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车载自组网(VANET) ——以先进的车间通信技术提供车辆协作式安全应用

        随着机动车数量的增加,越来越多的交通事故给社会经济和生命安全带来严重威胁。交通安全问题不仅涉及车辆自身,更与交通环境密不可分。先进的车载自组网(VANET)技术为交通安全问题提供了一种新的解决途径。

        目前,主动安全系统基于反应式机理,并依赖于自治传感器(雷达、激光雷达、摄像头等)在给定时间内的实时反馈。自治传感器的覆盖范围有限,缺乏协同性,并且存在盲区、适应性有限的问题。VANET将车间无线通信和高精度定位技术融合到车辆传感器组件中,可以提供超视距提前感知能力,在主动安全系统中引入预期或前馈行为,能够实现协作式驾驶应用。协作式安全系统使驾驶员有更长的反应时间避免进入危险驾驶情况,从而减少其它主动安全系统或被动安全系统的需求。

        VANET所提供的超视距感知能力不仅有利于驾驶员和周围环境的安全,并且有利于节省油耗、增加舒适度以及减少环境(如路面结冰)带来的影响。同时,VANET具备与其它网络互连的能力,能够提供多种信息增值服务,为驾驶员提供娱乐型、舒适型应用。

车载自组网

车载自组网(VANET)

        车载自组网(VANET)是指在交通环境中车辆之间、车辆与固定接入点之间及车辆与行人之间相互通信组成的开放式移动Ad hoc网络,其目标是为了在道路上构建一个自组织的、部署方便、费用低廉、结构开放的车辆间通信网络,提供无中心、自组织、支撑多跳转发的数据传输能力,以实现事故预警、辅助驾驶、道路交通信息查询、车间通信和Internet接入服务等应用。许多人将VANET视为无线自组织网络(Ad Hoc Network)的一种特殊的实际应用,不过,由于VANET本身所具有的网络特点,例如拓扑高动态、时延要求严格、节点移动速度高、轨迹可预测、能量无限、定位准确等,还有其应用前景明朗且广阔,研究范围横跨智能交通系统领域、计算机网络领域以及无线通信领域三大传统研究领域,使得对VANET的研究吸引了许多学术界和工业界的注意。

        车载自组网涉及到两个庞大的产业(汽车工业和通信产业),相关的主体很多,基本上可以分为:政府部门(如美国的交通部U.S.DOT和FCC,欧洲的EU),行业企业(通用、宝马、HUAWEI),标准化组织(美国的IEEE和机动工程协会SAE,欧洲的ETSI和跨行业的C2C-CC联盟),以及各研究机构。随着车载网络逐渐成为移动互联网的一部分,如谷歌等IT巨头也会参与进来,届时更多的商业企业将会借助互联网参与到VANET的市场中去。

车载自组网(VANET)是指在交通环境中车辆之间、车辆与固定接入点之间及车辆与行人之间相互通信组成的开放式移动Ad hoc网络,其目标是为了在道路上构建一个自组织的、部署方便、费用低廉、结构开放的车辆间通信网络,提供无中心、自组织、支撑多跳转发的数据传输能力,以实现事故预警、辅助驾驶、道路交通信息查询、车间通信和Internet接入服务等应用。许多人将VANET视为无线自组织网络(Ad Hoc Network)的一种特殊的实际应用,不过,由于VANET本身所具有的网络特点,例如拓扑高动态、时延要求严格、节点移动速度高、轨迹可预测、能量无限、定位准确等,还有其应用前景明朗且广阔,研究范围横跨智能交通系统领域、计算机网络领域以及无线通信领域三大传统研究领域,使得对VANET的研究吸引了许多学术界和工业界的注意。

车载自组网涉及到两个庞大的产业(汽车工业和通信产业),相关的主体很多,基本上可以分为:政府部门(如美国的交通部U.S.DOT和FCC,欧洲的EU),行业企业(通用、宝马、HUAWEI),标准化组织(美国的IEEE和机动工程协会SAE,欧洲的ETSI和跨行业的C2C-CC联盟),以及各研究机构。随着车载网络逐渐成为移动互联网的一部分,如谷歌等IT巨头也会参与进来,届时更多的商业企业将会借助互联网参与到VANET的市场中去。

•  网络架构

 

VANET网络架构

        VANET网络可能被通信运营商、内容服务商、政府机构部署,或者由他们联合部署,构成一个混合架构的无线通信网络。根据欧洲车载通信联盟(C2C-CC)的定义,VANET的架构已被拓展到更广泛的范畴,分为车内通信(In-vehicle domain)、车间通信(Ad-hoc domain)和车路通信(Infrastructure domain)三个域。车内通信(In-vehicle)是车载单元(OBU)与用户终端之间的通信,用户终端可以是某种具体设备,也可以是集成于OBU的虚拟模块,连接方式可以有线或无线的。车间通信(Ad-hoc domain)包括OBU之间的通信(V2V)以及OBU与RSU之间的通信(V2R),通信方式可以是单跳也可以是多跳的。车路通信(Infrastructure domain)是OBU、RSU与基础设施之间的通信,如Satellite、Hot Spot、3G、4G等,完成接入互联网的功能。对于RSU来说,连接可以是有线的。

