V2X車聯網關鍵技術及應用

劉 爽，吳韶波

（北京信息科技大學 信息與通信工程學院，北京 100101）

0 引 言

V2X即Vehicle to X，其中X代表路邊基礎設施（Infrastructure）、車輛（Vehicle）、人（Pedestrian）、路（Road）等。其概念的表述是物聯網應用的實現和對D2D（Device to Device）技術的深入研究。

V2X通信類型如圖1所示。V2X包括V2V，V2I，V2P，V2N等四大類，而這四種類型協同合作是實現自動駕駛和智慧交通的重要環節。大力發展V2X車聯網技術不僅能減少交通事故的發生概率，提高道路交通的安全性，同時還能為實現自動駕駛、智能交通和下一代車聯網提供低成本、易于部署的支撐和基礎平臺。

圖1 V2X四種通信類型

1 V2X關鍵技術

在智慧交通系統中應用V2X車聯網的主要目的在于提高道路的安全性、解決交通問題和優化交通管理等，需要通過車輛與路側單元、車輛與車輛等通信方式來向周圍車輛實時準確地發送安裝在車輛上的RFID（射頻識別）、傳感器等采集的車輛狀態信息（特別是車輛的位置、速度、方向）。這些信息匯聚后通過數據分析、處理來提取出有效信息，為車輛的出行提供智能的決策依據。在此過程中涉及的關鍵技術分別是在車輛高速行駛時能支持實時可靠通信的無線通信技術，用于獲取車輛精確位置的感知技術，以及海量數據處理評估技術。

1.1 無線通信技術

V2X網絡系統通過無線通信技術（歐美的802.11P 和我國的LTE-V）實現信息交互。該技術實施的關鍵在于無線通信技術的時效性，即需要確保網絡的接入時間最短，傳輸時延較低，同時還需保證信息傳輸的可靠性和安全性等。在一定范圍內，為實現車輛間通信，不僅要實現頻譜的再利用以滿足通信帶寬要求，還需要建立核心網絡，并利用系統的專用特殊組件來完成信息的中轉和傳輸。

1.2 車輛感知技術

作為實現車聯網應用重要基礎的實時精準的車輛狀態感知技術十分重要。車輛狀態的感知技術通常包括車輛運動狀態的感知技術和行車環境的感知技術。通過這些技術來感知車輛本身和周圍車輛的運動狀態，從而分析判斷是否存在安全隱患。

在車輛運動狀態的感知過程中，使用CAN（控制器局域網絡）采集車體內各ECU（電子控制單元）和傳感器設備產生的實時狀態數據（車輛的行駛狀態、安全設備等），通過對這些信息的綜合分析來獲得車輛的運動狀態。其中，用位置感知獲取精準的車輛位置信息尤為重要，位置感知通常分為絕對位置感知和相對位置感知，不同的位置感知技術和精準度被要求應用到不同的道路上。

車輛環境信息感知技術主要用于獲取車輛周圍環境的信息，例如道路線形、周圍非機動車輛和路面狀況等。可以通過交通地理信息系統獲得路線信息，或者通過車載設備采用模式識別技術完成線形在線識別。利用紅外傳感器和車載雷達可以感知路邊行人和非機動車輛的信息。有關路面狀況、冰雪冰凍程度等信息則可利用激光、視頻和紅外技術等進行檢測和采集。

1.3 數據處理技術

基于V2X的智能輔助駕駛系統通過信息融合和數據挖掘兩種手段對車輛產生的海量數據進行綜合分析和評估，進而根據處理結果做出智能決策。

信息融合即數據融合，其大體可概括為利用計算機技術關聯和分析傳感器從多個信息源采集的信息，并根據算法優化準則優化處理后的信息，最終獲得智能決策所需的有效信息。在車聯網系統中，信息融合技術主要是把來自車聯網各部分的信息（車載信息、路側信息等）進行加工融合，從而獲得車輛行駛所需的有效信息。

