基于LTE-V的車路協(xié)同系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互設(shè)計

苑壽同　趙鵬超　胡鑫

摘 要：針對當前車路協(xié)同應(yīng)用層標準未完全確定、車路協(xié)同場景應(yīng)用通信個體之間無法完全互聯(lián)互通的問題，本文開展數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)設(shè)計研究，提出了基于LTE-V的車路協(xié)同系統(tǒng)消息層技術(shù)要求，定義了支持車路協(xié)同系統(tǒng)各類車載應(yīng)用所涉及到的消息集合、消息體以及相應(yīng)交互流程，歸納了數(shù)據(jù)交互類型，分析了典型業(yè)務(wù)場景數(shù)據(jù)交互需求，可以支撐車用通信系統(tǒng)應(yīng)用場景開發(fā)、驗證及商用。

關(guān)鍵詞：LTE-V 車路協(xié)同 應(yīng)用層 交互

1 前言

車路協(xié)同系統(tǒng)是采用先進的無線通信和新一代互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，全方位實施車車、車路動態(tài)實時信息交互，并在全時空動態(tài)交通信息采集與融合的基礎(chǔ)上開展車輛主動安全控制和道路協(xié)同管理，充分實現(xiàn)人車路的有效協(xié)同，保證交通安全，提高通行效率，從而形成的安全、高效和環(huán)保的道路交通系統(tǒng)，是智能交通系統(tǒng)的最新發(fā)展方向[1]。在車路協(xié)同關(guān)鍵技術(shù)方面，信息交互技術(shù)是基礎(chǔ)，車路協(xié)同應(yīng)用場景的實現(xiàn)都是建立在數(shù)據(jù)交互基礎(chǔ)上。隨著無線通信技術(shù)的迅速發(fā)展，通過車內(nèi)、車車、車路等通信機制，可收集到更多與行車有關(guān)的信息，例如車輛狀態(tài)、道路狀況、交通環(huán)境等，并進一步將收集到的信息有效的整合，建立車路云網(wǎng)協(xié)同一體化的交通運輸系統(tǒng)，進而提高交通運輸系統(tǒng)的效率、安全和持續(xù)性。

目前，國外車路協(xié)同系統(tǒng)通信方面的研究，最早主要是基于IEEE802.11p/1609協(xié)議的車路通信多信道協(xié)調(diào)應(yīng)用、廣播機制和路由方面的管理等方面，其工作頻段在5.9GHz附近。我國在2012年首次提出LTE-V車聯(lián)網(wǎng)概念，并LTE-V車路協(xié)同系統(tǒng)國際標準的制定[2]。目前車路協(xié)同形成了美國主導(dǎo)的IEEE 802.11P（DSRC）和以國內(nèi)企業(yè)推動的LTE-V陣營。LTE-V是面向智能交通和車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、基于4G LTE系統(tǒng)的演進技術(shù)，包括LTE-V-Cell和LTE-V-Direct兩個工作模式。通俗的來說，LTE-V-Cell要借助已有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，支持大帶寬、大覆蓋通信，滿足Telematics應(yīng)用需求;LTE-V-Direct可以獨立于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)車輛與周邊環(huán)境節(jié)點低時延、高可靠的直接通信，滿足行車安全需求。LTE-V-Direct模式能夠?qū)④囕v感知范圍擴展到數(shù)百米的探測距離，與目前已有的其它車輛感知系統(tǒng)如雷達、光學攝像頭的探測范圍相比有很大優(yōu)勢。多種探測手段相結(jié)合，借助融合信息處理技術(shù)，能夠有效提升行車安全和交通效率問題[3]。

雖然802.11P具有客觀的先發(fā)優(yōu)勢，目前已具備商用芯片并積累了多年的測試經(jīng)驗;而LTE-V作為面向車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、基于LTE演進、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)，則具備諸多后發(fā)優(yōu)勢。LTE-V在設(shè)計過程中充分借鑒了802.11P的經(jīng)驗和不足，在系統(tǒng)容量、覆蓋范圍等方面具有顯著的性能優(yōu)勢;LTE-V可以充分利用LTE蜂窩網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢，保證業(yè)務(wù)的連續(xù)性和可靠性，還能夠利用基站與托管的云端服務(wù)器連接，進行如高清影音等高速數(shù)據(jù)傳輸。然而由于車路協(xié)同場景復(fù)雜、標準未完全建立，LTE-V在技術(shù)、產(chǎn)業(yè)化和數(shù)據(jù)互聯(lián)互通等方面還存在著推廣難題。因而本文基于LTE-V的車路協(xié)同系統(tǒng)開展數(shù)據(jù)交互設(shè)計，推動LTE-V在實際部署應(yīng)用中實現(xiàn)各交通主體互聯(lián)互通，加快LTE-V直連通信技術(shù)驗證與應(yīng)用落地。

