车联网技术探秘：V2X通信和智能交通系统
2015-06-09 20:20:35   来源：电子技术设计   作者:    评论：0

　　根据世界卫生组织所提供的统计数据，全球每年因车祸而丧生的人数大约有120万，受伤的人数在5000万左右。在1990年，各类死亡原因当中车祸只排第9位，而有机构预测到2020年，如果汽车交通系统的安全措施没有显著的提高，车祸所导致的死亡人数会升至死亡原因第3位。

　　为了提升交通系统的安全性和智能化，智能交通的系统理念逐渐兴起。智能交通可以利用新一代的通信网络和数据处理能力，提高交通系统的整体效率，降低能量损耗，增加运输的安全和便捷。近阶段，智能交通系统的开发将主要集中在智能公路交通系统领域，也就是俗称的车联网。

　　应用场景

　　车联网有很多应用场景，有些是现在已经看到的，有些是预测的。毋庸置疑，提高交通安全是最主要的应用，其中包括：一，车辆当发现有危险临近，例如前方有障碍物时，能够及时提醒其他车辆;二，车辆能够告知其他车辆自己所行进的方向，以帮助其他车辆的司机做更准确的判断;三，靠近交叉路口时，向其他车辆提醒;四，驶离高速路时，向其他车辆提示;五，临时/突然停车的预警;六，车辆变线时的提醒;七，事故汇报;八，汽车司机对路边行人/骑自行车人的提醒。

　　在交通管理方面，车联网可以帮助疏通车流，实时地对拥塞采取有效措施。管理部门可以根据一些具体的条件灵活地实施交通规则，例如：可调的时速限制、可变的信号灯周期和灯闪顺序、交叉路口自动车流控制、救护车/消防车/警车的开道。

　　在司机辅助方面，智能交通可以提供自动泊车、导航状态、路标识别等。对于警察等执法部门，车联网有助于监控、超速提醒、禁区管理、勒停命令的实施等。通过电子支付的方式，车联网使过路费/停车费的收集更加快捷方便，从一定程度上减轻车流的拥塞，减少收费站附近常发生的低速追尾事故。

　　随着汽车电子突飞猛进的发展，车辆本身的运算能力也有长足的提高，只要车联网能提供充足大量的路况信息，根据车上的电子地图和以往的数据，车子自身系统可以通过复杂的优化算法，规划出最佳的路径，某些情况下还能实现在高速公路上的自动驾驶。例如一个大货车队，只有最前方的车里有驾驶员，后面的货车里只有若干传感器和通信器与第一辆车联系，及时更新信息，顺应路况，实现合理驾驶。

　　技术方向

　　V2V，或者拓展到V2X，指的是汽车车辆之间，或者汽车与路边行人/骑车者的通信系统。这类系统就是所谓的车辆临时网络(Vehicular Ad-hoc Networks， VANETs)，它属于一种移动临时网络(Mobile Ad-hoc Networks， MANETs)。在这个网络中，每一辆入网的车可以成为一个网络节点，具有移动性。每个节点与其他节点协同，减少盲区，避免事故。

　　目前，车联网中最重要的目的是提高交通安全，其需求集中体现在：一，低时延，端到端时延在5ms以内;二，高可靠，误包率在99.999%以下，而且能在车辆发生拥塞，大量节点共享有限频谱资源时，仍能够保证传输的可靠性;三，可能需要支持高速移动，考虑到汽车之间的相对移动，最高相对时速可达500km/h;四，传输数据包至少能承载1600字节的信息数据。

　　车联网的发展是跨行业的，涉及的技术众多，在这里我们着重介绍与无线通信及系统密切相关的，分别从物理层和网络层入手。

　　已有的技术

　　当前，由IEEE 802.11p和IEEE 1609组成的协议框架能够完成车联网的一些最基本的功能。IEEE802.11p是IEEE 802.11系列的一个版本，可谓专门为车联网而“定制”。这样，WiFi的关键技术IEEE802.11技术正通过802.11p拓展到车联网的V2X应用上。IEEE802.11p传承了WiFi大部分的物理帧结构设计，包括OFDM发射，以及基本媒体接入控制(MAC)层协议，目前支持5MHz/10MHz/20MHz的带宽，在美国的频段是5850MHz~5925MHz，工作带宽均为10MHz，共支持7个，其中2个只能由公共安全部门所使用。相比一般的蜂窝网络，IEEE802.11p所能覆盖的半径并不大，在500m以内，因而被称为短距离通信(DSRC)技术。同时IEEE802.11p协议中引入了时钟广播和增强的信道抑制技术，以加强车联网的物理层。其中时钟广播技术可以帮助节点与公共的时间参考保持同步;而信道抑制目的是提高接收器对5GHz左右的带外干扰的抵抗能力。

　　由于车辆的快速移动性，车辆与路边的网络基础设施所组成的通信链路也都是临时性的，即只在很短的时间之内存在。所以这个链路必须在极短的时间建立连接，发送数据。而IEEE802.11技术中的那些繁琐的连接认证过程耗时过长，难以使用在车联网。为此，IEEE 1609填补了高层协议的空白，形成一套完整的协议栈。IEEE1609包括4个子协议，其中IEEE1609.1定义了资源管理，将远端的应用层与当前的车辆联系起来;IEEE1609.2为应用层和管理信息提供安全服务;IEEE1609.3是IEEE802.11p的网络层;总体上，IEEE1609.4可以处理多信道通信。