數據挖掘是處理持續增長的海量數據的基礎，一般包括尋找前期數據、探索數據規律和規律表示三個步驟：

（1）從相關數據源中選出所需數據，并整合成數據集；

（2）通過算法找出數據中所包含的隱含規律；

（3）使用方便用戶理解的形式標出數據規律。

2 V2X技術標準

當前V2X技術分為DSRC（專用短程通信） 和LTE-V兩種，其中DSRC主要基于IEEE 802.11p與IEEE 1609系列標準，是一種專門用于V2V和V2I之間的通信標準，其通信結構如圖2所示。LTE-V是基于LTE的智能網聯汽車協議，由3GPP主導制定規范。

圖2 DSRC結構

DSRC是基于802.11p協議及其延伸擴展的技術，其典型應用場景有與安全相關的應用和非安全相關的應用。由于車輛的高移動性特點，DSRC技術對數據傳輸的高可靠、低延遲等要求進行了優化，使其適用于V2V和V2I場景。但DSRC技術也有很大的缺陷，當用戶數量較多時，系統容量急劇下降，傳輸時延增加等。此外，DSRC因其路邊設施投入大，難以盈利，導致難以實現大規模的商業化使用。

LTE-V是基于第四代移動通信技術的擴展技術，它是專為車輛與車輛間通信協議設計的V2X標準，其網絡架構如圖3所示。LTE-V包括兩種工作模式，分別為LTE-V Uu和LTE-V PC5。前者表示接入網-用戶終端；后者是直接通信空口D2D短距離直傳。Uu空中接口主要用于傳統的車聯網通信業務，能滿足網絡與終端之間的大數據量要求；基于PC5的V2X以LTE-D2D技術為基礎，可實現V2V/V2I/V2P/V2R等V2X業務，滿足終端之間低延遲和高可靠性的要求。

圖3 LTE-V技術網絡架構

從技術定義可以看出，DSRC技術直接與LTE-V的PC5空中接口類似，但DSRC不具備LTE-V技術中Uu空中接口的蜂窩通信能力。因此，如果DSRC的車載終端設備想要實現蜂窩網絡數據傳輸，則仍需依賴LTE等蜂窩技術。3GPP組織在近年來已制定了多種V2X技術標準。

3 V2X技術典型應用

車聯網具有大量運用場景，可應用于道路交通信息提示、協作車輛預防碰撞服務、自動停車系統等方面。如今有些已被實際使用，其余一些人們正在討論和研究。

3.1 道路交通標識信息提示

目前駕駛員在駕駛車輛時，其獲得交通標識信息的途徑是眼睛，但由于人本能的反應時間，導致從發現標識到采取措施的時間極短，很容易造成交通事故和出現違規行為。V2X技術可以有效緩解這種狀況。車聯網中的路側單元會將道路上的狀態信息（限行限速、信號燈狀態等）傳輸到車載終端，車載終端處理后提前生成提示信息（減速、直行等）并發送給駕駛員，以便駕駛員提前采取應對措施減少交通違規現象的發生。

3.2 協作車輛預防碰撞服務

通過預防車輛碰撞來提供道路安全服務，在該過程中，車輛通過V2V獲取和交換自身與周圍車輛的運動狀態信息，并根據這些信息得到環繞本身車輛一周的鄰近車輛的狀態圖，分析判斷是否存在潛在威脅，從而為駕駛員提供決策參考，該過程為“協作”碰撞起預防作用。

4 自動停車系統

在具有大量停車位的停車場中，由于停車管理效率低，駕駛員通常很難在第一時間找到停車位，所以APS（自動停車系統）顯得十分重要。APS是一個可以提供各區域（市區街道、公共停車場等）實時停車位信息的數據庫，其不僅支持通過智能手機訪問實時數據庫來獲取停車位信息，還允許司機預留可用的停車位，通過導航等應用程序將車輛引入停車位，并可使用免提支付停車來提高停車效率。

5 結 語

V2X車聯網技術是一種利用信息與通信技術來解決道路安全問題的新型技術。它整合了通信系統、信息處理、物聯網、定位感知等領域的尖端技術，通過車輛與車輛、車輛與人以及車輛與基礎設施等的信息交互，形成了車輛與外界之間的動態移動通信網絡系統，使汽車不再只是一種交通運輸工具，更成為了網絡系統中可移動的節點。V2X車聯網技術的不斷發展和應用將會推動智能交通的進一步發展，從而改變人們的交通生活。