车路无线通信系统时空数据校准机制探讨

摘 要：车路无线通信系统是交通运输领域数字化、智能化应用的重要组成部分，但其信道带宽资源往往受到限制。在自动驾驶等应用场景中，需要利用无线通信系统传输大量带有时间信息和空间信息的车路交互应用数据。文章在对常见的车路无线通信系统的应用特性进行分析后，提出了一种针对拓扑结构较为稳定的专用短程通信网络时空数据校准机制，并说明这一机制如何降低了时空数据校准应用对车路无线通信系统信道资源的需求。

关键词：车路无线通信系统;时空数据校准;系统拓扑结构;专用短程通信

0 引言

车辆在应用中的快速移动特性决定了车辆通信系统一般都是采用无线通信技术来实现的。根据目前车辆通信系统的应用场景，与车辆进行通信的设备有可能是安装于另一辆车上的通信设备，也有可能是部署在路侧或数据中心的通信设备。车辆通信系统主要承担的任务包括车-车（车辆之间）通信和车-路（车辆与路侧设备或数据中心之间）通信。车路无线通信系统在本文的确切定义是，包含车辆和路端（广义包括路侧设施和数据中心）系统的无线通信系统，且应用目标与车辆通信系统高度一致。因此，车路通信系统与车辆通信系统在本文中将作为等同概念予以使用。

从技术角度看，车路通信系统可以采用任何一种无线通信技术。但从应用和管理的角度看，车路通信系统还要实现不同品牌车辆之间、与各种非车辆设备的互联互通。因此车路无线通信系统应用层数据的设计和使用，不仅要满足应用业务自身的要求，还要同时兼顾不同的物理层和网络层通信技术特性。

1 车路通信系统特性分析

在车路通信系统中所普遍采用的物理层、网络层和应用层的简化3层模型，是借鉴ISO给出的7层网络模型而形成的^[1]。根据ISO 7层网络模型的关系，物理层和链路层是支撑车路通信系统应用层的基础，因此对车路通信系统的分析以物理层和网络层基本特性分析为主。

目前，全球主流的车路无线通信技术，都可以归纳到两条主要技术路线上^[2]。一条技术路线被称之为专用短程通信。其中，IEEE 802.11p、日本ETC和LTE直连通信都是专用短程通信技术的典型代表。专用短程通信具有时延短、系统布设灵活、专用性强，但通信范围和带宽资源受限等特点。另一条技术路线则是以蜂窝无线移动通信技术为代表。蜂窝无线移动通信系统与专用短程通信系统相比，具有较大的通信覆盖范围和较丰富的带宽资源，但由于核心网的存在，带来通信时延较大、布设难度高等问题。

两种技术路线的技术在车路通信应用中，实质上是互补关系，而非竞争关系。不同的应用场景可能采用不同技术路线的无线通信技术，甚至在同一个应用场景下不同的应用数据也需要采用不同技术路线的无线通信技术进行传输。在两条技术路线上，相关的技术也在进行演进，并出现相互融合的现象。比如LTE技术是由早期的3G技术演进而来的。在这一演进过程中，LTE引入了专用短程通信的理念，并在技术标准设计上予以考虑，形成了LTE直连通信的相关标准。

综上所述，车路通信系统的特性，实际上就是专用短程通信系统与蜂窝无线移动通信系统特性的选择性呈现，或交替呈现。

2 系统拓扑结构对时空数据校准的需求

从理论上讲，任何信息化、数字化系统都需要具备系统内部成员的时间和空间数据校准机制，以使得系统内的各类应用都使用相同的时间基准数据和空间基准数据。由于时空基准数据属于应用层数据范畴，所以时空基准数据的传输和使用，也是车路通信系统应用层需要完成的一类重要任务。

传统的时间数据校准过程也被称为“时钟同步”过程。这一过程并不总是要求各个设备的时钟完全与标准时钟对齐，而只要求知道设备时钟与标准时钟的计时时间差（钟差）即可。只有当该钟差较大时才进行设备时钟的调整^[3]。“时钟同步”过程中的标准时钟就是基准时间数据。一般的信息化系统内部都会根据实际需要和系统内部设备时钟精度情况，定期进行“时钟同步”。

对于车路通信系统而言，时间数据校准既是非常重要的，同时也是比较困难的。首先，车路通信系统所支持的应用很多都是在车辆快速移动的场景下完成的，因此时间数据上的微小偏差就有可能导致应用效果的下降，甚至是应用的失效^[4]。其次，由于車辆移动性导致了车路通信系统的成员结构处于不断变化之中。网络中的成员在进行应用数据传输之前，不能确保他们已经通过常规的“时钟同步”进行了时间数据校准，这就要求时间数据校准工作需要随时随地进行。

