聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在汽車中的應用

智能交通系統(tǒng)（ITS）的出現(xiàn)為改善交通網(wǎng)絡的安全，交通運營環(huán)境的創(chuàng)新前景鋪平了道路。聯(lián)網(wǎng)汽車（CV）是一項顛覆性的智能汽車倡議，作為進一步賦予駕駛者自主權(quán)的下一波技術(shù)而出現(xiàn)。

1 聯(lián)網(wǎng)汽車：一種創(chuàng)新的運輸技術(shù)[1]

1.1 主要目的和原理

聯(lián)網(wǎng)汽車，不僅能夠增加路邊安全，還可以通過開發(fā)整體智能交通系統(tǒng)為駕駛者提供服務，將有助于提高現(xiàn)有交通網(wǎng)絡的容量。本章節(jié)討論了兩種主要類型的短程無線通信，即車輛到車輛（V2V）和車輛到基礎(chǔ)設施（V2I）通信。簡單描述兩種無線通信的概念以及應用。討論了CV的潛在效益及面臨的挑戰(zhàn)。

1.1.1 車輛到車輛（V2V）通信

通過V2V應用程序，司機將被告知即將發(fā)生的撞車事故，比如并線卡車在司機的盲區(qū)行駛的汽車，或者當前面的車輛突然停下時。警告形式包括:前端碰撞警告、緊急電子剎車燈、盲點/變道警告、不通過警告、交叉路口移動輔助和左轉(zhuǎn)彎輔助。

1.1.2 車輛到基礎(chǔ)設施（V2I）通信

通過V2I應用程序，當司機進入學校區(qū)域時，如果工人在路邊，紅綠燈即將改變，司機將被提醒。警告形式包括:彎道速度警告、紅燈違章警告、停車標志間隙輔助、智能路邊和過路行人警告。

1.2 CV的影響和潛在操作效益

1.2.1 對長期規(guī)劃模型的影響

聯(lián)網(wǎng)車輛技術(shù)將對目前使用的長期規(guī)劃和土地使用模式產(chǎn)生深遠的影響。它將為規(guī)劃人員提供比以往任何時候都更深入的了解每一個步驟，從而可能產(chǎn)生更精確的模型，并為更好的決策提供更多的信息。例如在高速公路的幾何設計、對容量和交通運行的影響、交通安全和環(huán)境效益方面，CV技術(shù)面臨著挑戰(zhàn)。

1.2.2 CV的開發(fā)和應用面臨的挑戰(zhàn)可以總結(jié)如下:

開發(fā)汽車比開發(fā)智能手機需要更長的時間。汽車制造商需要移動合作伙伴和汽車經(jīng)銷商，需要精確的技術(shù)解決為聯(lián)網(wǎng)汽車服務付費的問題。

1.2 結(jié)論及改進

經(jīng)過許多模擬，表明CV和AVs可以改善道路容量、穩(wěn)定擁堵期間的交通流量，并減少信號交叉路口的延誤。然而，為了充分理解移動數(shù)據(jù)需求和要求，需要對AV進行更多的研究，以決定容量改善和乘員舒適度之間的權(quán)衡。CV技術(shù)將提供現(xiàn)有交通網(wǎng)絡的增加容量，此外，通過開發(fā)整體智能交通系統(tǒng)（ITS）的初步試驗還為駕駛者提升路邊安全性，以及在車輛和基礎(chǔ)設施之間實現(xiàn)這些通信技術(shù)已經(jīng)證明隨著時間流逝可以帶來更多的好處。這些概念將通過與其它車輛通信有助于改善路邊安全，并通過道路網(wǎng)絡傳遞這些信息，從而在集中交通管理系統(tǒng)和駕車者之間形成通信時機。該技術(shù)有助于在不久的將來徹底改變汽車業(yè)、交通工程設計和管理實踐。基于其初始有效性，它是幫助解決美國目前和未來面臨的運輸問題的可行替代方案。聯(lián)網(wǎng)車輛帶來的安全、操作和交通網(wǎng)絡環(huán)境的好處是顯而易見的。同化聯(lián)網(wǎng)車輛和長距離規(guī)劃的必要性已經(jīng)成為關(guān)鍵要點，特別是因為現(xiàn)在更加需要滿足對未來的聯(lián)網(wǎng)車輛技術(shù)要求而進行基礎(chǔ)設施升級換代。如果長距離規(guī)劃人員開始整合聯(lián)網(wǎng)車輛和相關(guān)基礎(chǔ)設施，我們將為更好的交通運輸系統(tǒng)做好準備。

