車聯網中的V2R通信

為了保證交通安全、運輸效率以及娛樂等相關應用的可靠運行，車聯網提供兩種專用的通信方式：車輛與車輛、車輛與路側單元（vehicle to roadside unit，V2R）通信方式，並通過衛星、無線通信網路、3G/4G等技術完成對道路中的車輛和路況信息進行感知，通過對整個交通系統的全面監控，服務於人車位置信息，同時提供安全緊急信息服務和娛樂信息服務等，以確保用戶在出行時達到安全、娛樂體驗一體化。

1、引言

車聯網能夠通過提供安全和非安全的相關應用及服務來提高車輛用戶的安全和舒適度。根據2015年公安部交通管理局公布的機動車和駕駛人數數據可知，車輛保有量的增長速度遠高於交通基礎設施的建設速度[1]，因此緩解交通壓力，保障交通安全，減少環境污染以及實現全方面的車輛服務，實現綠色、高效、安全的交通環境成為了人們關注的焦點。近幾年來，隨著無線技術的發展，人們對車聯網的要求日益提高，對車聯網的研究提出了新挑戰，各高校和企業紛紛投入到相關項目的研究中，致力於從「互聯網+」到「車聯網+」的研究，構建一個互聯網+汽車+交通信息+汽車銷售+服務平台+金融+汽車維修保養+汽車用品+車險+救援+N、全面的車聯網生態體系，打造產業新格局[2]。

單純的Ad Hoc網路或者V2V（vehicle to vehicle，車輛與車輛）通信不具有可靠性，很多應用不能得以實現。為了保證交通安全、運輸效率以及娛樂等相關應用的可靠運行，車聯網提供兩種專用的通信方式：車輛與車輛、車輛與路側單元（vehicle to roadside unit，V2R）通信方式，並通過衛星、無線通信網路、3G/4G等技術完成對道路中的車輛和路況信息進行感知，通過對整個交通系統的全面監控，服務於人車位置信息，同時提供安全緊急信息服務和娛樂信息服務等，以確保用戶在出行時達到安全、娛樂體驗一體化。其中，V2R通信有助於獲取實時道路交通信息，降低網路的時延，提高網路的傳輸能力，即V2R通信對於提高網路的可靠性、安全性及用戶的舒適度具有重要意義。

R代表路側單元（road side unit，RSU），具有數據存儲和運算能力，具備網關功能，是能夠採用DSRC技術直接與車輛中的車載單元（On board unit，OBU）進行信息交互的無線收發裝置，可以獨立地部署於道路兩旁，用於大面積感測與通信。RSU不僅可以通過無線網路與車輛進行通信，還可以接入互聯網，擴展車聯網的應用服務，在車載網中佔有很重要的地位。

V2R通信屬於移動車輛與固定RSU間的通信，車輛與RSU間可以通過單跳或多跳的方式進行通信：當車輛位於RSU覆蓋範圍內時，車輛可以直接與固定的RSU通信，從而通過RSU接入網路；當車輛離開RSU覆蓋範圍時，車輛進入RSU信號覆蓋盲區，該源車輛可以將其覆蓋範圍內的車輛當作中繼車輛，通過多跳通信保持與RSU的連接。V2R（vehicle-to-RSU）通信的主要特點[3]為：路側單元只在其覆蓋範圍內進行廣播；車輛與路側單元間只需進行一跳便可完成數據傳輸，減少消息轉發次數，並簡化消息確認機制，起到了增加網路吞吐量的作用；路側單元可以快速、準確地探測道路狀況、車輛與交通燈狀況，並對這些信息進行過濾、處理、排序、預測，再發送給其他車輛。從上述3方面可看出，路側單元的部署可以提高通信時消息傳輸的可靠性和實時性，因此，對V2R通信進行研究具有重要意義。

