附件二：關于《智能網(wǎng)聯(lián)車-車通信中繼節(jié)點選擇技術指南》-編制說明-1009

《智能網(wǎng)聯(lián)車-車通信中繼節(jié)點選擇技術指南》標準編制說明一、項目背景隨著網(wǎng)絡技術、通信技術及汽車行業(yè)的發(fā)展，智能網(wǎng)聯(lián)汽車逐漸走入人們的視野，其作為車聯(lián)網(wǎng)與智能車的有機聯(lián)合，是實現(xiàn)車與可通信物的智能信息交換和共享，實現(xiàn)安全、舒適、節(jié)能和高效行駛，并最終可替代人來操作的新一代汽車。本項目研究智能網(wǎng)聯(lián)汽車中的車-車數(shù)據(jù)通信協(xié)議屬于車聯(lián)網(wǎng)技術范疇，著力解決我省智能網(wǎng)聯(lián)汽車在車-車通信技術上的不足。車-車通信技術相關研究始于1999年的美國，此后，歐洲、日本和韓國相繼開展相關研究工作。2016年11月，我國啟動了車用77-81GHz毫米波雷達無線技術和頻率劃分研究試驗工作，這標志著我國已經(jīng)開始全面布局基于5G的自主車-車通信技術，并以此支持具有我國先進通信技術的產業(yè)化和商用化，這非常有利于提升中國智能汽車、車聯(lián)網(wǎng)領域的核心競爭能力。湖南作為緊跟世界智能網(wǎng)聯(lián)汽車發(fā)展腳步的重要省份，在相關產業(yè)的實力毋庸置疑，然而在2019年2月的政府智庫報告中指出湖南的智能網(wǎng)聯(lián)汽車產業(yè)發(fā)展需要突破的四個“短板”，即湖南在關鍵技術、成本、市場認可度、政策配套以及基礎設施方面還存在著一些問題和障礙。在車-車間建立通信是一自主靈活且時延達到亞毫秒級的通信網(wǎng)絡，所以本項目組響應國家大力發(fā)展相關產業(yè)的號召，考慮制定一項《智能網(wǎng)聯(lián)車車數(shù)據(jù)通信協(xié)議》，從車間數(shù)據(jù)通信的中繼節(jié)點選擇方法入手，實現(xiàn)比現(xiàn)有協(xié)議更穩(wěn)定高效的緊急消息傳播。二、工作簡況（一）任務來源及協(xié)作單位《智能網(wǎng)聯(lián)車-車通信中繼節(jié)點選擇技術指南》為湖南省2021年第一批地方標準制修訂計劃項目，見《湖南省市場監(jiān)督管理局關于公布2021年度第一批地方標準制修訂項目計劃的通知》湘市監(jiān)標函〔2021〕33號，由長沙理工大學承擔，湖南紐曼車聯(lián)網(wǎng)科技有限公司參與、湖南省交通廳科技信息中心協(xié)助，湖南省交通廳歸口。（二）主要工作過程（1）標準啟動2020年10月，長沙理工大學與湖南紐曼車聯(lián)網(wǎng)科技有限公司提出立項需求；2020年12月，正式下達制定計劃；2021年1月啟動標準的編寫工作。（2）成立標準起草組2020年10月，成立了由長沙理工大學、湖南省交通運輸廳、湖南紐曼車聯(lián)網(wǎng)科技有限公司等單位組成的標準起草組，標準起草組成員詳見表1。表1標準起草組人員構成表

