基于LTE-V的车路协同系统数据交互设计

苑寿同　赵鹏超　胡鑫

摘 要：针对当前车路协同应用层标准未完全确定、车路协同场景应用通信个体之间无法完全互联互通的问题，本文开展数据交互系统设计研究，提出了基于LTE-V的车路协同系统消息层技术要求，定义了支持车路协同系统各类车载应用所涉及到的消息集合、消息体以及相应交互流程，归纳了数据交互类型，分析了典型业务场景数据交互需求，可以支撑车用通信系统应用场景开发、验证及商用。

关键词：LTE-V 车路协同 应用层 交互

1 前言

车路协同系统是采用先进的无线通信和新一代互联网等技术，全方位实施车车、车路动态实时信息交互，并在全时空动态交通信息采集与融合的基础上开展车辆主动安全控制和道路协同管理，充分实现人车路的有效协同，保证交通安全，提高通行效率，从而形成的安全、高效和环保的道路交通系统，是智能交通系统的最新发展方向[1]。在车路协同关键技术方面，信息交互技術是基础，车路协同应用场景的实现都是建立在数据交互基础上。随着无线通信技术的迅速发展，通过车内、车车、车路等通信机制，可收集到更多与行车有关的信息，例如车辆状态、道路状况、交通环境等，并进一步将收集到的信息有效的整合，建立车路云网协同一体化的交通运输系统，进而提高交通运输系统的效率、安全和持续性。

目前，国外车路协同系统通信方面的研究，最早主要是基于IEEE802.11p/1609协议的车路通信多信道协调应用、广播机制和路由方面的管理等方面，其工作频段在5.9GHz附近。我国在2012年首次提出LTE-V车联网概念，并LTE-V车路协同系统国际标准的制定[2]。目前车路协同形成了美国主导的IEEE 802.11P（DSRC）和以国内企业推动的LTE-V阵营。LTE-V是面向智能交通和车联网应用、基于4G LTE系统的演进技术，包括LTE-V-Cell和LTE-V-Direct两个工作模式。通俗的来说，LTE-V-Cell要借助已有的蜂窝网络，支持大带宽、大覆盖通信，满足Telematics应用需求;LTE-V-Direct可以独立于蜂窝网络，实现车辆与周边环境节点低时延、高可靠的直接通信，满足行车安全需求。LTE-V-Direct模式能够将车辆感知范围扩展到数百米的探测距离，与目前已有的其它车辆感知系统如雷达、光学摄像头的探测范围相比有很大优势。多种探测手段相结合，借助融合信息处理技术，能够有效提升行车安全和交通效率问题[3]。

虽然802.11P具有客观的先发优势，目前已具备商用芯片并积累了多年的测试经验;而LTE-V作为面向车联网应用、基于LTE演进、具有自主知识产权的技术，则具备诸多后发优势。LTE-V在设计过程中充分借鉴了802.11P的经验和不足，在系统容量、覆盖范围等方面具有显著的性能优势;LTE-V可以充分利用LTE蜂窝网络优势，保证业务的连续性和可靠性，还能够利用基站与托管的云端服务器连接，进行如高清影音等高速数据传输。然而由于车路协同场景复杂、标准未完全建立，LTE-V在技术、产业化和数据互联互通等方面还存在着推广难题。因而本文基于LTE-V的车路协同系统开展数据交互设计，推动LTE-V在实际部署应用中实现各交通主体互联互通，加快LTE-V直连通信技术验证与应用落地。

2 车路协同数据交互系统概述

车路协同系统一般由车载系统、路侧系统、云服务系统及数据交互系统组成。数据交互系统为包括车车、车路、车云、路云等数据交互模块，通信方式包括LTE-V、5G、Wifi、光纤通信等方式，实现车载系统、路侧系统和云服务系统间的低时延、高可靠信息通信，保障数据交互安全。

我国已经完成了第一阶段的车载通信系统的各项基础标准，包括接入层，网络层和应用层，确保了应用层消息数据的互联互通，通过数据交互通用消息集合和通用交互流程设计，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务的车载应用[4]。从通信方式上看，消息交互可以采用广播、单播和组播的方式。广播类通信方式无特定的接收对象，在通信可达范围内的交通参与者均可以接收到相应的消息。对于涉及到存在特定接收对象（一个或者多个）的信息交互方式与交互流程，可以采用组播或者单播通信方式[5]。下图2给出了车路协同系统涉及到的通信节点之间的关系示意图。

3 数据交互系统设计

参考国际标准化组织（ISO）制定的通信系统七层参考模型，基于LTE-V的车路协同系统数据交互系统通常可以分为车载系统应用、应用层、传输层/网络层、安全和接入层。本文主要研究应用层以及应用层与上下相邻两层之间的数据交互接口协议以及涉及到对等层之间的数据消息格式[6]。图3给出了车用通信系统的基本分层结构，应用层主要包括为支持车路协同系统各类车载应用所涉及到的消息集合、消息定义（数据帧、数据元素、数据结构和具体的编码方式）以及相应交互流程定义。

通过清晰的分层设计以及标准化的消息定义（包括数据帧、数据元素、数据结构和编码方式）以期各层开发者可以专注于本层的系统协议开发和互联互通，而无需涉及其他层的具体技术和通信方式。同时，充分考虑车载通信系统和设备的平滑演进，通过定义具体的消息交互流程以及所涉及到的通信实体均能以准确的消息在准确的时机进行信息交互（包括请求、响应、确认等），从而可以使得整个信息交互得以准确、及时的完成，以支撑车路协同各项场景应用。

