苑壽同　趙鵬超　胡鑫

摘 要：針對當(dāng)前車路協(xié)同應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(jī)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(jìn)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(yùn)輸系統(tǒng)，進(jìn)而提高交通運(yùn)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(kuò)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(dá)、光學(xué)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(jìn)、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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，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(dá)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(biāo)準(zhǔn)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)通常可以分為車載系統(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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)，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(zhǔn)確的消息在準(zhǔn)確的時機(jī)進(jìn)行信息交互（包括請求、響應(yīng)、確認(rèn)等），從而可以使得整個信息交互得以準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(jìn) 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(fù)，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?jǐn)U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(biāo)志信息，其中交通事件信息支待GB/T 29100-2012，交通標(biāo)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(biāo)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(biāo)。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(jī)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(dāng)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(jìn)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(dāng)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(dāng)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(biāo)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(yùn)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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