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1、基于车路协同的通信机制研究陈科良，王丹志（北京邮电大学电子工程学院）510152025摘要：本文在调研了当今社会由于城市交通迅速发展所带来的交通问题之后，通过研究分析设计出了一套适用于当前复杂环境下的城市交通诱导系统的基于车路协同的协同通信机制。这套通信机制根据智能交通诱导应用的需求进行了优化，最后提出了一套对于交通环境下普适的通信机制，为智能交通诱导系统应用的展开奠定了良好的网络基础，并解决了关系诱导系统好坏的关键性问题。关键词：通信网络技术；智能交通；车路协同；通信机制中图分类号：G316Research Of Communication Mechanism Based OnCollabo
2、rative Between Road And VehiclesChen Keliang, Wan Danzhi(Electronic Engineering School, Beijing University of Posts andTelecommunications,Beijing,100876)Abstract: In this paper, after a survey in the problems which is caused by the rapid developmentof urban traffic of todays society, finally design
3、a collaborative communication mechanism basedon the of collaborative between road and vehicles under the current complex environment suitablefor urban traffic guidance systems through collaborative research and analysis.Thiscommunication mechanism is optimized based on the needs of intelligent traff
4、ic guidanceapplications and finally proposed a set of communication mechanism adapted for trafficenvironment， formed a good network infrastructure for the expanding of the application ofintelligent traffic guidance system and solved the key problem which Influence the quality of theguidance system.K
5、ey words:Communication network technology;Intelligent Transportation;CollaborativeBetween Car And Road;Communication Mechanism0 引言3035智能交通运输系统( intellig ent t ransportation systems, ITS) 是目前世界交通运输领域的前沿领域, 已成为世界各国极力投注资源推动的重点之一, 在美国、日本及欧盟等众多先进国家尤其受到重视, 被认为是提高道路交通的可靠性、安全性和减少环境污染的有效手段之一。车路协同系统( cooperat
6、ive v ehicle-inf rastructure system, CVIS) 是基于无线通信、传感探测等技术获取车辆和道路信息, 通过车车、车路通信进行交互和共享, 实现车辆和基础设施之间智能协同与配合, 达到优化利用系统资源、提高道路交通安全、缓解交通拥堵的目标。近年来, 电子信息和无线通信技术的迅速发展与应用, 推动了CVIS 的发展。其作为ITS的重要子系统也备受国内外科研人员关注, 是世界交通发达国家的研究、发展与应用热点。近观我国，对于智能交通诱导方面的研究也拥有丰富的研究背景：1作者简介：陈科良(1990-)，男，硕士，车联网与智能通信通信联系人：王丹志(1964-)，男，
