基于低軌通信衛(wèi)星車聯(lián)網(wǎng)的地區(qū)車輛交通控制構(gòu)想 ①

王晨光,趙雯雯

(1.西安交通大學(xué)，西安 710049；2.中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

隨著人們生活水平的提高和汽車制造業(yè)的發(fā)展，駕車出行已經(jīng)成為了人們的主要出行方式。這樣的發(fā)展趨勢(shì)必然導(dǎo)致地區(qū)內(nèi)機(jī)動(dòng)車保有量增加，交通系統(tǒng)負(fù)擔(dān)增大，城市擁堵也日益嚴(yán)重。因此，在地區(qū)內(nèi)進(jìn)行車輛交通控制具有極其重要的意義。隨著車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的逐步發(fā)展和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的不斷優(yōu)化，地區(qū)內(nèi)車輛交通控制也會(huì)得到極大的改善[1]。現(xiàn)有基于5G通信技術(shù)的車聯(lián)網(wǎng)存在著諸多局限性，無(wú)法保證神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型得到新鮮度高，時(shí)效性強(qiáng)的數(shù)據(jù)[6]。根據(jù)西方發(fā)達(dá)地區(qū)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，欲提高交通效率，必須有高效的通信系統(tǒng)作支撐。隨著低軌道通信衛(wèi)星的蓬勃發(fā)展，使得基于低軌道通信衛(wèi)星車聯(lián)網(wǎng)，能夠滿足現(xiàn)實(shí)車輛交通控制需求的地區(qū)車輛交通控制系統(tǒng)呼之欲出。本文合理推演車聯(lián)網(wǎng)地區(qū)車輛控制模型，通過(guò)分析計(jì)算現(xiàn)有低軌道衛(wèi)星通信能力，為滿足地區(qū)車聯(lián)網(wǎng)交通規(guī)劃控制的需求，提出基于低軌道通信衛(wèi)星車聯(lián)網(wǎng)的地區(qū)車輛交通控制構(gòu)想。

1 現(xiàn)階段相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 車聯(lián)網(wǎng)

在現(xiàn)階段技術(shù)水平下，專用短程通信( Dedicated Short Range Communications，DSRC) 和基于蜂窩網(wǎng)的車聯(lián)網(wǎng)( Cellular V2X，C-V2X)是車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要方向，而其中C-V2X又是最為廣泛的研究方向。DSRC和C-V2X的信息流交互如下圖所示。

DSRC 是一種基于無(wú)線局域網(wǎng)( Wireless Local Area Networks,WLAN) 的無(wú)線通信技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)車輛與車輛之間以及車輛與基礎(chǔ)設(shè)施之間的視距通信。其主要信息交互方式是通過(guò)車輛傳感器完成車與車，車與人之間的信息通信或感知，再通過(guò)路側(cè)局域網(wǎng)通信單元，上傳到云端，實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)及信息交互。

C-V2X目前基于5G通信信道實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，相比于基于局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的DSRC技術(shù)，具有更高的容量，更安全的信息傳輸，更遠(yuǎn)的通信距離，也可以滿足非視距范圍內(nèi)車輛通信的需求。主要是通過(guò)車輛自身傳感器和車輛與通信基站(目前主要是5G基站)通信，完成車聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)工作[5]。可以滿足多種V2X應(yīng)用場(chǎng)景的需要，V2X應(yīng)用場(chǎng)景如下圖所示[6]。

圖1 DSRC架構(gòu)

圖2 C-V2X架構(gòu)

圖3 V2X應(yīng)用場(chǎng)景

V2V 技術(shù)是車輛間信息交互。V2I 技術(shù)是車輛與道路基礎(chǔ)設(shè)施之間的通信。V2P是車輛對(duì)行人的感知技術(shù)。V2N是車輛與車聯(lián)網(wǎng)的通信，RSU為路側(cè)通信單元，Uu-link和PC5-link是Uu接口的4G/5G小型基站和直連鏈路/PC5接口的路側(cè)單元。

