高速公路車路協(xié)同應(yīng)用全鏈路通信模型研究

李 嘉, 文 婧, 周 正通信作者, 何 俊, 黃 鄭

1.四川云控交通科技有限責(zé)任公司,四川 成都 610041 2.四川鐵投-阿里巴巴智慧交通聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610041

0 引言

車路協(xié)同是運(yùn)用先進(jìn)的信息技術(shù)、通信技術(shù),全方位和全通信鏈路實(shí)施車與路、車與車之間信息動態(tài)實(shí)時交互,同時在全時空動態(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(shí)現(xiàn)“人-車-路”有機(jī)耦合和高效協(xié)同。車路協(xié)同技術(shù)是交通信息工程及控制專業(yè)領(lǐng)域研究應(yīng)用的熱點(diǎn)方向,是新一輪科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)競爭的制高點(diǎn),也是助推實(shí)現(xiàn)交通強(qiáng)國戰(zhàn)略的重要舉措[1]。

車路協(xié)同應(yīng)用對交通線路全鏈路通信的時延、速率和可靠性等質(zhì)量要素要求很高,需要極低的通信時延、極高的鏈路可靠性、更大的傳輸速率、更快的運(yùn)算速度、更遠(yuǎn)的通信范圍,以及能支持更高的移動速度等[2]。

目前,車聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要分為專用短程通信(dedicated short range communication,DSRC)和蜂窩車聯(lián)網(wǎng)(cellular vehicle-to-everything,C-V2X)2類。DSRC是一種成熟的無線通信技術(shù)(廣泛應(yīng)用于我國高速公路的ETC收費(fèi)),也是歐美車聯(lián)網(wǎng)的主流技術(shù),已成為IEEE 802.11p基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn),主要實(shí)現(xiàn)小范圍內(nèi)圖像、語音和數(shù)據(jù)的實(shí)時可靠的雙向傳輸,將車輛和道路基礎(chǔ)設(shè)施有機(jī)連接。與DSRC相比較,C-V2X基于蜂窩通信技術(shù),工作距離遠(yuǎn)超DSRC,同時還可以提供更高的帶寬和傳輸速率[3]。C-V2X在終端應(yīng)用方面可以延用LTE及5G生態(tài)系統(tǒng),雖然DSRC產(chǎn)業(yè)鏈相對成熟,但C-V2X技術(shù)持續(xù)演進(jìn)優(yōu)勢更顯著,產(chǎn)業(yè)前景更寬廣[4]。

本文針對可應(yīng)用于工程實(shí)踐的車路協(xié)同應(yīng)用的需要,給出了基于C-V2X通信技術(shù)的車路協(xié)同應(yīng)用全鏈路通信模型,并在四川省高速公路實(shí)地環(huán)境中成功構(gòu)建了模型的應(yīng)用測試環(huán)境,通過實(shí)地測試,驗(yàn)證了模型及方案的可行性和實(shí)用性。

1 當(dāng)前研究中存在的問題

近年來,車路協(xié)同應(yīng)用的通信模型和效果測試多在封閉場所開展或以模擬仿真形式進(jìn)行。長安大學(xué)王潤民 等[5]通過對國內(nèi)外主流運(yùn)用的多個車聯(lián)網(wǎng)仿真平臺進(jìn)行對比,分析了影響仿真測試結(jié)果的因素,提出了相關(guān)結(jié)果評價指標(biāo)。同為長安大學(xué)的劉丁貝[6]基于封閉測試場構(gòu)建了一種車聯(lián)網(wǎng)實(shí)車測試平臺,通過搭建多種場景對DSRC、C-V2X數(shù)據(jù)完整性和時延特性進(jìn)行具體測試并評價,得出通信距離、遮蔽物是影響通信性能的重要因素,而行車速度對通信影響則較輕微等結(jié)論。聯(lián)通智網(wǎng)夏小涵 等[7]對LTE-V2X終端網(wǎng)絡(luò)層性能指標(biāo)進(jìn)行檢測,驗(yàn)證其在負(fù)載壓力下的通信性能,為LTE-V2X技術(shù)商用提供了可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。交通部公路所高茁苗[8]深入研究了基于車路協(xié)同的道路標(biāo)識載體的測試指標(biāo)和方法?？ㄋ栆苿油ㄐ艑W(xué)者Zeeshan et al.[9]分別對LTE和DSRC兩種技術(shù)路線車路通信開展了研究。

