基于LTE-V的車路協同系統數據交互設計

苑壽同　趙鵬超　胡鑫

摘 要：針對當前車路協同應用層標準未完全確定、車路協同場景應用通信個體之間無法完全互聯互通的問題，本文開展數據交互系統設計研究，提出了基于LTE-V的車路協同系統消息層技術要求，定義了支持車路協同系統各類車載應用所涉及到的消息集合、消息體以及相應交互流程，歸納了數據交互類型，分析了典型業務場景數據交互需求，可以支撐車用通信系統應用場景開發、驗證及商用。

關鍵詞：LTE-V 車路協同 應用層 交互

1 前言

車路協同系統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、車路動態實時信息交互，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，從而形成的安全、高效和環保的道路交通系統，是智能交通系統的最新發展方向[1]。在車路協同關鍵技術方面，信息交互技術是基礎，車路協同應用場景的實現都是建立在數據交互基礎上。隨著無線通信技術的迅速發展，通過車內、車車、車路等通信機制，可收集到更多與行車有關的信息，例如車輛狀態、道路狀況、交通環境等，并進一步將收集到的信息有效的整合，建立車路云網協同一體化的交通運輸系統，進而提高交通運輸系統的效率、安全和持續性。

目前，國外車路協同系統通信方面的研究，最早主要是基于IEEE802.11p/1609協議的車路通信多信道協調應用、廣播機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車聯網概念，并LTE-V車路協同系統國際標準的制定[2]。目前車路協同形成了美國主導的IEEE 802.11P（DSRC）和以國內企業推動的LTE-V陣營。LTE-V是面向智能交通和車聯網應用、基于4G LTE系統的演進技術，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絡，支持大帶寬、大覆蓋通信，滿足Telematics應用需求;LTE-V-Direct可以獨立于蜂窩網絡，實現車輛與周邊環境節點低時延、高可靠的直接通信，滿足行車安全需求。LTE-V-Direct模式能夠將車輛感知范圍擴展到數百米的探測距離，與目前已有的其它車輛感知系統如雷達、光學攝像頭的探測范圍相比有很大優勢。多種探測手段相結合，借助融合信息處理技術，能夠有效提升行車安全和交通效率問題[3]。

雖然802.11P具有客觀的先發優勢，目前已具備商用芯片并積累了多年的測試經驗;而LTE-V作為面向車聯網應用、基于LTE演進、具有自主知識產權的技術，則具備諸多后發優勢。LTE-V在設計過程中充分借鑒了802.11P的經驗和不足，在系統容量、覆蓋范圍等方面具有顯著的性能優勢;LTE-V可以充分利用LTE蜂窩網絡優勢，保證業務的連續性和可靠性，還能夠利用基站與托管的云端服務器連接，進行如高清影音等高速數據傳輸。然而由于車路協同場景復雜、標準未完全建立，LTE-V在技術、產業化和數據互聯互通等方面還存在著推廣難題。因而本文基于LTE-V的車路協同系統開展數據交互設計，推動LTE-V在實際部署應用中實現各交通主體互聯互通，加快LTE-V直連通信技術驗證與應用落地。

2 車路協同數據交互系統概述

車路協同系統一般由車載系統、路側系統、云服務系統及數據交互系統組成。數據交互系統為包括車車、車路、車云、路云等數據交互模塊，通信方式包括LTE-V、5G、Wifi、光纖通信等方式，實現車載系統、路側系統和云服務系統間的低時延、高可靠信息通信，保障數據交互安全。

我國已經完成了第一階段的車載通信系統的各項基礎標準，包括接入層，網絡層和應用層，確保了應用層消息數據的互聯互通，通過數據交互通用消息集合和通用交互流程設計，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的車載應用[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，在通信可達范圍內的交通參與者均可以接收到相應的消息。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給出了車路協同系統涉及到的通信節點之間的關系示意圖。

3 數據交互系統設計

參考國際標準化組織（ISO）制定的通信系統七層參考模型，基于LTE-V的車路協同系統數據交互系統通常可以分為車載系統應用、應用層、傳輸層/網絡層、安全和接入層。本文主要研究應用層以及應用層與上下相鄰兩層之間的數據交互接口協議以及涉及到對等層之間的數據消息格式[6]。圖3給出了車用通信系統的基本分層結構，應用層主要包括為支持車路協同系統各類車載應用所涉及到的消息集合、消息定義（數據幀、數據元素、數據結構和具體的編碼方式）以及相應交互流程定義。

通過清晰的分層設計以及標準化的消息定義（包括數據幀、數據元素、數據結構和編碼方式）以期各層開發者可以專注于本層的系統協議開發和互聯互通，而無需涉及其他層的具體技術和通信方式。同時，充分考慮車載通信系統和設備的平滑演進，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確的消息在準確的時機進行信息交互（包括請求、響應、確認等），從而可以使得整個信息交互得以準確、及時的完成，以支撐車路協同各項場景應用。