2 交通工具安全駕駛進入連接未來[2]

作者Outay研究多車協(xié)調(diào)任務的避碰問題。在現(xiàn)有的合作控制框架的基礎(chǔ)上，提出了依靠實際可用障礙信息的避撞方法，并允許在不影響任務目標的情況下安全運行。探索了兩種不同的避免障礙的策略。

首先考慮一種基于速度調(diào)整的方法，可以用來避免碰到移動的障礙物。可利用的障礙物信息，在現(xiàn)實世界中加以應用，不需要任何車輛偏離行駛路徑。通過Lyapunov分析，證明了該算法能夠確保滿足車輛動力學約束以及安全分離約束。

其次，考慮避障的軌跡重新規(guī)劃方法。適用于靜態(tài)和移動障礙物，這種方法可能要求車輛偏離其原來預期的路徑。避讓機動引起的位置、速度和加速度的偏差較小，可以離線計算，這些邊界可以在任務規(guī)劃階段使用，以保證滿足車輛動態(tài)約束和車輛間的安全。這些算法通過使用B'ezier曲線和曲面來表示不確定的軌跡，利用障礙物軌跡的局部信息，而且計算效率高。該算法能夠檢測任何可能的碰撞并重新規(guī)劃路徑。由碰撞避免操縱引起的位置、速度和加速度的偏差是可以事先計算的。通過在初始任務規(guī)劃期間使用這些界限，可以保證重新規(guī)劃軌道的車輛動態(tài)加以約束和足夠的車輛間安全距離。

3 基于環(huán)境感知的異構(gòu)車輛網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)[3]

3.1 主要目的和原理

聯(lián)網(wǎng)車輛需要異構(gòu)或混合通信技術(shù)，以實現(xiàn)全方位不同場景下的合作ITS服務。作者Sepulcre提出了一種基于環(huán)境感知的異構(gòu)車輛網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。該體系結(jié)構(gòu)與當前歐洲電信標準協(xié)會（ETSI）和國際標準化組織(ISO)標準的ITS站參考體系結(jié)構(gòu)兼容，并允許根據(jù)駕駛環(huán)境條件和應用程序需求動態(tài)選擇和配置通信行規(guī)。通過完成對異構(gòu)V2I通信算法和評估工作，所提及體系結(jié)構(gòu)的潛力顯現(xiàn)出來，該算法提高了服務質(zhì)量和滿足車輛應用需求的能力，并降低了聯(lián)網(wǎng)車輛服務的經(jīng)濟成本。

3.1.1 智能交通系統(tǒng)參考體系結(jié)構(gòu)

本研究以圖1所示ETSI ITS站參考結(jié)構(gòu)為基線。該體系結(jié)構(gòu)從網(wǎng)絡和傳輸層面以及不同通訊技術(shù)角度考慮了不同的協(xié)議。應用程序從通信技術(shù)、網(wǎng)絡和傳輸協(xié)議中摘錄下來。設施層收集一組通用功能和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以支持協(xié)作車輛應用和通信。橫向安全層負責安全和隱私保護。

圖1 ETSI站點參考體系結(jié)構(gòu)[3]

3.1.2 車輛節(jié)點

車輛節(jié)點(vehicle或RSU)負責:駕駛環(huán)境獲取、駕駛環(huán)境推理、決策、評估、駕駛環(huán)境交換和模型更新。圖2表示所提出的駕駛環(huán)境感知體系結(jié)構(gòu)中的車輛節(jié)點上的組件。該圖還將這些組件映射到標準化ETSI的站點參考體系結(jié)構(gòu)的各個層級。駕駛環(huán)境獲取、駕駛環(huán)境信息交換和模型更新的組件位于設施層。本研究建議在管理層定位上下文推理和評估的組件。決策組件分布在管理層和應用層之間。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)組成部分[3]

