摘 要：車路無線通信系統(tǒng)是交通運(yùn)輸領(lǐng)域數(shù)字化、智能化應(yīng)用的重要組成部分，但其信道帶寬資源往往受到限制。在自動駕駛等應(yīng)用場景中，需要利用無線通信系統(tǒng)傳輸大量帶有時(shí)間信息和空間信息的車路交互應(yīng)用數(shù)據(jù)。文章在對常見的車路無線通信系統(tǒng)的應(yīng)用特性進(jìn)行分析后，提出了一種針對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定的專用短程通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)空數(shù)據(jù)校準(zhǔn)機(jī)制，并說明這一機(jī)制如何降低了時(shí)空數(shù)據(jù)校準(zhǔn)應(yīng)用對車路無線通信系統(tǒng)信道資源的需求。

關(guān)鍵詞：車路無線通信系統(tǒng);時(shí)空數(shù)據(jù)校準(zhǔn);系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);專用短程通信

0 引言

車輛在應(yīng)用中的快速移動特性決定了車輛通信系統(tǒng)一般都是采用無線通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)目前車輛通信系統(tǒng)的應(yīng)用場景，與車輛進(jìn)行通信的設(shè)備有可能是安裝于另一輛車上的通信設(shè)備，也有可能是部署在路側(cè)或數(shù)據(jù)中心的通信設(shè)備。車輛通信系統(tǒng)主要承擔(dān)的任務(wù)包括車-車（車輛之間）通信和車-路（車輛與路側(cè)設(shè)備或數(shù)據(jù)中心之間）通信。車路無線通信系統(tǒng)在本文的確切定義是，包含車輛和路端（廣義包括路側(cè)設(shè)施和數(shù)據(jù)中心）系統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)，且應(yīng)用目標(biāo)與車輛通信系統(tǒng)高度一致。因此，車路通信系統(tǒng)與車輛通信系統(tǒng)在本文中將作為等同概念予以使用。

從技術(shù)角度看，車路通信系統(tǒng)可以采用任何一種無線通信技術(shù)。但從應(yīng)用和管理的角度看，車路通信系統(tǒng)還要實(shí)現(xiàn)不同品牌車輛之間、與各種非車輛設(shè)備的互聯(lián)互通。因此車路無線通信系統(tǒng)應(yīng)用層數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)和使用，不僅要滿足應(yīng)用業(yè)務(wù)自身的要求，還要同時(shí)兼顧不同的物理層和網(wǎng)絡(luò)層通信技術(shù)特性。

1 車路通信系統(tǒng)特性分析

在車路通信系統(tǒng)中所普遍采用的物理層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的簡化3層模型，是借鑒ISO給出的7層網(wǎng)絡(luò)模型而形成的^[1]。根據(jù)ISO 7層網(wǎng)絡(luò)模型的關(guān)系，物理層和鏈路層是支撐車路通信系統(tǒng)應(yīng)用層的基礎(chǔ)，因此對車路通信系統(tǒng)的分析以物理層和網(wǎng)絡(luò)層基本特性分析為主。

目前，全球主流的車路無線通信技術(shù)，都可以歸納到兩條主要技術(shù)路線上^[2]。一條技術(shù)路線被稱之為專用短程通信。其中，IEEE 802.11p、日本ETC和LTE直連通信都是專用短程通信技術(shù)的典型代表。專用短程通信具有時(shí)延短、系統(tǒng)布設(shè)靈活、專用性強(qiáng)，但通信范圍和帶寬資源受限等特點(diǎn)。另一條技術(shù)路線則是以蜂窩無線移動通信技術(shù)為代表。蜂窩無線移動通信系統(tǒng)與專用短程通信系統(tǒng)相比，具有較大的通信覆蓋范圍和較豐富的帶寬資源，但由于核心網(wǎng)的存在，帶來通信時(shí)延較大、布設(shè)難度高等問題。

兩種技術(shù)路線的技術(shù)在車路通信應(yīng)用中，實(shí)質(zhì)上是互補(bǔ)關(guān)系，而非競爭關(guān)系。不同的應(yīng)用場景可能采用不同技術(shù)路線的無線通信技術(shù)，甚至在同一個(gè)應(yīng)用場景下不同的應(yīng)用數(shù)據(jù)也需要采用不同技術(shù)路線的無線通信技術(shù)進(jìn)行傳輸。在兩條技術(shù)路線上，相關(guān)的技術(shù)也在進(jìn)行演進(jìn)，并出現(xiàn)相互融合的現(xiàn)象。比如LTE技術(shù)是由早期的3G技術(shù)演進(jìn)而來的。在這一演進(jìn)過程中，LTE引入了專用短程通信的理念，并在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)上予以考慮，形成了LTE直連通信的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

