聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在汽車中的應(yīng)用

智能交通系統(tǒng)（ITS）的出現(xiàn)為改善交通網(wǎng)絡(luò)的安全，交通運(yùn)營環(huán)境的創(chuàng)新前景鋪平了道路。聯(lián)網(wǎng)汽車（CV）是一項(xiàng)顛覆性的智能汽車倡議，作為進(jìn)一步賦予駕駛者自主權(quán)的下一波技術(shù)而出現(xiàn)。

1 聯(lián)網(wǎng)汽車：一種創(chuàng)新的運(yùn)輸技術(shù)[1]

1.1 主要目的和原理

聯(lián)網(wǎng)汽車，不僅能夠增加路邊安全，還可以通過開發(fā)整體智能交通系統(tǒng)為駕駛者提供服務(wù)，將有助于提高現(xiàn)有交通網(wǎng)絡(luò)的容量。本章節(jié)討論了兩種主要類型的短程無線通信，即車輛到車輛（V2V）和車輛到基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）通信。簡單描述兩種無線通信的概念以及應(yīng)用。討論了CV的潛在效益及面臨的挑戰(zhàn)。

1.1.1 車輛到車輛（V2V）通信

通過V2V應(yīng)用程序，司機(jī)將被告知即將發(fā)生的撞車事故，比如并線卡車在司機(jī)的盲區(qū)行駛的汽車，或者當(dāng)前面的車輛突然停下時(shí)。警告形式包括:前端碰撞警告、緊急電子剎車燈、盲點(diǎn)/變道警告、不通過警告、交叉路口移動(dòng)輔助和左轉(zhuǎn)彎輔助。

1.1.2 車輛到基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）通信

通過V2I應(yīng)用程序，當(dāng)司機(jī)進(jìn)入學(xué)校區(qū)域時(shí)，如果工人在路邊，紅綠燈即將改變，司機(jī)將被提醒。警告形式包括:彎道速度警告、紅燈違章警告、停車標(biāo)志間隙輔助、智能路邊和過路行人警告。

1.2 CV的影響和潛在操作效益

1.2.1 對(duì)長期規(guī)劃模型的影響

聯(lián)網(wǎng)車輛技術(shù)將對(duì)目前使用的長期規(guī)劃和土地使用模式產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。它將為規(guī)劃人員提供比以往任何時(shí)候都更深入的了解每一個(gè)步驟，從而可能產(chǎn)生更精確的模型，并為更好的決策提供更多的信息。例如在高速公路的幾何設(shè)計(jì)、對(duì)容量和交通運(yùn)行的影響、交通安全和環(huán)境效益方面，CV技術(shù)面臨著挑戰(zhàn)。

1.2.2 CV的開發(fā)和應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)可以總結(jié)如下:

開發(fā)汽車比開發(fā)智能手機(jī)需要更長的時(shí)間。汽車制造商需要移動(dòng)合作伙伴和汽車經(jīng)銷商，需要精確的技術(shù)解決為聯(lián)網(wǎng)汽車服務(wù)付費(fèi)的問題。

1.2 結(jié)論及改進(jìn)

經(jīng)過許多模擬，表明CV和AVs可以改善道路容量、穩(wěn)定擁堵期間的交通流量，并減少信號(hào)交叉路口的延誤。然而，為了充分理解移動(dòng)數(shù)據(jù)需求和要求，需要對(duì)AV進(jìn)行更多的研究，以決定容量改善和乘員舒適度之間的權(quán)衡。CV技術(shù)將提供現(xiàn)有交通網(wǎng)絡(luò)的增加容量，此外，通過開發(fā)整體智能交通系統(tǒng)（ITS）的初步試驗(yàn)還為駕駛者提升路邊安全性，以及在車輛和基礎(chǔ)設(shè)施之間實(shí)現(xiàn)這些通信技術(shù)已經(jīng)證明隨著時(shí)間流逝可以帶來更多的好處。這些概念將通過與其它車輛通信有助于改善路邊安全，并通過道路網(wǎng)絡(luò)傳遞這些信息，從而在集中交通管理系統(tǒng)和駕車者之間形成通信時(shí)機(jī)。該技術(shù)有助于在不久的將來徹底改變汽車業(yè)、交通工程設(shè)計(jì)和管理實(shí)踐?；谄涑跏加行?，它是幫助解決美國目前和未來面臨的運(yùn)輸問題的可行替代方案。聯(lián)網(wǎng)車輛帶來的安全、操作和交通網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的好處是顯而易見的。同化聯(lián)網(wǎng)車輛和長距離規(guī)劃的必要性已經(jīng)成為關(guān)鍵要點(diǎn)，特別是因?yàn)楝F(xiàn)在更加需要滿足對(duì)未來的聯(lián)網(wǎng)車輛技術(shù)要求而進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)換代。如果長距離規(guī)劃人員開始整合聯(lián)網(wǎng)車輛和相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施，我們將為更好的交通運(yùn)輸系統(tǒng)做好準(zhǔn)備。

