王晨光,趙雯雯

(1.西安交通大學，西安 710049；2.中國空間技術研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

隨著人們生活水平的提高和汽車制造業(yè)的發(fā)展，駕車出行已經(jīng)成為了人們的主要出行方式。這樣的發(fā)展趨勢必然導致地區(qū)內(nèi)機動車保有量增加，交通系統(tǒng)負擔增大，城市擁堵也日益嚴重。因此，在地區(qū)內(nèi)進行車輛交通控制具有極其重要的意義。隨著車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的逐步發(fā)展和神經(jīng)網(wǎng)絡模型的不斷優(yōu)化，地區(qū)內(nèi)車輛交通控制也會得到極大的改善[1]?，F(xiàn)有基于5G通信技術的車聯(lián)網(wǎng)存在著諸多局限性，無法保證神經(jīng)網(wǎng)絡模型得到新鮮度高，時效性強的數(shù)據(jù)[6]。根據(jù)西方發(fā)達地區(qū)的先進經(jīng)驗，欲提高交通效率，必須有高效的通信系統(tǒng)作支撐。隨著低軌道通信衛(wèi)星的蓬勃發(fā)展，使得基于低軌道通信衛(wèi)星車聯(lián)網(wǎng)，能夠滿足現(xiàn)實車輛交通控制需求的地區(qū)車輛交通控制系統(tǒng)呼之欲出。本文合理推演車聯(lián)網(wǎng)地區(qū)車輛控制模型，通過分析計算現(xiàn)有低軌道衛(wèi)星通信能力，為滿足地區(qū)車聯(lián)網(wǎng)交通規(guī)劃控制的需求，提出基于低軌道通信衛(wèi)星車聯(lián)網(wǎng)的地區(qū)車輛交通控制構想。

1 現(xiàn)階段相關技術發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 車聯(lián)網(wǎng)

在現(xiàn)階段技術水平下，專用短程通信( Dedicated Short Range Communications，DSRC) 和基于蜂窩網(wǎng)的車聯(lián)網(wǎng)( Cellular V2X，C-V2X)是車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要方向，而其中C-V2X又是最為廣泛的研究方向。DSRC和C-V2X的信息流交互如下圖所示。

DSRC 是一種基于無線局域網(wǎng)( Wireless Local Area Networks,WLAN) 的無線通信技術，可以實現(xiàn)車輛與車輛之間以及車輛與基礎設施之間的視距通信。其主要信息交互方式是通過車輛傳感器完成車與車，車與人之間的信息通信或感知，再通過路側(cè)局域網(wǎng)通信單元，上傳到云端，實現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)及信息交互。

C-V2X目前基于5G通信信道實現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)技術，相比于基于局域網(wǎng)實現(xiàn)的DSRC技術，具有更高的容量，更安全的信息傳輸，更遠的通信距離，也可以滿足非視距范圍內(nèi)車輛通信的需求。主要是通過車輛自身傳感器和車輛與通信基站(目前主要是5G基站)通信，完成車聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)工作[5]?？梢詽M足多種V2X應用場景的需要，V2X應用場景如下圖所示[6]。

圖1 DSRC架構

圖2 C-V2X架構

圖3 V2X應用場景

V2V 技術是車輛間信息交互。V2I 技術是車輛與道路基礎設施之間的通信。V2P是車輛對行人的感知技術。V2N是車輛與車聯(lián)網(wǎng)的通信，RSU為路側(cè)通信單元，Uu-link和PC5-link是Uu接口的4G/5G小型基站和直連鏈路/PC5接口的路側(cè)單元。

目前，車輛傳感器信息等多種應用需求均有車載計算機負擔實現(xiàn)，且車載計算機還需要完成自動駕駛，車輛控制等計算工作，通過查閱資料可知，車載計算機每秒數(shù)據(jù)計算至少約為3.6GB[8]。

盡管如此，現(xiàn)有C-V2X技術由于其基于地面5G基站的緣故，仍然存在著城市交通網(wǎng)絡拓撲復雜，信息新鮮度差，時延隨負載上升等問題，距離大規(guī)模商用仍有一定的距離[6]。

1.2 低軌通信衛(wèi)星技術

近幾年，隨著衛(wèi)星通信技術的發(fā)展，以SpaceX,OneWeb,Boeing等公司為代表，提出了一系列關于低軌道衛(wèi)星發(fā)展的新計劃和新技術。國外已發(fā)射和提出的低軌寬帶星座，衛(wèi)星總數(shù)已超過萬顆。

