車路協同RSU軟件系統的設計與實現

潘景劍 候春輝 張翔宇

摘要：提出了一種車路協同路側單元（RSU）軟件系統的設計方案，論述了RSU在車路協同系統中的位置及功能，提出功能架構設計、系統架構設計、安全服務設計等若干需要解決的核心問題。詳細闡述了解決這些問題用到的關鍵技術和設計方案，對車路協同系統進行測試，并在實際工程項目進行應用和功能驗證，證明了該系統設計的可行性和合理性。

關鍵詞：智能交通系統;車路協同;路側單元;V2X

中圖分類號：TN929.52文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2022）02-60-4

0引言

在現實交通中，機動車保有量和道路交通量不斷增加，路況隨機性強，車輛、行人眾多，亟需通過智能交通系統（ITS）建設提升道路交通系統的安全性和通行效率。車路協同系統作為智能交通的重要組成部分，在實時、可靠的全時空交通信息的基礎上，實現車輛與道路設施的智能化和信息共享，保證交通安全、提高通行效率，在高速公路等領域具備廣泛的應用前景[1]。車路協同技術正成為各國智能交通系統技術研發和落地應用的熱點[2]。

車路協同是采用先進的無線通信和新一代互聯網等技術，全方位實施車-車（V2V）、車-路（V2I）動態實時信息交互[3]。并在全時空動態交通信息采集與融合的基礎上開展車輛主動安全控制和道路協同管理，充分實現人、車、路的有效協同，保證交通安全，提高通行效率，從而形成安全、高效和環保的道路交通系統。RSU部署在路側，實現路側信息與車側信息的實時交互，是車路協同系統的重要組成部分。

1總體設計

車路協同通過V2V、V2I、車-人（V2P）、車-網（V2N）等信息交互、共享[4]，使車和周圍環境協同與配合，實現智能交通管理控制、車輛智能化控制和智能動態信息服務的一體化網絡。

車路協同系統分為車載設備、路側設備、平臺層和業務層四部分。OBU安裝在車輛上，用于實現V2X通信，可實現本車與其他車輛OBU、RSU、行人和車路協同平臺的通信;RSU利用攝像機、激光雷達、毫米波雷達、環境感知設備等多傳感器信息融合數據，實現道路信息匯聚，并實現平臺層與車載設備信息交互;平臺層通過邊緣計算和云平臺實現信息實時處理和流程管理;業務層實現各種具體的應用功能。4個部分共同合作實現車路協同系統功能，RSU在車路協同系統中的位置如圖1所示。

為了更好地為公眾出行服務，車路協同重點關注提升出行安全和提高交通效率。中國汽車工程學會T/CSAE 53-2017發布的17種應用場景標準，包括碰撞預警、變道輔助等主動安全類場景，車速引導、限速預警等交通效率類場景，以及近場支付、信息回傳等信息服務類場景[5]。

為實現車路協同各種場景服務，在路側部署各種形態的通信設備RSU，匯集路側交通設施和道路交通參與者的信息，上傳至車路協同平臺，并將車路協同消息廣播給道路交通參與者。RSU需要具備多種通信方式，通過不同的傳輸方式進行消息傳遞，包括LTE-V2X PC5通信、LTE Uu通信、5G Uu通信，以及正在制定中的5G-V2X PC5通信等[6]，滿足車路協同不同的應用場景對消息傳遞在傳輸時延、數據量等方面的需求。

2需解決的問題

為了高效地完成車路協同RSU軟件系統的設計與實現，需要解決以下幾個問題：

①功能架構：RSU軟件系統功能豐富，包括業務功能、管理功能、安全功能等，其中業務功能主要包括數據上傳與下發、消息協議轉換等。能否對系統功能進行詳細分解，做到系統功能完備性、功能架構合理性，實現系統運行效率最大化，是RSU軟件系統設計的重點。

②系統結構：RSU系統結構復雜，如何確定軟件的總體結構和模塊組成，并明確每個模塊的邏輯結構、模塊間的調用關系，以及每個模塊的輸入和輸出，在保證模塊獨立性的同時，做到高內聚、低耦合，是設計時需要解決的一個重要問題。

③安全服務：車路協同作為國家智能汽車發展戰略以及國家新基建的重要組成部分，涉及個人安全、公共安全乃至國家安全。如何保證車路協同不同廠家、不同設備之間的互通互認，保障車路協同通信安全，是設計時需要解決的又一重要問題。

3設計實現

3.1功能架構設計

為了實現車路協同系統整體功能支撐，RSU結合功能需求和特點，對系統功能進行了分類定義，在大的功能模塊基礎上又細分為小的功能模塊，多層次進行劃分，保證了系統功能的完備性和功能架構的合理性。RSU軟件功能架構如圖2所示。

RSU軟件系統劃分為6個功能模塊：

①MQTT功能：包括訂閱客戶端和發布客戶端，負責接收云平臺的配置操作，并完成設備心跳及環境數據的上報。

②操作管理：負責云端數據格式解析功能及消息中轉，負責告警信息、狀態信息、統計信息的收集及上報，負責配置管理維護。

③消息下發：按照平臺配置的管理策略觸發RSI、MAP消息定時下發功能，負責RSM、SPAT消息接口轉換及實時下發;負責BSM消息的封裝及平臺上報。

④V2X協議棧：實現消息層數據的ASN.1編解碼、網絡層協議格式的封裝解封裝、網絡層DME管理功能，以及V2X模組的無線數據收發功能。

⑤安全功能：包括證書的管理維護功能、數據的簽名驗簽、數據加解密以及其他系統安全功能。

⑥單元測試：實現RSU軟件的單元測試功能。

通過上述功能架構設計，對RSU系統功能進行模塊劃分和定義，保證RSU系統功能架構的合理性和完整性。

3.2系統結構設計

RSU系統軟件需要實現數據傳輸、消息適配、業務應用等功能，其中每部分功能實現需要多個模塊共同完成。為了適應上述要求，在明確每個功能模塊的邏輯結構、相互間調用關系的基礎上，RSU軟件系統建立了如圖3所示的RSU系統結構。

