智能交通中車與車通信的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

1、電子科學(xué)前沿課程論文智能交通中車與車通信的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀【毛亮，s20091342，電子科學(xué)與技術(shù)】1.概述本部分摘錄和總結(jié)了一些車車通信的基本概念和應(yīng)用前景。1.1 車載通信車載通訊是一類新興的無線通信，使車輛中的移動用戶能夠與道路或者其它車輛進(jìn)行通信。車載通信包括三種組織形式：車與路通信，車與車通信，混合通信 1 。基于無線網(wǎng)絡(luò)的汽車無線通信平臺技術(shù)，預(yù)計可以在城市、農(nóng)村和高速公路上為用戶提供一些網(wǎng)絡(luò)功能、協(xié)議和一體化的策略服務(wù)。車輛通信技術(shù)能夠在車輛行駛過程中，通過地面無線通信網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星GPS系統(tǒng)，駕駛員和乘客可以及時獲得路況、交通信息、應(yīng)急對策、遠(yuǎn)程車輛診斷、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用（包括金融、新聞、

2、E-mail等）等服務(wù)12。1.2 車車通信 車車通信是指在同一自動車隊或者一定控制區(qū)域內(nèi)的車輛之間的短程通信。車車通信還沒有明確統(tǒng)一的名詞來表示，目前表示車車通信的學(xué)術(shù)用語有：V2V (Vehicle-to-Vehicle Communication) 、C2C（Car-to-Car Communication）、C2X (Car-to-X Communication) 、IVC（Inter-Vehicle Communication systems) 等 1 3 。車車通信具有提高交通安全和增加司乘人員舒適旅行的潛力，在緊急事件預(yù)警、路況信息通告，交通流分配、娛樂和接入互聯(lián)網(wǎng)方面有廣闊的應(yīng)

3、用前景 5 。2.研究內(nèi)容在本章介紹了目前國內(nèi)外車車通信研究的一些主要內(nèi)容。 2.1 車輛通信網(wǎng)絡(luò)的研究對于車輛通信網(wǎng)絡(luò)體系，國內(nèi)外研究的主要內(nèi)容是基于Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)的車輛通信。Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)是一種新穎的移動計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的類型，它既可以作為一種獨立的網(wǎng)絡(luò)運行，也可以作為當(dāng)前具有固定設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的一種補充形式，該網(wǎng)絡(luò)不需要固定的基礎(chǔ)設(shè)施，能夠快速地自動組網(wǎng)，在車輛間通信領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景 5。但是由附近車輛構(gòu)成的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的Ad hoc有明顯的不同，在信道接入、路由資料顯示、充滿變數(shù)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂?，靈活的中間件的設(shè)計等解決方案，以有效地支持應(yīng)用層方面面臨著不同尋常的挑戰(zhàn)，因為車輛流動

4、性高，由此而引發(fā)的信號的多徑衰落，多普勒頻移等現(xiàn)象使車與車之間的通信鏈路很容易變得糟糕 6 8 。2.2車輛通信協(xié)議的研究在車輛通信的過程中，需要對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的交換指定規(guī)則、約定與標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)在，國際上專門開發(fā)了適用于車輛通信的專用短程通信( Dedicated Short Range Communication , 簡稱DSRC)協(xié)議。國外的DSRC標(biāo)準(zhǔn)主要有三類:日本的ARIBSTD - T75 ,歐洲的ENV12834、ENV12253、ENV12795 ,美國的基于900MHz的DSRC標(biāo)準(zhǔn)。我國參照國外DSRC標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展趨勢，正積極地進(jìn)行DSRC標(biāo)準(zhǔn)化的深入研究 4。DSRC 只是提供了建

5、立通信及信息傳遞的通道，如何提高車輛通信的服務(wù)質(zhì)量，完善配套車載通信裝置以及控制管理中心的工程開發(fā)是實現(xiàn)車車通信應(yīng)用的關(guān)鍵問題7。3.研究現(xiàn)狀本章分別介紹了美國、歐洲在車車通信方面的部分研究。3.1 美國車車通信研究 9美國車車通信的研究主要是面向車輛安全的應(yīng)用，包括制定通信協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)、實施以車車通信為基礎(chǔ)的車輛安全項目。美國開展車車通信研究及項目實施的主要政府機(jī)構(gòu)和社會團(tuán)體有：國家公路交通安全局（NHTSA）、美國聯(lián)邦通信委員會（FCC），電子和電氣工程師協(xié)會（IEEE），美國汽車工程師協(xié)會（SAE），防撞度量組織（CAMP）以及汽車原始部件制造商（OEMs）等機(jī)構(gòu)。其中NHTSA主要是發(fā)起