目前，車輛傳感器信息等多種應(yīng)用需求均有車載計(jì)算機(jī)負(fù)擔(dān)實(shí)現(xiàn)，且車載計(jì)算機(jī)還需要完成自動(dòng)駕駛，車輛控制等計(jì)算工作，通過(guò)查閱資料可知，車載計(jì)算機(jī)每秒數(shù)據(jù)計(jì)算至少約為3.6GB[8]。

盡管如此，現(xiàn)有C-V2X技術(shù)由于其基于地面5G基站的緣故，仍然存在著城市交通網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋸?fù)雜，信息新鮮度差，時(shí)延隨負(fù)載上升等問(wèn)題，距離大規(guī)模商用仍有一定的距離[6]。

1.2 低軌通信衛(wèi)星技術(shù)

近幾年，隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，以SpaceX,OneWeb,Boeing等公司為代表，提出了一系列關(guān)于低軌道衛(wèi)星發(fā)展的新計(jì)劃和新技術(shù)。國(guó)外已發(fā)射和提出的低軌寬帶星座，衛(wèi)星總數(shù)已超過(guò)萬(wàn)顆。

SpaceX公司計(jì)劃構(gòu)建名為Starlink的星鏈系統(tǒng)，該系統(tǒng)由4425顆衛(wèi)星組成，預(yù)計(jì)初期部署1600 顆衛(wèi)星，每顆衛(wèi)星可提供 17 Gbit/s～23 Gbit/s 的下行鏈路總?cè)萘浚?初期總?cè)萘靠蛇_(dá) 32 Tbit/s。整個(gè)系統(tǒng)將提供 1 Gbit/s，延遲約為 25 ms～35 ms的寬帶服務(wù)，完成全部部署后，將提供真正的全球覆蓋。

OneWeb 公司的低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)計(jì)劃由 720 顆在軌衛(wèi)星和 200 顆備份衛(wèi)星組成，每顆衛(wèi)星提供上行 50 Mbit/s， 下行 200 Mbit/s 的接入速率，且全球覆蓋的寬帶互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。

Boeing公司提出的 NGSO(非靜止衛(wèi)星軌道)和FSS(衛(wèi)星固定業(yè)務(wù))系統(tǒng)旨在為商業(yè)、機(jī)構(gòu)、政府和專業(yè)用戶以及居民提供廣泛的寬帶互聯(lián)網(wǎng)與通信服務(wù)。NGSO 系統(tǒng)計(jì)劃由 2956 顆衛(wèi)星組成，初期部署階段將將發(fā)射 1396顆衛(wèi)星，衛(wèi)星有效載荷采用先進(jìn)的波束形成和數(shù)字處理技術(shù)， 網(wǎng)關(guān)采用先進(jìn)陣列技術(shù)生成高增益方向受控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信。

國(guó)內(nèi)也提出了一批低軌星座的計(jì)劃，其中包括航天科技集團(tuán)的“鴻雁”、航天科工集團(tuán)的“虹云”，也包括一批民營(yíng)企業(yè)籌劃中的寬帶星座、物聯(lián)網(wǎng)星座等。

1.3 人工智能技術(shù)在交通控制中的應(yīng)用

在地區(qū)交通系統(tǒng)研究中，人工智能的當(dāng)下的主要研究?jī)?nèi)容是交通控制和預(yù)測(cè)系統(tǒng)，重點(diǎn)關(guān)注城市交通信號(hào)控制、路徑規(guī)劃、路徑預(yù)測(cè)、車輛速度和交通流量預(yù)測(cè)等，并結(jié)合遺傳算法、模糊邏輯和專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了完整的城市交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。甚至可以通過(guò)信息收集分城區(qū)主干道車輛出入情況，對(duì)信號(hào)燈等交通管理系統(tǒng)進(jìn)行控制，改善出行狀況。

除此之外，還可以應(yīng)用相關(guān)技術(shù)，對(duì)道路狀況、環(huán)境因素、流量條件以及駕駛?cè)说男袨檫M(jìn)行研究建模，構(gòu)建道路安全和事故預(yù)測(cè)系統(tǒng)，將系統(tǒng)應(yīng)用于對(duì)地區(qū)所有的車輛進(jìn)行分析，并提出有效的信息，預(yù)防交通事故的發(fā)生[4]。