2 交通工具安全駕駛進(jìn)入連接未來[2]

作者Outay研究多車協(xié)調(diào)任務(wù)的避碰問題。在現(xiàn)有的合作控制框架的基礎(chǔ)上，提出了依靠實(shí)際可用障礙信息的避撞方法，并允許在不影響任務(wù)目標(biāo)的情況下安全運(yùn)行。探索了兩種不同的避免障礙的策略。

首先考慮一種基于速度調(diào)整的方法，可以用來避免碰到移動(dòng)的障礙物。可利用的障礙物信息，在現(xiàn)實(shí)世界中加以應(yīng)用，不需要任何車輛偏離行駛路徑。通過Lyapunov分析，證明了該算法能夠確保滿足車輛動(dòng)力學(xué)約束以及安全分離約束。

其次，考慮避障的軌跡重新規(guī)劃方法。適用于靜態(tài)和移動(dòng)障礙物，這種方法可能要求車輛偏離其原來預(yù)期的路徑。避讓機(jī)動(dòng)引起的位置、速度和加速度的偏差較小，可以離線計(jì)算，這些邊界可以在任務(wù)規(guī)劃階段使用，以保證滿足車輛動(dòng)態(tài)約束和車輛間的安全。這些算法通過使用B'ezier曲線和曲面來表示不確定的軌跡，利用障礙物軌跡的局部信息，而且計(jì)算效率高。該算法能夠檢測(cè)任何可能的碰撞并重新規(guī)劃路徑。由碰撞避免操縱引起的位置、速度和加速度的偏差是可以事先計(jì)算的。通過在初始任務(wù)規(guī)劃期間使用這些界限，可以保證重新規(guī)劃軌道的車輛動(dòng)態(tài)加以約束和足夠的車輛間安全距離。

3 基于環(huán)境感知的異構(gòu)車輛網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[3]

3.1 主要目的和原理

聯(lián)網(wǎng)車輛需要異構(gòu)或混合通信技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)全方位不同場景下的合作ITS服務(wù)。作者Sepulcre提出了一種基于環(huán)境感知的異構(gòu)車輛網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該體系結(jié)構(gòu)與當(dāng)前歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ETSI）和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)標(biāo)準(zhǔn)的ITS站參考體系結(jié)構(gòu)兼容，并允許根據(jù)駕駛環(huán)境條件和應(yīng)用程序需求動(dòng)態(tài)選擇和配置通信行規(guī)。通過完成對(duì)異構(gòu)V2I通信算法和評(píng)估工作，所提及體系結(jié)構(gòu)的潛力顯現(xiàn)出來，該算法提高了服務(wù)質(zhì)量和滿足車輛應(yīng)用需求的能力，并降低了聯(lián)網(wǎng)車輛服務(wù)的經(jīng)濟(jì)成本。

3.1.1 智能交通系統(tǒng)參考體系結(jié)構(gòu)

本研究以圖1所示ETSI ITS站參考結(jié)構(gòu)為基線。該體系結(jié)構(gòu)從網(wǎng)絡(luò)和傳輸層面以及不同通訊技術(shù)角度考慮了不同的協(xié)議。應(yīng)用程序從通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和傳輸協(xié)議中摘錄下來。設(shè)施層收集一組通用功能和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以支持協(xié)作車輛應(yīng)用和通信。橫向安全層負(fù)責(zé)安全和隱私保護(hù)。

圖1 ETSI站點(diǎn)參考體系結(jié)構(gòu)[3]

3.1.2 車輛節(jié)點(diǎn)

車輛節(jié)點(diǎn)(vehicle或RSU)負(fù)責(zé):駕駛環(huán)境獲取、駕駛環(huán)境推理、決策、評(píng)估、駕駛環(huán)境交換和模型更新。圖2表示所提出的駕駛環(huán)境感知體系結(jié)構(gòu)中的車輛節(jié)點(diǎn)上的組件。該圖還將這些組件映射到標(biāo)準(zhǔn)化ETSI的站點(diǎn)參考體系結(jié)構(gòu)的各個(gè)層級(jí)。駕駛環(huán)境獲取、駕駛環(huán)境信息交換和模型更新的組件位于設(shè)施層。本研究建議在管理層定位上下文推理和評(píng)估的組件。決策組件分布在管理層和應(yīng)用層之間。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)組成部分[3]

