V2X車聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

劉 爽，吳韶波

（北京信息科技大學 信息與通信工程學院，北京 100101）

0 引 言

V2X即Vehicle to X，其中X代表路邊基礎(chǔ)設(shè)施（Infrastructure）、車輛（Vehicle）、人（Pedestrian）、路（Road）等。其概念的表述是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的實現(xiàn)和對D2D（Device to Device）技術(shù)的深入研究。

V2X通信類型如圖1所示。V2X包括V2V，V2I，V2P，V2N等四大類，而這四種類型協(xié)同合作是實現(xiàn)自動駕駛和智慧交通的重要環(huán)節(jié)。大力發(fā)展V2X車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不僅能減少交通事故的發(fā)生概率，提高道路交通的安全性，同時還能為實現(xiàn)自動駕駛、智能交通和下一代車聯(lián)網(wǎng)提供低成本、易于部署的支撐和基礎(chǔ)平臺。

圖1 V2X四種通信類型

1 V2X關(guān)鍵技術(shù)

在智慧交通系統(tǒng)中應(yīng)用V2X車聯(lián)網(wǎng)的主要目的在于提高道路的安全性、解決交通問題和優(yōu)化交通管理等，需要通過車輛與路側(cè)單元、車輛與車輛等通信方式來向周圍車輛實時準確地發(fā)送安裝在車輛上的RFID（射頻識別）、傳感器等采集的車輛狀態(tài)信息（特別是車輛的位置、速度、方向）。這些信息匯聚后通過數(shù)據(jù)分析、處理來提取出有效信息，為車輛的出行提供智能的決策依據(jù)。在此過程中涉及的關(guān)鍵技術(shù)分別是在車輛高速行駛時能支持實時可靠通信的無線通信技術(shù)，用于獲取車輛精確位置的感知技術(shù)，以及海量數(shù)據(jù)處理評估技術(shù)。

1.1 無線通信技術(shù)

V2X網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通過無線通信技術(shù)（歐美的802.11P 和我國的LTE-V）實現(xiàn)信息交互。該技術(shù)實施的關(guān)鍵在于無線通信技術(shù)的時效性，即需要確保網(wǎng)絡(luò)的接入時間最短，傳輸時延較低，同時還需保證信息傳輸?shù)目煽啃院桶踩缘?。在一定范圍?nèi)，為實現(xiàn)車輛間通信，不僅要實現(xiàn)頻譜的再利用以滿足通信帶寬要求，還需要建立核心網(wǎng)絡(luò)，并利用系統(tǒng)的專用特殊組件來完成信息的中轉(zhuǎn)和傳輸。

1.2 車輛感知技術(shù)

作為實現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用重要基礎(chǔ)的實時精準的車輛狀態(tài)感知技術(shù)十分重要。車輛狀態(tài)的感知技術(shù)通常包括車輛運動狀態(tài)的感知技術(shù)和行車環(huán)境的感知技術(shù)。通過這些技術(shù)來感知車輛本身和周圍車輛的運動狀態(tài)，從而分析判斷是否存在安全隱患。

在車輛運動狀態(tài)的感知過程中，使用CAN（控制器局域網(wǎng)絡(luò)）采集車體內(nèi)各ECU（電子控制單元）和傳感器設(shè)備產(chǎn)生的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)（車輛的行駛狀態(tài)、安全設(shè)備等），通過對這些信息的綜合分析來獲得車輛的運動狀態(tài)。其中，用位置感知獲取精準的車輛位置信息尤為重要，位置感知通常分為絕對位置感知和相對位置感知，不同的位置感知技術(shù)和精準度被要求應(yīng)用到不同的道路上。

車輛環(huán)境信息感知技術(shù)主要用于獲取車輛周圍環(huán)境的信息，例如道路線形、周圍非機動車輛和路面狀況等?？梢酝ㄟ^交通地理信息系統(tǒng)獲得路線信息，或者通過車載設(shè)備采用模式識別技術(shù)完成線形在線識別。利用紅外傳感器和車載雷達可以感知路邊行人和非機動車輛的信息。有關(guān)路面狀況、冰雪冰凍程度等信息則可利用激光、視頻和紅外技術(shù)等進行檢測和采集。

1.3 數(shù)據(jù)處理技術(shù)

基于V2X的智能輔助駕駛系統(tǒng)通過信息融合和數(shù)據(jù)挖掘兩種手段對車輛產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)進行綜合分析和評估，進而根據(jù)處理結(jié)果做出智能決策。

信息融合即數(shù)據(jù)融合，其大體可概括為利用計算機技術(shù)關(guān)聯(lián)和分析傳感器從多個信息源采集的信息，并根據(jù)算法優(yōu)化準則優(yōu)化處理后的信息，最終獲得智能決策所需的有效信息。在車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，信息融合技術(shù)主要是把來自車聯(lián)網(wǎng)各部分的信息（車載信息、路側(cè)信息等）進行加工融合，從而獲得車輛行駛所需的有效信息。

數(shù)據(jù)挖掘是處理持續(xù)增長的海量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，一般包括尋找前期數(shù)據(jù)、探索數(shù)據(jù)規(guī)律和規(guī)律表示三個步驟：