綜上所述，車路通信系統(tǒng)的特性，實(shí)際上就是專用短程通信系統(tǒng)與蜂窩無線移動通信系統(tǒng)特性的選擇性呈現(xiàn)，或交替呈現(xiàn)。

2 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對時(shí)空數(shù)據(jù)校準(zhǔn)的需求

從理論上講，任何信息化、數(shù)字化系統(tǒng)都需要具備系統(tǒng)內(nèi)部成員的時(shí)間和空間數(shù)據(jù)校準(zhǔn)機(jī)制，以使得系統(tǒng)內(nèi)的各類應(yīng)用都使用相同的時(shí)間基準(zhǔn)數(shù)據(jù)和空間基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。由于時(shí)空基準(zhǔn)數(shù)據(jù)屬于應(yīng)用層數(shù)據(jù)范疇，所以時(shí)空基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的傳輸和使用，也是車路通信系統(tǒng)應(yīng)用層需要完成的一類重要任務(wù)。

傳統(tǒng)的時(shí)間數(shù)據(jù)校準(zhǔn)過程也被稱為“時(shí)鐘同步”過程。這一過程并不總是要求各個(gè)設(shè)備的時(shí)鐘完全與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘對齊，而只要求知道設(shè)備時(shí)鐘與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的計(jì)時(shí)時(shí)間差（鐘差）即可。只有當(dāng)該鐘差較大時(shí)才進(jìn)行設(shè)備時(shí)鐘的調(diào)整^[3]?！皶r(shí)鐘同步”過程中的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘就是基準(zhǔn)時(shí)間數(shù)據(jù)。一般的信息化系統(tǒng)內(nèi)部都會根據(jù)實(shí)際需要和系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備時(shí)鐘精度情況，定期進(jìn)行“時(shí)鐘同步”。

對于車路通信系統(tǒng)而言，時(shí)間數(shù)據(jù)校準(zhǔn)既是非常重要的，同時(shí)也是比較困難的。首先，車路通信系統(tǒng)所支持的應(yīng)用很多都是在車輛快速移動的場景下完成的，因此時(shí)間數(shù)據(jù)上的微小偏差就有可能導(dǎo)致應(yīng)用效果的下降，甚至是應(yīng)用的失效^[4]。其次，由于車輛移動性導(dǎo)致了車路通信系統(tǒng)的成員結(jié)構(gòu)處于不斷變化之中。網(wǎng)絡(luò)中的成員在進(jìn)行應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸之前，不能確保他們已經(jīng)通過常規(guī)的“時(shí)鐘同步”進(jìn)行了時(shí)間數(shù)據(jù)校準(zhǔn)，這就要求時(shí)間數(shù)據(jù)校準(zhǔn)工作需要隨時(shí)隨地進(jìn)行。

空間數(shù)據(jù)校準(zhǔn)的概念，與時(shí)間數(shù)據(jù)校準(zhǔn)有很大不同，因?yàn)榭臻g數(shù)據(jù)是沒有基準(zhǔn)數(shù)據(jù)可供參考的。車路通信系統(tǒng)中的設(shè)備根據(jù)自身的定位裝置，實(shí)時(shí)獲取自身位置信息（空間數(shù)據(jù)）。在空間數(shù)據(jù)校準(zhǔn)中，設(shè)備將自己的實(shí)時(shí)位置信息共享給系統(tǒng)中的其他設(shè)備，這一空間數(shù)據(jù)的連續(xù)實(shí)施共享過程就是空間數(shù)據(jù)校準(zhǔn)過程。

對于車路通信系統(tǒng)而言，空間數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)也是非常重要的。大量的智能交通應(yīng)用，都是需要基于車輛實(shí)時(shí)位置信息才能實(shí)現(xiàn)的，如“碰撞預(yù)警”“路徑規(guī)劃”等。空間數(shù)據(jù)校準(zhǔn)雖然與時(shí)間數(shù)據(jù)校準(zhǔn)的過程有所區(qū)別，但都需要對相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行持續(xù)傳輸。

3 分域校準(zhǔn)機(jī)制探討

車路通信系統(tǒng)中時(shí)空數(shù)據(jù)校準(zhǔn)必須配合車路應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行隨時(shí)隨地的傳輸，且傳輸時(shí)延與可靠性要求較應(yīng)用數(shù)據(jù)本身更高，因此傳輸時(shí)延較大的蜂窩無線移動通信網(wǎng)絡(luò)不適合來完成校準(zhǔn)任務(wù)^[4]。采用專用短程通信網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)時(shí)空數(shù)據(jù)校準(zhǔn)任務(wù)時(shí)，就要解決如何在帶寬資源有限的專用短程通信網(wǎng)絡(luò)上傳輸大容量時(shí)空數(shù)據(jù)的問題。