3.2 結(jié)論

本章節(jié)提出了一種基于環(huán)境感知的異構(gòu)車載網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)是與當(dāng)前的ETSI和ISO標(biāo)準(zhǔn)ITS站點(diǎn)參照結(jié)構(gòu)相互兼容的衍生體。該體系結(jié)構(gòu)基于環(huán)境條件和應(yīng)用程序需求實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)選擇和配置通信行規(guī)。這特別對(duì)于聯(lián)網(wǎng)車輛需要使用不同的通信技術(shù)來滿足不同場景下的車輛需求來說至關(guān)重要。通過完成對(duì)異構(gòu)V2I通信算法和評(píng)估工作，驗(yàn)證了所提體系結(jié)構(gòu)的潛力。該體系結(jié)構(gòu)和算法用于驗(yàn)證環(huán)境感知異構(gòu)車輛通信如何可以提升服務(wù)質(zhì)量改善可擴(kuò)展性和通信基礎(chǔ)設(shè)施的利用率，從而產(chǎn)生積極的經(jīng)濟(jì)影響。懸而未決的研究問題包括對(duì)異構(gòu)V2V通信的架構(gòu)的開發(fā)，或者多應(yīng)用場景的分析。

4 用于車輛橫向位置估計(jì)的V2I電磁系統(tǒng)[4]

4.1 主要目的和原理

本章研究了一臺(tái)車輛對(duì)應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施(V2I)電磁系統(tǒng)過程，以便估算車輛在其車道上的側(cè)向位置。該系統(tǒng)可以包含在高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)中，以便提供車輛的側(cè)向位置，在非自愿的偏離車道或自動(dòng)駕駛車輛時(shí)警告駕駛員。該系統(tǒng)由嵌入在車道標(biāo)記中的無源電磁轉(zhuǎn)發(fā)器組成，每個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器包含兩個(gè)具有兩個(gè)不同中心頻率的表面聲波(SAW)諧振器，以及嵌入在車輛側(cè)面的高頻收發(fā)器。該系統(tǒng)工作在超高頻(UHF)頻段。采用相位差法(PDoA)來估算車輛與車道標(biāo)記之間的絕對(duì)橫向距離。提出了一種利用其頻率響應(yīng)圍繞聲表面波諧振器的兩個(gè)諧振頻率從系統(tǒng)整體響應(yīng)中恢復(fù)有用相位的方法。該系統(tǒng)在室外環(huán)境下進(jìn)行了測(cè)試，有效相位恢復(fù)方法的結(jié)果是準(zhǔn)確的，而且絕對(duì)距離估算誤差小于3 cm。

4.1.1 系統(tǒng)描述和絕對(duì)距離估算

本章提出的V2I系統(tǒng)由兩個(gè)子系統(tǒng)組成(圖3)，第一個(gè)是一個(gè)無緣電磁轉(zhuǎn)發(fā)器應(yīng)答器，例如嵌入在車道標(biāo)記下，由一個(gè)連接到兩個(gè)表面聲波(SAW)諧振器的半波偶極子組成，這兩個(gè)諧振器具有高質(zhì)量的因素。第二個(gè)子系統(tǒng)是嵌入在車內(nèi)的超頻率模塊，它集成了電子電路和兩個(gè)天線于一體，一個(gè)用于發(fā)射，另一個(gè)用于接收電波。微帶貼片天線被用來簡化其車輛側(cè)面的整合。把表面聲波諧振器集成到轉(zhuǎn)發(fā)器的目標(biāo)就是從轉(zhuǎn)發(fā)器引入弱反射波信號(hào)。因此，在許多其它疊加的偽波中更容易檢測(cè)出轉(zhuǎn)發(fā)器后向散射信號(hào)。

圖3 開發(fā)的V2I橫向定位系統(tǒng)框圖[4]

4.2 結(jié)論

本章提出了一種用于道路車輛絕對(duì)橫向距離估算的電磁V2I系統(tǒng)。所開發(fā)的系統(tǒng)是基于車輛的高頻收發(fā)模塊和嵌入在車道標(biāo)記下的無源轉(zhuǎn)發(fā)器之間的通信。收發(fā)模塊在[867.5 MHz,869.5 MHz]和[914 MHz,916 MHz]這兩個(gè)頻率范圍內(nèi)查詢，轉(zhuǎn)發(fā)器通過兩個(gè)具有高質(zhì)量因素的表面聲波(SAW)諧振器為每個(gè)頻率范圍的測(cè)量信號(hào)添加特色。一個(gè)穩(wěn)健的系統(tǒng)響應(yīng)建模和一個(gè)高效的轉(zhuǎn)發(fā)器信號(hào)提取算法，從整個(gè)測(cè)量信號(hào)角度，允許提取其兩個(gè)頻率范圍所允許的誤差相位。這使得用相位差法估算絕對(duì)橫向距離成為可能。該系統(tǒng)已在室外環(huán)境中進(jìn)行了20到164 cm的測(cè)試,取得的精度±3 cm的絕對(duì)距離。