6、和資助車車通信的相關(guān)研究和項目，F(xiàn)CC進(jìn)行授權(quán)管理，IEEE主要負(fù)責(zé)制定通信標(biāo)準(zhǔn)。2002年美國交通運輸部聯(lián)合CAMP中的車輛安全通信聯(lián)盟開展了為期三年的車輛安全通信工程（The Vehicle Safety Communications project），VSC工程主要包括以下四個方面的工作：1.對以車車通信為基礎(chǔ)的車輛安全應(yīng)用的所能帶來的效益評估和確定車車通訊要求；2.確保DSRC協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)能夠達(dá)到車輛安全應(yīng)用的要求；3.調(diào)查DSRC在支持車輛安全應(yīng)用方面的具體技術(shù)問題；4.評估車輛安全應(yīng)用中通信部署的可行性。在VSC工程首先是確立了近百個在車輛安全方面潛在的應(yīng)用方案。這些應(yīng)用方案涵蓋了自

7、適應(yīng)傳動系統(tǒng)的管理和錯誤路線駕駛警告，之后進(jìn)行了最高優(yōu)先級場景下的初步通信要求的研究，基于對這些要求和無線技術(shù)的分析，最后確定了采用DSRC作為車輛安全的應(yīng)用方案。根據(jù)OEMs提供的市場滲透評估報告，VSC方案將分為短、中、長三期目標(biāo)進(jìn)行實施：短期系統(tǒng)實施時間范圍為2007年到2011年，中期系統(tǒng)實施時間段為2012年到2016年，長期目標(biāo)在2016年以后實施。VSC的中短期實施的應(yīng)用方案有：1）交通信號的警告；2）曲線速度警告；3）應(yīng)急電子剎車燈；4）碰撞預(yù)警；5）追尾碰撞警告；6）輔助左轉(zhuǎn)；7）車道變換警告；8）運動停止標(biāo)志輔助。3.2 歐洲車車通信研究 32004年，歐洲的六大汽車生產(chǎn)商

8、：奧迪、寶馬、戴姆勒-克萊斯勒、菲亞特、雷諾和大眾聯(lián)手成立了車對車通信聯(lián)盟（CAR 2 CAR Communication Consortium簡稱C2C-CC）。這一聯(lián)盟的目的是讓車輛及其環(huán)境之間的無線通信接口和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化，使不同廠商生產(chǎn)的車輛之間及與路邊設(shè)施能夠相互通信，他們正著力研究的CAR 2 X系統(tǒng)就是基于這一目標(biāo)。3.2.1 CAR 2 X系統(tǒng)的應(yīng)用場景3CAR 2 X的具體目標(biāo)是提高行車安全和交通效率，給駕駛者提供信息以及娛樂服務(wù)，該系統(tǒng)根據(jù)所要實現(xiàn)的目標(biāo)進(jìn)行用例劃分，也就是說系統(tǒng)所需的要求是由用例描述組成的。目前該系統(tǒng)的應(yīng)用場景主要有以下三個：1）安全領(lǐng)域。包括的用例有追尾碰撞

9、警告，與碰撞傳感與警告和危險場所的車輛通知。2）交通效率領(lǐng)域。包括的用例有路線的指導(dǎo)和當(dāng)行增強，綠燈最佳速度咨詢和車車合并援助。3）信息娛樂及其它。包括的用例有車輛互聯(lián)網(wǎng)接入，感興趣點的通知和遠(yuǎn)程診斷。以上每一種用例都對系統(tǒng)提出了相應(yīng)的要求，由此組成了系統(tǒng)需求。3.2.2 系統(tǒng)的先決條件和制約因素 3CAR 2 X系統(tǒng)的先決條件和制約因素可以劃分為經(jīng)濟(jì)方面和技術(shù)方面兩類。經(jīng)濟(jì)方面主要考慮裝備了該系統(tǒng)的車輛所占交通流中車輛的比例對服務(wù)效果和消費者吸引力等方面的影響。技術(shù)方面的先決條件和制約因素主要有四點：1）能否滿足匿名和數(shù)據(jù)交換的安全等要求，且不違反相關(guān)的法律。2）能否有效地保護(hù)頻帶，保證強大

