華 偉 范志恒 廖湘榮

（深圳市金溢科技股份有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

長期以來，自動駕駛車主要依靠自身的能力對駕駛環(huán)境進行識別，由于所采用的信息采集設備（例如攝像頭、激光雷達以及毫米波雷達等）的感知條件有局限性，因此會加大實現(xiàn)全工況無人駕駛的難度，導致交通事故頻發(fā)。另外，感知設備的成本遠高于市場可接受的范圍，對自動駕駛汽車的總體成本造成影響，引發(fā)商業(yè)落地難等問題，影響了自動駕駛的發(fā)展進程。近年來，“聰明的車+智慧的路”逐漸被行業(yè)所認可，或成為未來自動駕駛發(fā)展的主要方向[1-3]。

“聰明的車+智慧的路”的工作模式離不開車聯(lián)網(wǎng)，車聯(lián)網(wǎng)作為物聯(lián)網(wǎng)的主要應用領域，是信息化與工業(yè)化深度融合的重要方向。在車間與車路間的通信技術除專用短程通信技術（Dedicated Short Range Communication，DSRC） 外，還有以蜂窩網(wǎng)絡為基礎的C-V2X 技術。后者具有清晰的技術演進路線，其演進路線分為3個階段，支持LTE-V2X 的3GPPR14、支持LTE-eV2X 的3GPPR15以及支持5G-V2X的3GPPR16，由我國政府和企業(yè)主導推進。其技術可直接應用于車載電子或路側(cè)設備中，具有廣闊的市場應用場景和良好的技術牽引力。將為車聯(lián)網(wǎng)關鍵通信技術的發(fā)展提供支撐[4-5]?；谲囉脽o線通信技術（vehicle to X，V2X）的電子終端的成功研發(fā)將會加速C-V2X 技術標準在車聯(lián)網(wǎng)領域應用的成熟度和產(chǎn)業(yè)化進程。車聯(lián)網(wǎng)關鍵技術分布在“端-管-云”3個層面，該項目是“端”層面，是實現(xiàn)車輛和路測設施智能化、網(wǎng)聯(lián)化的關鍵點[6-7]。該文研究的基于LTE-V2X的車載智能設備和路側(cè)智能設備可以支持實現(xiàn)自動駕駛車與道路基礎設備的交互，為智能網(wǎng)聯(lián)汽車獲取超視距的環(huán)境信息提供支持，有助于保障道路交通的安全以及提高道路的通行率。

1 路側(cè)智能設備開發(fā)

1.1 路側(cè)智能設備架構(gòu)設計

該文設計的路側(cè)智能設備是在路端實現(xiàn)對道路交通云、邊以及端進行協(xié)同控制的最小單元，具有通信、計算、存儲以及控制等核心能力，通過有線或無線通信以及統(tǒng)一的邏輯架構(gòu)實現(xiàn)完整的功能。路側(cè)智能設備的功能架構(gòu)如圖1所示。

圖1 路側(cè)智能設備功能架構(gòu)

路側(cè)智能設備在車路交互方面提供LTE-V2X、5G雙網(wǎng)路通信，能夠?qū)崿F(xiàn)通信的低時延與高帶寬。在接入方面，可以通過邊緣計算單元實現(xiàn)路側(cè)基礎設施感知、交通運行感知、交通氣象環(huán)境感知以及路側(cè)可變標志等的接入與管理。匯集上述所有信息并接受來自云端控制平臺的遠端信息、控制指令后，路側(cè)智能設備將完成區(qū)域內(nèi)應急信息的快速發(fā)布、控制指令的分發(fā)以及融合數(shù)據(jù)處理任務，同時，路側(cè)智能設備具備接收周邊其他路側(cè)智能設備信息的能力，可以快速傳遞和發(fā)布周邊緊急事件的相關信息。

1.2 路側(cè)智能設備硬件設計

該文設計的路側(cè)智能設備采用LTE-V2X專用短程通信，工作于5.905 GHz～5.925 GHz專用頻段，滿足3GPP LTE Release 14標準，主要由中央處理器、LTE-V2X模組、GNSS模組、5G模組、Wi-Fi模組、千兆以太網(wǎng)、RS232/RS484接口以及電源模塊等部分組成?？梢园惭b于道路、交通路口、停車場、機場以及高速公路等場景，用于實現(xiàn)車路協(xié)同與輔助自動駕駛的功能。

