CN111031515A.
（3）李鹏飞, 方勇, 孙彦赞, 李军亮, 苏晋升, 张磊. 基于联合时频优先级策略的车内无线通信平台及其抗干扰方法[P], 2020年3月，中国发明专利，专利授权号: CN110913373A
发表论文：
（1）李鹏飞,苏晋升,孙彦赞,方勇.多制式抗干扰车内无线传感网络设计[J].电子测量技术,2020,43(13):117-122.
（2）肖健超,苏晋升,郭格,孙彦赞,方勇.基于车载WSN网络的车载环境监测系统设计[J].电子测量技术,2020,43(13):123-130.
（3）赵江湖,苏晋升,孙彦赞,方勇.面向车辆环境的WSN能效优化[J].工业控制计算机,2020,33(04):80-82.
4、成果应用及经济效益预测
基于无线通信技术的车载内部网络组网技术，可有效降低可网络的布线难度、汽车的重量和体积、车辆功能集成时间，提升车载内部网络的可拓展性和车载电子设备间的信息共享效率，通过车载端、服务器端以及用户端三大模块实现远端的人车交互功能，极大提升用户体验。2020年上汽通用全年汽车销售额为1467470辆，该技术的应用，以每辆车可以带来100元的经济效益计算，预计潜在的经济效益可达1.46亿元左右。