3.2 結(jié)論

本章節(jié)提出了一種基于環(huán)境感知的異構(gòu)車載網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)是與當前的ETSI和ISO標準ITS站點參照結(jié)構(gòu)相互兼容的衍生體。該體系結(jié)構(gòu)基于環(huán)境條件和應用程序需求實現(xiàn)動態(tài)選擇和配置通信行規(guī)。這特別對于聯(lián)網(wǎng)車輛需要使用不同的通信技術(shù)來滿足不同場景下的車輛需求來說至關(guān)重要。通過完成對異構(gòu)V2I通信算法和評估工作，驗證了所提體系結(jié)構(gòu)的潛力。該體系結(jié)構(gòu)和算法用于驗證環(huán)境感知異構(gòu)車輛通信如何可以提升服務質(zhì)量改善可擴展性和通信基礎(chǔ)設施的利用率，從而產(chǎn)生積極的經(jīng)濟影響。懸而未決的研究問題包括對異構(gòu)V2V通信的架構(gòu)的開發(fā)，或者多應用場景的分析。

4 用于車輛橫向位置估計的V2I電磁系統(tǒng)[4]

4.1 主要目的和原理

本章研究了一臺車輛對應基礎(chǔ)設施(V2I)電磁系統(tǒng)過程，以便估算車輛在其車道上的側(cè)向位置。該系統(tǒng)可以包含在高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)中，以便提供車輛的側(cè)向位置，在非自愿的偏離車道或自動駕駛車輛時警告駕駛員。該系統(tǒng)由嵌入在車道標記中的無源電磁轉(zhuǎn)發(fā)器組成，每個轉(zhuǎn)發(fā)器包含兩個具有兩個不同中心頻率的表面聲波(SAW)諧振器，以及嵌入在車輛側(cè)面的高頻收發(fā)器。該系統(tǒng)工作在超高頻(UHF)頻段。采用相位差法(PDoA)來估算車輛與車道標記之間的絕對橫向距離。提出了一種利用其頻率響應圍繞聲表面波諧振器的兩個諧振頻率從系統(tǒng)整體響應中恢復有用相位的方法。該系統(tǒng)在室外環(huán)境下進行了測試，有效相位恢復方法的結(jié)果是準確的，而且絕對距離估算誤差小于3 cm。

4.1.1 系統(tǒng)描述和絕對距離估算

本章提出的V2I系統(tǒng)由兩個子系統(tǒng)組成(圖3)，第一個是一個無緣電磁轉(zhuǎn)發(fā)器應答器，例如嵌入在車道標記下，由一個連接到兩個表面聲波(SAW)諧振器的半波偶極子組成，這兩個諧振器具有高質(zhì)量的因素。第二個子系統(tǒng)是嵌入在車內(nèi)的超頻率模塊，它集成了電子電路和兩個天線于一體，一個用于發(fā)射，另一個用于接收電波。微帶貼片天線被用來簡化其車輛側(cè)面的整合。把表面聲波諧振器集成到轉(zhuǎn)發(fā)器的目標就是從轉(zhuǎn)發(fā)器引入弱反射波信號。因此，在許多其它疊加的偽波中更容易檢測出轉(zhuǎn)發(fā)器后向散射信號。

圖3 開發(fā)的V2I橫向定位系統(tǒng)框圖[4]

4.2 結(jié)論

本章提出了一種用于道路車輛絕對橫向距離估算的電磁V2I系統(tǒng)。所開發(fā)的系統(tǒng)是基于車輛的高頻收發(fā)模塊和嵌入在車道標記下的無源轉(zhuǎn)發(fā)器之間的通信。收發(fā)模塊在[867.5 MHz,869.5 MHz]和[914 MHz,916 MHz]這兩個頻率范圍內(nèi)查詢，轉(zhuǎn)發(fā)器通過兩個具有高質(zhì)量因素的表面聲波(SAW)諧振器為每個頻率范圍的測量信號添加特色。一個穩(wěn)健的系統(tǒng)響應建模和一個高效的轉(zhuǎn)發(fā)器信號提取算法，從整個測量信號角度，允許提取其兩個頻率范圍所允許的誤差相位。這使得用相位差法估算絕對橫向距離成為可能。該系統(tǒng)已在室外環(huán)境中進行了20到164 cm的測試,取得的精度±3 cm的絕對距離。