歐洲於2005年啟動了CVIS與Coopers項目，其中，CVIS側重於基礎設施與車輛通信的實際研究與測試，Coopers關注於使用CALM（communication access for land mobile，陸地移動訪問通信）標準進行車路通信。美國為實現人車路一體化，啟動了IntelliDrive/VII、CICAS、SafeTrip21等項目。2010年中國開展了「智能車路協同關鍵技術研究」國家「863」項目，2011年科技部啟動了「車路協同系統設計信息交互和集成驗證研究」項目。路側單元設施目前主要應用於高速公路和車場管理中，如在電子不停車收費系統（electronic toll collection，ETC）系統中，可以實現車輛身份識別和電子扣分等用途。日本到2008年為止，74.1%的高速公路和城市中81.1%的車輛安裝了ETC設備。我國自2013年起，所有軍車均完成了車載單元（OBU）的安裝。雖然我國車聯網研究起步較晚，但發展勢頭勢不可擋。

2、網路的體系結構

2.1 IEEE802.11p協議

因為車聯網提出的應用具有不同的性質，往往需要非標準通信協議，目前支持車聯網中無線接入的主要協議標準是IEEE802.11p標準和1609協議簇。IEEE802.11p的工作頻率為5.85~5.925 kHz的通信波段下，也是智能交通系統頻段， IEEE802.11p採用了802.11a的正交平分復用技術，可以克服相對速度太快以及快速的多徑效應，可以使通信範圍高達1000 m，在媒體訪問控制層（MAC），採用802.11e的增強分散式信道接入協議來支持服務質量協議（quality of service，QoS）。而IEEE1609標準協議簇除了IEEE1609.0、IEEE1609.1（資源管理）、IEEE1609.2（安全服務）、IEEE1609.3（網路服務）和IEEE1609.4（多信道操作）外，又增添了新的標準，如1609.5（通信管理）、1609.6（設備）以及1609.11（電子支付服務）。

IEEE802.11p在短距離（300 m左右）無線電傳輸中可提供的數據速率為6~27Mbit/s，在車聯網中支持無線車載網路的關鍵技術是專用短程通信技術（dedicated short range communication，DSRC），其工作頻率為5.8GHz（5.795~5.815 GHz），上行鏈路為500 kbit/s，下行鏈路為250 kbit/s。DSRC結構體系包括3部分：車載單元、路側單元以及專用短程通信協議，大容量、高速率和低時延為DSRC的顯著特點。在智能交通系統中，DSRC技術不僅可以進行實時信息的傳輸，而且還可以對保密信息進行加密處理。

車聯網要求車輛間數據鏈路具有高速度、低時延，由於車輛的高移動性、服務質量的時變性和人們對信息多樣化的要求，IEEE802.11p仍面臨著一些挑戰。歐洲啟動SAFESPOT項目，研究採用IEEE802.11a和IEEE802.11p通信協議設計基於V2R和V2V通信的安全協作系統。

2.2 LTE協議

信息技術的高速發展推動著4G技術的不斷完善，4G通信技術擁有更快的傳輸速度和更廣的傳輸範圍。在LTE協議中，下行峰值速度為300Mbit/s，上行峰值速度為75Mbit/s，傳輸時延小於5ms，傳輸範圍長達1000km。

圖1 4G網路系統

4G通信技術已經逐漸融入人們的日常生活中，實踐證明4G技術可以為用戶提供便捷、安全、高效、具有獨特性的服務，而將4G技術融入智能交通系統，可以為用戶提供更加優質、高效、安全的服務。4G技術的高速性可以為交通提供更加流暢的視頻服務，其移動定位系統有利於精確地進行某時間段道路狀態信息的收集，可視電話服務可以提高網路系統的服務質量與服務水平等。將4G與智能交通系統相結合，不僅可以為用戶提供高效的實時路況信息，進行危險預警，避免交通擁堵，提高行駛效率和旅途趣味性，還可以及時地將違規停車、交通事故等方面的信息上傳到相關部門，對道路車輛進行有效管理。4G使交通系統更加智能化。

參考文獻[10]中將LTE-V與DSRC進行了對比，指出LTE-V可以利用現有的基站和頻譜成本比DSRC低，而且支持更高的車速。反應時間、傳輸速率、傳輸距離以及信道性能等關鍵指標均優於DSRC技術。LTE在車聯網中具有良好的使用價值和廣泛的應用前景。

