基于LTE-V的車載V2X系統(tǒng)研究

楊波　張瑩　蔡之駿　馮其高　張志德

摘要：隨著汽車保有量快速增長，交通問題愈發(fā)嚴重，車聯(lián)網(wǎng)在智能交通領域作用越來越重要。立足于車聯(lián)網(wǎng)的定義和車載系統(tǒng)架構，著重介紹基于LTE-V的車載V2X系統(tǒng)設計關鍵技術和應用，包括VBOX硬件設計和軟件設計，最后對V2X系統(tǒng)進行了實車驗證，實驗證明，當遠車沒有變道情況下預警準確率可達到100%，當遠車存在不確定性變道的情況下，準確率能達到90%以上。

關鍵詞：V2X;VBOX;硬件;軟件架構

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.11.012? ? ? ? 中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2019）11-0075-06

引用格式：楊波，張瑩，蔡之駿，等. 基于LTE-V的車載V2X系統(tǒng)研究[J]. 移動通信， 2019，43（11）： 75-80.

Research on the Vehicle V2X System Based on LTE-V

YANG Bo， ZHANG Ying， CAI Zhijun， FENG Qigao， ZHANG Zhide

（GAC Automotive Research & Development Center， Guangzhou 510000， China）

[Abstract]?With the rapid growth of car ownership and traffic problems， the role of Internet of vehicles （IoV） in the intelligent transportation is becoming increasingly important. Based on the definition of IoV and the vehicle system architecture， this paper focuses on the key technologies and applications of the V2X system design based on LTE-V， including the hardware and software design of VBOX. Finally， the experiments reveal that the system is stable to achieve the desired requirements. When the remote vehicle （RV） has not changed the lane， the warning accuracy reaches 100%， and when the RV intends to change the lane with uncertainty， the accuracy reaches more than 90%.

[Key words]V2X; VBOX; hardware; software architecture

0? ?引言

隨著汽車數(shù)量飛速增長，交通安全事故急劇上升，道路擁堵等問題愈發(fā)嚴重，車聯(lián)網(wǎng)技術逐漸成為行業(yè)研究熱點，通過車聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)車路人互聯(lián)，可以顯著提高行車安全，優(yōu)化交通狀況，減少汽車能耗[1]。

車聯(lián)網(wǎng)功能等級可以分為四個階段，第一階段為網(wǎng)聯(lián)輔助信息交互，基于車—路、車—云通信，實現(xiàn)導航、道路狀態(tài)、交通信號燈等輔助信息的獲取以及車輛行駛與自車駕駛員操作等數(shù)據(jù)的上傳。第二階段為網(wǎng)聯(lián)協(xié)同感知，基于車—車、車—路、車—人、車—云通信，實時獲取車輛周邊交通環(huán)境信息及周邊各交通參與者和路側/云端的感知信息，與自車傳感器的感知信息融合，作為自車決策系統(tǒng)的輸入。第三階段為網(wǎng)聯(lián)協(xié)同決策，基于車—車、車—路、車—人、車—云通信，實時并可靠獲取車輛周邊交通環(huán)境信息及周邊各交通參與者和路側/云端的決策信息，與自車傳感器的感知信息融合，作為自車決策和控制系統(tǒng)的輸入。第四階段為車路云一體化協(xié)同控制，基于車—路、車—云通信，結合交通參與者、路側感知信息，路端/云端進行全局優(yōu)化調度與控制，實現(xiàn)交通安全與效率最大化[2]。

當前，正處于網(wǎng)聯(lián)輔助信息交互階段，國家相關網(wǎng)絡、標準和法規(guī)在逐步建立中[3]，國內外芯片制造商也已在研制滿足車聯(lián)網(wǎng)標準的LTE-V通訊芯片，已經(jīng)有相應的模組或產(chǎn)品推出，可用于前期技術研究和演示，本文基于LTE-V通訊技術設計了一款車載V2X系統(tǒng)。