SpaceX公司計劃構建名為Starlink的星鏈系統(tǒng)，該系統(tǒng)由4425顆衛(wèi)星組成，預計初期部署1600 顆衛(wèi)星，每顆衛(wèi)星可提供 17 Gbit/s～23 Gbit/s 的下行鏈路總?cè)萘浚?初期總?cè)萘靠蛇_ 32 Tbit/s。整個系統(tǒng)將提供 1 Gbit/s，延遲約為 25 ms～35 ms的寬帶服務，完成全部部署后，將提供真正的全球覆蓋。

OneWeb 公司的低軌衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)計劃由 720 顆在軌衛(wèi)星和 200 顆備份衛(wèi)星組成，每顆衛(wèi)星提供上行 50 Mbit/s， 下行 200 Mbit/s 的接入速率，且全球覆蓋的寬帶互聯(lián)網(wǎng)服務。

Boeing公司提出的 NGSO(非靜止衛(wèi)星軌道)和FSS(衛(wèi)星固定業(yè)務)系統(tǒng)旨在為商業(yè)、機構、政府和專業(yè)用戶以及居民提供廣泛的寬帶互聯(lián)網(wǎng)與通信服務。NGSO 系統(tǒng)計劃由 2956 顆衛(wèi)星組成，初期部署階段將將發(fā)射 1396顆衛(wèi)星，衛(wèi)星有效載荷采用先進的波束形成和數(shù)字處理技術， 網(wǎng)關采用先進陣列技術生成高增益方向受控技術，實現(xiàn)衛(wèi)星通信。

國內(nèi)也提出了一批低軌星座的計劃，其中包括航天科技集團的“鴻雁”、航天科工集團的“虹云”，也包括一批民營企業(yè)籌劃中的寬帶星座、物聯(lián)網(wǎng)星座等。

1.3 人工智能技術在交通控制中的應用

在地區(qū)交通系統(tǒng)研究中，人工智能的當下的主要研究內(nèi)容是交通控制和預測系統(tǒng)，重點關注城市交通信號控制、路徑規(guī)劃、路徑預測、車輛速度和交通流量預測等，并結合遺傳算法、模糊邏輯和專家系統(tǒng)，實現(xiàn)了完整的城市交通網(wǎng)絡規(guī)劃。甚至可以通過信息收集分城區(qū)主干道車輛出入情況，對信號燈等交通管理系統(tǒng)進行控制，改善出行狀況。

除此之外，還可以應用相關技術，對道路狀況、環(huán)境因素、流量條件以及駕駛?cè)说男袨檫M行研究建模，構建道路安全和事故預測系統(tǒng)，將系統(tǒng)應用于對地區(qū)所有的車輛進行分析，并提出有效的信息，預防交通事故的發(fā)生[4]。

然而，目前人工智能技術條件下信息收集的前瞻性和時效性較差，無法有效統(tǒng)一起一個大地區(qū)或災區(qū)的信息收集工作。

2 基于低軌道通信衛(wèi)星實現(xiàn)地區(qū)車輛交通控制

由于目前車聯(lián)網(wǎng)技術受地面基站限制，優(yōu)化措施集中在數(shù)據(jù)編碼等物理層研究，跨層研究和應用層研究上，但面對大流量交通控制時會產(chǎn)生拓撲復雜，信息實時性差等問題?；谝陨蠁栴}及各項技術發(fā)展現(xiàn)狀， 本文提出了兩種基于低軌道通信衛(wèi)星的車聯(lián)網(wǎng)交通控制方案。

2.1 基于透明轉(zhuǎn)發(fā)的低軌道通信衛(wèi)星交通控制

以SpaceX公司的Starlink為例，星上采用透明轉(zhuǎn)發(fā)，延遲低，速度快[9]?？梢杂靡攒囕v和高性能計算中心的信息交互?？紤]到突發(fā)情況，以國家交通法規(guī)定的車輛與突發(fā)事故點安全距離跟車速相關這點作為尺度，同時，無輔助駕駛系統(tǒng)駕駛員的反應時間約為0.5s～1.5s之間，則信息交互的時間不應大于無輔助下駕駛員的反應時間[5]。而以SpaceX公布的Starlink相關數(shù)據(jù)可以看出，雙向延遲時間是遠遠小于這一標準的[9]。同時，Starlink所具備的高通量的特點又可以解決大規(guī)模車輛數(shù)據(jù)的高負載問題。除此之外，Starlink系統(tǒng)具有就近選擇地面基站作為與終端之間的中介的能力，可以一定程度上解決大并發(fā)的問題。所以，以低軌道衛(wèi)星系統(tǒng)作為信息交互的橋梁在現(xiàn)代及未來是可行的。