3.1 消息層技術要求

消息層數據集用ASN.l 標準進行定義，遵循“消息幀-消息體-數據幀-數據元素”層層嵌套的邏輯進 行制定。數據集交互的編解碼方式遵循非對齊壓縮編碼規則UPER。本文定義的消息層數據負，主要由1個消息幀格式，5個最基本的消息體以及相應的數據幀和數據元素組成，如圖4所示。

消息幀是單個應用層消息的統一打包格式，是數據編解碼的唯一操作對象。消息幀由不同類別的消息體組成，并支持擴展。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用層消息，用來在車輛之間交換安全狀態數據。車輛通過該消息的廣播，將自身的實時狀態告知周圍車輛，以此支持一系列協同安全等應用。地圖消息MAP由路側單元廣播，向車輛傳遞局部區域的地圖信息，包括局部區域的路口信息、路段信息、車道信息，道路之間的連接關系等。交通事件消息RSI適用千由路側單元向周圍車載單元發布的交通事件信息以及交通標志信息，其中交通事件信息支待GB/T 29100-2012，交通標志信息支持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志信息，同時包含發送該消息的路側單元編號以及參考位置坐標。路側安全消息RSM路側安全消息。路側單元通過路側本身擁有的相應檢測手段，得到的其周邊交通參與者的實時狀態信息（這里交通參與者包括路側單元本身、周圍車輛、非機動車、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信息，廣播給周邊車輛，支待這些車輛的相關應用。信號燈消息SPAT包含了一個或多個路口信號燈的當前狀態信息，結合MAP消息為車輛提供實時的前方信號燈相位信息。

數據幀由其他數據單元或數據類型組合而成，是消息體的組成部分，主要數據內容見表1。

3.2 數據交互類型

數據交互的類型分為定周期發送式、請求響應式和事件驅動式三種形式。

周期發送式：車路協同通信模塊可以定期的向其他無線通信模塊發送數據。在完成鏈路建立后，車路協同通信模塊間進行周期性的數據交互，直至應用終止鏈路連接。周期性發送的收據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。

請求響應式：只車路協同系統某模塊發出數據請求時，需要通信的模塊應回應請求才能發出數據。在完成鏈路建立后，車路協同系統應用向通信模塊發出特定數據請求，該請求包含了被請求的車路協同系統實體的ID、被請求的車路協同系統實體的應用程序以及請求的數據類型，請求通過無線通信模塊轉發給目的車路協同系統模塊回應請求發送數據。

事件驅動式：當發生特定事件時車路協同系統應用將事件發送給需要交互的終端。這種發送方式是定周期的，應用應該分配事件重要緊急程度，發送周期根據事件重要緊急程度調整。當特定事件失效時，車路協同系統應用應停止發送數據。

4 典型業務場景數據交互定義

基于LTE-V的車路協同應用場景可劃分為三大類： 交通安全類（Safety）、交通效率類（Traffic Efficiency）以及信息服務類（Infotainment/Telematics）。行業按場景重要程度推薦了17中應用場景，見表2。本文針對典型基礎業務場景對交互數據需求開展系統分析如下。

5 結論

本文基于LTE-V的車路協同系統數據交互無法互聯互通的問題結合主要應用場景功能開展數據交互系統設計，定義了消息層技術要求和數據交互類型，依據車路協同系統的主要技術指標設計車路協同系統應用層數據交互方式，設計包括：通信參數、運行模式、握手過程、消息類型、數據報結構等，并針對基礎業務場景分析了數據交互需求，可以支撐車用通信系統應用場景開發、驗證及商用。

參考文獻：

[1]繆立新，王發平.V2X車聯網關鍵技術研究及應用綜述[J].汽車工程學報，2020，10（01）：1-12.

[2]羅軼溧. 基于車聯網的“智軌”數據傳輸方式設計與驗證[D].北京交通大學，2019.

[3]張東偉. 基于WAVE通信協議的車路協同系統的研究與設計[D].天津理工大學，2018.

[4]鄒楓. 智能交通車路協同系統數據交互方式設計與驗證[A]. 中國土木工程學會城市軌道交通技術工作委員會、世界軌道交通發展研究會.2015中國（天津）區域軌道交通發展及裝備關鍵技術論壇暨第24屆地鐵學術交流會論文集[C].中國土木工程學會城市軌道交通技術工作委員會、世界軌道交通發展研究會：中國土木工程學會，2015：13.

[5]張樹忠. 基于OPNET/HLA的車路協同信息交互仿真研究[D].北京交通大學，2013.

[6]陳皓. 基于Wi-Fi Direct的車路協同數據分發技術[D].長安大學，2015.

[7]張柳. 基于車路協同的信息采集與通信技術應用研究[D].武漢理工大學，2018.