然而，目前人工智能技術(shù)條件下信息收集的前瞻性和時(shí)效性較差，無(wú)法有效統(tǒng)一起一個(gè)大地區(qū)或?yàn)?zāi)區(qū)的信息收集工作。

2 基于低軌道通信衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)地區(qū)車輛交通控制

由于目前車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)受地面基站限制，優(yōu)化措施集中在數(shù)據(jù)編碼等物理層研究，跨層研究和應(yīng)用層研究上，但面對(duì)大流量交通控制時(shí)會(huì)產(chǎn)生拓?fù)鋸?fù)雜，信息實(shí)時(shí)性差等問(wèn)題?；谝陨蠁?wèn)題及各項(xiàng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀， 本文提出了兩種基于低軌道通信衛(wèi)星的車聯(lián)網(wǎng)交通控制方案。

2.1 基于透明轉(zhuǎn)發(fā)的低軌道通信衛(wèi)星交通控制

以SpaceX公司的Starlink為例，星上采用透明轉(zhuǎn)發(fā)，延遲低，速度快[9]?？梢杂靡攒囕v和高性能計(jì)算中心的信息交互?？紤]到突發(fā)情況，以國(guó)家交通法規(guī)定的車輛與突發(fā)事故點(diǎn)安全距離跟車速相關(guān)這點(diǎn)作為尺度，同時(shí)，無(wú)輔助駕駛系統(tǒng)駕駛員的反應(yīng)時(shí)間約為0.5s～1.5s之間，則信息交互的時(shí)間不應(yīng)大于無(wú)輔助下駕駛員的反應(yīng)時(shí)間[5]。而以SpaceX公布的Starlink相關(guān)數(shù)據(jù)可以看出，雙向延遲時(shí)間是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于這一標(biāo)準(zhǔn)的[9]。同時(shí)，Starlink所具備的高通量的特點(diǎn)又可以解決大規(guī)模車輛數(shù)據(jù)的高負(fù)載問(wèn)題。除此之外，Starlink系統(tǒng)具有就近選擇地面基站作為與終端之間的中介的能力，可以一定程度上解決大并發(fā)的問(wèn)題。所以，以低軌道衛(wèi)星系統(tǒng)作為信息交互的橋梁在現(xiàn)代及未來(lái)是可行的。

基于以上論證，可以構(gòu)建如圖4所示的交通控制系統(tǒng)。

圖4 衛(wèi)星-地面中心交通控制系統(tǒng)

如圖4所示，該系統(tǒng)由車載終端/計(jì)算機(jī)，GPS衛(wèi)星和低軌道通信星座，地區(qū)高性能計(jì)算中心及其接受裝置構(gòu)成。該系統(tǒng)具體工作流程如下：

區(qū)域內(nèi)車輛通過(guò)車載終端將定位、報(bào)警，車輛狀態(tài)(車輛編碼，行駛速度，網(wǎng)關(guān)路由)及車輛需求等信息[8]，通過(guò)低軌衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)給地區(qū)高性能計(jì)算中心，地區(qū)高性能計(jì)算中心根據(jù)這些數(shù)據(jù)作為原始參量輸入相應(yīng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，1s內(nèi)得出初步的規(guī)劃結(jié)果，并將不同的規(guī)劃結(jié)果再通過(guò)低軌道通信星座發(fā)送給不同的車載終端。從而對(duì)大區(qū)域流量規(guī)劃做出實(shí)時(shí)調(diào)整，保證規(guī)劃合理，提升駕乘人員體驗(yàn)。

由分析可得，該方案對(duì)計(jì)算中心的計(jì)算能力提出了一定的要求。單個(gè)GPS數(shù)據(jù)包的大小為0.03KB～0.07KB之間，封裝上車輛告警信息(無(wú)告警則數(shù)據(jù)項(xiàng)為空)得到的數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度可保守估計(jì)為0.05KB，由于目前通信協(xié)議多采用TCP/IP協(xié)議，則數(shù)據(jù)包中應(yīng)包含大小約為為0.02KB的IP數(shù)據(jù)報(bào)，則單車通過(guò)衛(wèi)星向數(shù)據(jù)中心傳輸?shù)膯蝹€(gè)數(shù)據(jù)包大小應(yīng)約為0.07KB?？紤]到計(jì)算機(jī)處理時(shí)間和傳輸時(shí)延之和應(yīng)與駕駛員反應(yīng)時(shí)間相當(dāng)甚至更好才能有效實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)的安全需求，且目前低軌道衛(wèi)星的上/下行傳播時(shí)延為25ms～45ms，駕駛?cè)藛T反應(yīng)時(shí)間為1s～2.5s，則對(duì)于單車而言，衛(wèi)星應(yīng)起碼在1s內(nèi)處理一個(gè)數(shù)據(jù)包，才能滿足相應(yīng)的需求。