基于以上論證，可以構建如圖4所示的交通控制系統(tǒng)。

圖4 衛(wèi)星-地面中心交通控制系統(tǒng)

如圖4所示，該系統(tǒng)由車載終端/計算機，GPS衛(wèi)星和低軌道通信星座，地區(qū)高性能計算中心及其接受裝置構成。該系統(tǒng)具體工作流程如下：

區(qū)域內(nèi)車輛通過車載終端將定位、報警，車輛狀態(tài)(車輛編碼，行駛速度，網(wǎng)關路由)及車輛需求等信息[8]，通過低軌衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)給地區(qū)高性能計算中心，地區(qū)高性能計算中心根據(jù)這些數(shù)據(jù)作為原始參量輸入相應的神經(jīng)網(wǎng)絡中，1s內(nèi)得出初步的規(guī)劃結果，并將不同的規(guī)劃結果再通過低軌道通信星座發(fā)送給不同的車載終端。從而對大區(qū)域流量規(guī)劃做出實時調(diào)整，保證規(guī)劃合理，提升駕乘人員體驗。

由分析可得，該方案對計算中心的計算能力提出了一定的要求。單個GPS數(shù)據(jù)包的大小為0.03KB～0.07KB之間，封裝上車輛告警信息(無告警則數(shù)據(jù)項為空)得到的數(shù)據(jù)包長度可保守估計為0.05KB，由于目前通信協(xié)議多采用TCP/IP協(xié)議，則數(shù)據(jù)包中應包含大小約為為0.02KB的IP數(shù)據(jù)報，則單車通過衛(wèi)星向數(shù)據(jù)中心傳輸?shù)膯蝹€數(shù)據(jù)包大小應約為0.07KB?？紤]到計算機處理時間和傳輸時延之和應與駕駛員反應時間相當甚至更好才能有效實現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)的安全需求，且目前低軌道衛(wèi)星的上/下行傳播時延為25ms～45ms，駕駛?cè)藛T反應時間為1s～2.5s，則對于單車而言，衛(wèi)星應起碼在1s內(nèi)處理一個數(shù)據(jù)包，才能滿足相應的需求。

目前，國內(nèi)主要城市平均機動車保有量在200萬輛，則在一個城市/地區(qū)內(nèi)，1s內(nèi)同時上傳的數(shù)據(jù)量為136.72MB，則一個城市內(nèi)需要計算中心每秒需要處理的數(shù)據(jù)至少為136.72MB才能滿足一個城市車聯(lián)網(wǎng)交通規(guī)劃所需。

同時，該系統(tǒng)中地區(qū)高性能計算中心還具有對區(qū)域車輛信息定時刷新的機制，以保證通信資源和計算資源不被過度占用及浪費。

綜上所述，在這個系統(tǒng)中，低軌道星座負責透明轉(zhuǎn)發(fā)和通信工作，GPS和車載終端共同收集信息供計算中心進行動態(tài)預測、規(guī)劃等工作。

2.2 基于信息處理的低軌通信衛(wèi)星車輛交通控制

根據(jù)SpaceX公開資料顯示，Starlink星座搭載Intel 286處理器[9]。隨著衛(wèi)星有效載荷的迭代升級，低軌道星座上的處理器也會擁有更強的計算能力。當整個星座的處理器可以滿足分布式計算和神經(jīng)網(wǎng)絡的部署時，高性能計算的任務可以交給衛(wèi)星處理，簡化處理流程，具體系統(tǒng)設計如圖5所示。

圖5 衛(wèi)星-終端直接控制系統(tǒng)

如圖5所示，該系統(tǒng)由服務器、星座、車載終端三部分構成。星座之間采用激光星間鏈路傳輸數(shù)據(jù)，該方式損耗低，功率大，滿足分布式計算潛在數(shù)據(jù)交換需要，同時，由于衛(wèi)星的公轉(zhuǎn)，也需要衛(wèi)星實現(xiàn)路由，再通過星間鏈路將數(shù)據(jù)發(fā)送到和個體車載終端相近的衛(wèi)星，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?/p>

系統(tǒng)具體計算任務及工作流程與衛(wèi)星-地面中心類似。但是，GPS衛(wèi)星的數(shù)據(jù)直接發(fā)送到低軌道星座上，在低軌道星座上完成相關的計算分析活動。由于兩種衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸在外太空進行，數(shù)據(jù)的傳輸時延和損耗可以大大降低，同時節(jié)約一大批地面高性能計算中心的建設成本，相對來說更加經(jīng)濟高效。