綜上可知,目前研究存在以下問題。

1)車路協(xié)同應(yīng)用對通信質(zhì)量要求很高,目前的業(yè)界研究主要是通過仿真環(huán)境或者試驗(yàn)場景下進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)或者端對端的效能測試,尚無可以應(yīng)用于實(shí)際高速公路的通信模型。

2)高速公路邊緣計算配套設(shè)施建設(shè)和車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用軟件研發(fā)尚不成熟,目前業(yè)界暫未有公開發(fā)表的高速公路真實(shí)環(huán)境下車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)全鏈路通信的研究成果和建設(shè)方案。

3)業(yè)界尚無經(jīng)過實(shí)地驗(yàn)證的基于C-V2X車路協(xié)同通信效果的測試方案。

2 車路協(xié)同應(yīng)用全鏈路通信模型設(shè)計

本文根據(jù)工程實(shí)踐的實(shí)際需求,參考業(yè)界的相關(guān)研究成果,提出了交通沿線車路協(xié)同應(yīng)用全鏈路通信模型和構(gòu)建技術(shù)。此外,依托四川鐵投集團(tuán)運(yùn)營的高速路段,在實(shí)際交通環(huán)境中開展了車路協(xié)同通信模型測試驗(yàn)證工作,證明理論模型的可行性和有效性。

車路協(xié)同全鏈路通信模型如圖1所示。車路協(xié)同應(yīng)用全鏈路主要由視頻、雷達(dá)、雷視融合、軌跡分析、數(shù)據(jù)分發(fā)、路側(cè)天線、車載單元和數(shù)字孿生應(yīng)用這8個模塊組成。

圖1 車路協(xié)同應(yīng)用全鏈路通信模型

在數(shù)據(jù)采集方面,采用視頻和雷達(dá)獲取原始數(shù)據(jù)。視頻主要用于交通參與者特征識別判定,尤其是對視覺色彩的感知;雷達(dá)主要采用毫米波和激光2類設(shè)備。其中,毫米波雷達(dá)廣泛應(yīng)用于交通監(jiān)控領(lǐng)域(可在廣域范圍內(nèi)和雨霧環(huán)境下對移動物體進(jìn)行測速測距),激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)厘米級目標(biāo)精確感知。

雷視融合模塊運(yùn)用多傳感器數(shù)據(jù)融合算法,將視頻與雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,初步關(guān)聯(lián)匹配目標(biāo)。雷視融合分為源頭直接融合、提取特征后融合、算法結(jié)果決策時融合3種方式。

軌跡分析模塊基于雷視融合輸出結(jié)果,實(shí)現(xiàn)車輛動態(tài)行駛航跡識別,具備與視頻車輛畫面疊加應(yīng)用的基礎(chǔ),同時可對目標(biāo)跟蹤定位應(yīng)用提供支持。

數(shù)據(jù)分發(fā)模塊通過預(yù)設(shè)策略和算法匹配,自動規(guī)范數(shù)據(jù)傳輸格式,控制道路沿線側(cè)的天線進(jìn)行空中無線通信。雷視融合、軌跡分析和數(shù)據(jù)分發(fā)都是由邊緣計算(edge computing)具體實(shí)現(xiàn)。

路側(cè)天線(road side unit,RSU)在數(shù)據(jù)分發(fā)模塊控制下向車載單元(on board unit,OBU)發(fā)送信息,OBU接收后傳至車輛總線集成的數(shù)字孿生應(yīng)用程序。