序號姓名性別所在單位職務/職稱主要任務1曹敦女長沙理工大學副教授標準框架搭建2王進男長沙理工大學教授標準框架搭建3常促宇男湖南紐曼車聯(lián)網(wǎng)科技有限公司董事長項目管理4張依博男湖南紐曼車聯(lián)網(wǎng)科技有限公司研發(fā)經(jīng)理標準技術可行性分析5單新周男湖南省交通廳科技信息中心高級工程師標準合理性性分析6喬川龍男湖南省交通廳科技信息中心高級工程師標準技術分析7羅閏蘭女湖南省交通廳會計師標準經(jīng)濟可行性分析8湯強男長沙理工大學講師標準技術分析9何施茗女長沙理工大學副教授標準技術制定10茹佳女長沙理工大學學生標準技術驗證11蔣宇晨男長沙理工大學學生標準技術驗證12肖前暉男長沙理工大學學生標準技術驗證13吳美華女長沙理工大學學生標準技術成檔14谷寧男長沙理工大學學生標準技術成檔15熊佳斯女長沙理工大學學生標準技術成檔16王毓斌男長沙理工大學學生標準技術成檔17楊逸帆女長沙理工大學學生標準技術成檔標準調研2021年1月-2021年8月，標準起草組對現(xiàn)有相關標準、協(xié)議及文獻進行了調研，詳細了解了《基于LTE的車聯(lián)網(wǎng)無線通信技術空中接口技術要求標準》、《智能網(wǎng)聯(lián)汽車道路測試管理規(guī)范(試行)》、《衛(wèi)星導航定位基準站網(wǎng)基本產品規(guī)范》、《車載終端與手持終端互聯(lián)規(guī)范》、《車載無線短距通信系統(tǒng)技術要求與測試方法》、《ISO13400-3:2016道路車輛

基于因特網(wǎng)協(xié)議的診斷通訊

第3部分：基于IEEE802.3的車用有線接口》、《3GPP-Technicalrealization("stage2")-23series-TS23.501協(xié)議》、《3GPP-Requirements-21series-TR21.916協(xié)議》、《3GPP-Technicalrealization("stage2")-23series-TS23.502協(xié)議》、《ISO22900-2:2017道路車輛