2.3 混合結構體系

將蜂窩技術應用到車聯網中，可以精確地定位並將精準地理位置處的信息有效地傳輸給更多的用戶。優點是高速度、低時延、傳輸範圍廣、可靠性強；缺點是由於車輛的高移動性，車輛與基站間的通信成本較高，基站的越區切換髮生頻率較高等。參考文獻[7-9]都在探討蜂窩技術與交通系統的結合。

參考文獻[11]中提出了一種基於IEEE802.11p和LTE的混合體系結構VMaSC-LTE，該體系中使用了IEEE802.11p中的多跳分組，在構建的簇中，簇頭會啟動LTE介面實現車聯網與LTE的連接。該結構的優點是可以在保持簇頭數量最小且最大限度地保持簇穩定性的基礎上，維持蜂窩技術的最小使用限度，從而實現最低的時延和最高的數據分組投遞率。在混合結構中，簇頭間通信使用蜂窩技術，而簇頭與簇成員間的通信使用IEEE802.11p，如圖2所示。在該體系結構中使用了高效聚類的方法，該方法在保證開銷最少的簇拓撲結構穩定性的基礎上，減少簇頭的數量，減少蜂窩技術的使用成本，減少與基站的通信量和越區切換頻率。因為LTE具有很高的安全性，該體系結構採用了自適應法，即當應用程序的可靠性要求提高時，簇成員的數量減少，提高LTE的使用率。

圖2 IEEE 802.11p-LTE體系結構

因為移動通信基礎設施的不斷完善，車聯網利用現有設施不僅可以降低數據傳輸時延、提高系統容量，還可以降低生產成本。現在5G通信技術成為熱門研究課題，如何使用5G技術來擴展車聯網的應用，仍是待解決的問題。我國自2015年9月開始，工業和信息化部先後與浙江省政府、京津冀三地政府、重慶市政府簽署合作協議，華為、千萬、北汽、長安等幾十家大型企業參與其中，來推動「寬頻移動互聯網技術」在智慧汽車和智慧交通領域的應用[10]。

3、V2R通信的連通性分析

當不知道網路使用何種協議時，很難衡量一個網路的性能，然而，可以通過分析車聯網的連接性來解決這一問題，因為不管使用何種協議，網路性能與網路連通性都是緊密相關的。在本節中通過研究高速公路情景下的接入模型來分析網路中V2R通信的連接概率。通常接入模型包括兩種：協議模型和物理模型。協議模型為理想模型，典型代表為單位圓模型；物理模型的典型代表為衰落模型，本文以對數正態陰影衰落模型為例。

3.1 單位圓模型

單位圓模型是在理想無線信道模型下建立的分析模型，屬於協議模型，在該模型中傳輸信號的能量損失僅與空間距離有關，因此信號的傳輸範圍是以節點為中心的圓。

參考文獻[12]中使用單位圓模型來分析稀疏環境下V2R通信網路中車輛通過一跳或兩跳方式接入路側單元的接入概率。在該模型下，路側單元沿道路兩旁部署，假設車輛在路段中為泊松分布，相鄰路側單位間的距離為L米，在該路段中車輛密度為ρ輛/米，路側單元的無線傳輸半徑為R米，車輛的無線覆蓋半徑為r米。使用MATLAB進行建模模擬，根據模擬結果可知，網路連接概率與車輛無線覆蓋半徑、RSU無線覆蓋半徑及車輛密度成正比，與相鄰路側單元間的距離成反比。

根據道路的車輛密度和設施的無線覆蓋能力合理部署路側單元，不僅可以保證網路的連接概率，還可以節約生產成本。當道路上的車輛密度發生改變時，在保證網路連接概率的情況下，可以適當增加或減小RSU的發射功率，以起到節能的作用。但當道路上的車輛密度增大到一定程度時，網路連接概率不會再變化，此時車輛密度的增加不僅不會提高網路的連接概率，反而還會出現信息擁堵等問題。參考文獻[18]說明在密集交通情況下，網路吞吐量會降低，因此當車輛密度增大到一定程度時，網路連接概率不適合作為評估標準，需要尋找合理的評估參數，如傳輸時延、數據分組成功投遞率等。