需要說明的是,在此次車路協(xié)同應(yīng)用通信模型關(guān)鍵技術(shù)研究和效果測試中,并非采用我國高速公路ETC聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)通用型RSU和OBU,而是采用內(nèi)置C-V2X通信模塊的新一代RSU和OBU設(shè)備。視頻、雷達(dá)、RSU等外場關(guān)鍵設(shè)備都集成安裝在高速公路路側(cè)的智慧桿件上。

數(shù)字孿生應(yīng)用程序部署在車載端智能終端,與車輛實(shí)現(xiàn)總線集成,經(jīng)過OBU接收數(shù)據(jù),結(jié)合高精地圖以模擬仿真形式展現(xiàn)車輛行駛位置及狀態(tài)。同時,將車載端響應(yīng)數(shù)據(jù)通過OBU反向回傳至路側(cè)RSU,之后到達(dá)數(shù)據(jù)分發(fā)模塊,即在路側(cè)數(shù)據(jù)分發(fā)模塊到車載端應(yīng)用之間形成一條數(shù)據(jù)回路,通過廣泛和精確的交通狀況感知,為車路協(xié)同高層次應(yīng)用提供科學(xué)的輔助決策。

3 實(shí)地驗(yàn)證及結(jié)果分析

針對本文提出的通信模型,為驗(yàn)證其有效性,依托四川鐵投集團(tuán)運(yùn)營的高速路段,在四川省中南部某高速公路實(shí)車運(yùn)行環(huán)境中進(jìn)行模型有效性驗(yàn)證。

選擇里程樁號K59～K67約7 km區(qū)間作為測試路段。間隔約800 m布設(shè)路側(cè)智慧桿系統(tǒng),通過C-V2X通信與車載端進(jìn)行交互,數(shù)據(jù)分發(fā)模塊發(fā)送頻率設(shè)置為6.25幀/秒,RSU覆蓋范圍為400～500 m。為了有效去重,采用實(shí)時動態(tài)載波相位差分(real-time kinematic,RTK)定位技術(shù)輔助判定覆蓋范圍。

3.1 數(shù)據(jù)完整度

為更加如實(shí)地反映通信可靠性,在檢驗(yàn)區(qū)域(K59～K67)分別選取2個車流量有差異的時段進(jìn)行實(shí)車感知:第1時段,車輛數(shù)約為20輛,發(fā)送數(shù)據(jù)量約120條/秒;第2時段,車輛數(shù)多于第1時段,約為30輛,發(fā)送數(shù)據(jù)量200條/秒。

通過檢驗(yàn),得出第1時段平均完整度為98.5%,第2時段平均完整度為97.3%。具體驗(yàn)證數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

表1 第1時段數(shù)據(jù)完整度統(tǒng)計計算值 單位:%

表2 第2時段數(shù)據(jù)完整度統(tǒng)計計算值 單位:%

其中,選取第2處點(diǎn)位(K59+882)結(jié)合目標(biāo)位置(車輛距離)對數(shù)據(jù)完整度進(jìn)行分析,第1時段和第2時段具體數(shù)據(jù)關(guān)系分別如圖2、圖3所示。圖中橫坐標(biāo)為測量時間,左側(cè)縱坐標(biāo)為距離值,對應(yīng)虛線條,表示車輛不同時刻與RSU的距離變化;右側(cè)縱坐標(biāo)為數(shù)據(jù)完整度,對應(yīng)實(shí)線條,表示車輛不同時刻的數(shù)據(jù)完整度。從該點(diǎn)位測量發(fā)現(xiàn),當(dāng)雙向距離RSU 450 m左右時,完整度值幾乎都能穩(wěn)定保持接近1.0(即100%),距車輛較遠(yuǎn)時有下降,同時車流量增大時,數(shù)據(jù)完整度也隨之下降,且下降頻次增多。