3.1 消息层技术要求

消息层数据集用ASN.l 标准进行定义，遵循“消息帧-消息体-数据帧-数据元素”层层嵌套的逻辑进 行制定。数据集交互的编解码方式遵循非对齐压缩编码规则UPER。本文定义的消息层数据负，主要由1个消息帧格式，5个最基本的消息体以及相应的数据帧和数据元素组成，如图4所示。

消息帧是单个应用层消息的统一打包格式，是数据编解码的唯一操作对象。消息帧由不同类别的消息体组成，并支持扩展。消息体主要包括车辆基本安全消息RSM、地图消息MAP、交通事件消息RSI、路侧安全消息RSM和信号灯消息SPAT[7]。

车辆基本安全消息RSM是使用最广泛的一个应用层消息，用来在车辆之间交换安全状态数据。车辆通过该消息的广播，将自身的实时状态告知周围车辆，以此支持一系列协同安全等应用。地图消息MAP由路侧单元广播，向车辆传递局部区域的地图信息，包括局部区域的路口信息、路段信息、车道信息，道路之间的连接关系等。交通事件消息RSI适用千由路侧单元向周围车载单元发布的交通事件信息以及交通标志信息，其中交通事件信息支待GB/T 29100-2012，交通标志信息支持GB 5768.2-2009，该消息帧能够打个或多个交通事件信息或者交通标志信息，同时包含发送该消息的路侧单元编号以及参考位置坐标。路侧安全消息RSM路侧安全消息。路侧单元通过路侧本身拥有的相应检测手段，得到的其周边交通参与者的实时状态信息（这里交通参与者包括路侧单元本身、周围车辆、非机动车、行人等），并将这些信息整理成本消 息体所定义的格式，作为这些交通参与者的基本安全状态信息，广播给周边车辆，支待这些车辆的相关应用。信号灯消息SPAT包含了一个或多个路口信号灯的当前状态信息，结合MAP消息为车辆提供实时的前方信号灯相位信息。

数据帧由其他数据单元或数据类型组合而成，是消息体的组成部分，主要数据内容见表1。

3.2 数据交互类型

数据交互的类型分为定周期发送式、请求响应式和事件驱动式三种形式。

周期发送式：车路协同通信模块可以定期的向其他无线通信模块发送数据。在完成链路建立后，车路协同通信模块间进行周期性的数据交互，直至应用终止链路连接。周期性发送的收据主要包括本车位置信息、周边车辆位置信息、本车速度及方向信息、交通信号信息等。

请求响应式：只车路协同系统某模块发出数据请求时，需要通信的模块应回应请求才能发出数据。在完成链路建立后，车路协同系统应用向通信模块发出特定数据请求，该请求包含了被请求的车路协同系统实体的ID、被请求的车路协同系统实体的应用程序以及请求的数据类型，请求通过无线通信模块转发给目的车路协同系统模块回应请求发送数据。

事件驱动式：当发生特定事件时车路协同系统应用将事件发送给需要交互的终端。这种发送方式是定周期的，应用应该分配事件重要紧急程度，发送周期根据事件重要紧急程度调整。當特定事件失效时，车路协同系统应用应停止发送数据。

4 典型业务场景数据交互定义

基于LTE-V的车路协同应用场景可划分为三大类： 交通安全类（Safety）、交通效率类（Traffic Efficiency）以及信息服务类（Infotainment/Telematics）。行业按场景重要程度推荐了17中应用场景，见表2。本文针对典型基础业务场景对交互数据需求开展系统分析如下。

5 结论

本文基于LTE-V的车路协同系统数据交互无法互联互通的问题结合主要应用场景功能开展数据交互系统设计，定义了消息层技术要求和数据交互类型，依据车路协同系统的主要技术指标设计车路协同系统应用层数据交互方式，设计包括：通信参数、运行模式、握手过程、消息类型、数据报结构等，并针对基础业务场景分析了数据交互需求，可以支撑车用通信系统应用场景开发、验证及商用。

参考文献：

[1]缪立新，王发平.V2X车联网关键技术研究及应用综述[J].汽车工程学报，2020，10（01）：1-12.

[2]罗轶溧. 基于车联网的“智轨”数据传输方式设计与验证[D].北京交通大学，2019.

[3]张东伟. 基于WAVE通信协议的车路协同系统的研究与设计[D].天津理工大学，2018.

[4]邹枫. 智能交通车路协同系统数据交互方式设计与验证[A]. 中国土木工程学会城市轨道交通技术工作委员会、世界轨道交通发展研究会.2015中国（天津）区域轨道交通发展及装备关键技术论坛暨第24届地铁学术交流会论文集[C].中国土木工程学会城市轨道交通技术工作委员会、世界轨道交通发展研究会：中国土木工程学会，2015：13.

[5]张树忠. 基于OPNET/HLA的车路协同信息交互仿真研究[D].北京交通大学，2013.

[6]陈皓. 基于Wi-Fi Direct的车路协同数据分发技术[D].长安大学，2015.

[7]张柳. 基于车路协同的信息采集与通信技术应用研究[D].武汉理工大学，2018.