由于該系統(tǒng)在實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行了靜態(tài)測(cè)量測(cè)試，并利用所提取相位允許誤差對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)器信號(hào)提取算法進(jìn)行了驗(yàn)證，下一步就是將該系統(tǒng)集成到一個(gè)真正的車輛以及轉(zhuǎn)發(fā)器集成在車道標(biāo)記內(nèi)。對(duì)測(cè)量原理的影響可以忽略不計(jì)?？紤]到車速的影響，在距離估算過程中，鑒于轉(zhuǎn)發(fā)器距離估算期間準(zhǔn)靜態(tài)特性，考慮到車輛速度問題，測(cè)量時(shí)間必須足夠短。例如，以現(xiàn)有技術(shù)可以做到在130 km/h的測(cè)量時(shí)間估算約1 ms，達(dá)到2 cm的精度。速度的另一個(gè)后果是多普勒效應(yīng)，導(dǎo)致最大頻移100 Hz。與10 kHz中頻相比，這種頻移很小，相位誤差可以忽略不計(jì)。

5 基于多層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的車輛到基礎(chǔ)設(shè)施通信[5]

5.1 主要目的和原理

車輛到基礎(chǔ)設(shè)施(V2I)通信對(duì)于智能交通系統(tǒng)(ITS)的成功部署和運(yùn)行至關(guān)重要。我們可以看到，關(guān)于V2I通信在第五代(5G)網(wǎng)絡(luò)中有效性的研究興趣日益濃厚，該網(wǎng)絡(luò)支持使用多種無線電接入技術(shù)的多層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)(rat)共存。本章的目的是介紹異構(gòu)多層網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中V2I通信的基本特征。我們首先概述了一些值得注意的V2I應(yīng)用程序和與V2I相關(guān)的項(xiàng)目。然后，我們將重點(diǎn)放在異構(gòu)多層網(wǎng)絡(luò)上的V2I通信上。

5.1.1 V2I通信標(biāo)準(zhǔn)

車輛網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化促進(jìn)許多標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議被用于提升車輛網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。專用短程通信(DSRC)和WAVE是車輛網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的典型例子。這些協(xié)議的主要目標(biāo)涉及定義頻率分配、通信體系結(jié)構(gòu)、消息傳遞、應(yīng)用程序管理和安全算法。另一方面，3GPP Service and System Aspects Group目前正在進(jìn)行一項(xiàng)名為“對(duì)V2X服務(wù)的LTE支持”的研究。

5.2 結(jié)論及建議

本文對(duì)異構(gòu)多層網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的V2I通信進(jìn)行了綜述。作者Ndashimye將討論與V2I相關(guān)的應(yīng)用程序、全球研究計(jì)劃和底層網(wǎng)絡(luò)。Ndashimye確定并討論了主要的研究挑戰(zhàn)及其可能的解決方案。Ndashimye的建議總結(jié)如下。

（1）高效的網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn):Ndashimye需要將車輛要連接的相關(guān)底層網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)時(shí)間最小化。在異構(gòu)的多層網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，開發(fā)一種高效的以異構(gòu)多層，多-RAT網(wǎng)絡(luò)環(huán)境支持高速車輛行駛的發(fā)現(xiàn)機(jī)制，可能是一個(gè)正在進(jìn)行的研究課題。

（2）底層網(wǎng)絡(luò)選擇:非最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)選擇可能降低切換性能。

（3）執(zhí)行快速、無縫和可靠的垂直切換:在異構(gòu)的多層、垂直切換的關(guān)鍵問題是處理頻繁的對(duì)非最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行切換。為了在5G密集網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)無縫、有效的V2I通信，需要進(jìn)行良好的研究和標(biāo)準(zhǔn)化工作。

（4）V2I通信中的QoS需求:設(shè)計(jì)適用于V2I通信的無縫垂直切換算法時(shí)的主要問題，是在高機(jī)動(dòng)性和底層網(wǎng)絡(luò)的不同需求的約束下，滿足不同應(yīng)用程序的不同QoS需求。

（5）V2I通信中數(shù)據(jù)的傳播。

（6）V2I通信安全:PKI算法雖然很有前途，但目前還不適合以目前形態(tài)用于延遲敏感應(yīng)用。為滿足V2I應(yīng)用要求，還留有尋求重新設(shè)計(jì)PKI的空間。此外，還需要開發(fā)入侵檢測(cè)系統(tǒng)，使車輛/RSU能夠區(qū)分偽造和有效消息。

（7）V2I上層通信協(xié)議:在討論的協(xié)議中，在提供垂直切換時(shí)，NEMO和PMIPv6前景看好。但為支持異構(gòu)多層網(wǎng)絡(luò)中的無縫V2I通信，應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行修整。為支持在5G異構(gòu)密集網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中無縫垂直切換，開發(fā)與之相匹配的標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議還有空間。