圖2 K59+882第1時段數(shù)據(jù)完整度匹配分析

圖3 K59+882第2時段數(shù)據(jù)完整度匹配分析

3.2 回環(huán)時延和空口時延

參照可靠性測量流程,同樣選取2個車流量差異時段進(jìn)行實(shí)車測量,其中第1和第2時段的車輛數(shù)(數(shù)據(jù)量)環(huán)境條件也與前述完整度測試過程相同,相關(guān)測量數(shù)據(jù)如表3和表4所示。

表3 第1時段回環(huán)時延測量值和空口時延計算值 單位:ms

表4 第2時段回環(huán)時延測量值和空口時延計算值 單位:ms

在2個不同時段回環(huán)時延都介于140～200 ms。其中,第1時段平均回環(huán)時延為172 ms,折算為單向空口時延為86 ms;第2時段平均回環(huán)時延為180 ms,折算為單向空口時延為90 ms。顯然,單向空口時延滿足現(xiàn)階段 V2X行業(yè)應(yīng)用需求(100 ms以內(nèi))。

3.3 全鏈路端對端時延

本次檢驗(yàn)選擇A、B兩個站點(diǎn)(全省聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)站點(diǎn)編碼分別為408、409,里程樁號K61～K62)之間約7 km路段上下行各3處點(diǎn)位(共6處)進(jìn)行靜態(tài)測量,各點(diǎn)位間隔約200 m,每個點(diǎn)位至少采集20個車輛數(shù)據(jù),上下行單向測量車輛均不低于10輛(總共不低于20輛)。靜態(tài)測量結(jié)果如表5所示。

表5 端對端時延靜態(tài)檢驗(yàn)結(jié)果

由測量數(shù)據(jù)可知,下行(A至B方向)各點(diǎn)位端對端平均時延為861 ms,上行(B至A方向)各點(diǎn)位端對端平均時延為898 ms,測量中最大平均時延值為945 ms,意味著在實(shí)際應(yīng)用中,物理空間的車輛從觸發(fā)雷達(dá)或視頻傳感開始,直至車載端數(shù)字孿生應(yīng)用顯示刷新,總耗時不超過1 s,完全滿足當(dāng)前高速公路實(shí)車環(huán)境下的車路協(xié)同探索應(yīng)用要求。結(jié)合國內(nèi)有關(guān)技術(shù)團(tuán)隊(duì)在LTE通信系統(tǒng)時延測試經(jīng)歷,空口時延、端對端時延未來將有很大的優(yōu)化空間[10]。

4 結(jié)束語

本文在行業(yè)內(nèi)首次提出了高速公路車路協(xié)同應(yīng)用全鏈路通信模型,通過真實(shí)客觀的測量數(shù)據(jù)分析得出以下結(jié)論。

1)高速公路應(yīng)用全鏈路端對端時延約為800～900 ms,數(shù)據(jù)完整度大致在97%～98%,滿足當(dāng)前數(shù)字孿生應(yīng)用的技術(shù)性能要求。

2)全鏈路通信模型中RSU-OBU空口時延滿足V2X通信空口時延100 ms之內(nèi)的行業(yè)要求。

3)數(shù)據(jù)量(車輛數(shù))增多時,V2X通信數(shù)據(jù)完整度降低,符合通信鏈路收發(fā)質(zhì)量規(guī)律。今后將針對大數(shù)據(jù)量、高并發(fā)場景進(jìn)行充分測試和系統(tǒng)優(yōu)化。

4)鏈路尾端數(shù)字孿生應(yīng)用程序運(yùn)算效率對全鏈路時延影響也不容小覷,尤其是數(shù)據(jù)量增大時應(yīng)用程序負(fù)載亦同步增大,未來應(yīng)通過優(yōu)化算法降低應(yīng)用全鏈路時延。

未來,將繼續(xù)緊密圍繞高速公路工程的實(shí)際應(yīng)用,持續(xù)深化研究車路協(xié)同全鏈路通信的各個關(guān)鍵技術(shù)的研究和效能優(yōu)化,為工程化的大范圍應(yīng)用提供高效可行的方案。