智能交通中車(chē)與車(chē)通信的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀概要

1、智能交通中車(chē)與車(chē)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(chē)車(chē)通信的基本概念和應(yīng)用前景。1.1 車(chē)載通信車(chē)載通訊是一類新興的無(wú)線通信，使車(chē)輛中的移動(dòng)用戶能夠與道路或者其它車(chē)輛進(jìn)行通信。車(chē)載通信包括三種組織形式：車(chē)與路通信，車(chē)與車(chē)通信，混合通信 1 。基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的汽車(chē)無(wú)線通信平臺(tái)技術(shù)，預(yù)計(jì)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(chē)輛通信技術(shù)能夠在車(chē)輛行駛過(guò)程中，通過(guò)地面無(wú)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(shí)獲得路況、交通信息、應(yīng)急對(duì)策、遠(yuǎn)程車(chē)輛診斷、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用（包括金融、新聞、E-mail等）等服

2、務(wù)12。1.2 車(chē)車(chē)通信 車(chē)車(chē)通信是指在同一自動(dòng)車(chē)隊(duì)或者一定控制區(qū)域內(nèi)的車(chē)輛之間的短程通信。車(chē)車(chē)通信還沒(méi)有明確統(tǒng)一的名詞來(lái)表示，目前表示車(chē)車(chē)通信的學(xué)術(shù)用語(yǔ)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(chē)車(chē)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(lè)和接入互聯(lián)網(wǎng)方面有廣闊的應(yīng)用前景 5 。2.研

3、究?jī)?nèi)容在本章介紹了目前國(guó)內(nèi)外車(chē)車(chē)通信研究的一些主要內(nèi)容。 2.1 車(chē)輛通信網(wǎng)絡(luò)的研究對(duì)于車(chē)輛通信網(wǎng)絡(luò)體系，國(guó)內(nèi)外研究的主要內(nèi)容是基于Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)的車(chē)輛通信。Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)是一種新穎的移動(dòng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的類型，它既可以作為一種獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，也可以作為當(dāng)前具有固定設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的一種補(bǔ)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(dòng)組網(wǎng)，在車(chē)輛間通信領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景 5。但是由附近車(chē)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(jì)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?yàn)檐?chē)輛流動(dòng)性高，由此而引發(fā)的信

4、號(hào)的多徑衰落，多普勒頻移等現(xiàn)象使車(chē)與車(chē)之間的通信鏈路很容易變得糟糕 6 8 。2.2車(chē)輛通信協(xié)議的研究在車(chē)輛通信的過(guò)程中，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的交換指定規(guī)則、約定與標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)在，國(guó)際上專門(mén)開(kāi)發(fā)了適用于車(chē)輛通信的專用短程通信( Dedicated Short Range Communication , 簡(jiǎn)稱DSRC)協(xié)議。國(guó)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(guó)的基于900MHz的DSRC標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)參照國(guó)外DSRC標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展趨勢(shì)，正積極地進(jìn)行DSRC標(biāo)準(zhǔn)化的深入研究 4。DSRC 只是提供了建立通信及信息傳遞的通

5、道，如何提高車(chē)輛通信的服務(wù)質(zhì)量，完善配套車(chē)載通信裝置以及控制管理中心的工程開(kāi)發(fā)是實(shí)現(xiàn)車(chē)車(chē)通信應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題7。3.研究現(xiàn)狀本章分別介紹了美國(guó)、歐洲在車(chē)車(chē)通信方面的部分研究。3.1 美國(guó)車(chē)車(chē)通信研究 9美國(guó)車(chē)車(chē)通信的研究主要是面向車(chē)輛安全的應(yīng)用，包括制定通信協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)施以車(chē)車(chē)通信為基礎(chǔ)的車(chē)輛安全項(xiàng)目。美國(guó)開(kāi)展車(chē)車(chē)通信研究及項(xiàng)目實(shí)施的主要政府機(jī)構(gòu)和社會(huì)團(tuán)體有：國(guó)家公路交通安全局（NHTSA）、美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC），電子和電氣工程師協(xié)會(huì)（IEEE），美國(guó)汽車(chē)工程師協(xié)會(huì)（SAE），防撞度量組織（CAMP）以及汽車(chē)原始部件制造商（OEMs）等機(jī)構(gòu)。其中NHTSA主要是發(fā)起和資助車(chē)車(chē)通信的相關(guān)

6、研究和項(xiàng)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(guó)交通運(yùn)輸部聯(lián)合CAMP中的車(chē)輛安全通信聯(lián)盟開(kāi)展了為期三年的車(chē)輛安全通信工程（The Vehicle Safety Communications project），VSC工程主要包括以下四個(gè)方面的工作：1.對(duì)以車(chē)車(chē)通信為基礎(chǔ)的車(chē)輛安全應(yīng)用的所能帶來(lái)的效益評(píng)估和確定車(chē)車(chē)通訊要求；2.確保DSRC協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)能夠達(dá)到車(chē)輛安全應(yīng)用的要求；3.調(diào)查DSRC在支持車(chē)輛安全應(yīng)用方面的具體技術(shù)問(wèn)題；4.評(píng)估車(chē)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(gè)在車(chē)輛安全方面潛在的應(yīng)用方案。這些應(yīng)用方案涵蓋了自適應(yīng)傳動(dòng)系統(tǒng)的管理和

