車路無線通信系統(tǒng)時空數(shù)據(jù)校準機制探討

摘 要：車路無線通信系統(tǒng)是交通運輸領域數(shù)字化、智能化應用的重要組成部分，但其信道帶寬資源往往受到限制。在自動駕駛等應用場景中，需要利用無線通信系統(tǒng)傳輸大量帶有時間信息和空間信息的車路交互應用數(shù)據(jù)。文章在對常見的車路無線通信系統(tǒng)的應用特性進行分析后，提出了一種針對拓撲結構較為穩(wěn)定的專用短程通信網(wǎng)絡時空數(shù)據(jù)校準機制，并說明這一機制如何降低了時空數(shù)據(jù)校準應用對車路無線通信系統(tǒng)信道資源的需求。

關鍵詞：車路無線通信系統(tǒng);時空數(shù)據(jù)校準;系統(tǒng)拓撲結構;專用短程通信

0 引言

車輛在應用中的快速移動特性決定了車輛通信系統(tǒng)一般都是采用無線通信技術來實現(xiàn)的。根據(jù)目前車輛通信系統(tǒng)的應用場景，與車輛進行通信的設備有可能是安裝于另一輛車上的通信設備，也有可能是部署在路側或數(shù)據(jù)中心的通信設備。車輛通信系統(tǒng)主要承擔的任務包括車-車（車輛之間）通信和車-路（車輛與路側設備或數(shù)據(jù)中心之間）通信。車路無線通信系統(tǒng)在本文的確切定義是，包含車輛和路端（廣義包括路側設施和數(shù)據(jù)中心）系統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)，且應用目標與車輛通信系統(tǒng)高度一致。因此，車路通信系統(tǒng)與車輛通信系統(tǒng)在本文中將作為等同概念予以使用。

從技術角度看，車路通信系統(tǒng)可以采用任何一種無線通信技術。但從應用和管理的角度看，車路通信系統(tǒng)還要實現(xiàn)不同品牌車輛之間、與各種非車輛設備的互聯(lián)互通。因此車路無線通信系統(tǒng)應用層數(shù)據(jù)的設計和使用，不僅要滿足應用業(yè)務自身的要求，還要同時兼顧不同的物理層和網(wǎng)絡層通信技術特性。

1 車路通信系統(tǒng)特性分析

在車路通信系統(tǒng)中所普遍采用的物理層、網(wǎng)絡層和應用層的簡化3層模型，是借鑒ISO給出的7層網(wǎng)絡模型而形成的^[1]。根據(jù)ISO 7層網(wǎng)絡模型的關系，物理層和鏈路層是支撐車路通信系統(tǒng)應用層的基礎，因此對車路通信系統(tǒng)的分析以物理層和網(wǎng)絡層基本特性分析為主。

目前，全球主流的車路無線通信技術，都可以歸納到兩條主要技術路線上^[2]。一條技術路線被稱之為專用短程通信。其中，IEEE 802.11p、日本ETC和LTE直連通信都是專用短程通信技術的典型代表。專用短程通信具有時延短、系統(tǒng)布設靈活、專用性強，但通信范圍和帶寬資源受限等特點。另一條技術路線則是以蜂窩無線移動通信技術為代表。蜂窩無線移動通信系統(tǒng)與專用短程通信系統(tǒng)相比，具有較大的通信覆蓋范圍和較豐富的帶寬資源，但由于核心網(wǎng)的存在，帶來通信時延較大、布設難度高等問題。

兩種技術路線的技術在車路通信應用中，實質(zhì)上是互補關系，而非競爭關系。不同的應用場景可能采用不同技術路線的無線通信技術，甚至在同一個應用場景下不同的應用數(shù)據(jù)也需要采用不同技術路線的無線通信技術進行傳輸。在兩條技術路線上，相關的技術也在進行演進，并出現(xiàn)相互融合的現(xiàn)象。比如LTE技術是由早期的3G技術演進而來的。在這一演進過程中，LTE引入了專用短程通信的理念，并在技術標準設計上予以考慮，形成了LTE直連通信的相關標準。

