基于車路協同功能的路側及車載智能設備研究

華 偉 范志恒 廖湘榮

（深圳市金溢科技股份有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

長期以來，自動駕駛車主要依靠自身的能力對駕駛環境進行識別，由于所采用的信息采集設備（例如攝像頭、激光雷達以及毫米波雷達等）的感知條件有局限性，因此會加大實現全工況無人駕駛的難度，導致交通事故頻發。另外，感知設備的成本遠高于市場可接受的范圍，對自動駕駛汽車的總體成本造成影響，引發商業落地難等問題，影響了自動駕駛的發展進程。近年來，“聰明的車+智慧的路”逐漸被行業所認可，或成為未來自動駕駛發展的主要方向[1-3]。

“聰明的車+智慧的路”的工作模式離不開車聯網，車聯網作為物聯網的主要應用領域，是信息化與工業化深度融合的重要方向。在車間與車路間的通信技術除專用短程通信技術（Dedicated Short Range Communication，DSRC） 外，還有以蜂窩網絡為基礎的C-V2X 技術。后者具有清晰的技術演進路線，其演進路線分為3個階段，支持LTE-V2X 的3GPPR14、支持LTE-eV2X 的3GPPR15以及支持5G-V2X的3GPPR16，由我國政府和企業主導推進。其技術可直接應用于車載電子或路側設備中，具有廣闊的市場應用場景和良好的技術牽引力。將為車聯網關鍵通信技術的發展提供支撐[4-5]。基于車用無線通信技術（vehicle to X，V2X）的電子終端的成功研發將會加速C-V2X 技術標準在車聯網領域應用的成熟度和產業化進程。車聯網關鍵技術分布在“端-管-云”3個層面，該項目是“端”層面，是實現車輛和路測設施智能化、網聯化的關鍵點[6-7]。該文研究的基于LTE-V2X的車載智能設備和路側智能設備可以支持實現自動駕駛車與道路基礎設備的交互，為智能網聯汽車獲取超視距的環境信息提供支持，有助于保障道路交通的安全以及提高道路的通行率。

1 路側智能設備開發

1.1 路側智能設備架構設計

該文設計的路側智能設備是在路端實現對道路交通云、邊以及端進行協同控制的最小單元，具有通信、計算、存儲以及控制等核心能力，通過有線或無線通信以及統一的邏輯架構實現完整的功能。路側智能設備的功能架構如圖1所示。

圖1 路側智能設備功能架構

路側智能設備在車路交互方面提供LTE-V2X、5G雙網路通信，能夠實現通信的低時延與高帶寬。在接入方面，可以通過邊緣計算單元實現路側基礎設施感知、交通運行感知、交通氣象環境感知以及路側可變標志等的接入與管理。匯集上述所有信息并接受來自云端控制平臺的遠端信息、控制指令后，路側智能設備將完成區域內應急信息的快速發布、控制指令的分發以及融合數據處理任務，同時，路側智能設備具備接收周邊其他路側智能設備信息的能力，可以快速傳遞和發布周邊緊急事件的相關信息。

1.2 路側智能設備硬件設計

該文設計的路側智能設備采用LTE-V2X專用短程通信，工作于5.905 GHz～5.925 GHz專用頻段，滿足3GPP LTE Release 14標準，主要由中央處理器、LTE-V2X模組、GNSS模組、5G模組、Wi-Fi模組、千兆以太網、RS232/RS484接口以及電源模塊等部分組成。可以安裝于道路、交通路口、停車場、機場以及高速公路等場景，用于實現車路協同與輔助自動駕駛的功能。

路側產品采用高性能處理器，內置高精度定位模塊，除LTE-V/DSRC通信以外，還具備4G通信、Wi-Fi和藍牙（Bluetooth）等無線通信功能，提供RJ45以太網和RS232通信接口，能全面滿足各種通信需求，支持直流供電與POE供電2種模式。

1.3 路側智能設備軟件設計

路側智能設備采用Linux操作系統，是一個基于POSIX和Unix的多用戶、支持多線程和多CPU的操作系統。軟件通過層次化的設計實現設備與資源的抽象和管理。系統的支撐與管理功能包括數據管理、系統安全管理、系統監控以及操作維護等功能。路側智能設備軟件采用分層設計，分為驅動層、協議層和應用層，如圖2所示。

圖2 路側智能設備軟件設計框架

路側智能設備軟件采用分層設計，分為驅動層、協議層和應用層。驅動層與硬件布局接線相關，對上層提供統一的I/O功能，屏蔽硬件上的細節信息。協議層包括應用層消息收發/解析功能、網絡層（UDP、TCP、IP、串口通信等）消息收發/解析功能。應用層實現路側智能站系統能力、操作維護管理等功能。

2 車載智能設備開發

2.1 車載智能設備架構設計

車載智能設備通過LTE-V2X專用短程通信網絡與路側智能設備或其他車輛通信。獲取路側信息或他車信息，并將該車的信息發送給路側智能設備和其他車輛，實現車車、車路協同控制。智能車載設備通過5G網絡與交通控制中心聯接，實現車輛狀態信息上傳、道路狀況分析以及智能駕駛輔助等功能。智能車載設備功能架構如圖3所示。