目前，國(guó)內(nèi)主要城市平均機(jī)動(dòng)車保有量在200萬(wàn)輛，則在一個(gè)城市/地區(qū)內(nèi)，1s內(nèi)同時(shí)上傳的數(shù)據(jù)量為136.72MB，則一個(gè)城市內(nèi)需要計(jì)算中心每秒需要處理的數(shù)據(jù)至少為136.72MB才能滿足一個(gè)城市車聯(lián)網(wǎng)交通規(guī)劃所需。

同時(shí)，該系統(tǒng)中地區(qū)高性能計(jì)算中心還具有對(duì)區(qū)域車輛信息定時(shí)刷新的機(jī)制，以保證通信資源和計(jì)算資源不被過(guò)度占用及浪費(fèi)。

綜上所述，在這個(gè)系統(tǒng)中，低軌道星座負(fù)責(zé)透明轉(zhuǎn)發(fā)和通信工作，GPS和車載終端共同收集信息供計(jì)算中心進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)、規(guī)劃等工作。

2.2 基于信息處理的低軌通信衛(wèi)星車輛交通控制

根據(jù)SpaceX公開(kāi)資料顯示，Starlink星座搭載Intel 286處理器[9]。隨著衛(wèi)星有效載荷的迭代升級(jí)，低軌道星座上的處理器也會(huì)擁有更強(qiáng)的計(jì)算能力。當(dāng)整個(gè)星座的處理器可以滿足分布式計(jì)算和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的部署時(shí)，高性能計(jì)算的任務(wù)可以交給衛(wèi)星處理，簡(jiǎn)化處理流程，具體系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 衛(wèi)星-終端直接控制系統(tǒng)

如圖5所示，該系統(tǒng)由服務(wù)器、星座、車載終端三部分構(gòu)成。星座之間采用激光星間鏈路傳輸數(shù)據(jù)，該方式損耗低，功率大，滿足分布式計(jì)算潛在數(shù)據(jù)交換需要，同時(shí)，由于衛(wèi)星的公轉(zhuǎn)，也需要衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)路由，再通過(guò)星間鏈路將數(shù)據(jù)發(fā)送到和個(gè)體車載終端相近的衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?/p>

系統(tǒng)具體計(jì)算任務(wù)及工作流程與衛(wèi)星-地面中心類似。但是，GPS衛(wèi)星的數(shù)據(jù)直接發(fā)送到低軌道星座上，在低軌道星座上完成相關(guān)的計(jì)算分析活動(dòng)。由于兩種衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸在外太空進(jìn)行，數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)延和損耗可以大大降低，同時(shí)節(jié)約一大批地面高性能計(jì)算中心的建設(shè)成本，相對(duì)來(lái)說(shuō)更加經(jīng)濟(jì)高效。

由于低軌道星座需要負(fù)擔(dān)起路由轉(zhuǎn)發(fā)和交通控制計(jì)算等高性能計(jì)算的工作，這就對(duì)低軌道星座的計(jì)算能力提出了一定的要求。

由方案1計(jì)算可知，在一個(gè)城市/地區(qū)內(nèi)，1s內(nèi)同時(shí)上傳的數(shù)據(jù)量為136.72MB。同時(shí)，為了簡(jiǎn)化路由，避免網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋸?fù)雜性導(dǎo)致的種種問(wèn)題，單一地區(qū)的計(jì)算任務(wù)不能分配至整個(gè)星座，應(yīng)局限在同一時(shí)空城市上空的10～12顆衛(wèi)星上，則單顆衛(wèi)星每秒應(yīng)處理11.39MB～13.67MB大小的數(shù)據(jù)，這一規(guī)模的數(shù)據(jù)是目前大部分家用計(jì)算機(jī)CPU的每秒數(shù)據(jù)輸入。目前衛(wèi)星上CPU可以處理大于每秒60MB的數(shù)據(jù)輸入，完全可以滿足衛(wèi)星上處理需求。