當車輛位於多個路側單元覆蓋範圍的重疊區時，參考文獻[19]提出了基於博弈論的接入方式，合理利用信道資源，避免出現信息擁塞或信道空閑現象。

3.2 組模型

由於車聯網中的車輛處於高速移動狀態中，車輛與RSU間的通信鏈路維持時間很短，在理想狀態下僅能維持13~16 s，所以提高車輛與RSU間的連接概率很重要。因為車輛具有聚集性，在道路上車輛容易緊隨前面的車輛，速度和方向會受到一定的限制，所以可以將一定距離內的連續車輛看成一個小組，從此點出發，使用基於組的模型分析。參考文獻[16]驗證了組模型可以提高道路的通信能力和能源效率，參考文獻[13-15]將組概念引入單位圓模型中，對單位圓模型進行優化。

在公路上一組連續的車輛可以形成一個小組，組中包括一輛排頭的車輛和多輛緊隨其後的車輛，在組中的車輛都擁有相同的行駛方向和恆定的速度，而且要求排頭車輛擁有較高的無線覆蓋範圍，足以覆蓋一組中的所有車輛成員。組的形成不僅可以提高行駛安全性，還可以減少能源損耗。一旦車輛形成組，緊隨排頭車輛的司機可以得到一定的放鬆，而且組中車輛間的相互合作可以提高數據的利用度，降低數據訪問時延。組模型對於車聯網研究具有重要意義。

在組模型下道路段中包括兩種車輛：組車輛和普通車輛，每一組車輛可以看成一輛大型車輛，組內的排頭車輛裝備的無線裝備具有較高的無線覆蓋範圍，可以覆蓋組內的所有車輛，而且組內車輛間可以彼此連接通信，且可以直接與排頭車輛連接。假設路段中共有N輛車，其中包括K輛普通車輛和M 輛組車輛，車輛按照泊松分布在道路段中運動，用表示網路中組車輛的比率，即r=M/N=M/(K+M)，所以普通車輛的比率為1-r。分別用R1和R2表示普通車輛和排頭車輛的無線傳輸範圍（R1

圖3 組模型模擬結果

假設普通車輛的無線覆蓋範圍R1為300 m，組車輛的無線覆蓋範圍為R2為500 m，RSU的無線覆蓋範圍R為1000 m，組比率Υ為0.4。模擬結果如圖3所示。通過圖3可知，連接概率隨著相鄰RSU間距離的增加而減少，並且通過使用組的單位圓模型，可以提高網路的連接概率。如當RSU間的距離為3 000 m，車輛密度為ρ=1/50、ρ=1/5時，組比率為0時，連接概率分別為0.833 4、0.865 9，而組比率為0.4時的連接概率分別為0.8867、0.9167，與組比率為0時相比，連接概率分別提高6.4%與5.9%。觀察圖3可發現，當車輛密度為ρ=1/50輛/米時，基於組模型的連接概率大於車輛密度為ρ=1/5輛/米時的無組模型的連接概率。綜上所述，通過模擬可以得出結論，基於組的單位圓改進模型可以提高網路的連接概率。

通過對組比率進行模擬分析發現，組比率越大，網路的連接概率越大，組比率的增加可以提高網路的連通性。當組比率為0時，模型等效於單位圓模型，即網路中的車輛均為普通車輛；當組比率為1時，網路中的車輛均為組車輛。組模型具有現實意義，因為車輛的性能不盡相同，有的車輛無線覆蓋性能相對較好，而有些車輛無線覆蓋性能較差，因此可以充分利用各種車輛的無線性能優化網路的連接概率，而如何選擇性能優越的組車輛仍是研究的重點工作。