圖3 智能車載設備架構

2.2 車載智能設備硬件設計

該文所設計的車載設備是連接路端和車端、車端和車端的通信設備。具有通信、計算、存儲以及控制等核心能力，設備工作于5.905 GHz～5.925 GHz專用頻段，通過有線或無線通信以及統一的邏輯架構實現完整的功能。除中央處理器外，還集成了LTE-V2X模組、5G模組、GNSS模組、以太網Switch、CAN、Wi-Fi和藍牙等豐富的接口及其他通信方式擴展。支持國標ITS協議棧，可接收、儲存并實時更新車輛的行駛數據，包括當前車速、行駛方向、油門深度以及車距等，向其他車輛或者路側智能設備發送當前行駛狀態數據；接收路側智能設備發送的交通事件、交通管理的信息，達到危險預警、安全高效駕駛以及輔助自動駕駛的目的。

車載設備的LTE-V2X模組用于與其他設備進行專用短程通信，實現車路協同應用。5G通信模塊主要用于設備與服務器或云端的通信、OTA升級和T-BOX應用。CAN接口內置2路CAN接口，分別為低速CAN接口和高速CAN接口，低速CAN接口用于CAN喚醒和低速通信應用。高速CAN接口用于高速通信應用。Wi-Fi 6除提供車內熱點外，也可以進行基于Wi-Fi的無線升級。車載智能設備內置Switch，可擴展1路車載以太網和多路千兆以太網接口，保障設備與汽車車機、中控以及多類型傳感器的通信，將安全預警信息傳遞給汽車中控，接收汽車中控下發的控制命令，也可用于多傳感器信息的融合。定位模組可以接收衛星定位信號，向上層提供UTC時間及地理位置信息，提供與UTC整秒對齊的高精度秒脈沖。車載設備設計有硬加密模塊，可保障數據通信的安全。

2.3 軟件設計

車載智能設備軟件采用分層設計，分為驅動層、協議層和應用層。驅動層與硬件布局接線相關，為上層提供統一的I/O功能，屏蔽硬件上的細節信息。協議層具有應用層消息收發/解析功能、網絡層（UDP、TCP、IP、串口通信等）消息收發/解析功能。應用層具有實現車載智能設備系統能力、操作維護管理等功能，應用層主要分為2個部分，一部分作為基礎子系統，集合了更上層應用的公共部分，為這些應用提供交互接口，以便自由組合使用；另一部分使用基礎子系統提供的服務，構建直接面向用戶的車輛安全、車路協同以及T-BOX類應用。車載智能設備軟件設計框架如圖4所示。

圖4 車載智能設備軟件設計框架

3 試驗場功能測試

3.1 通信性能測試

為測試、驗證集成多種通信方式的車路協同路側智能設備和車載智能設備的交互功能，在深圳市坪山試驗場開展了路側智能設備安裝搭建、車輛及車載智能設備環境搭建、定位基站搭建以及配套網絡環境與外場環境測試，進行了車路交互實地測試，以驗證V2X應用在不同通信環境、距離等條件下通信時延、丟包率等性能。

3.1.1 測試方案

設備性能測試主要測試集成多通信方式的車路協同路側智能設備與車載智能設備在不同場景下的通信交互性能，包括信號強度、通信時延以及數據丟包率等指標。采用的測試工具見表1。

表1 測試工具表

測試設備發出的信號：丟包、延時測試方案測試LTEV2X端到端的時延和丟包率，將OBU和RSU連接GNSS天線和V2X天線，按照方案開展測試。

3.1.2 測試結果及討論

表2為在空曠地帶的測試結果，按照OBU遠離和靠近RSU的方式分別測試多組時延數據。

表2 1 400 m測試結果示意圖

試驗表明，在空曠地帶超過1 000 m就無法收到數據，延時增大，數據無法接收，1 000 m以內平均時延小于50 ms。

表3為空曠地帶的測試結果，按照OBU遠離和靠近RSU的方式分別測試多組丟包率數據。

表3 超過1 000 m測試結果示意圖

試驗表明，超過1 000 m的丟包率大于5%，影響數據正常通信，小于1 000 m的丟包率小于0.1%。

3.2 業務通信測試

3.2.1 測試方案

針對路側消息、車輛消息、地圖消息以及中心系統消息等進行道路施工事件、擁堵事件、車輛故障（異常狀況）事件以及氣象事件等場景的交互測試，主要開展了業務成功率測試和通信距離移動測試。業務成功率和通信距離移動性測試步驟如下：1）車輛從1 000 m的位置向RSU方向行駛，速度為120 km/h，接收RSU事件，根據OBU日志、RSU日志以及衛星定位信息進行比對，測量不同通信距離OBU和RSU的業務成功率（采樣點間隔不大于50 m）。2）RSU在1 s內分別進行5次不同的車路一體化業務，重復上述步驟。

重復測試（至少重復測試10次）。

3.2.2 測試結果

車速為120 km/h時，不同距離區間的車路交互業務成功率見表4。

表4 120 km/h業務成功率

實驗結果表明，在120 km/h的速度下，車路交互距離保持在600 m以內其成功率大于99%。

4 結論

該文研究結果表明，具有車路協同功能的車載智能設備和路側智能設備可以通過信息交互來獲取自動駕駛車視距之外交通環境信息。考慮設備通信環境和車輛行駛速度，設備在通信距離為500 m的范圍內可以實現高效的業務信息交易，信息丟包率小于0.1%，端到端通信時延小于50 ms，可以滿足L4級的自動駕駛通信需求。