路側(cè)產(chǎn)品采用高性能處理器，內(nèi)置高精度定位模塊，除LTE-V/DSRC通信以外，還具備4G通信、Wi-Fi和藍牙（Bluetooth）等無線通信功能，提供RJ45以太網(wǎng)和RS232通信接口，能全面滿足各種通信需求，支持直流供電與POE供電2種模式。

1.3 路側(cè)智能設備軟件設計

路側(cè)智能設備采用Linux操作系統(tǒng)，是一個基于POSIX和Unix的多用戶、支持多線程和多CPU的操作系統(tǒng)。軟件通過層次化的設計實現(xiàn)設備與資源的抽象和管理。系統(tǒng)的支撐與管理功能包括數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)安全管理、系統(tǒng)監(jiān)控以及操作維護等功能。路側(cè)智能設備軟件采用分層設計，分為驅(qū)動層、協(xié)議層和應用層，如圖2所示。

圖2 路側(cè)智能設備軟件設計框架

路側(cè)智能設備軟件采用分層設計，分為驅(qū)動層、協(xié)議層和應用層。驅(qū)動層與硬件布局接線相關，對上層提供統(tǒng)一的I/O功能，屏蔽硬件上的細節(jié)信息。協(xié)議層包括應用層消息收發(fā)/解析功能、網(wǎng)絡層（UDP、TCP、IP、串口通信等）消息收發(fā)/解析功能。應用層實現(xiàn)路側(cè)智能站系統(tǒng)能力、操作維護管理等功能。

2 車載智能設備開發(fā)

2.1 車載智能設備架構(gòu)設計

車載智能設備通過LTE-V2X專用短程通信網(wǎng)絡與路側(cè)智能設備或其他車輛通信。獲取路側(cè)信息或他車信息，并將該車的信息發(fā)送給路側(cè)智能設備和其他車輛，實現(xiàn)車車、車路協(xié)同控制。智能車載設備通過5G網(wǎng)絡與交通控制中心聯(lián)接，實現(xiàn)車輛狀態(tài)信息上傳、道路狀況分析以及智能駕駛輔助等功能。智能車載設備功能架構(gòu)如圖3所示。

圖3 智能車載設備架構(gòu)

2.2 車載智能設備硬件設計

該文所設計的車載設備是連接路端和車端、車端和車端的通信設備。具有通信、計算、存儲以及控制等核心能力，設備工作于5.905 GHz～5.925 GHz專用頻段，通過有線或無線通信以及統(tǒng)一的邏輯架構(gòu)實現(xiàn)完整的功能。除中央處理器外，還集成了LTE-V2X模組、5G模組、GNSS模組、以太網(wǎng)Switch、CAN、Wi-Fi和藍牙等豐富的接口及其他通信方式擴展。支持國標ITS協(xié)議棧，可接收、儲存并實時更新車輛的行駛數(shù)據(jù)，包括當前車速、行駛方向、油門深度以及車距等，向其他車輛或者路側(cè)智能設備發(fā)送當前行駛狀態(tài)數(shù)據(jù)；接收路側(cè)智能設備發(fā)送的交通事件、交通管理的信息，達到危險預警、安全高效駕駛以及輔助自動駕駛的目的。

車載設備的LTE-V2X模組用于與其他設備進行專用短程通信，實現(xiàn)車路協(xié)同應用。5G通信模塊主要用于設備與服務器或云端的通信、OTA升級和T-BOX應用。CAN接口內(nèi)置2路CAN接口，分別為低速CAN接口和高速CAN接口，低速CAN接口用于CAN喚醒和低速通信應用。高速CAN接口用于高速通信應用。Wi-Fi 6除提供車內(nèi)熱點外，也可以進行基于Wi-Fi的無線升級。車載智能設備內(nèi)置Switch，可擴展1路車載以太網(wǎng)和多路千兆以太網(wǎng)接口，保障設備與汽車車機、中控以及多類型傳感器的通信，將安全預警信息傳遞給汽車中控，接收汽車中控下發(fā)的控制命令，也可用于多傳感器信息的融合。定位模組可以接收衛(wèi)星定位信號，向上層提供UTC時間及地理位置信息，提供與UTC整秒對齊的高精度秒脈沖。車載設備設計有硬加密模塊，可保障數(shù)據(jù)通信的安全。