為了解決利用專用短程通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)時(shí)空數(shù)據(jù)校準(zhǔn)應(yīng)用的問題，對時(shí)空數(shù)據(jù)進(jìn)行了進(jìn)一步的分析和研究。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，時(shí)間數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)都是尺度范圍和表達(dá)精度范圍很大的數(shù)據(jù)，但在一般應(yīng)用時(shí)不會同時(shí)要求大范圍和高精度。因此，提出了一種分域校準(zhǔn)的任務(wù)執(zhí)行機(jī)制。

以時(shí)間數(shù)據(jù)為例，當(dāng)應(yīng)用所需的時(shí)間數(shù)據(jù)精度達(dá)到秒或毫秒時(shí)，這個(gè)應(yīng)用的過程往往就會很短。因此這類應(yīng)用一般不會關(guān)心“歷史”數(shù)據(jù)，而是注重“當(dāng)下”的數(shù)據(jù)，這時(shí)時(shí)間數(shù)據(jù)中的年份值域?qū)?yīng)用而言幾乎就是無用的。當(dāng)然也存在很多時(shí)間精度要求不高的應(yīng)用，這時(shí)應(yīng)用數(shù)據(jù)中的小單位值域?qū)?yīng)用而言就毫無意義了。因此，對時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行分域處理很有必要，比如分為大范圍低精度數(shù)據(jù)域和小范圍高精度數(shù)據(jù)域。

和時(shí)間數(shù)據(jù)校準(zhǔn)情況類似，空間數(shù)據(jù)也存在上述問題。有些應(yīng)用不會關(guān)心基于大地坐標(biāo)系的絕對空間位置，而只是關(guān)心相對位置。雖然通過絕對空間位置數(shù)據(jù)可以計(jì)算得到相對空間位置，但絕對空間位置數(shù)據(jù)所需的表達(dá)數(shù)位要比相對位置數(shù)據(jù)的表達(dá)多。如果考慮到多數(shù)車路應(yīng)用參與者物理位置相對較近這一實(shí)際情況，就完全可以將大范圍尺度的空間數(shù)據(jù)，通過確立一個(gè)位置參考基點(diǎn)轉(zhuǎn)換為小范圍尺度的空間數(shù)據(jù)，以達(dá)到減少數(shù)據(jù)容量的目的^[5]。這樣一來，空間數(shù)據(jù)可以將參考基點(diǎn)視為大范圍低精度數(shù)據(jù)域，相對基點(diǎn)的空間數(shù)據(jù)為小范圍高精度數(shù)據(jù)域。

分域校準(zhǔn)機(jī)制就是使用分域數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空校準(zhǔn)。如果車路無線通信網(wǎng)絡(luò)中存在一個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定的子網(wǎng)絡(luò)，就可以利用這種分域校準(zhǔn)的方法通過多個(gè)應(yīng)用層數(shù)據(jù)幀傳輸一個(gè)完整時(shí)空數(shù)據(jù)。使用該方法，一方面有效避免了大載荷應(yīng)用數(shù)據(jù)幀對網(wǎng)絡(luò)的阻塞影響;另一方面大范圍尺度域的數(shù)據(jù)無須頻繁傳輸，能避免大量無效信息的傳輸。

4 結(jié)語

面向車路通信系統(tǒng)，尤其是車路協(xié)同通信系統(tǒng)的分域時(shí)空校準(zhǔn)機(jī)制，對類似于車路協(xié)同、智能駕駛等多種車路應(yīng)用都具有較好的參考價(jià)值。本文僅對方法的實(shí)現(xiàn)思路進(jìn)行了闡述，相關(guān)時(shí)空數(shù)據(jù)的分域確定、基準(zhǔn)點(diǎn)的選擇等關(guān)鍵問題，還需根據(jù)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行深入研究。在研究基礎(chǔ)上形成一定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，才能使得分域校準(zhǔn)機(jī)制在工程實(shí)施中得到有效應(yīng)用，發(fā)揮其優(yōu)勢并產(chǎn)生實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

作者簡介：諶儀（1980— ），女，江西宜春人，副研究員，碩士;研究方向：智能交通。

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（編輯?傅金睿）

Discussion on time-space data calibration mechanism of

vehicle-road wireless communication system

Chen Yi

（Research Institute of Highway of Ministry of Transport， Beijing 100088， China）

Abstract：Vehicle-road wireless communication system is an important part of digital and intelligent application in the field of transportation. However， its wireless communication system bandwidth resources are often limited， but it is necessary to use this system to transmit a great deal of vehicle-road interaction data with time and space information.?Based on the analysis of the application characteristics of common vehicle-road wineless communication systems， this paper proposes a time-space data calibration mechanism for dedicated short-range communication networks with stable topology， and explains how this mechanism reduces the channel resource requirements of vehicle-road wireless communication systems for time-space data calibration applications.

Key words：vehicle wireless communication system; time-space data calibration; system topology; dedicated short-range communication