7、副教授，宽带无线通信. danzhiwang-1-404550（1）“物联网”已成为发展现代交通业的重要抓手。在物联网快速发展的背景下，交通运输的整个组织管理形态将发生质的变化，管理部门、运载工具、出行者、基础设施、承运方、货主方等原先离散的交通参与方都能够通过物联网对等的连接为一体，各个参与方都将成为庞大的交通物联网络中的智能节点，每个参与方既采集交通信息又发送交通信息，使整个交通信息网络成为“智能交通网络”。2（2）智能交通领域物联网应用处于一个十分有利的历史时期，交通运输部在大部制改革后，被赋予城市交通的管理职能，正在积极筹划城市智能交通的发展和物联网技术应用。（3）物联网作为战略新兴产
8、业得到党中央、国务院的高度重视党中央、国务院高度重视物联网产业发展。2009年6月，胡锦涛总书记在两院院士大会上要求加快发展物联网技术，建设由无线传感器网络、通信设施、网络超算、智能软件构成的智能基础设施。2009 年8 月，温家宝总理在江苏考察中科院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心时，明确指示迅速建立“感知中国”中心，抢占全球新一轮网络技术发展的主动权。31 系统总体设计方案551.1系统体系架构整个智能交通诱导系统是一种基于RESTful架构的交通诱导信息处理发布平台架构，通过RESTful API进行共享和开放，实现交通诱导信息的共享。设计实现了基于REST（Representatio
9、nal State Transfer）的风格设计智慧出行交通数据资源统一的接口规范。实现完成对诱导信息的处理和发布功能，如图1所示。6065图2-1 智能交通诱导系统体系架构整个智能诱导系统分为四大部分：提供REST接口的云服务端、用户产生内容（UGC）运营端、路侧单元、车载单元以及传感器网络构成的底层传感网络体系以及第三方（地图供应商等）提供的开放数据。70云服务端提汇集了完备的交通数据，包罗城市、道路等静态数据，同时也存储了实时动态的交通数据，为各类子应用提供最丰富的数据源。图 1智能交通诱导系统体系架构UGC则是智能诱导系统的一个创新点所在，它通过用户（手机应用、公共服务等）主-2-动上
10、传公交数据，不仅减少了在数据统计上的开支，另一方面也增强了数据的实时性以及真7580实性。4第三方开放数据则为整个智能交通诱导系统提供成熟的技术支持，在开放的公交以及地图数据的基础上进行交通诱导服务的开发将会使诱导系统更加易于使用与人性化。最后一部分是路侧单元、车载单元以及传感器网络构成的基础传感网络，这也是本文重点研究的部分，这一底层传感网为上层应用提供了最基础的数据，也是智能诱导系统的核心所在。51.2通信网络架构整个智能诱导系统的通信节点由路侧节点、车载终端以及服务器构成，这三个通信节点之间进行相互通信组建起了整个智能交通诱导系统的网络框架，如图2所示：85图 2智能交通诱导系统通信网络
11、架构通过在车辆上安装无线通信设备， 将行驶中的车辆变成一个个移动无线网络节点，实现车辆内部各设备（设施）之间、车辆之间以及车辆与道路基础设施之间的高速移动互联。智能交通诱导系统的通信网络结构可以拆分为以下4个方面：（1）异构动态网络架构9095车辆定位模块、车辆信息采集模块、V2V（vehicle to vehicle， 车辆与车辆） 通信模块、V2I （vehicle toinfrastructure，车辆与基础设施）通信模块等需要与外界通信的功能模块，通过车载通信网关并以WLAN、WiMAX、蜂窝通信网络、通信卫星等方式接入被称为“路侧单元”（road side unit，RSU）的道路基
12、础设施或公共接入网络。6车载自组网的网络架构可以分为V2V 和V2I 两部分，其中V2V 也称为IVC（inter-vehicle communication，车辆互联通信）方式，可以使车辆实时监测道路上其他车辆的相关信息，并通过车载信息处理设备对信息进行综合分析处理后，为行车安全及智能辅助驾驶提供信息服务。7-3-车载自组网有以下特点：1、 车辆的高速移动性，因此车辆节点接入多变。因此接入算法需要适应多变的需求；1001051101152、车辆的高速移动性以及受道路周边建筑物和树木的影响，导致车联网的无线信道质量很不稳定。该网络的接入会保障可靠性，减少多普勒算法的影响；3、车载设备供电由车辆