空间数据校准的概念，与时间数据校准有很大不同，因为空间数据是没有基准数据可供参考的。车路通信系统中的设备根据自身的定位装置，实时获取自身位置信息（空间数据）。在空间数据校准中，设备将自己的实时位置信息共享给系统中的其他设备，这一空间数据的连续实施共享过程就是空间数据校准过程。

对于车路通信系统而言，空间数据的校准也是非常重要的。大量的智能交通应用，都是需要基于车辆实时位置信息才能实现的，如“碰撞预警”“路径规划”等。空间数据校准虽然与时间数据校准的过程有所区别，但都需要对相应数据进行持续传输。

3 分域校准机制探讨

车路通信系统中时空数据校准必须配合车路应用数据进行随时随地的传输，且传输时延与可靠性要求较应用数据本身更高，因此传输时延较大的蜂窝无线移动通信网络不适合来完成校准任务^[4]。采用专用短程通信网络来实现时空数据校准任务时，就要解决如何在带宽资源有限的专用短程通信网络上传输大容量时空数据的问题。

为了解决利用专用短程通信网络实现时空数据校准应用的问题，对时空数据进行了进一步的分析和研究。通过分析可以发现，时间数据和空间数据都是尺度范围和表达精度范围很大的数据，但在一般应用时不会同时要求大范围和高精度。因此，提出了一种分域校准的任务执行机制。

以時间数据为例，当应用所需的时间数据精度达到秒或毫秒时，这个应用的过程往往就会很短。因此这类应用一般不会关心“历史”数据，而是注重“当下”的数据，这时时间数据中的年份值域对应用而言几乎就是无用的。当然也存在很多时间精度要求不高的应用，这时应用数据中的小单位值域对应用而言就毫无意义了。因此，对时间数据进行分域处理很有必要，比如分为大范围低精度数据域和小范围高精度数据域。

和时间数据校准情况类似，空间数据也存在上述问题。有些应用不会关心基于大地坐标系的绝对空间位置，而只是关心相对位置。虽然通过绝对空间位置数据可以计算得到相对空间位置，但绝对空间位置数据所需的表达数位要比相对位置数据的表达多。如果考虑到多数车路应用参与者物理位置相对较近这一实际情况，就完全可以将大范围尺度的空间数据，通过确立一个位置参考基点转换为小范围尺度的空间数据，以达到减少数据容量的目的^[5]。这样一来，空间数据可以将参考基点视为大范围低精度数据域，相对基点的空间数据为小范围高精度数据域。

分域校准机制就是使用分域数据进行时空校准。如果车路无线通信网络中存在一个拓扑结构相对稳定的子网络，就可以利用这种分域校准的方法通过多个应用层数据帧传输一个完整时空数据。使用该方法，一方面有效避免了大载荷应用数据帧对网络的阻塞影响;另一方面大范围尺度域的数据无须频繁传输，能避免大量无效信息的传输。

4 结语

面向车路通信系统，尤其是车路协同通信系统的分域时空校准机制，对类似于车路协同、智能驾驶等多种车路应用都具有较好的参考价值。本文仅对方法的实现思路进行了阐述，相关时空数据的分域确定、基准点的选择等关键问题，还需根据实际应用进行深入研究。在研究基础上形成一定的标准规范，才能使得分域校准机制在工程实施中得到有效应用，发挥其优势并产生实际应用价值。

作者简介：谌仪（1980— ），女，江西宜春人，副研究员，硕士;研究方向：智能交通。

[参考文献]

[1]刘干.5G时代的智慧道路交通[M].上海：同济大学出版社，2020.

[2]郭戈.高网联共享车路协同智能交通系统综述[J].控制与决策，2019（11）：2375-2383.

[3]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.数据元和交换格式信息交换日期和时间表示法：GB/T 7408—2005[S].北京：中国标准出版社，2005.

[4]张佐，张毅，姚丹亚.车路协同自动驾驶：交通系统呈现全面智能化走向[J].前沿科技，2019（2）：56-60.

[5]DARDARI D.Satellite and terrestrial radio positioning techniques：a signal processing perspective [M].北京：国防工业出版社，2015.

（编辑 傅金睿）

Discussion on time-space data calibration mechanism of

vehicle-road wireless communication system

Chen Yi

（Research Institute of Highway of Ministry of Transport， Beijing 100088， China）

Abstract：Vehicle-road wireless communication system is an important part of digital and intelligent application in the field of transportation. However， its wireless communication system bandwidth resources are often limited， but it is necessary to use this system to transmit a great deal of vehicle-road interaction data with time and space information. Based on the analysis of the application characteristics of common vehicle-road wineless communication systems， this paper proposes a time-space data calibration mechanism for dedicated short-range communication networks with stable topology， and explains how this mechanism reduces the channel resource requirements of vehicle-road wireless communication systems for time-space data calibration applications.

Key words：vehicle wireless communication system; time-space data calibration; system topology; dedicated short-range communication