2.3 軟件設計

車載智能設備軟件采用分層設計，分為驅(qū)動層、協(xié)議層和應用層。驅(qū)動層與硬件布局接線相關，為上層提供統(tǒng)一的I/O功能，屏蔽硬件上的細節(jié)信息。協(xié)議層具有應用層消息收發(fā)/解析功能、網(wǎng)絡層（UDP、TCP、IP、串口通信等）消息收發(fā)/解析功能。應用層具有實現(xiàn)車載智能設備系統(tǒng)能力、操作維護管理等功能，應用層主要分為2個部分，一部分作為基礎子系統(tǒng)，集合了更上層應用的公共部分，為這些應用提供交互接口，以便自由組合使用；另一部分使用基礎子系統(tǒng)提供的服務，構(gòu)建直接面向用戶的車輛安全、車路協(xié)同以及T-BOX類應用。車載智能設備軟件設計框架如圖4所示。

圖4 車載智能設備軟件設計框架

3 試驗場功能測試

3.1 通信性能測試

為測試、驗證集成多種通信方式的車路協(xié)同路側(cè)智能設備和車載智能設備的交互功能，在深圳市坪山試驗場開展了路側(cè)智能設備安裝搭建、車輛及車載智能設備環(huán)境搭建、定位基站搭建以及配套網(wǎng)絡環(huán)境與外場環(huán)境測試，進行了車路交互實地測試，以驗證V2X應用在不同通信環(huán)境、距離等條件下通信時延、丟包率等性能。

3.1.1 測試方案

設備性能測試主要測試集成多通信方式的車路協(xié)同路側(cè)智能設備與車載智能設備在不同場景下的通信交互性能，包括信號強度、通信時延以及數(shù)據(jù)丟包率等指標。采用的測試工具見表1。

表1 測試工具表

測試設備發(fā)出的信號：丟包、延時測試方案測試LTEV2X端到端的時延和丟包率，將OBU和RSU連接GNSS天線和V2X天線，按照方案開展測試。

3.1.2 測試結(jié)果及討論

表2為在空曠地帶的測試結(jié)果，按照OBU遠離和靠近RSU的方式分別測試多組時延數(shù)據(jù)。

表2 1 400 m測試結(jié)果示意圖

試驗表明，在空曠地帶超過1 000 m就無法收到數(shù)據(jù)，延時增大，數(shù)據(jù)無法接收，1 000 m以內(nèi)平均時延小于50 ms。

表3為空曠地帶的測試結(jié)果，按照OBU遠離和靠近RSU的方式分別測試多組丟包率數(shù)據(jù)。

表3 超過1 000 m測試結(jié)果示意圖

試驗表明，超過1 000 m的丟包率大于5%，影響數(shù)據(jù)正常通信，小于1 000 m的丟包率小于0.1%。

3.2 業(yè)務通信測試

3.2.1 測試方案

針對路側(cè)消息、車輛消息、地圖消息以及中心系統(tǒng)消息等進行道路施工事件、擁堵事件、車輛故障（異常狀況）事件以及氣象事件等場景的交互測試，主要開展了業(yè)務成功率測試和通信距離移動測試。業(yè)務成功率和通信距離移動性測試步驟如下：1）車輛從1 000 m的位置向RSU方向行駛，速度為120 km/h，接收RSU事件，根據(jù)OBU日志、RSU日志以及衛(wèi)星定位信息進行比對，測量不同通信距離OBU和RSU的業(yè)務成功率（采樣點間隔不大于50 m）。2）RSU在1 s內(nèi)分別進行5次不同的車路一體化業(yè)務，重復上述步驟。

重復測試（至少重復測試10次）。

3.2.2 測試結(jié)果

車速為120 km/h時，不同距離區(qū)間的車路交互業(yè)務成功率見表4。

表4 120 km/h業(yè)務成功率

實驗結(jié)果表明，在120 km/h的速度下，車路交互距離保持在600 m以內(nèi)其成功率大于99%。

4 結(jié)論

該文研究結(jié)果表明，具有車路協(xié)同功能的車載智能設備和路側(cè)智能設備可以通過信息交互來獲取自動駕駛車視距之外交通環(huán)境信息?？紤]設備通信環(huán)境和車輛行駛速度，設備在通信距離為500 m的范圍內(nèi)可以實現(xiàn)高效的業(yè)務信息交易，信息丟包率小于0.1%，端到端通信時延小于50 ms，可以滿足L4級的自動駕駛通信需求。