13、进行保障，同时由于布设节点的规律性，通信的质量还是可以得到可靠的保障。（2）车-路通信车辆和路侧节点之间的通信以Wifi和zigbee为主。其中Zigbee通信是其主要通信方式，在不同的环境下以及传输不同的数据都会根据情况采取不同的通信机制，这一点在第三章中会详细说明。8（3）车-车通信车车通信部分采用的方式仅Zigbee方式一种，其主要创新点是车-车自组织网络的形式，其传输的数据内容和网络组建模式在后面也会有详细介绍。（4）车、路中心通信车、路和中心之间的通信则采用广泛应用的3G技术，主要是交互一些公共信息。92 通信机制架构整个车路系统的通信网络由三个类型的节点进行通信组成，分别为车载终端
14、组成的车载自组织网络、由路测节点组成的簇头栅格网络以及上层服务器组成的云平台。这三类型节点组成了网络通信的三层架构，如图3所示：10图 3基于车路协同的通信机制架构-4-整个车路协同通信系统由三部分基础要素构成：车载设备、路侧设备以及服务器。其中120路侧设备和车载设备之间的通信技术主要采用Zigbee以及Wifi、路侧设备和服务器之间的通信方式则以有线通信为主、3G数据通信方式为辅，另外车载设备还可以通过3G网络从服务器获取数据。113 协同通信机制1253.1车载设备与路侧设备通信机制车载设备和路侧设备的通信方式涵盖了Zigbee以及Wifi两种形式。这两种通信机制在车载设备和路侧设备的通
15、信过程中都会使用到的，只是在不同的应用场景下利用不同的通信机制进行通信。12（1）通信机制切换方式以十字路口为例，在车辆行驶进入到路侧设备节点zigbee覆盖范围内的时候，车载设备130连接至zigbee网络并自动接收由路侧设备采集并广播的其他车辆的位置已经运行状态信息。与此同时，通过zigbee网络上传自身的位置以及状态信息。图 4采用 zigbee 模式进行通信的示意图上述场景主要是车载设备和路侧设备之间进行基础数据（位置、状态等文本类型的数据）135交互时所采用的通信机制。如果车辆需要获取大容量数据（如图片、视频等）的时候，如果再通过zigbee网络进行传输则会受其带宽限制而导致延时长、
16、丢包严重等问题。因此，在这种情况下车载设备会在接收到图片以及视频请求的时候将和路侧设备的通信机制切换为wifi。如下图所示，摄像头不间断的采集红车一侧的视频图像信息，白车车载设备如果接收到获取图像或者视频信息的请求之后搜索附近的wifi信号并连接，获取视频图像信息。13-5-140图 5采用 wifi 模式进行通信的示意图（2） 通信协议车载终端与路侧节点各模块间的通信可以分为：车载底板与车载底板上的Zigbee模块的串口通信、车载与路侧Zigbee以及Wifi模块之间的无线通信、路侧节点ARM底板与Zigbee模145块之间的串口通信三个主要部分。通信结构如下图：图 6车载和路侧进行通信的结
17、构图车载设备与路侧设备之间的通信协议是该部分研究的重点，其帧格式定义如下：表 1GPS 上传帧命令字长度身份字GPS 信息校验位-6-150表 2GPS 广播帧表 3表 4表 5表 6其他信息请求帧温湿度信息下发帧文本信息下发帧路侧在位广播帧1553.2车载设备与车载通信机制车载设备和车载设备之间的相互通信机制则只采用zigbee这一种。其传输的消息内容相对车载和路侧之间的数据传输内容也较少。（1）通讯网络构建方式每一个车载设备在车辆行驶的过程中总是在不断向周围通过zigbee网络广播自身的位160置、速度以及加速度信息。其他车载设备在检测到该车载设备广播信号的zigbee网络信号的时候自动接
18、入网络并接收数据，在数据发送完成之后断开连接，并继续监测其他的zigbee网络信号。14-7-命令字长度身份字下发内容校验位0XFB0X0B标识温度（3 字节）、湿度（3 字节）和校验1 字节1 字节2 字节6 字节1 字节命令字长度身份字GPS 信息校验位0XFD0X15标识纬度、经度、时间、速度（各 4 字节）和校验1 字节1 字节2 字节16 字节1 字节命令字长度身份字请求内容校验位0XFC0X15标识环境信息（0X01）、图片（0X02）等和校验1 字节1 字节2 字节1 字节1 字节命令字长度身份字下发内容校验位0XFA未定标识路况等信息和校验1 字节1 字节2 字节未定字节1 字