1? ?V2X車載系統(tǒng)設計

V2X車載系統(tǒng)主要由VBOX（V2X控制器）、天線、安全警示系統(tǒng)以及連接線束組成，其中天線包含4G天線、LTE-V天線和GNSS天線，安全警示系統(tǒng)集成在IVI（車載信息娛樂系統(tǒng)）中進行展示，并向駕駛員提供預警信息。

1.1? VBOX系統(tǒng)設計

VBOX的系統(tǒng)架構方案如圖1所示，主要由LTE-V模組、MCU、4G模組和高精定位模組組成，并且預留HSM承擔V2X信息安全的加解密。

（1）VBOX核心包括LTE-V通訊模組、4G模組、高精度定位模組和MCU。

（2）VBOX通過ACAN、BCAN和PCAN與車內網(wǎng)連接，在車內獲取SAS（方向盤角度傳感器）、GSM（換擋桿模塊）、EMS（發(fā)動機管理系統(tǒng)）、BCS（制動控制系統(tǒng)）、BCM（車身控制器）等節(jié)點的相關信號。

（3）MCU將總線上獲取的車速信號并通過SPI發(fā)送至4G模組，將輪速信號通過硬線發(fā)送至GNSS模組。

（4）通過4G模組上網(wǎng)獲取RTK信號、車速信號發(fā)送至高精定位模組計算高精度定位信號。

（5）通過LTE-V模組獲取其他車輛信號、并周期性地廣播本車信號。

（6）LTE-V模組接收GNSS的GPS信號、MCU的車內信號，通過應用算法計算出預警信息并通過SPI發(fā)送至MCU，MCU將預警信息通過CAN總線發(fā)送至IVI顯示。

1.2? 天線匹配

天線用于實現(xiàn)V2X信號、GNSS信號、4G信號的接收和發(fā)射，基本功能如下：

（1）接收空間中的電磁波信號，將其轉換為高頻電流信號并傳輸?shù)浇邮諜C上。

（2）將高頻電流信號轉變?yōu)榭臻g傳波的電磁波信號。

其中LTE-V天線指標如表1所示：

將所有天線集成在鯊魚鰭內，并放置于車頂，可以提高天線的接收和發(fā)射性能，如圖2所示為與VBOX配合的鯊魚鰭天線：

1.3? 布置位置

從鯊魚鰭天線到VBOX的連接線纜應盡量選用車規(guī)級高性能線纜，選取3組3.5 m長的RG58LL線纜對不同頻段的信號進行衰減測試，結果如表2所示，對高頻段信號平均每米衰減1.07 dB。

所以VBOX的布置位置應盡量靠近鯊魚鰭，如圖3所示，將VBOX布置在車頂鈑金下方，可將鯊魚鰭與VBOX之間的線纜降低至20 cm以內，提高信號強度。

2? ?VBOX軟件設計

VBOX的軟件包括三部分，分別位于MCU、LTE-V模組和4G模組內，MCU負責VBOX的電源管理、CAN協(xié)議棧等，4G模組負責VBOX的上網(wǎng)功能，而V2X的核心功能均布置于LTE-V模組內。

2.1? LTE-V模組軟件架構

LTE-V模組內的軟件可分為八部分，如圖4所示。

（1）LTE-V模組的SDK：包括Bootloader、Linux Kernel、PDCP、RLC、GNSS Driver、PPS Driver等6個模塊，其中Bootloader為AP的刷新提供支持，Linux Kernel包含SPI、UART等硬件驅動，PDCP和RLC為標準中定義網(wǎng)絡層二層協(xié)議棧，GNSS Driver調用UART驅動使用NEMA協(xié)議接口，PPS Driver實現(xiàn)PC5模組與高精度定位模組之間的時間同步。

（2）Network Stack：符合標準的網(wǎng)絡層協(xié)議棧，包括DSMP、MLME&PLME、Network API。其中DMSP為標準網(wǎng)絡層報文協(xié)議。MLME&PLME為網(wǎng)絡層管理實體，對網(wǎng)絡層進行內部管理，一些管理可配置，由DME進行配置服務。Network API為網(wǎng)絡協(xié)議棧的數(shù)據(jù)流（Data Plane）API接口。