10、的通信服務(wù)質(zhì)量。3）滿足可伸縮性的要求，能夠解決在不同交通密度，如車流量很小或交通擁堵時所面臨的挑戰(zhàn)。4）強制性傳感器數(shù)據(jù)，需要保證不同汽車生產(chǎn)商和供應(yīng)商的安所安裝C2C系統(tǒng)有一套基本可行的傳感器數(shù)據(jù)，并滿足質(zhì)量和安全的需求。3.2.3 CAR 2 X系統(tǒng)的應(yīng)用 3本節(jié)主要對歐洲CAR 2 X系統(tǒng)的六大應(yīng)用進(jìn)行了介紹，其中前三個應(yīng)用屬于車車通信，后面屬于車路通信或者混合通信。目前在CAR 2 X系統(tǒng)中，這些應(yīng)用之間沒有明顯的分界面，但在系統(tǒng)的傳輸層和信息連接器上有標(biāo)準(zhǔn)化的接口。1）車與車的合作意識。這一應(yīng)用主要是在沒有持久通信鏈路的車輛之間實現(xiàn)信息共享。采用廣播通信，通信范圍為300m到1km

11、，通信的信息根據(jù)用例需求定義。發(fā)送信息的過程為：根據(jù)用例所需合并本地車輛數(shù)據(jù)，把本地車輛數(shù)據(jù)打包成消息，最后利用廣播將信息發(fā)至周圍所有車輛。接受信息的過程為驗證所接受到的信息，解碼成遠(yuǎn)程車輛的信息，最后根據(jù)用例需求對信息評估。它的通信模型如右圖所示。這一應(yīng)用可以實現(xiàn)的具體用例有：車車合并援助（V2V Merging Assistance）、追尾碰撞報警（Cooperative Forward Collision Warning）、應(yīng)急電子剎車燈（Emergency Electronic Brake Lights）、車車輔助變道（V2V Lane Change Assistance）、緊急車輛靠

12、近警告（Approaching Emergency Vehicle Warning）、公路/鐵路碰撞警告（Highway/Rail Collision Warning）、錯誤駕駛方式警告（Wrong Way Driving Warning）、減少眩光（Cooperative Glare Reduction）、自適應(yīng)巡航控制（Cooperative Adaptive Cruise Control）。2）車與車的單播交流。這一應(yīng)用旨在為兩車的信息交換提供通信鏈路，由發(fā)現(xiàn)、連接、維持和關(guān)閉四個階段組成，采用單播（Unicast）通信，即客戶端與服務(wù)器之間的點對點連接，通信范圍為0到5km。通信的信息

13、包括：連接請求/接受/拒收信息、一般數(shù)據(jù)交換信息、錯誤和流量控制消息和通道的關(guān)閉消息。在發(fā)現(xiàn)階段通過使用用例信息做出與其他車輛進(jìn)行連接的決定，從而進(jìn)入下一階段連接，即一輛車啟動一個請求，另一輛車子允許連接的情況下打開一個連接。在維持階段兩車保持連接，并交換數(shù)據(jù)，最后一階段是兩車停止交換數(shù)據(jù)，連接斷開。它的通信模型如右圖所示。這一應(yīng)用可以實現(xiàn)的具體用例有：車車合并援助（V2V Merging Assistance）、預(yù)碰撞傳感/警告（Pre-Crash Sensing/Warning）、協(xié)同車輛道路自動化系統(tǒng)（Cooperative Vehicle-Highway Automation Syst

14、em）、發(fā)送及時消息（Instant Messaging）。3）車與車分散環(huán)境的通知。這一應(yīng)用給車輛和駕駛者提供他們所感興趣的事件和路邊信息，采用廣播通信，通信范圍為300m到20km。它能夠存儲、集群、優(yōu)先級、重復(fù)收到的信息，或者添加或刪除信息。該應(yīng)用需要有一個類似于地區(qū)廣播，能使信息能夠在網(wǎng)絡(luò)中快速蔓延的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制。另外還能收集和存儲資料，一邊分發(fā)給他們遇到的車輛。這一應(yīng)用通信的信息包括有關(guān)事件或道路的動態(tài)或靜態(tài)信息。每個消息由三部分組成：1）消息參數(shù)的管理：參數(shù)信息有消息的唯一ID、時間戳、優(yōu)先權(quán)、設(shè)定的可靠性、目標(biāo)區(qū)域范圍、到期時間和認(rèn)證。2）位置信息：它不僅為信息集群所必需，而且它為駕