車輛通訊接口模塊

第2部分：診斷協(xié)議數(shù)據(jù)單元》、《ISO20077-1:2017道路車輛ExVe方法第1部分：一般信息》和《3GPP-Technicalrealization("stage2")-23series-TR23.725協(xié)議》等標準，調研整合了湖南省長沙市仿真道路需求實際情況信息，確認了相關數(shù)據(jù)庫的需求和權限需求。標準起草2021年9月至2023年1月，標準起草組依據(jù)前期調研成果，確定本指南框架，從前言、范圍、規(guī)范性引用文件、術語和定義、縮略語、不同應用場景中繼節(jié)點選擇等方面具化內容，并結合湖南省長沙市仿真道路需求實際情況，完成了標準工作組討論稿。標準討論2023年2月至2023年6月標準工作組經(jīng)過多次討論，確定了標準《智能網(wǎng)聯(lián)車-車通信中繼節(jié)點選擇技術指南》的標準結構框架和具體內容的實施，形成討論稿。征求意見2023年7-8月，通過對行業(yè)內湖南省質量和標準研究院、長沙智能駕駛研究院有限公司、長沙比亞迪汽車工業(yè)有限公司產品規(guī)劃及汽車新技術研究院政策標準部等十余家相關研究院所、企業(yè)征集意見，回收意見近百條，對意見進行分析、研究、討論，并進行驗證，對工作組討論稿進行細致的完善和審查。并于9月22日由湖南省交通運輸廳組織專家召開了地方標準評審會，與會專家聽取了標準起草編制工作組所做的標準編制說明，并對標準送審稿進行了逐條審查，經(jīng)質詢、討論，形成了修改意見，一致通過本標準通過審查。起草組根據(jù)專家組審查意見，對標準文本繼續(xù)進行了修改完善，形成一份更加全面、詳實的征求意見稿。三、標準編制原則和主要內容及其確定的依據(jù)（一）標準編制原則（1）系統(tǒng)性與協(xié)調性相結合的原則標準的形成應充分考慮國家、湖南省現(xiàn)有的相關的政策文件，利于交通主管部門對道路以及交通情況的使用和管理，避免沖突與矛盾。（2）科學性與可操作性相結合原則標準的形成應建立在充分調研、分析行業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展方向的基礎上,應具體量化指標、便于實踐操作，以利于規(guī)范行業(yè)管理。（3）可達性與前瞻性相結合原則標準應能夠在現(xiàn)階段情況下，快速實現(xiàn),并具有一定的預見性和超前性，能夠為未來的發(fā)展方向起到一定的指導作用。（4）透明性、開放性和協(xié)商一致原則標準的制定應有利于車聯(lián)網(wǎng)道路區(qū)間車輛有關的各方利益主體的合法權益，標準制定過程中應充分聽取各相關方的意見，力爭協(xié)商一致。（二）主要內容及其確定的依據(jù)本標準內容給出了車間數(shù)據(jù)通信的中繼節(jié)點的選擇方法的指南，實現(xiàn)了比現(xiàn)有協(xié)議更穩(wěn)定高效的緊急消息傳播，因此標準名稱為《智能網(wǎng)聯(lián)車-車通信中繼節(jié)點選擇技術指南》。本標準的總體結構包括前言、范圍、規(guī)范性引用文件、術語和定義、縮略語、不同應用場景中繼節(jié)點選擇等方面。其中，不同場景包括直道、十字形平面交叉路口、彎道和不利場景。高速公路、城區(qū)道路及山區(qū)道路是典型的三種道路場景，它們分別代表了直道、十字形平面交叉路口和彎道這3種地型場景。高速公路主要是直道，岔道只出現(xiàn)在少數(shù)情況，如高速的出入口，且為保證安全距離，車輛密度在一般情況下相對不大。由于高速公路上VANET的網(wǎng)絡拓撲結構為直線，又稱為1維網(wǎng)絡，且車輛密度較小，高速公路場景是中繼節(jié)點選擇研究場景中相對簡單的一種場景。在城區(qū)中，由于道路存在多分叉路口，因此車際網(wǎng)（Inter-VehicleNetwork）的拓撲結構復雜，且城區(qū)車輛流量在不同時段和不同區(qū)域變化大，是所研究的三種場景中較復雜的場景。山區(qū)中道路彎道較多，道路結構的不規(guī)則使得道路描述不便，且由于道路的迂回，車輛通信范圍內車輛數(shù)目變化較大，因此如何在山區(qū)彎道場景中進行中繼節(jié)點選擇，有效地保證消息快速的傳播，且避免存在消息未傳播的區(qū)域是一值得被研究的問題。下面是標準部分內容的簡要介紹。