綜上所述，車路通信系統(tǒng)的特性，實際上就是專用短程通信系統(tǒng)與蜂窩無線移動通信系統(tǒng)特性的選擇性呈現(xiàn)，或交替呈現(xiàn)。

2 系統(tǒng)拓撲結構對時空數(shù)據(jù)校準的需求

從理論上講，任何信息化、數(shù)字化系統(tǒng)都需要具備系統(tǒng)內(nèi)部成員的時間和空間數(shù)據(jù)校準機制，以使得系統(tǒng)內(nèi)的各類應用都使用相同的時間基準數(shù)據(jù)和空間基準數(shù)據(jù)。由于時空基準數(shù)據(jù)屬于應用層數(shù)據(jù)范疇，所以時空基準數(shù)據(jù)的傳輸和使用，也是車路通信系統(tǒng)應用層需要完成的一類重要任務。

傳統(tǒng)的時間數(shù)據(jù)校準過程也被稱為“時鐘同步”過程。這一過程并不總是要求各個設備的時鐘完全與標準時鐘對齊，而只要求知道設備時鐘與標準時鐘的計時時間差（鐘差）即可。只有當該鐘差較大時才進行設備時鐘的調(diào)整^[3]?！皶r鐘同步”過程中的標準時鐘就是基準時間數(shù)據(jù)。一般的信息化系統(tǒng)內(nèi)部都會根據(jù)實際需要和系統(tǒng)內(nèi)部設備時鐘精度情況，定期進行“時鐘同步”。

對于車路通信系統(tǒng)而言，時間數(shù)據(jù)校準既是非常重要的，同時也是比較困難的。首先，車路通信系統(tǒng)所支持的應用很多都是在車輛快速移動的場景下完成的，因此時間數(shù)據(jù)上的微小偏差就有可能導致應用效果的下降，甚至是應用的失效^[4]。其次，由于車輛移動性導致了車路通信系統(tǒng)的成員結構處于不斷變化之中。網(wǎng)絡中的成員在進行應用數(shù)據(jù)傳輸之前，不能確保他們已經(jīng)通過常規(guī)的“時鐘同步”進行了時間數(shù)據(jù)校準，這就要求時間數(shù)據(jù)校準工作需要隨時隨地進行。

空間數(shù)據(jù)校準的概念，與時間數(shù)據(jù)校準有很大不同，因為空間數(shù)據(jù)是沒有基準數(shù)據(jù)可供參考的。車路通信系統(tǒng)中的設備根據(jù)自身的定位裝置，實時獲取自身位置信息（空間數(shù)據(jù)）。在空間數(shù)據(jù)校準中，設備將自己的實時位置信息共享給系統(tǒng)中的其他設備，這一空間數(shù)據(jù)的連續(xù)實施共享過程就是空間數(shù)據(jù)校準過程。

對于車路通信系統(tǒng)而言，空間數(shù)據(jù)的校準也是非常重要的。大量的智能交通應用，都是需要基于車輛實時位置信息才能實現(xiàn)的，如“碰撞預警”“路徑規(guī)劃”等。空間數(shù)據(jù)校準雖然與時間數(shù)據(jù)校準的過程有所區(qū)別，但都需要對相應數(shù)據(jù)進行持續(xù)傳輸。

3 分域校準機制探討

車路通信系統(tǒng)中時空數(shù)據(jù)校準必須配合車路應用數(shù)據(jù)進行隨時隨地的傳輸，且傳輸時延與可靠性要求較應用數(shù)據(jù)本身更高，因此傳輸時延較大的蜂窩無線移動通信網(wǎng)絡不適合來完成校準任務^[4]。采用專用短程通信網(wǎng)絡來實現(xiàn)時空數(shù)據(jù)校準任務時，就要解決如何在帶寬資源有限的專用短程通信網(wǎng)絡上傳輸大容量時空數(shù)據(jù)的問題。