最后，在這個(gè)系統(tǒng)中，還應(yīng)有地面數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)日志記錄、數(shù)據(jù)備份和單車/多車數(shù)據(jù)查詢功能，防止因?yàn)椴豢煽沽σ蛩貙?dǎo)致的數(shù)據(jù)故障或缺失。

3 方案評(píng)估和發(fā)展?jié)摿?/h2>

3.1 方案評(píng)估

兩個(gè)方案各有優(yōu)劣。

方案一技術(shù)成熟穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)起來(lái)具有較高的可行度，甚至可以利用現(xiàn)有滿足條件的衛(wèi)星進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，但是高性能數(shù)據(jù)計(jì)算中心建設(shè)需要較長(zhǎng)的周期，且穩(wěn)定調(diào)試工作需要一段時(shí)間，系統(tǒng)無(wú)法快速部署。且某些地區(qū)無(wú)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)有超級(jí)計(jì)算設(shè)備，建設(shè)高性能數(shù)據(jù)計(jì)算中心也需要一定的時(shí)間和成本。

方案二技術(shù)相對(duì)超前，需要有計(jì)算能力極為優(yōu)秀的CPU作為有效載荷，也可以通過(guò)增加低軌道衛(wèi)星的數(shù)量來(lái)降低單顆衛(wèi)星的計(jì)算負(fù)載。除此之外數(shù)據(jù)庫(kù)規(guī)模較大，需要有較好的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理方式。但是這種系統(tǒng)部署快，成型快。隨著低軌道星座的構(gòu)成即可完成系統(tǒng)的部署。

3.2 發(fā)展?jié)摿?/h3>

無(wú)論是哪種方案，除了地區(qū)交通控制之外，也可以在系統(tǒng)中添加單個(gè)車輛的出行監(jiān)控和車輛狀況監(jiān)控，利用多衛(wèi)星系統(tǒng)的定位能力，并數(shù)據(jù)處理中心部署相應(yīng)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，提前預(yù)警事故的發(fā)生，保證司乘安全。同時(shí)，也可以實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛動(dòng)態(tài)，對(duì)于維護(hù)社會(huì)治安、疫情防控、災(zāi)害救援等工作具有重要意義。在方案二中，由于數(shù)據(jù)量不大，星上處理能力仍具有較大開(kāi)發(fā)潛力，可以在自動(dòng)駕駛等方面發(fā)揮重要作用。

4 結(jié)論

由上述計(jì)算和分析可得，基于低軌通信衛(wèi)星星上透明轉(zhuǎn)發(fā)的方案，地面若滿足每秒處理136.72MB數(shù)據(jù)的能力即可實(shí)現(xiàn)基于低軌道衛(wèi)星的車聯(lián)網(wǎng)交通控制；而基于低軌通信衛(wèi)星星上處理的方案，需要滿足同一時(shí)空內(nèi)單顆衛(wèi)星每秒應(yīng)處理11.39MB～13.67MB數(shù)據(jù)的能力，即可實(shí)現(xiàn)基于星上處理的車聯(lián)網(wǎng)交通控制，同時(shí)這也給未來(lái)低軌通信衛(wèi)星的星上處理能力，提出了基本需求。基于低軌通信衛(wèi)星的車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與現(xiàn)有車聯(lián)網(wǎng)主流技術(shù)相比，有效解決了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋸?fù)雜，負(fù)載增大導(dǎo)致的可靠性降低等問(wèn)題。對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)問(wèn)題提出了較好的替代方案。同時(shí)，該方案，技術(shù)難度較小，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，無(wú)需相對(duì)困難的編碼優(yōu)化，傳輸協(xié)議優(yōu)化等環(huán)節(jié)，具有較高的發(fā)展?jié)摿褪袌?chǎng)潛力。