（1）術語和定義該部分對指數(shù)分割、清除廣播、請求廣播、沖突、中繼節(jié)點、彎曲率[1]等重要術語進行了定義，有利于界定名詞邊界，規(guī)范對用詞的理解。（2）符號和縮略語對不同場景中繼節(jié)點選擇過程中用到的符號及縮略語做了規(guī)定。（3）總則該部分總結說明了標準的總體原則及適用場景。（4）直道場景中繼節(jié)點選擇該部分明確了直道場景下的中繼節(jié)點選擇方法，并說明了基于EPRS的廣播協(xié)議（Exponent-basedpartitioningbroadcastprotocol，EPBP）的工作方式。借助帶寬外信道阻塞信號（Blackburst），標記為B，設計一種EPRS算法，以最少的時延選擇單跳范圍內最遠節(jié)點為中繼節(jié)點。如文獻[2]的圖2.2所示，在發(fā)送節(jié)點通信覆蓋范圍內的所有節(jié)點（車輛）在中繼節(jié)點選擇過程開始后，因為有定位系統(tǒng)的支持，會以一相同時刻標示中繼節(jié)點選擇過程的開始，廣播一信道阻塞信號B。發(fā)送節(jié)點偵聽到B，從而判斷出在其通信覆蓋區(qū)域內有可選擇的中繼節(jié)點存在?；谥笖?shù)的分割方法對通信區(qū)域進行次迭代分割，每次分割成區(qū)域塊。在前次迭代中，最遠的非空區(qū)域塊會被選中作為下一次迭代的被分割的區(qū)域。在最后一次分割時，最遠非空的區(qū)域塊會被選中為最終區(qū)域塊。文獻[2]圖2.2展示了當，時，基于指數(shù)分割的中繼節(jié)點選擇算法的分割過程。每次分割的第1，2，3塊的寬度會近似為所在迭代分割區(qū)間寬度的1/4，1/4，1/2。在每次迭代中，所有的節(jié)點根據(jù)RTB包中發(fā)送節(jié)點的位置信息，及定位系統(tǒng)所提供的自身位置信息，判斷自己所在的區(qū)域塊，在對應的時隙中發(fā)送一個B。文獻[2]圖2.2中的第1次迭代，因為在第1個區(qū)域塊中有節(jié)點，所以這些節(jié)點會同時在第1個時隙發(fā)送一個B。其他區(qū)域塊的節(jié)點在自己對應時隙來到前會一直偵聽信道，因此會偵聽到此B，從而判斷出相比較于自己，有更靠近邊界的節(jié)點存在。于是，第2、3個區(qū)域塊內的節(jié)點退出區(qū)域分割。這一過程會反復進行到第次迭代。在第2次迭代中，因為在第1區(qū)域塊中沒有節(jié)點，寬度為的第2個區(qū)域塊被選中，此次迭代耗時2個時隙。在最后一次迭代中，前2個時隙都沒有B傳送，因此，第3個區(qū)域塊的節(jié)點判斷出自己是潛在的中繼節(jié)點。為節(jié)約時間，這些節(jié)點不會發(fā)送B，而是直接參與競爭成為中繼節(jié)點。以下是關于EPBP協(xié)議4個階段的詳細說明：——mini離散幀間時隙當有多個緊急消息（EmergencyMessage，EM）在同一時間需要發(fā)送，發(fā)送EM的每一個車輛會從間隔中隨機選取某個mini時隙（mini-slot）去接入信道。mini-slot只是mini離散幀間時隙（mini-DistributeInter-frameSpace，mini-DIFS）的一部分。所以mini-DIFS機制能減輕多個EM同時接入信道造成的沖突，并減小了等待時間。當一個EM成功接入信道后，發(fā)送節(jié)點，即發(fā)送EM的車輛，會發(fā)送一請求廣播（Request-To-Broadcast，RTB）包，并等待對應的清除廣播(Clear-To-Broadcast，CTB)包?！谥笖?shù)的分割方法此方法能使最后被選擇的區(qū)域塊寬度最小?！狢TB競爭階段只有一個節(jié)點以較少的沖突率被選中作為中繼節(jié)點。此中繼節(jié)點回應一CTB包，向發(fā)送節(jié)點確認中繼節(jié)點，完成中繼節(jié)點的選擇。且此RTB/CTB的握手同時避免了隱藏節(jié)點的出現(xiàn)?！獢?shù)據(jù)包傳遞整個EPBP過程會反復進行直到EM到達目的點或失效。十字形平面交叉路口場景中繼節(jié)點選擇該部分明確了十字形平面交叉路口場景中繼節(jié)點選擇方法及信息格式。十字形平面交叉路口場景中繼節(jié)點的選擇方法包括2個階段?！