15、駛員確認(rèn)相關(guān)的信息。位置信息以及駕駛者的駕駛道路信息必須與相應(yīng)的消息相匹配。3）事件和路況信息：對事件和道路信息進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)、可擴(kuò)展地編碼。車輛之間通過主要的通信鏈路如路邊設(shè)施（非必須）來傳播，這些信息分散于沒有中心節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)之中。由于長期使用的一些用例的資料，在這里時間的有效性和高延遲賦予的分配算法是可以接受的，但是應(yīng)該盡可能減少。該應(yīng)用的通信模型如右圖所示。這一應(yīng)用可以實現(xiàn)的具體用例有：慢速車輛警告(Slow Vehicle Warning) 后碰撞警告(Post-Crash Warning)、車內(nèi)黃色警告（In-Vehicle Amber Alert）、安全恢復(fù)通告（Safety Recal

16、l Notice）、前面交通擠塞警告（Traffic Jam Ahead Warning）、危險場所的車車通知（Hazardous Location V2V Notification）、安全服務(wù)點（Safety Service Point）、分散浮動車數(shù)據(jù)（Decentralized Floating Car Data）。4）基礎(chǔ)設(shè)施與車輛單程通信。這一應(yīng)用主要提供路邊單元與車輛的通信。路邊單元將數(shù)據(jù)打包進(jìn)消息后廣播至周圍的車輛。通信的范圍為300m到5km。通信模型如下：這一應(yīng)用可以實現(xiàn)的具體用例有：危險場所的車車通知（Hazardous Location V2V Notification）

17、、綠燈最佳速度咨詢（Green Light Optimal Speed Advisory）、V2I流量優(yōu)化（V2I Traffic Optimization）。5）本地路邊單元連接。由于本地單元RSU不能直接跟蹤一個消息到其它網(wǎng)絡(luò)，因此需要將RSU連接到其他網(wǎng)絡(luò)中去。他的通信模型如下：這一應(yīng)用可以實現(xiàn)的具體用例有：自動訪問控制（Automatic Access Control）、終端個人數(shù)據(jù)同步（Personal Data Synchronization at Home）、基于基礎(chǔ)設(shè)施的聯(lián)合援助（Infrastructure-based Cooperative Merging Assistan

18、ce）、遠(yuǎn)程診斷（Remote Diagnostics）、自由交通流收費（Free-flow Tolling）、駕駛通過付款（Drive-through Payment）、汽車電腦程序更新（Vehicle Computer Program Updates）、信號沖突警告/信號先發(fā)（Signal Violation Warning / Signal Preemption）。6）互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議路邊單元連接。這一應(yīng)用基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議和客戶端-服務(wù)器模式給駕駛員提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)，采用單播通信方式。通信模型如下：這一應(yīng)用可以實現(xiàn)的具體用例有：SOS救援服務(wù)（SOS Services）、及時維修通知（Just

19、-In Time Repair Notification）、媒體下載（Media Download）、地圖下載和更新（Map Downloads and Updates）、增強路徑誘導(dǎo)及導(dǎo)航（Enhanced Route Guidance and Navigation）、車隊管理（Fleet Management）、發(fā)送即時消息（Instant Messaging）。4.車車通信總結(jié)隨著汽車的智能化水平越來越高，車載通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟，車車通信將給人類出行帶來一場全新的革命，對車輛安全領(lǐng)域、交通效率領(lǐng)域和個人娛樂服務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。目前，國外車車通信已經(jīng)進(jìn)入實質(zhì)推行階段，制定了短、中、長期目標(biāo)，形成了行業(yè)與行業(yè)之間，國家與國家之間的聯(lián)盟，我國的汽車工業(yè)正處于一個快速上升的階段，但車車通信研究和規(guī)劃還沒形成雛形，如何適應(yīng)我國國情，規(guī)劃車車通信技術(shù)的發(fā)展，并開發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用，搶占下一階段發(fā)展的制高點是擺在我國研究機(jī)構(gòu)、政府組織和相關(guān)行業(yè)的重要課題。參考文獻(xiàn)1Moez Jerbi, Patrick Marlier, and Sidi Mohammed Senouci.Experimental Assessment of V2V and I2V Communications.IEEE Computer Society.2007.2鄭大永，鄭宏劍.汽車無線通信平臺系統(tǒng).中