19、节命令字身份字校验位0X00物理地址和校验1 字节8 字节1 字节0XFE0X15标识纬度、经度、时间、速度（各 4 字节）和校验1 字节1 字节2 字节16 字节1 字节图 7车车之间 zigbee 通信示意图165（2）通信协议车载终端与车载各模块间的通信可以分为：车载底板与车载底板上的Zigbee模块的串口通信、车载与车载Zigbee模块之间的无线通信、车载底板与Zigbee模块之间的串口通信三个主要部分。通信结构如下图：Zigbee模块口串车载底板车载终端ZigbeeZigbee模块口串车载底板车载终端170图 8车载和车载进行通信的结构图车载设备与车载设备之间zigbee通信的帧格式
20、定义如下：表 7GPS 上传帧3.3车载设备与服务器通信机制车载设备与服务器的通讯机制主要采用3G的形式，通过车载设备通过3G网络向服务器-8-命令字长度身份字GPS 信息校验位0XFE0X15标识纬度、经度、时间、速度（各 4 字节）和校验1 字节1 字节2 字节16 字节1 字节175发送相应的数据请求。服务器解析了数据请求的内容之后将相应的数据再通过3G通道下发给车载设备。由于3G网络的覆盖范围比较广泛，因此，可以该部分数据基本可以是随时都可以获取的。15（1） 通信机制建立方式该部分数据通讯的建立可以分为用户主动请求和服务器推送两种。180图 9主动请求的形式获取数据上述场景主要是车载
21、设备和服务器设备之间通过车载设备主动请求进行数据（路线规划、路侧设备所拍摄路口照片等）交互时所采用的通信机制。车载设备在需要向服务器请求这些类型的数据的时候检测周边的3G网络并进行连接。接入3G网络之后向服务器发送相应185的请求，服务器则在分析好请求之后将数据再通过3G通道返回给车载设备。图 10采用 wifi 模式进行通信的示意图上述场景主要是车载设备和服务器设备之间通过服务器推送消息的形式进行数据（天气、实时路径规划方案更新等）交互时所采用的通信机制。服务器不断的向车载设备下发相190应的数据。车载设备在连接至3G网络的时候能够自动接收到这些数据并下载到设备中进行-9-处理。（2） 通信
22、协议车载设备与服务器间的通信其设备参与者主要就是车载设备和服务器，车载设备可以向服务器请求进行路径规划方案，而服务器主动向车载设备推送当前的天气、交通资讯、公共195设备状况等信息。其采用的通讯方式为http请求的形式，其通信协议格式如下所示：16表 8路口表表 9路径规划方案表表 10道路表“金通大道”2003.4路侧设备与服务器通信机制路侧设备和服务器的通讯机制采用有线传输和3G网络传输相结合的形式。主要考虑到不同路段路侧终端布设的承载体的具体形式而采取不同的网络通讯方案。在网络电缆不容易布设的地段采用3G形式、其余的非特殊地段则可以采用有线的形式以节约成本。（1） 通信机制建立方式路侧设
23、备和服务器之间的连接是socket长连接的形式，其连接只要连接上则不再断开，205数据在连接之后实时上传。17（2） 通信协议- 10 -参数名称描述示例planid方案ID号100gpsx路侧节点的GPS经度坐标124.2gpsy路侧节点的GPS纬度坐标125.5roadlist规划路段列表Listcrossinglist路口信息列表Listtime下发时间2013-1-1311:23：23参数名称描述示例nodeid节点的ID号100temper节点温度123hum节点湿度200path节点图像信息的路径Upload100-2.jpgrec_time最后记录数间2013-07-0923:1
24、7:26参数名称描述示例nodeid道路的ID号100Loc道路经纬度列表ListDes道路描述表 11温湿度信息上传帧4 结论本文给出了智能交通诱导系统的整体体系架构以及其通信网络架构。之后的研究都是在210215220225230235这一基础架构的基础上进行研究与开发的。另外通过分析仿真验证得出了基于车路协同的通信机制方面的研究成果，依据通信双方的对象不同而进行区分性研究。最后得出了针对车-路，车-车、车-中心以及路-中心的通信机制以及通信内容的最优解，为之后的研究奠定了良好的通信基础。参考文献 (References)1 Li Tianwen,Tang Guoan,etal.The q
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