RSU系統結構分為應用層、消息層、網絡層和設備驅動層4個部分。

①應用層：負責處理業務邏輯，實現消息的收發、對接云端管理接口、定時邏輯及實時下發，故障信息、狀態信息、統計信息和環境信息的收集上報，以及應用層數據的安全，與車路協同系統平臺層通過MQTT協議進行通信，與消息層通過函數調用的方式進行通信。

②消息層：負責數據編解碼，依賴網絡層數據實現應用消息的ANS.1編解碼，與網絡層通過消息隊列的方式進行通信。

③網絡層：遵循直連通信短消息協議實現網絡層數據收發，與設備驅動層通過UDP套接字進行通信。

④設備驅動層：通過C-V2X蜂窩移動通信技術、短距離無線通信技術、有線網絡傳輸實現UU/PC5/有線的網絡通信底層驅動功能，可直接操作底層硬件設備。

通過上述系統結構設計，成功將RSU系統進行分層，可以保證上層控制和路側終端消息的傳輸，不論空口或有線傳輸的消息，都能快速、準確地進行適配和轉發，從而進行相應的處理，保證信息處理的實時性和有效性。

3.3安全服務設計

車路協同面臨著假冒網絡、信息竊取、假冒終端、虛假信息及隱私泄露等安全風險。鑒于車路協同通信安全的重要性，以及空口數據傳輸的不穩定性，車路協同系統需要具備設備認證、信息完整校驗、隱私保護、機密保護等安全能力。

車路協同是相互沒有關系的設備之間進行隨機通信，RSU安全通信采用業界共識的基于PKI的安全機制實現車路協同設備之間的認證和通信安全。相關設備需要根據實際場景對接收到的信息提供安全服務，保證車路協同通信安全。

RSU安全通信服務架構如圖4所示，由安全數據處理功能、安全憑證管理功能、安全服務功能等構成[7]。

①安全數據處理功能（SDPF）

SDPF位于RSU的車路協同應用服務實體中，負責基于特定的車路協同應用邏輯生成與處理安全消息，包括明文消息、簽名消息、加密消息等。SDPF根據需要調用安全服務功能提供的基本安全服務。

②安全憑證管理功能（SCMF）

SCMF負責與車路協同SCME交互獲得相關的公鑰證書和安全憑證、數據。SCMF需要與安全服務功能交互完成安全憑證和數據（例如公鑰證書和CRL）的導入和導出，以及密鑰的生成和導出等處理。

③安全服務功能（SSF）

SSF負責提供安全憑證和安全數據的存儲和密碼運算服務，通過API對外提供安全服務。SSF負責處理安全協議數據單元（SPDUs），并通過生成和處理SPDU為RSU設備提供簽名、驗簽、加密和解密等安全服務。

通過上述設計，RSU設備能夠實現對假冒終端、虛假信息的丟棄，保證信息傳遞機密性性，避免信息泄露，實現車路協同設備間的通信安全。

4設計驗證

RSU通過將車路協同系統作為一個整體進行系統集成測試完成實驗室功能驗證。經過實驗室驗證測試后，在新元高速5 km車路協同示范路段安裝部署RSU并進行了實際工程項目的測試驗證。新元高速車路協同系統拓撲如圖5所示。

通過測試，RSU在安裝高度為7 m，數據包為400 byte，發送頻率為10 Hz，零丟包率情況下實際覆蓋半徑大于500 m，時延小于25 ms，能夠正確、實時處理OBU發送的車輛信息，路側攝像機、激光雷達、毫米波雷達、環境感知設備等發送的傳感器信息，以及平臺層發送的信息實時處理和流程管理信息，未出現異常，滿足標準及設計要求，行駛場景提醒準確，可輔助車輛駕駛和交通管理，提升出行的安全性。測試和應用證明RSU能夠實現設計所需的功能及車路協同系統要求，其設計及實現是正確的。

5結束語

參考其他通信系統設備的設計思想，并充分結合車路協同系統的特點，實現了車路協同RSU軟件系統的功能架構、系統結構、安全服務等設計，結構合理、思路清晰，測試結果真實地反映了其在實際環境下的性能，可以滿足系統部署的需要。目前，該設計實現已被應用于實踐開發，對于同類開發或研究都具有參考價值。

參考文獻

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[4]和福建，田曉笛，王長園.車聯網發展現狀及趨勢研究[J].中國汽車，2019（4）：55-58.

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[6]中國信息通信研究院.車聯網白皮書： C-V2X分冊[EB/OL].（2019-12-26） [2020-03-11].http：//www.caict.ac.cn/kxyj/qwfb/bps/202001/t20200102_273007.html.

[7]周巍，朱雪田，夏旭.面向5G的車聯網安全業務研究[J].電子技術應用，2019，45（12）：34-37.

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