房陔A段首次發(fā)現(xiàn)自己在交叉路口區(qū)域的節(jié)點為獵節(jié)點（NH）。尋找離十字路口中心位置最近的節(jié)點，并將其作為中繼節(jié)點NC。——支路階段尋找在發(fā)送節(jié)點NC通信范圍內不同支路上離NC最遠的節(jié)點做中繼節(jié)點。在路口階段和支路階段，采用十字交叉路口場景下基于指數(shù)分割的中繼節(jié)點選擇方法（EPRSonIntersection，EPRSI）選擇中繼節(jié)點。（6）彎道場景中繼節(jié)點選擇該部分明確了多種不同類型的彎道場景、中繼節(jié)點在彎道場景下的雙向選擇過程和傳輸過程，以及在彎道場景下中繼節(jié)點的信息格式。在彎道場景下，如果只是考慮消息的單向傳播去選擇中繼節(jié)點，則有可能存在通信未覆蓋的彎道區(qū)域，消息無法傳播到。因此在彎道中，為保證在道路任何位置的車輛都能收到消息，中繼節(jié)點的選擇應該是雙向的。發(fā)送節(jié)點選擇下一跳中繼節(jié)點時，會考慮消息傳播的兩個方向：正向和反向。依據(jù)消息傳播的雙向路徑，同時選擇兩個雙向的中繼節(jié)點，來確保彎道道路所有區(qū)域均能被覆蓋。當一個發(fā)送點同時選擇不同方向的多個中繼節(jié)點時，也會同時接收到多個方向傳輸過來的B，為了區(qū)別不同方向上的B，應選擇在發(fā)送點使用定向天線或者選擇不同的頻率發(fā)送不同方向的B。為避免信道負載過大，在RTB包中包含對應消息的唯一標識號。每個節(jié)點在本地記載其已收到的消息標示號。當新接收到一個RTB包，便判斷此消息是否已接收過。如該消息標示號在本地有記載，便不參與中繼節(jié)點的選擇。否者，則參與中繼節(jié)點的選擇。并且任何消息都有生存時效的。當過了生存時效，對應標示號的消息會停止被廣播，且對應標示號的記載也會被清空以釋放本地空間。（7）不利場景中繼節(jié)點選擇該部分明確了兩種不利場景，以及在不利場景下中繼節(jié)點的信息格式。我們致力于構建一種在一般場景下能有更高的傳輸實時性和可靠性，在不利場景下也有可接受性能的魯棒性增強中繼節(jié)點選擇方法。這種魯棒方法是EPRS的進一步成果。EPRS可以在有限的分割時延下能取得更小的競爭時延。因此，EPRS呈現(xiàn)了在不同的交通流量下穩(wěn)定的消息傳播速度及包到達率（PacketDeliveryRatio，PDR）。即使是在高車輛密度下，也表現(xiàn)出較為穩(wěn)定的性能。作為EPRS的優(yōu)化方法，這種魯棒方法獲得整體上性能的提升，尤其是在車輛密度較小及不利的場景下。而這兩種場景下，EPRS性能存在著短板。不利場景的中繼選擇包括四個方面：——指出基于距離的中繼節(jié)點選擇方法性能會出現(xiàn)惡化甚至崩潰的兩種不利場景；——優(yōu)化EPRS，使得其在所有可能的車輛密度下獲得最大的平均消息傳播速度；——提出一種基于mini阻塞消息的協(xié)助機制以減少分割時延，并將此機制結合入EPRS中，最終獲得一種魯棒中繼節(jié)點選擇方法；——構建這種魯棒方法在競爭時延及PDR上數(shù)學模型。其中不利場景下中繼節(jié)點選擇原則是使平均消息傳輸速度在所有車輛密度下是最大的，“最大”無法給出定量描述的原因是：在實驗仿真中，在不同的迭代次數(shù)和迭代的分區(qū)數(shù)值參數(shù)下，通過設置最佳壓縮系數(shù)獲取的最大平均消息速度，是在此參數(shù)設置下相對最大的，并非絕對最大，所以無法給出定量描述。具體的平均消息傳輸速率取決于多個參數(shù)。具體說明見文獻[2]的4.3.1。主要試驗分析報告、相關技術和經(jīng)濟影響論證情況標準主要技術內容的參考文獻CaoD,ZhengB,WangJ,JiB,FengC.“DesignandAnalysisofaGeneralRelay-NodeSelectionMechanismonIntersectioninVehicularNetworks,”Sensors(Basel).,vol.18,no.12,pp.4251,doi:10.3390/s18124251.PMID:30513980;PMCID:PMC6308651,2018.曹敦,王進,傅明.車聯(lián)網(wǎng)V2V中繼節(jié)點選擇優(yōu)化原理與方法[M].中南大學出版社,2019.CaoD,