由于低軌道星座需要負擔起路由轉(zhuǎn)發(fā)和交通控制計算等高性能計算的工作，這就對低軌道星座的計算能力提出了一定的要求。

由方案1計算可知，在一個城市/地區(qū)內(nèi)，1s內(nèi)同時上傳的數(shù)據(jù)量為136.72MB。同時，為了簡化路由，避免網(wǎng)絡拓撲復雜性導致的種種問題，單一地區(qū)的計算任務不能分配至整個星座，應局限在同一時空城市上空的10～12顆衛(wèi)星上，則單顆衛(wèi)星每秒應處理11.39MB～13.67MB大小的數(shù)據(jù)，這一規(guī)模的數(shù)據(jù)是目前大部分家用計算機CPU的每秒數(shù)據(jù)輸入。目前衛(wèi)星上CPU可以處理大于每秒60MB的數(shù)據(jù)輸入，完全可以滿足衛(wèi)星上處理需求。

最后，在這個系統(tǒng)中，還應有地面數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，主要負責日志記錄、數(shù)據(jù)備份和單車/多車數(shù)據(jù)查詢功能，防止因為不可抗力因素導致的數(shù)據(jù)故障或缺失。

3 方案評估和發(fā)展?jié)摿?/h2>

3.1 方案評估

兩個方案各有優(yōu)劣。

方案一技術成熟穩(wěn)定，實現(xiàn)起來具有較高的可行度，甚至可以利用現(xiàn)有滿足條件的衛(wèi)星進行實現(xiàn)，但是高性能數(shù)據(jù)計算中心建設需要較長的周期，且穩(wěn)定調(diào)試工作需要一段時間，系統(tǒng)無法快速部署。且某些地區(qū)無相關科研機構有超級計算設備，建設高性能數(shù)據(jù)計算中心也需要一定的時間和成本。

方案二技術相對超前，需要有計算能力極為優(yōu)秀的CPU作為有效載荷，也可以通過增加低軌道衛(wèi)星的數(shù)量來降低單顆衛(wèi)星的計算負載。除此之外數(shù)據(jù)庫規(guī)模較大，需要有較好的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理方式。但是這種系統(tǒng)部署快，成型快。隨著低軌道星座的構成即可完成系統(tǒng)的部署。

3.2 發(fā)展?jié)摿?/h3>

無論是哪種方案，除了地區(qū)交通控制之外，也可以在系統(tǒng)中添加單個車輛的出行監(jiān)控和車輛狀況監(jiān)控，利用多衛(wèi)星系統(tǒng)的定位能力，并數(shù)據(jù)處理中心部署相應的機器學習模型，提前預警事故的發(fā)生，保證司乘安全。同時，也可以實時監(jiān)控車輛動態(tài)，對于維護社會治安、疫情防控、災害救援等工作具有重要意義。在方案二中，由于數(shù)據(jù)量不大，星上處理能力仍具有較大開發(fā)潛力，可以在自動駕駛等方面發(fā)揮重要作用。

4 結論

由上述計算和分析可得，基于低軌通信衛(wèi)星星上透明轉(zhuǎn)發(fā)的方案，地面若滿足每秒處理136.72MB數(shù)據(jù)的能力即可實現(xiàn)基于低軌道衛(wèi)星的車聯(lián)網(wǎng)交通控制；而基于低軌通信衛(wèi)星星上處理的方案，需要滿足同一時空內(nèi)單顆衛(wèi)星每秒應處理11.39MB～13.67MB數(shù)據(jù)的能力，即可實現(xiàn)基于星上處理的車聯(lián)網(wǎng)交通控制，同時這也給未來低軌通信衛(wèi)星的星上處理能力，提出了基本需求。基于低軌通信衛(wèi)星的車聯(lián)網(wǎng)技術與現(xiàn)有車聯(lián)網(wǎng)主流技術相比，有效解決了網(wǎng)絡拓撲復雜，負載增大導致的可靠性降低等問題。對于現(xiàn)有技術問題提出了較好的替代方案。同時，該方案，技術難度較小，實現(xiàn)簡單，無需相對困難的編碼優(yōu)化，傳輸協(xié)議優(yōu)化等環(huán)節(jié)，具有較高的發(fā)展?jié)摿褪袌鰸摿Α?/p>