智能交通中車與車通信的研究與應用現狀

1、智能交通中車與車通信的研究與應用現狀【毛亮，s20091342，電子科學與技術】1.概述本部分摘錄和總結了一些車車通信的基本概念和應用前景。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 。基于無線網絡的汽車無線通信平臺技術，預計可以在城市、農村和高速公路上為用戶提供一些網絡功能、協議和一體化的策略服務。車輛通信技術能夠在車輛行駛過程中，通過地面無線通信網絡和衛(wèi)星GPS系統，駕駛員和乘客可以及時獲得路況、交通信息、應急對策、遠程車輛診斷、網絡應用（包括金融、新聞、E-mail等）等服

2、務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)域內的車輛之間的短程通信。車車通信還沒有明確統一的名詞來表示，目前表示車車通信的學術用語有：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，在緊急事件預警、路況信息通告，交通流分配、娛樂和接入互聯網方面有廣闊的應用前景 5 。2.研

3、究內容在本章介紹了目前國內外車車通信研究的一些主要內容。 2.1 車輛通信網絡的研究對于車輛通信網絡體系，國內外研究的主要內容是基于Ad-hoc網絡的車輛通信。Ad-hoc網絡是一種新穎的移動計算機網絡的類型，它既可以作為一種獨立的網絡運行，也可以作為當前具有固定設施網絡的一種補充形式，該網絡不需要固定的基礎設施，能夠快速地自動組網，在車輛間通信領域有重要的應用前景 5。但是由附近車輛構成的Ad hoc網絡與傳統的Ad hoc有明顯的不同，在信道接入、路由資料顯示、充滿變數的網絡拓撲控制，靈活的中間件的設計等解決方案，以有效地支持應用層方面面臨著不同尋常的挑戰(zhàn)，因為車輛流動性高，由此而引發(fā)的信

4、號的多徑衰落，多普勒頻移等現象使車與車之間的通信鏈路很容易變得糟糕 6 8 。2.2車輛通信協議的研究在車輛通信的過程中，需要對網絡數據的交換指定規(guī)則、約定與標準?，F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)協議。國外的DSRC標準主要有三類:日本的ARIBSTD - T75 ,歐洲的ENV12834、ENV12253、ENV12795 ,美國的基于900MHz的DSRC標準。我國參照國外DSRC標準的發(fā)展趨勢，正積極地進行DSRC標準化的深入研究 4。DSRC 只是提供了建立通信及信息傳遞的通

5、道，如何提高車輛通信的服務質量，完善配套車載通信裝置以及控制管理中心的工程開發(fā)是實現車車通信應用的關鍵問題7。3.研究現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用，包括制定通信協議和標準、實施以車車通信為基礎的車輛安全項目。美國開展車車通信研究及項目實施的主要政府機構和社會團體有：國家公路交通安全局（NHTSA）、美國聯邦通信委員會（FCC），電子和電氣工程師協會（IEEE），美國汽車工程師協會（SAE），防撞度量組織（CAMP）以及汽車原始部件制造商（OEMs）等機構。其中NHTSA主要是發(fā)起和資助車車通信的相關

6、研究和項目，FCC進行授權管理，IEEE主要負責制定通信標準。2002年美國交通運輸部聯合CAMP中的車輛安全通信聯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的車輛安全應用的所能帶來的效益評估和確定車車通訊要求；2.確保DSRC協議和標準能夠達到車輛安全應用的要求；3.調查DSRC在支持車輛安全應用方面的具體技術問題；4.評估車輛安全應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用方案。這些應用方案涵蓋了自適應傳動系統的管理和

7、錯誤路線駕駛警告，之后進行了最高優(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的分析，最后確定了采用DSRC作為車輛安全的應用方案。根據OEMs提供的市場滲透評估報告，VSC方案將分為短、中、長三期目標進行實施：短期系統實施時間范圍為2007年到2011年，中期系統實施時間段為2012年到2016年，長期目標在2016年以后實施。VSC的中短期實施的應用方案有：1）交通信號的警告；2）曲線速度警告；3）應急電子剎車燈；4）碰撞預警；5）追尾碰撞警告；6）輔助左轉；7）車道變換警告；8）運動停止標志輔助。3.2 歐洲車車通信研究 32004年，歐洲的六大汽車生產商：奧迪、寶馬、戴姆勒

8、-克萊斯勒、菲亞特、雷諾和大眾聯手成立了車對車通信聯盟（CAR 2 CAR Communication Consortium簡稱C2C-CC）。這一聯盟的目的是讓車輛及其環(huán)境之間的無線通信接口和協議標準化，使不同廠商生產的車輛之間及與路邊設施能夠相互通信，他們正著力研究的CAR 2 X系統就是基于這一目標。 CAR 2 X系統的應用場景3CAR 2 X的具體目標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，該系統根據所要實現的目標進行用例劃分，也就是說系統所需的要求是由用例描述組成的。目前該系統的應用場景主要有以下三個：1）安全領域。包括的用例有追尾碰撞警告，與碰撞傳感與警告和危險場

9、所的車輛通知。2）交通效率領域。包括的用例有路線的指導和當行增強，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網接入，感興趣點的通知和遠程診斷。以上每一種用例都對系統提出了相應的要求，由此組成了系統需求。系統的先決條件和制約因素 3CAR 2 X系統的先決條件和制約因素可以劃分為經濟方面和技術方面兩類。經濟方面主要考慮裝備了該系統的車輛所占交通流中車輛的比例對服務效果和消費者吸引力等方面的影響。技術方面的先決條件和制約因素主要有四點：1）能否滿足匿名和數據交換的安全等要求，且不違反相關的法律。2）能否有效地保護頻帶，保證強大的通信服務質量。3）滿足可伸縮性的要求，能