LiuY,

MaX,Wang

J,

JiB,

FengC,

SiJ.“ARelay-NodeSelectiononCurveRoadinVehicularNetworks,”IEEEAccess.,vol.7,pp.12714-12728.主要試驗分析報告和經(jīng)濟影響論證情況本標準的編制以湖南省長沙市為仿真實驗場景，車聯(lián)網(wǎng)領域的重要研究方向車間數(shù)據(jù)通信技術作為關鍵技術進行研究，適用于搭載了車載定位設備和GIS信息[3]的車輛之間組成的車載通信網(wǎng)絡。通過仿真實驗，驗證了標準中所提方案在時延及包到達率等方面性能的優(yōu)越性。該標準實施后，不僅可以在智能網(wǎng)聯(lián)汽車中發(fā)揮關鍵性作用，還可以在應用于城市的智慧交通系統(tǒng)中發(fā)揮重要的作用，為緩解城市交通壓力、提高道路車流吞吐量、提高行車安全和應對人口老齡化等方面提供強力的幫助；同時，本標準作為車聯(lián)網(wǎng)領域的底層數(shù)據(jù)通信協(xié)議被制定出來，可以作為今后許多相關研究的基礎，在我國相關領域和智能網(wǎng)聯(lián)汽車產業(yè)中發(fā)揮深遠的影響且具有一定的參考價值。（1）直道場景下性能在這節(jié)中，構建了直道場景下EPRS的性能模型，為避免虛假傳遞問題的出現(xiàn)，將CTB競爭中退避時鐘的間隔進行了調整，基于EPRS設計了EPBP。仿真結果反映出所構建的性能模型是有效的，CTB競爭時延的性能比較如文獻[2]圖3.2所示，可以看出EPBP和最新的廣播協(xié)議3P3B，BPAB和PMBP比較，EPBP取得了最低競爭時延，和PMBP的性能很接近。單跳時延及單跳覆蓋比例性能比較如文獻[2]圖3.3所示，EPBP在所有用于比較的協(xié)議中，獲得了最穩(wěn)定且最小的單跳延時。消息傳輸速度性能比較如文獻[2]圖3.4所示，EPBP獲得較大范圍車輛密度上的最快也是最穩(wěn)定的消息傳輸速度。PDR性能比較如文獻[2]圖3.5所示，相比較其他協(xié)議，EPBP也以較低的延時獲得較高的PDR。且相比較現(xiàn)有的基于距離的中繼節(jié)點選擇方法，消息傳播速度和包到達率上有很好的改善，尤其在車輛高密度下，且相對于車輛密度變化性能穩(wěn)定。（2）十字交叉路口場景下性能在這節(jié)中，構建了十字交叉路口場景下基于指數(shù)分割的中繼節(jié)點選擇方法（EPRSI）的性能模型。仿真結果反映出所構建的性能模型是有效的，十字路口場景下時延性能比較如文獻[2]圖3.11所示，可看出EPRSI在當車密度較大的時候，分割時延性能的增益非常顯著，雖然EPRSI的PDR性能是第二優(yōu)的，但已很接近性能最優(yōu)的AMB。且相比較現(xiàn)有的基于距離的中繼節(jié)點選擇方法，消息傳播速度和包到達率上有很好的改善，尤其在車輛高密度下，且相對于車輛密度變化性能穩(wěn)定。（3）彎道場景下性能在這節(jié)中，構建了彎道場景下基于指數(shù)分割的中繼節(jié)點選擇方法（EPBPC）的性能模型。其中，在構建競爭時延的數(shù)學模型時，分析了現(xiàn)廣泛采用的基于指數(shù)退避競爭機制的影響，并避免一些近似統(tǒng)計分析，從而得到更接近實際值的傳播速度的數(shù)學模型。對彎道場景下的中繼節(jié)點選擇方法在MATLAB中進行鏈路級蒙特卡洛仿真。仿真結果反映出所構建的性能模型是有效的，由文獻[2]圖3.18可看出，EPBPC的PDR性能優(yōu)于BPABC