為了解決利用專用短程通信網(wǎng)絡實現(xiàn)時空數(shù)據(jù)校準應用的問題，對時空數(shù)據(jù)進行了進一步的分析和研究。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，時間數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)都是尺度范圍和表達精度范圍很大的數(shù)據(jù)，但在一般應用時不會同時要求大范圍和高精度。因此，提出了一種分域校準的任務執(zhí)行機制。

以時間數(shù)據(jù)為例，當應用所需的時間數(shù)據(jù)精度達到秒或毫秒時，這個應用的過程往往就會很短。因此這類應用一般不會關心“歷史”數(shù)據(jù)，而是注重“當下”的數(shù)據(jù)，這時時間數(shù)據(jù)中的年份值域?qū)枚詭缀蹙褪菬o用的。當然也存在很多時間精度要求不高的應用，這時應用數(shù)據(jù)中的小單位值域?qū)枚跃秃翢o意義了。因此，對時間數(shù)據(jù)進行分域處理很有必要，比如分為大范圍低精度數(shù)據(jù)域和小范圍高精度數(shù)據(jù)域。

和時間數(shù)據(jù)校準情況類似，空間數(shù)據(jù)也存在上述問題。有些應用不會關心基于大地坐標系的絕對空間位置，而只是關心相對位置。雖然通過絕對空間位置數(shù)據(jù)可以計算得到相對空間位置，但絕對空間位置數(shù)據(jù)所需的表達數(shù)位要比相對位置數(shù)據(jù)的表達多。如果考慮到多數(shù)車路應用參與者物理位置相對較近這一實際情況，就完全可以將大范圍尺度的空間數(shù)據(jù)，通過確立一個位置參考基點轉(zhuǎn)換為小范圍尺度的空間數(shù)據(jù)，以達到減少數(shù)據(jù)容量的目的^[5]。這樣一來，空間數(shù)據(jù)可以將參考基點視為大范圍低精度數(shù)據(jù)域，相對基點的空間數(shù)據(jù)為小范圍高精度數(shù)據(jù)域。

分域校準機制就是使用分域數(shù)據(jù)進行時空校準。如果車路無線通信網(wǎng)絡中存在一個拓撲結構相對穩(wěn)定的子網(wǎng)絡，就可以利用這種分域校準的方法通過多個應用層數(shù)據(jù)幀傳輸一個完整時空數(shù)據(jù)。使用該方法，一方面有效避免了大載荷應用數(shù)據(jù)幀對網(wǎng)絡的阻塞影響;另一方面大范圍尺度域的數(shù)據(jù)無須頻繁傳輸，能避免大量無效信息的傳輸。

4 結語

面向車路通信系統(tǒng)，尤其是車路協(xié)同通信系統(tǒng)的分域時空校準機制，對類似于車路協(xié)同、智能駕駛等多種車路應用都具有較好的參考價值。本文僅對方法的實現(xiàn)思路進行了闡述，相關時空數(shù)據(jù)的分域確定、基準點的選擇等關鍵問題，還需根據(jù)實際應用進行深入研究。在研究基礎上形成一定的標準規(guī)范，才能使得分域校準機制在工程實施中得到有效應用，發(fā)揮其優(yōu)勢并產(chǎn)生實際應用價值。

作者簡介：諶儀（1980— ），女，江西宜春人，副研究員，碩士;研究方向：智能交通。

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（編輯?傅金睿）

Discussion on time-space data calibration mechanism of

vehicle-road wireless communication system

Chen Yi

（Research Institute of Highway of Ministry of Transport， Beijing 100088， China）

Abstract：Vehicle-road wireless communication system is an important part of digital and intelligent application in the field of transportation. However， its wireless communication system bandwidth resources are often limited， but it is necessary to use this system to transmit a great deal of vehicle-road interaction data with time and space information.?Based on the analysis of the application characteristics of common vehicle-road wineless communication systems， this paper proposes a time-space data calibration mechanism for dedicated short-range communication networks with stable topology， and explains how this mechanism reduces the channel resource requirements of vehicle-road wireless communication systems for time-space data calibration applications.

Key words：vehicle wireless communication system; time-space data calibration; system topology; dedicated short-range communication