2 車路協(xié)同數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)概述

車路協(xié)同系統(tǒng)一般由車載系統(tǒng)、路側(cè)系統(tǒng)、云服務(wù)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)組成。數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)為包括車車、車路、車云、路云等數(shù)據(jù)交互模塊，通信方式包括LTE-V、5G、Wifi、光纖通信等方式，實現(xiàn)車載系統(tǒng)、路側(cè)系統(tǒng)和云服務(wù)系統(tǒng)間的低時延、高可靠信息通信，保障數(shù)據(jù)交互安全。

我國已經(jīng)完成了第一階段的車載通信系統(tǒng)的各項基礎(chǔ)標準，包括接入層，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，確保了應(yīng)用層消息數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，通過數(shù)據(jù)交互通用消息集合和通用交互流程設(shè)計，可以使能更多的包括提升道路交通安全、提高交通效率和使能信息服務(wù)的車載應(yīng)用[4]。從通信方式上看，消息交互可以采用廣播、單播和組播的方式。廣播類通信方式無特定的接收對象，在通信可達范圍內(nèi)的交通參與者均可以接收到相應(yīng)的消息。對于涉及到存在特定接收對象（一個或者多個）的信息交互方式與交互流程，可以采用組播或者單播通信方式[5]。下圖2給出了車路協(xié)同系統(tǒng)涉及到的通信節(jié)點之間的關(guān)系示意圖。

3 數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)設(shè)計

參考國際標準化組織（ISO）制定的通信系統(tǒng)七層參考模型，基于LTE-V的車路協(xié)同系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)通?？梢苑譃檐囕d系統(tǒng)應(yīng)用、應(yīng)用層、傳輸層/網(wǎng)絡(luò)層、安全和接入層。本文主要研究應(yīng)用層以及應(yīng)用層與上下相鄰兩層之間的數(shù)據(jù)交互接口協(xié)議以及涉及到對等層之間的數(shù)據(jù)消息格式[6]。圖3給出了車用通信系統(tǒng)的基本分層結(jié)構(gòu)，應(yīng)用層主要包括為支持車路協(xié)同系統(tǒng)各類車載應(yīng)用所涉及到的消息集合、消息定義（數(shù)據(jù)幀、數(shù)據(jù)元素、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和具體的編碼方式）以及相應(yīng)交互流程定義。

通過清晰的分層設(shè)計以及標準化的消息定義（包括數(shù)據(jù)幀、數(shù)據(jù)元素、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和編碼方式）以期各層開發(fā)者可以專注于本層的系統(tǒng)協(xié)議開發(fā)和互聯(lián)互通，而無需涉及其他層的具體技術(shù)和通信方式。同時，充分考慮車載通信系統(tǒng)和設(shè)備的平滑演進，通過定義具體的消息交互流程以及所涉及到的通信實體均能以準確的消息在準確的時機進行信息交互（包括請求、響應(yīng)、確認等），從而可以使得整個信息交互得以準確、及時的完成，以支撐車路協(xié)同各項場景應(yīng)用。

3.1 消息層技術(shù)要求

消息層數(shù)據(jù)集用ASN.l 標準進行定義，遵循“消息幀-消息體-數(shù)據(jù)幀-數(shù)據(jù)元素”層層嵌套的邏輯進 行制定。數(shù)據(jù)集交互的編解碼方式遵循非對齊壓縮編碼規(guī)則UPER。本文定義的消息層數(shù)據(jù)負，主要由1個消息幀格式，5個最基本的消息體以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀和數(shù)據(jù)元素組成，如圖4所示。

消息幀是單個應(yīng)用層消息的統(tǒng)一打包格式，是數(shù)據(jù)編解碼的唯一操作對象。消息幀由不同類別的消息體組成，并支持擴展。消息體主要包括車輛基本安全消息RSM、地圖消息MAP、交通事件消息RSI、路側(cè)安全消息RSM和信號燈消息SPAT[7]。