        这三个域中可能采用的无线接入方式包括IEEE 802.11p(Ad-hoc domian)、Cellular Networks (2G/3G/4G用于infrastructure domain)、WLAN (802.11 a/g/n/ac用于Infrastructure domain或in-vehicle domain),Bluetooth (in-vehicle domain)等。VANET的应用可能用到不只一种通信方式,比如eCall,就用到了GPS定位和2G网络,当安全气囊打开等重大传感信号被eCall设备收到,就会自动启动通信模块,拨打当地112,报告车辆GPS坐标、事故时间、车牌号等信息,并与当地救援队尽快建立语音通信。

•  参考协议栈

 

VANET参考协议栈

        车载通信的一个典型特点是,针对不同的应用,各层协议可以变化很大,而且往往是跨层的考虑,或者是简化层次的考虑。IEEE给出的WAVE协议栈是目前比较权威的协议架构:物理层和数据链路层由IEEE 802.11p、IEEE 1609.4和IEEE 802.2构成;网络层和传输层拥有两套协议,分别是传统的TCP/IP协议和专门为车载安全应用设计的IEEE 1609.3协议;应用层区分了安全应用和非安全应用,并对安全应用引入了SAE协议作为消息子层;最后还有跨层的IEEE 1609.2作为安全协议。

车辆协作式安全

        协作式安全应用包括三个阶段:信息阶段、警告阶段和自动化控制阶段。信息阶段和警告阶段需要驾驶员参与控制反馈回路。信息阶段需提供当前驾驶情况的信息,同时还不能分散驾驶员的注意力;警告阶段必须提醒驾驶员即将发生的紧急情况。自动化控制阶段不需要驾驶员参与控制反馈回路,由系统直接控制车辆的实行器来避免紧急情况。

 

车辆协作式安全应用架构

        相比纯自治安全系统,基于通信的协作式安全系统有四个优势:一、通信提供了更远视角和更广范围的区域信息。根据传输频率和传输功率,电磁波可以绕过障碍物传输很远的距离,而在纯自治的安全系统中,驾驶员的时距达不到要求;二、通过车-车(V2V)通信,车辆之间可以共享信息,或者在拥有基础设施的情况下,通过车-基础设施(V2I)通信可以获取更多数量、更高质量的信息,并将这些信息共享给其它车辆,从而减少车辆轨迹估计的计算量;三、定位设备和通信设备的花费明显少于布置在车辆周围的360°自治传感器的花费;四、通信允许车辆之间相互协作来实现安全目标,如避免碰撞,这种协作可以大大降低车辆为避免碰撞所需操作的紧急程度。

        典型的协作式安全应用包括:紧急制动警告、并线警告、交叉路口违规警告、前向碰撞预警和弯道速度警告等。

•  紧急制动警告(EBW)

 

紧急制动警告(EBW)

        前方车辆紧急制动时,紧急制动警告(Emergency Brake Warning,EBW)将会提醒驾驶员。当制动车辆被其它车辆遮挡而不能被本车辆觉察时,EBW将会非常有用。通过系统开启车辆的后制动灯,EBW应用利用VANET系统的非视距优势来防止追尾事故。

•  并线警告(LCW)

 

并线警告(LCW)

        当车辆换道可能存在危险时,并线警告(Lane Change Warning,LCW)将提醒有意换道的驾驶员。LCW使用V2V通信和周边车辆的路径预测,利用链路的通信范围来预测驾驶员完成换道可能产生的碰撞。路径预测用于确定3~5s的时间内,驾驶员要到达的车道区域是否被占用。如果该车道已被占用,则LCW将会提醒驾驶员潜在的危险。

•  交叉路口违规警告(IVW)

 

交叉路口违规警告

        当驾驶员即将闯红灯时,交叉路口违规警告(Intersection Violation Warning,IVW)应用对他发出警告。IVW应用使用V2I通信方式,主车辆进行预测,其通信链路的主要优势是获取动态信息,如红绿灯阶段和红绿灯时间。部署了交通信号灯控制器的路边单元会广播交通信号灯信息,包括位置、红绿灯阶段、红绿灯时间、交叉路口几何形状等。靠近交叉路口的车辆将车辆的预期路径与交通信号灯信息进行比较,以确定是否会发生交通信号违规。如果车辆将要发生违规行为,则IVW应用将提醒驾驶员,同时车辆也会发送消息至红绿灯和周围车辆,以表明警告已经发出。网络架构

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