7、錯(cuò)誤路線駕駛警告，之后進(jìn)行了最高優(yōu)先級(jí)場(chǎng)景下的初步通信要求的研究，基于對(duì)這些要求和無(wú)線技術(shù)的分析，最后確定了采用DSRC作為車(chē)輛安全的應(yīng)用方案。根據(jù)OEMs提供的市場(chǎng)滲透評(píng)估報(bào)告，VSC方案將分為短、中、長(zhǎng)三期目標(biāo)進(jìn)行實(shí)施：短期系統(tǒng)實(shí)施時(shí)間范圍為2007年到2011年，中期系統(tǒng)實(shí)施時(shí)間段為2012年到2016年，長(zhǎng)期目標(biāo)在2016年以后實(shí)施。VSC的中短期實(shí)施的應(yīng)用方案有：1）交通信號(hào)的警告；2）曲線速度警告；3）應(yīng)急電子剎車(chē)燈；4）碰撞預(yù)警；5）追尾碰撞警告；6）輔助左轉(zhuǎn)；7）車(chē)道變換警告；8）運(yùn)動(dòng)停止標(biāo)志輔助。3.2 歐洲車(chē)車(chē)通信研究 32004年，歐洲的六大汽車(chē)生產(chǎn)商：奧迪、寶馬、戴姆勒

8、-克萊斯勒、菲亞特、雷諾和大眾聯(lián)手成立了車(chē)對(duì)車(chē)通信聯(lián)盟（CAR 2 CAR Communication Consortium簡(jiǎn)稱C2C-CC）。這一聯(lián)盟的目的是讓車(chē)輛及其環(huán)境之間的無(wú)線通信接口和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化，使不同廠商生產(chǎn)的車(chē)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)。 CAR 2 X系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景3CAR 2 X的具體目標(biāo)是提高行車(chē)安全和交通效率，給駕駛者提供信息以及娛樂(lè)服務(wù)，該系統(tǒng)根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)進(jìn)行用例劃分，也就是說(shuō)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(chǎng)景主要有以下三個(gè)：1）安全領(lǐng)域。包括的用例有追尾碰撞警告，與碰撞傳感與警告和危險(xiǎn)場(chǎng)

9、所的車(chē)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(qiáng)，綠燈最佳速度咨詢和車(chē)車(chē)合并援助。3）信息娛樂(lè)及其它。包括的用例有車(chē)輛互聯(lián)網(wǎng)接入，感興趣點(diǎn)的通知和遠(yuǎn)程診斷。以上每一種用例都對(duì)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(chē)輛所占交通流中車(chē)輛的比例對(duì)服務(wù)效果和消費(fèi)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(diǎn)：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(qiáng)大的通信服務(wù)質(zhì)量。3）滿足可伸縮

10、性的要求，能夠解決在不同交通密度，如車(chē)流量很小或交通擁堵時(shí)所面臨的挑戰(zhàn)。4）強(qiáng)制性傳感器數(shù)據(jù)，需要保證不同汽車(chē)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(duì)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(gè)應(yīng)用屬于車(chē)車(chē)通信，后面屬于車(chē)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(méi)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(chē)與車(chē)的合作意識(shí)。這一應(yīng)用主要是在沒(méi)有持久通信鏈路的車(chē)輛之間實(shí)現(xiàn)信息共享。采用廣播通信，通信范圍為300m到1km，通信的信息根據(jù)用例需求定義。

11、發(fā)送信息的過(guò)程為：根據(jù)用例所需合并本地車(chē)輛數(shù)據(jù)，把本地車(chē)輛數(shù)據(jù)打包成消息，最后利用廣播將信息發(fā)至周?chē)熊?chē)輛。接受信息的過(guò)程為驗(yàn)證所接受到的信息，解碼成遠(yuǎn)程車(chē)輛的信息，最后根據(jù)用例需求對(duì)信息評(píng)估。它的通信模型如右圖所示。這一應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)的具體用例有：車(chē)車(chē)合并援助（V2V Merging Assistance）、追尾碰撞報(bào)警（Cooperative Forward Collision Warning）、應(yīng)急電子剎車(chē)燈（Emergency Electronic Brake Lights）、車(chē)車(chē)輔助變道（V2V Lane Change Assistance）、緊急車(chē)輛靠近警告（Approaching

12、 Emergency Vehicle Warning）、公路/鐵路碰撞警告（Highway/Rail Collision Warning）、錯(cuò)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(chē)與車(chē)的單播交流。這一應(yīng)用旨在為兩車(chē)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(gè)階段組成，采用單播（Unicast）通信，即客戶端與服務(wù)器之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，通信范圍為0到5km。通信的信息包括：連接請(qǐng)求/接受/拒收信息