（1）從相關(guān)數(shù)據(jù)源中選出所需數(shù)據(jù)，并整合成數(shù)據(jù)集；

（2）通過算法找出數(shù)據(jù)中所包含的隱含規(guī)律；

（3）使用方便用戶理解的形式標出數(shù)據(jù)規(guī)律。

2 V2X技術(shù)標準

當前V2X技術(shù)分為DSRC（專用短程通信） 和LTE-V兩種，其中DSRC主要基于IEEE 802.11p與IEEE 1609系列標準，是一種專門用于V2V和V2I之間的通信標準，其通信結(jié)構(gòu)如圖2所示。LTE-V是基于LTE的智能網(wǎng)聯(lián)汽車協(xié)議，由3GPP主導制定規(guī)范。

圖2 DSRC結(jié)構(gòu)

DSRC是基于802.11p協(xié)議及其延伸擴展的技術(shù)，其典型應(yīng)用場景有與安全相關(guān)的應(yīng)用和非安全相關(guān)的應(yīng)用。由于車輛的高移動性特點，DSRC技術(shù)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽?、低延遲等要求進行了優(yōu)化，使其適用于V2V和V2I場景。但DSRC技術(shù)也有很大的缺陷，當用戶數(shù)量較多時，系統(tǒng)容量急劇下降，傳輸時延增加等。此外，DSRC因其路邊設(shè)施投入大，難以盈利，導致難以實現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)化使用。

LTE-V是基于第四代移動通信技術(shù)的擴展技術(shù)，它是專為車輛與車輛間通信協(xié)議設(shè)計的V2X標準，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。LTE-V包括兩種工作模式，分別為LTE-V Uu和LTE-V PC5。前者表示接入網(wǎng)-用戶終端；后者是直接通信空口D2D短距離直傳。Uu空中接口主要用于傳統(tǒng)的車聯(lián)網(wǎng)通信業(yè)務(wù)，能滿足網(wǎng)絡(luò)與終端之間的大數(shù)據(jù)量要求；基于PC5的V2X以LTE-D2D技術(shù)為基礎(chǔ)，可實現(xiàn)V2V/V2I/V2P/V2R等V2X業(yè)務(wù)，滿足終端之間低延遲和高可靠性的要求。

圖3 LTE-V技術(shù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

從技術(shù)定義可以看出，DSRC技術(shù)直接與LTE-V的PC5空中接口類似，但DSRC不具備LTE-V技術(shù)中Uu空中接口的蜂窩通信能力。因此，如果DSRC的車載終端設(shè)備想要實現(xiàn)蜂窩網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，則仍需依賴LTE等蜂窩技術(shù)。3GPP組織在近年來已制定了多種V2X技術(shù)標準。

3 V2X技術(shù)典型應(yīng)用

車聯(lián)網(wǎng)具有大量運用場景，可應(yīng)用于道路交通信息提示、協(xié)作車輛預(yù)防碰撞服務(wù)、自動停車系統(tǒng)等方面。如今有些已被實際使用，其余一些人們正在討論和研究。

3.1 道路交通標識信息提示

目前駕駛員在駕駛車輛時，其獲得交通標識信息的途徑是眼睛，但由于人本能的反應(yīng)時間，導致從發(fā)現(xiàn)標識到采取措施的時間極短，很容易造成交通事故和出現(xiàn)違規(guī)行為。V2X技術(shù)可以有效緩解這種狀況。車聯(lián)網(wǎng)中的路側(cè)單元會將道路上的狀態(tài)信息（限行限速、信號燈狀態(tài)等）傳輸?shù)杰囕d終端，車載終端處理后提前生成提示信息（減速、直行等）并發(fā)送給駕駛員，以便駕駛員提前采取應(yīng)對措施減少交通違規(guī)現(xiàn)象的發(fā)生。

3.2 協(xié)作車輛預(yù)防碰撞服務(wù)

通過預(yù)防車輛碰撞來提供道路安全服務(wù)，在該過程中，車輛通過V2V獲取和交換自身與周圍車輛的運動狀態(tài)信息，并根據(jù)這些信息得到環(huán)繞本身車輛一周的鄰近車輛的狀態(tài)圖，分析判斷是否存在潛在威脅，從而為駕駛員提供決策參考，該過程為“協(xié)作”碰撞起預(yù)防作用。

4 自動停車系統(tǒng)

在具有大量停車位的停車場中，由于停車管理效率低，駕駛員通常很難在第一時間找到停車位，所以APS（自動停車系統(tǒng)）顯得十分重要。APS是一個可以提供各區(qū)域（市區(qū)街道、公共停車場等）實時停車位信息的數(shù)據(jù)庫，其不僅支持通過智能手機訪問實時數(shù)據(jù)庫來獲取停車位信息，還允許司機預(yù)留可用的停車位，通過導航等應(yīng)用程序?qū)④囕v引入停車位，并可使用免提支付停車來提高停車效率。

5 結(jié) 語

V2X車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一種利用信息與通信技術(shù)來解決道路安全問題的新型技術(shù)。它整合了通信系統(tǒng)、信息處理、物聯(lián)網(wǎng)、定位感知等領(lǐng)域的尖端技術(shù)，通過車輛與車輛、車輛與人以及車輛與基礎(chǔ)設(shè)施等的信息交互，形成了車輛與外界之間的動態(tài)移動通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使汽車不再只是一種交通運輸工具，更成為了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中可移動的節(jié)點。V2X車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用將會推動智能交通的進一步發(fā)展，從而改變?nèi)藗兊慕煌ㄉ睢?/p>