3.3 對數正態陰影衰落模型

單位圓模型忽略了信道損耗，屬於理想的協議模型，即其傳輸信號的能量損耗僅與空間距離有關。然而，在現實生活中衰落是不可避免的，以陰影衰落為例，陰影效應是一種大尺度效應，主要指電磁波在傳輸路徑上受到建築物等的阻擋而產生的損耗，陰影衰落服從對數正態分布，其變化率比傳輸信息率慢，也稱為慢衰落。因為陰影衰落的存在，導致不同位置即使與發送端距離相同，其接收到的信號強度也可能不同。為了研究陰影效應對V2R通信的影響，使用對數正態陰影衰落模型。

在參考文獻[20]中，衰落因子越大，短距離鏈路的連接概率下降幅度越大，遠距離鏈路的連接概率增加，即陰影效應越顯著；反之，陰影效應影響越小。衰落因子的增加可以增大感測器的覆蓋範圍，降低感測器的覆蓋精度，因此可以揚長避短充分利用陰影衰落的優勢，當對V2R通信網路的連接概率要求不是很嚴格時，即道路段不是事故頻發段時，為了提高網路的覆蓋度，減少網路中孤立節點的概率，可以引入陰影衰落，起到節約成本的作用。參考文獻[22]中給出了在全覆蓋的要求下無線感測器在陰影衰落環境中所需的最小節點數計算式。將陰影衰落引入V2R的分析模型中，建立對數正態陰影衰落模型。通過模擬分析，遠距離車輛與路側單元的連接概率明顯增加。

參考文獻 [18]中指出網路可以通過中繼方式提高連接概率，因為基站可以通過中繼方式擴大覆蓋範圍，如當源車輛處於RSU覆蓋間隙處時，可以通過中繼方式與RSU連接，源車輛可以提前感知路況，不必行駛進RSU覆蓋區域，同理RSU可以提前感知遠距離路況。但是並不意味著跳數越多越好，跳數的增加對設備的要求更加嚴格，會造成生產成本的增加，並且任意一環出問題都會造成通信鏈路的中斷，降低通信網路的頑健性。因此在對數正態陰影衰落模型中，當源車輛與目的RSU間的連接概率較低時，源車輛可以通過雙跳方式與RSU通信，從而提高通信質量。

4、結束語

RSU不僅可以緩解信息擁塞問題，還可以擴大網路的通信系統增強系統的頑健性，因此V2R通信在交通效率、安全以及信息娛樂方面有重要作用，可以促進智能交通的建設。將LTE應用到車聯網通信中，充分運用4G通信的優勢和基礎設施，不僅可以擴大系統容量，使信息得到快速傳輸，還可以節約生產成本。目前我國已經開始了寬頻移動互聯網技術的研究，開始了LTE-V在車聯網中的研究。當協議標準未知時，建立分析模型是分析網路連接概率的重要方法，使用分析模型不僅可以合理部署RSU，盡量避免網路中孤立節點的存在，保證網路連通性，還可以根據分析結果合理調整無線裝置的發射功率，起到綠色環保的作用。

V2V通信與V2R通信的相互協作，對車聯網的安全與非安全應用具有重要意義，不僅可以降低網路傳輸時延、優化信道，而且可以提高路途的趣味性。但V2R通信仍面臨很多挑戰，如路側單元的選擇和切換、數據分發、安全信息實時傳輸、網路安全與隱私以及網路性能的評估等問題[3]。

2016年6月我國首個無人駕駛汽車試點示範區開園，我國從20世紀80年代開始無人駕駛汽車的研究，無人駕駛有望極大地緩解交通壓力，然而汽車如何快速獲取路況信息從而指定準確的行駛路線對V2R通信提出了更高的要求。隨著雲平台和大數據的出現，車聯網面臨新的挑戰，車輛的劇增使得網路優化成為了必須要解決的問題，路側單元可以將獲得的數據（如車輛行駛參數、路況信息及交通燈情況等）通過互聯網傳輸到雲平台進行大數據處理，然後將處理結果反饋到路側單元。雲服務和大數據處理屬於智慧交通的重要部分。

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