（3）V2X Communication：該部分為V2X通訊層，主要包括Message Parser/Encoding，用于消息集ASN.1格式的編碼/解碼/解析/封裝。

（4）V2X Applcation Support：包括V2V Service、V2I Service、V2P Service等3個模塊，分別負責V2V、V2I、V2P3種服務，處理服務邏輯。

（5）Vehicle Position Handle：該部分包括GPS Daemon和PPS Services兩個模塊，用于處理車輛位置信號。GPS Daemon抽象和提供GNSS位置服務，對外提供高級定位服務API而不是低層的難于使用的NEMA協(xié)議接口。PPS Services提供OS內的時鐘同步到GNSS時間。

（6）Vehicle Data Handle：該部分包括Vehicle Status Data、Caculate Data、Warning Data等3個模塊，通過SPI協(xié)議棧與整車CAN總線數(shù)據(jù)進行交互。Vehicle Status Data為本車車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)，Caculate Data為V2X標定數(shù)據(jù)，Warning Data為計算后的預警數(shù)據(jù)。

（7）V2X Utility：提供基礎編程環(huán)境，提供定時器、基礎數(shù)據(jù)結構、日志等。

（8）Hazard Detect：危險檢測部分，包括Target Classification、PH&PP、FCW、ICW、LTA、BSW、DNPW、EBW、HLW、SLW、AVW、CLW、RLVW、VRUCW、Threat Arbitrator等15個模塊，其中Target Classification為目標分類（TC），負責將鄰居車輛分為17個車道級相對位置。PH&PP負責計算歷史路徑和軌跡，危險仲裁（TA）負責場景危險計算。

2.2? 前向碰撞預警

根據(jù)本車和遠車的GPS數(shù)據(jù)計算兩車之間的距離d，并與兩車的碰撞距離DTC進行判斷是否會發(fā)送碰撞事故。

rad（x）=x×π/180? ? ? （1）

（2）

（3）

其中X0和Y0為本車的經(jīng)緯度值，X1和Y1為遠車的經(jīng)緯度值，V0為本車的車速，V1為遠車的車速，T為駕駛員反應時間，t1為制動協(xié)調時間，t2為減速度增長時間，d0為靜止時安全距離。

當d

前向碰撞預警流程如圖5所示。

3? ?實驗驗證

為了驗證該系統(tǒng)的穩(wěn)定性及預警準確率，在某車型上搭載本文設計的V2X系統(tǒng)后，在特定園區(qū)內分別進行了7種不同場景各50次重復實驗驗證。

（1）RV在HV的左前方，如圖6所示：

（2）RV在HV正前方，如圖7所示：

（3）RV在HV的右前方，如圖8所示：

（4）RV在HV的左前方，且RV通過方向盤，即將并入HV正前方，如圖9所示：

（5）RV在HV的右前方，且RV轉動方向盤，即將并入HV正前方，如圖10所示：

（6）RV從HV的左側方超車，且RV通過方向盤，將并入HV正前方，如圖11所示：

（7）RV從HV的右側方超車，且RV通過方向盤，RV將并入HV正前方，如圖12所示：

實驗結果如表3所示，當遠車沒有變道情況下預警準確率可達到100%，當遠車存在不確定性變道的情況下，準確率能達到90%以上。

4? ?結束語

本文對LTE-V的車載系統(tǒng)進行研究，最后在實車上進行搭載驗證前向碰撞預警，但仍缺少在彎道場景下的應用驗證。未來將進一步進行V2X算法探索，利用5G的低時延和高可靠特性對搭載V2X系統(tǒng)的車輛實現(xiàn)自動駕駛控制。

參考文獻：

[1] 郝鐵亮，葉平，郝成龍，等. 車聯(lián)網(wǎng)技術研究[J]. 汽車實用技術， 2017（20）： 141-143.

[2] 吳海，肖子玉. 蜂窩車聯(lián)網(wǎng)技術架構與關鍵技術研究[J]. 電信工程技術與標準化， 2018（6）： 11-16.

[3] 鄒楓. 智能交通車路協(xié)同系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互方式設計與驗證[D]. 北京： 北京交通大學， 2014. ★