由于該系統(tǒng)在實際環(huán)境中進行了靜態(tài)測量測試，并利用所提取相位允許誤差對轉(zhuǎn)發(fā)器信號提取算法進行了驗證，下一步就是將該系統(tǒng)集成到一個真正的車輛以及轉(zhuǎn)發(fā)器集成在車道標記內(nèi)。對測量原理的影響可以忽略不計。考慮到車速的影響，在距離估算過程中，鑒于轉(zhuǎn)發(fā)器距離估算期間準靜態(tài)特性，考慮到車輛速度問題，測量時間必須足夠短。例如，以現(xiàn)有技術(shù)可以做到在130 km/h的測量時間估算約1 ms，達到2 cm的精度。速度的另一個后果是多普勒效應，導致最大頻移100 Hz。與10 kHz中頻相比，這種頻移很小，相位誤差可以忽略不計。

5 基于多層異構(gòu)網(wǎng)絡的車輛到基礎(chǔ)設施通信[5]

5.1 主要目的和原理

車輛到基礎(chǔ)設施(V2I)通信對于智能交通系統(tǒng)(ITS)的成功部署和運行至關(guān)重要。我們可以看到，關(guān)于V2I通信在第五代(5G)網(wǎng)絡中有效性的研究興趣日益濃厚，該網(wǎng)絡支持使用多種無線電接入技術(shù)的多層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(rat)共存。本章的目的是介紹異構(gòu)多層網(wǎng)絡環(huán)境中V2I通信的基本特征。我們首先概述了一些值得注意的V2I應用程序和與V2I相關(guān)的項目。然后，我們將重點放在異構(gòu)多層網(wǎng)絡上的V2I通信上。

5.1.1 V2I通信標準

車輛網(wǎng)絡的標準化促進許多標準協(xié)議被用于提升車輛網(wǎng)絡技術(shù)。專用短程通信(DSRC)和WAVE是車輛網(wǎng)絡標準協(xié)議的典型例子。這些協(xié)議的主要目標涉及定義頻率分配、通信體系結(jié)構(gòu)、消息傳遞、應用程序管理和安全算法。另一方面，3GPP Service and System Aspects Group目前正在進行一項名為“對V2X服務的LTE支持”的研究。

5.2 結(jié)論及建議

本文對異構(gòu)多層網(wǎng)絡環(huán)境下的V2I通信進行了綜述。作者Ndashimye將討論與V2I相關(guān)的應用程序、全球研究計劃和底層網(wǎng)絡。Ndashimye確定并討論了主要的研究挑戰(zhàn)及其可能的解決方案。Ndashimye的建議總結(jié)如下。

（1）高效的網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn):Ndashimye需要將車輛要連接的相關(guān)底層網(wǎng)絡的網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)時間最小化。在異構(gòu)的多層網(wǎng)絡環(huán)境中，開發(fā)一種高效的以異構(gòu)多層，多-RAT網(wǎng)絡環(huán)境支持高速車輛行駛的發(fā)現(xiàn)機制，可能是一個正在進行的研究課題。

（2）底層網(wǎng)絡選擇:非最優(yōu)網(wǎng)絡選擇可能降低切換性能。

（3）執(zhí)行快速、無縫和可靠的垂直切換:在異構(gòu)的多層、垂直切換的關(guān)鍵問題是處理頻繁的對非最優(yōu)網(wǎng)絡進行切換。為了在5G密集網(wǎng)絡中實現(xiàn)無縫、有效的V2I通信，需要進行良好的研究和標準化工作。

（4）V2I通信中的QoS需求:設計適用于V2I通信的無縫垂直切換算法時的主要問題，是在高機動性和底層網(wǎng)絡的不同需求的約束下，滿足不同應用程序的不同QoS需求。

（5）V2I通信中數(shù)據(jù)的傳播。

（6）V2I通信安全:PKI算法雖然很有前途，但目前還不適合以目前形態(tài)用于延遲敏感應用。為滿足V2I應用要求，還留有尋求重新設計PKI的空間。此外，還需要開發(fā)入侵檢測系統(tǒng)，使車輛/RSU能夠區(qū)分偽造和有效消息。

（7）V2I上層通信協(xié)議:在討論的協(xié)議中，在提供垂直切換時，NEMO和PMIPv6前景看好。但為支持異構(gòu)多層網(wǎng)絡中的無縫V2I通信，應該對其進行修整。為支持在5G異構(gòu)密集網(wǎng)絡環(huán)境中無縫垂直切換，開發(fā)與之相匹配的標準化協(xié)議還有空間。