車輛基本安全消息RSM是使用最廣泛的一個應(yīng)用層消息，用來在車輛之間交換安全狀態(tài)數(shù)據(jù)。車輛通過該消息的廣播，將自身的實時狀態(tài)告知周圍車輛，以此支持一系列協(xié)同安全等應(yīng)用。地圖消息MAP由路側(cè)單元廣播，向車輛傳遞局部區(qū)域的地圖信息，包括局部區(qū)域的路口信息、路段信息、車道信息，道路之間的連接關(guān)系等。交通事件消息RSI適用千由路側(cè)單元向周圍車載單元發(fā)布的交通事件信息以及交通標志信息，其中交通事件信息支待GB/T 29100-2012，交通標志信息支持GB 5768.2-2009，該消息幀能夠打個或多個交通事件信息或者交通標志信息，同時包含發(fā)送該消息的路側(cè)單元編號以及參考位置坐標。路側(cè)安全消息RSM路側(cè)安全消息。路側(cè)單元通過路側(cè)本身擁有的相應(yīng)檢測手段，得到的其周邊交通參與者的實時狀態(tài)信息（這里交通參與者包括路側(cè)單元本身、周圍車輛、非機動車、行人等），并將這些信息整理成本消 息體所定義的格式，作為這些交通參與者的基本安全狀態(tài)信息，廣播給周邊車輛，支待這些車輛的相關(guān)應(yīng)用。信號燈消息SPAT包含了一個或多個路口信號燈的當前狀態(tài)信息，結(jié)合MAP消息為車輛提供實時的前方信號燈相位信息。

數(shù)據(jù)幀由其他數(shù)據(jù)單元或數(shù)據(jù)類型組合而成，是消息體的組成部分，主要數(shù)據(jù)內(nèi)容見表1。

3.2 數(shù)據(jù)交互類型

數(shù)據(jù)交互的類型分為定周期發(fā)送式、請求響應(yīng)式和事件驅(qū)動式三種形式。

周期發(fā)送式：車路協(xié)同通信模塊可以定期的向其他無線通信模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。在完成鏈路建立后，車路協(xié)同通信模塊間進行周期性的數(shù)據(jù)交互，直至應(yīng)用終止鏈路連接。周期性發(fā)送的收據(jù)主要包括本車位置信息、周邊車輛位置信息、本車速度及方向信息、交通信號信息等。

請求響應(yīng)式：只車路協(xié)同系統(tǒng)某模塊發(fā)出數(shù)據(jù)請求時，需要通信的模塊應(yīng)回應(yīng)請求才能發(fā)出數(shù)據(jù)。在完成鏈路建立后，車路協(xié)同系統(tǒng)應(yīng)用向通信模塊發(fā)出特定數(shù)據(jù)請求，該請求包含了被請求的車路協(xié)同系統(tǒng)實體的ID、被請求的車路協(xié)同系統(tǒng)實體的應(yīng)用程序以及請求的數(shù)據(jù)類型，請求通過無線通信模塊轉(zhuǎn)發(fā)給目的車路協(xié)同系統(tǒng)模塊回應(yīng)請求發(fā)送數(shù)據(jù)。

事件驅(qū)動式：當發(fā)生特定事件時車路協(xié)同系統(tǒng)應(yīng)用將事件發(fā)送給需要交互的終端。這種發(fā)送方式是定周期的，應(yīng)用應(yīng)該分配事件重要緊急程度，發(fā)送周期根據(jù)事件重要緊急程度調(diào)整。當特定事件失效時，車路協(xié)同系統(tǒng)應(yīng)用應(yīng)停止發(fā)送數(shù)據(jù)。

4 典型業(yè)務(wù)場景數(shù)據(jù)交互定義

基于LTE-V的車路協(xié)同應(yīng)用場景可劃分為三大類： 交通安全類（Safety）、交通效率類（Traffic Efficiency）以及信息服務(wù)類（Infotainment/Telematics）。行業(yè)按場景重要程度推薦了17中應(yīng)用場景，見表2。本文針對典型基礎(chǔ)業(yè)務(wù)場景對交互數(shù)據(jù)需求開展系統(tǒng)分析如下。

5 結(jié)論

本文基于LTE-V的車路協(xié)同系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互無法互聯(lián)互通的問題結(jié)合主要應(yīng)用場景功能開展數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)設(shè)計，定義了消息層技術(shù)要求和數(shù)據(jù)交互類型，依據(jù)車路協(xié)同系統(tǒng)的主要技術(shù)指標設(shè)計車路協(xié)同系統(tǒng)應(yīng)用層數(shù)據(jù)交互方式，設(shè)計包括：通信參數(shù)、運行模式、握手過程、消息類型、數(shù)據(jù)報結(jié)構(gòu)等，并針對基礎(chǔ)業(yè)務(wù)場景分析了數(shù)據(jù)交互需求，可以支撐車用通信系統(tǒng)應(yīng)用場景開發(fā)、驗證及商用。

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