　　除了近距离通信使用IEEE802.11p，适用于更远距离的通信技术，如WiMAX(IEEE 802.16)、GSM或者3G/4G，都曾被考虑作为潜在的车联网技术。但是这些技术都需要广泛而耗资的基础网络部署以及针对车联网具体需求的技术改进。

　　车联网下层网络中，节点主要分为两大类：车载单元(Vehicular on-board unit)和路边单元(road-side unit)。路边单元如同WiFi网络中的锚点，提供与基础网络的通信。如果需要，路边单元有责任为车载单元分配传输信道。路边单元需要周期性地在控制信道发射“信标”(beacon)信号，以便车载单元监听识别。这个过程和物理层信号与WiFi的有一些不同。另外还有一种比较特殊的节点，一般置于应急场景中的警察、消防或急救车辆上，他们尽管是车载单元，但也具备路边单元的许多功能。
　　未来的技术方向

　　●降低时延技术

　　为了更好地满足低时延的要求，车联网物理层协议需要靠虑对帧结构的适配。当前LTE的子帧长度为1ms，因为支持自适应重传，一来一回，每次时延至少8ms，几次下来，光是空中接口的时延就有十几ms.为降低时延，物理帧的长度需进一步缩短，如果采用自适应重传，来回时间每次应远小于5ms.

　　在高可靠传输应用中，LTE对一般数据在空口误块率(FER)要求是初始传输为10%，经过几次重传后(当然增加了时延)，误块率如果低于1%即可。显然这远远无法满足99.999%可靠度的要求。为进一步改进系统性能，首先可以考虑使用新的信道编码技术，在不明显增大时延的条件下，把误块率降到十万分之一。或者使用更有效的前向纠错编码技术(FEC)的低时延高可靠传输机制：通过牺牲速率(或带宽)，可以极大降低信息重传的概率，从而有效降低传输时延。

　　通过设计较短的连接建立信令流程及终端与网络的身份鉴定方法可以进一步降低时延。

　　另外，采用跨信令栈的自适应路由机制，在低时延及高可靠性两者之中进行适时的调整，优化网资源的使用，提高传输性能。增强MAC协议的业务保障能力与多业务资源合理分配功能，可以在可靠传输的前提下，进一步降低时延。

　　●网络架构创新

　　反过来，车联网对传统网络的演进也提出了新的挑战。车联网的无线空口具有短程特征，而且有短时延与高可靠度的需求，这导致无线蜂窝网的建网理念不能完全适用。无线基站并非合适的路边站，导致很多现有设施难以被重复使用。如何利用已有的网络设施，如何经济地铺设新的设施(光纤传输网/微波传输网/光纤接入网/IP网/传统电话网等)是建立智能交通基础设施必须考虑的实际问题。减少基础设施的投资和提高已有设备的复用能力，需要新的组网技术、网络实现技术和网络管理技术。软件控制网络(SDN)和虚拟网络(NFV)技术必将在这里得到恰当的应用和进一步的发展。网络架构需要进一步扁平化和虚拟化，通过优化端到端数据传输路径，从而减小数据传输经过的网络设备，从而降低数据传输时延;通过优化数据传输路径，保证数据动态选择可靠性最优路径进行传输，从而提高通信的可靠性。

　　●车联网也是D2D和MTC的一个典型应用

　　车联网也可以看成是终端直通通信(D2D)的一种应用，每一个车载单元与附近其他车辆上的车载单元进行直接的通信。因为无需通过基站或者路边单元的转发，车辆之间通信的延时可以大大降低，传输速率也可提高，尤其当车辆距离较近时。D2D的未来技术，例如，基站可控的直通通信、终端间的互发现、基于分布式调度的移动临时网络等，都可以运用到车联网当中。车联网还可以看成机器间通信(MTC)的一种应用，也会有大量终端(这里即车载单元)存在于系统当中，需要系统的维护和支持，小的控制信令包不断，系统负担很大。而在交通拥堵时，同时会有很多车载单元竞争接入，对系统带来巨大的冲击。因此，未来MTC的技术发展，尤其在控制信令优化和“接入风暴”处理方面的创新将会极大地提高车联网的性能。

　　智能交通系统是一项前途广阔的新技术领域，是通信和信息技术的新的应用领域。不同于传统技术，智能交通是一个跨行业、跨技术领域、跨国界的巨大的系统工程。完成这一工程，需要车辆制造行业、公路建造管理部门、城市建筑规划部门、通信设备厂商和网络公路运营部门的合作，共同开发完善这一技术，使之走向成熟，形成新的产业链和商业模式。

　　作为智能交通的关键技术，V2X技术有很大的提升余地和创新空间。本文对V2X技术现状和未来技术发展方向做了初步的展望，相信在未来5G时代，相关的技术创新将把V2X产业应用带到一个新高度，智能交通大系统将会在不久的将来成为现实。