10、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）強制性傳感器數據，需要保證不同汽車生產商和供應商的安所安裝C2C系統有一套基本可行的傳感器數據，并滿足質量和安全的需求。CAR 2 X系統的應用 3本節(jié)主要對歐洲CAR 2 X系統的六大應用進行了介紹，其中前三個應用屬于車車通信，后面屬于車路通信或者混合通信。目前在CAR 2 X系統中，這些應用之間沒有明顯的分界面，但在系統的傳輸層和信息連接器上有標準化的接口。1）車與車的合作意識。這一應用主要是在沒有持久通信鏈路的車輛之間實現信息共享。采用廣播通信，通信范圍為300m到1km，通信的信息根據用例需求定義。發(fā)送信息的過程為：根據用

11、例所需合并本地車輛數據，把本地車輛數據打包成消息，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，解碼成遠程車輛的信息，最后根據用例需求對信息評估。它的通信模型如右圖所示。這一應用可以實現的具體用例有：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）、緊急車輛靠近警告（Approaching Emergency V

12、ehicle 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）、自適應巡航控制（Cooperative Adaptive Cruise Control）。2）車與車的單播交流。這一應用旨在為兩車的信息交換提供通信鏈路，由發(fā)現、連接、維持和關閉四個階段組成，采用單播（Unicast）通信，即客戶端與服務器之間的點對點連接，通信范圍為0到5km。通信的信息包括：連接請求/接受/拒收信息、一般數據交換信息、錯誤

13、和流量控制消息和通道的關閉消息。在發(fā)現階段通過使用用例信息做出與其他車輛進行連接的決定，從而進入下一階段連接，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，并交換數據，最后一階段是兩車停止交換數據，連接斷開。它的通信模型如右圖所示。這一應用可以實現的具體用例有：車車合并援助（V2V Merging Assistance）、預碰撞傳感/警告（Pre-Crash Sensing/Warning）、協同車輛道路自動化系統（Cooperative Vehicle-Highway Automation System）、發(fā)送及時消息（Instant Messagin

14、g）。3）車與車分散環(huán)境的通知。這一應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、重復收到的信息，或者添加或刪除信息。該應用需要有一個類似于地區(qū)廣播，能使信息能夠在網絡中快速蔓延的轉發(fā)機制。另外還能收集和存儲資料，一邊分發(fā)給他們遇到的車輛。這一應用通信的信息包括有關事件或道路的動態(tài)或靜態(tài)信息。每個消息由三部分組成：1）消息參數的管理：參數信息有消息的唯一ID、時間戳、優(yōu)先權、設定的可靠性、目標區(qū)域范圍、到期時間和認證。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相關的信息。位置信息以及駕駛者的駕駛道路信息必

15、須與相應的消息相匹配。3）事件和路況信息：對事件和道路信息進行標準、可擴展地編碼。車輛之間通過主要的通信鏈路如路邊設施（非必須）來傳播，這些信息分散于沒有中心節(jié)點的網絡之中。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，但是應該盡可能減少。該應用的通信模型如右圖所示。這一應用可以實現的具體用例有：慢速車輛警告(Slow Vehicle Warning) 后碰撞警告(Post-Crash Warning)、車內黃色警告（In-Vehicle Amber Alert）、安全恢復通告（Safety Recall Notice）、前面交通擠塞警告（Traffic

16、Jam Ahead Warning）、危險場所的車車通知（Hazardous Location V2V Notification）、安全服務點（Safety Service Point）、分散浮動車數據（Decentralized Floating Car Data）。4）基礎設施與車輛單程通信。這一應用主要提供路邊單元與車輛的通信。路邊單元將數據打包進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：這一應用可以實現的具體用例有：危險場所的車車通知（Hazardous Location V2V Notification）、綠燈最佳速度咨詢（Green Light Optim

17、al 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絡，因此需要將RSU連接到其他網絡中去。他的通信模型如下：這一應用可以實現的具體用例有：自動訪問控制（Automatic Access Control）、終端個人數據同步（Personal Data Synchronization at Home）、基于基礎設施的聯合援助（Infrastructure-based Cooperative Merging Assistance）、遠程診斷（Remote Diagnostics

18、）、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）互聯網協議路邊單元連接。這一應用基于互聯網協議和客戶端-服務器模式給駕駛員提供互聯網接入服務，采用單播通信方式。通信模型如下：這一應用可以實現的具體用例有：SOS救援服務（SOS Services）、及時維修通知（Just-In Time Repair Notificatio

19、n）、媒體下載（Media Download）、地圖下載和更新（Map Downloads and Updates）、增強路徑誘導及導航（Enhanced Route Guidance and Navigation）、車隊管理（Fleet Management）、發(fā)送即時消息（Instant Messaging）。4.車車通信總結隨著汽車的智能化水平越來越高，車載通信網絡技術的成熟，車車通信將給人類出行帶來一場全新的革命，對車輛安全領域、交通效率領域和個人娛樂服務領域的應用產生深遠的影響。目前，國外車車通信已經進入實質推行階段，制定了短、中、長期目標，形成了行業(yè)與行業(yè)之間，國家與國家之間的聯盟，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，如何適應我國國情，規(guī)劃車車通信技術的發(fā)展，并開發(fā)相應的應用，搶占下一階段發(fā)展的制高點是擺在我國研究機構、政府組織和相關行業(yè)的重要課題。參考文獻1Moez Jerbi, Patrick Marlier, and Sidi Mohammed Senouci.Experimental Assessment of V2V and I2V Communications.IEEE Computer Socie