13、、一般數(shù)據(jù)交換信息、錯(cuò)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(guò)使用用例信息做出與其他車(chē)輛進(jìn)行連接的決定，從而進(jìn)入下一階段連接，即一輛車(chē)啟動(dòng)一個(gè)請(qǐng)求，另一輛車(chē)子允許連接的情況下打開(kāi)一個(gè)連接。在維持階段兩車(chē)保持連接，并交換數(shù)據(jù)，最后一階段是兩車(chē)停止交換數(shù)據(jù)，連接斷開(kāi)。它的通信模型如右圖所示。這一應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)的具體用例有：車(chē)車(chē)合并援助（V2V Merging Assistance）、預(yù)碰撞傳感/警告（Pre-Crash Sensing/Warning）、協(xié)同車(chē)輛道路自動(dòng)化系統(tǒng)（Cooperative Vehicle-Highway Automation System）、發(fā)送及時(shí)消息（Inst

14、ant Messaging）。3）車(chē)與車(chē)分散環(huán)境的通知。這一應(yīng)用給車(chē)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(chǔ)、集群、優(yōu)先級(jí)、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(gè)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(chǔ)資料，一邊分發(fā)給他們遇到的車(chē)輛。這一應(yīng)用通信的信息包括有關(guān)事件或道路的動(dòng)態(tài)或靜態(tài)信息。每個(gè)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(shí)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(shí)間和認(rèn)證。2）位置信息：它不僅為信息集群所必需，而且它為駕駛員確認(rèn)相關(guān)的信息。位置信息以

15、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(duì)事件和道路信息進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)、可擴(kuò)展地編碼。車(chē)輛之間通過(guò)主要的通信鏈路如路邊設(shè)施（非必須）來(lái)傳播，這些信息分散于沒(méi)有中心節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)之中。由于長(zhǎng)期使用的一些用例的資料，在這里時(shí)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(shí)現(xiàn)的具體用例有：慢速車(chē)輛警告(Slow Vehicle Warning) 后碰撞警告(Post-Crash Warning)、車(chē)內(nèi)黃色警告（In-Vehicle Amber Alert）、安全恢復(fù)通告（Safety Recall Notice）、前面交通擠

16、塞警告（Traffic Jam Ahead Warning）、危險(xiǎn)場(chǎng)所的車(chē)車(chē)通知（Hazardous Location V2V Notification）、安全服務(wù)點(diǎn)（Safety Service Point）、分散浮動(dòng)車(chē)數(shù)據(jù)（Decentralized Floating Car Data）。4）基礎(chǔ)設(shè)施與車(chē)輛單程通信。這一應(yīng)用主要提供路邊單元與車(chē)輛的通信。路邊單元將數(shù)據(jù)打包進(jìn)消息后廣播至周?chē)能?chē)輛。通信的范圍為300m到5km。通信模型如下：這一應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)的具體用例有：危險(xiǎn)場(chǎng)所的車(chē)車(chē)通知（Hazardous Location V2V Notification）、綠燈最佳速度咨詢（Green

17、 Light Optimal Speed Advisory）、V2I流量?jī)?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(gè)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(shí)現(xiàn)的具體用例有：自動(dòng)訪問(wèn)控制（Automatic Access Control）、終端個(gè)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 Assistance）、遠(yuǎn)程診斷（Remote

18、 Diagnostics）、自由交通流收費(fèi)（Free-flow Tolling）、駕駛通過(guò)付款（Drive-through Payment）、汽車(chē)電腦程序更新（Vehicle Computer Program Updates）、信號(hào)沖突警告/信號(hào)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(shí)現(xiàn)的具體用例有：SOS救援服務(wù)（SOS Services）、及時(shí)維修通知（Just-In Time Repair

19、 Notification）、媒體下載（Media Download）、地圖下載和更新（Map Downloads and Updates）、增強(qiáng)路徑誘導(dǎo)及導(dǎo)航（Enhanced Route Guidance and Navigation）、車(chē)隊(duì)管理（Fleet Management）、發(fā)送即時(shí)消息（Instant Messaging）。4.車(chē)車(chē)通信總結(jié)隨著汽車(chē)的智能化水平越來(lái)越高，車(chē)載通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟，車(chē)車(chē)通信將給人類出行帶來(lái)一場(chǎng)全新的革命，對(duì)車(chē)輛安全領(lǐng)域、交通效率領(lǐng)域和個(gè)人娛樂(lè)服務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。目前，國(guó)外車(chē)車(chē)通信已經(jīng)進(jìn)入實(shí)質(zhì)推行階段，制定了短、中、長(zhǎng)期目標(biāo)，形成了行業(yè)與行業(yè)之間，國(guó)家與國(guó)家之間的聯(lián)盟，我國(guó)的汽車(chē)工業(yè)正處于一個(gè)快速上升的階段，但車(chē)車(chē)通信研究和規(guī)劃還沒(méi)形成雛形，如何適應(yīng)我國(guó)國(guó)情，規(guī)劃車(chē)車(chē)通信技術(shù)的發(fā)展，并開(kāi)發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用，搶占下一階段發(fā)展的制高點(diǎn)是擺在我國(guó)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(chē)無(wú)線通信平臺(tái)系統(tǒng).中國(guó)