張?jiān)祈?謝锜帥 郜銘磊 李鐵軍 華國(guó)棟

（1.江蘇大學(xué)，鎮(zhèn)江 212013；2.中咨泰克交通工程集團(tuán)有限公司，北京 100080；3.江蘇智行未來(lái)汽車研究院有限公司，南京 211111）

主題詞：蜂窩車聯(lián)網(wǎng) 車內(nèi)交通燈 闖紅燈預(yù)警 通信延遲 丟包率

1 前言

車路協(xié)同（Vehicle-Road Coordination，VRC）技術(shù)是蜂窩車聯(lián)網(wǎng)（Cellular Vehicle-to-Everything，C-V2X）的一種實(shí)現(xiàn)方式，C-V2X車路協(xié)同技術(shù)以其高可靠、低延遲特性成為智能交通領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。美國(guó)[1-2]、歐盟[3-4]、日本[5-6]和中國(guó)[7]等均在不同領(lǐng)域和場(chǎng)景下對(duì)其進(jìn)行了積極探索和應(yīng)用，為未來(lái)智能交通的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

近年來(lái)，C-V2X 車路協(xié)同研究的重點(diǎn)是探索該技術(shù)在提高道路安全性和交通效率方面的潛力，以及開發(fā)和試驗(yàn)車路協(xié)同應(yīng)用，其主要研究領(lǐng)域之一是開發(fā)基于車路協(xié)同的智能駕駛應(yīng)用。針對(duì)無(wú)交通燈交叉口，Yang 等[8]提出了利用通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)車內(nèi)交通燈（In-Vehicle Traffic Light，IVTL）系統(tǒng)，并根據(jù)不同交通情況將無(wú)交通燈交叉口車輛控制分為優(yōu)先控制和非優(yōu)先控制，通過(guò)駕駛模擬試驗(yàn)證明了IVTL 能夠輔助駕駛員穿越無(wú)交通燈交叉口。張航等[9]對(duì)逆向超車預(yù)警、車輛失控預(yù)警、限速預(yù)警、闖紅燈預(yù)警應(yīng)用場(chǎng)景展開研究，并依托開放道路低速網(wǎng)聯(lián)自動(dòng)駕駛示范區(qū)進(jìn)行了驗(yàn)證，與城市道路相比，該場(chǎng)景下障礙物遮擋信號(hào)的情況少，更有利于車-路通信方案的實(shí)施。安澤萍等[10]考慮交通需求和道路環(huán)境屬性雙重因素，構(gòu)建了更適合不同高速公路需求的場(chǎng)景庫(kù)。Fu等[11]主要闡述了車-路通信在高速公路場(chǎng)景應(yīng)用的研究進(jìn)展，并討論了近距離實(shí)時(shí)通信和中距離通信技術(shù)的現(xiàn)狀。另一個(gè)研究領(lǐng)域是在不同條件的真實(shí)駕駛環(huán)境中驗(yàn)證C-V2X 通信系統(tǒng)的可靠性。Gao 等[12]實(shí)測(cè)了3種不同的車-路通信設(shè)備，分別在視距和非視距場(chǎng)景下測(cè)量其輸出性能指標(biāo)，包括丟包率、時(shí)延、吞吐量和通信距離，實(shí)測(cè)結(jié)果均能滿足當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)要求。Zhang等[13]分析了V2X性能測(cè)試框架中的常用技術(shù)，以路側(cè)單元（Road Side Unit，RSU）部署為例介紹了設(shè)備部署情況。Miao等[14]分析了C-V2X通信技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，說(shuō)明了C-V2X標(biāo)準(zhǔn)及其在汽車道路安全系統(tǒng)中的應(yīng)用。

綜上，目前對(duì)于C-V2X 車路協(xié)同的試驗(yàn)研究主要集中在某一設(shè)備上，而非實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景。然而，只有在實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景中進(jìn)行試驗(yàn)才能更準(zhǔn)確地驗(yàn)證其效果。因此，本文設(shè)計(jì)基于車路協(xié)同技術(shù)的交通燈車內(nèi)應(yīng)用場(chǎng)景，重點(diǎn)針對(duì)IVTL 和闖紅燈預(yù)警場(chǎng)景構(gòu)建實(shí)際道路環(huán)境，進(jìn)行功能性和可靠性試驗(yàn)。

2 C-V2X車路協(xié)同應(yīng)用場(chǎng)景

根據(jù)車路協(xié)同路側(cè)端所實(shí)現(xiàn)的功能可將其應(yīng)用場(chǎng)景分為交通誘導(dǎo)類場(chǎng)景和道路感知類場(chǎng)景，如表1 所示。

表1 車路協(xié)同應(yīng)用場(chǎng)景體系

車路協(xié)同基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)如圖1所示，包括智能道路設(shè)施、車聯(lián)通信網(wǎng)絡(luò)、高精度時(shí)空網(wǎng)絡(luò)。車路協(xié)同基礎(chǔ)設(shè)施的具體功能和支持通信的設(shè)備如表2所示。本文重點(diǎn)分析交通誘導(dǎo)類場(chǎng)景中車內(nèi)交通燈和闖紅燈預(yù)警場(chǎng)景。

圖1 車路協(xié)同基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)

表2 車路協(xié)同基礎(chǔ)設(shè)施概況

2.1 車內(nèi)交通燈系統(tǒng)

交通燈是現(xiàn)代城市交通系統(tǒng)的重要組成部分之一，主要用于城市道路交通信號(hào)的控制與管理。通過(guò)IVTL系統(tǒng)，交通燈以一定的頻率向外推送其相位、切換時(shí)間等信息，提醒駕駛員合法安全行車，以減少交通事故，提高通行效率。IVTL系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 車內(nèi)交通燈系統(tǒng)示意

該應(yīng)用場(chǎng)景適用于城市道路和國(guó)、省、鄉(xiāng)道。其實(shí)現(xiàn)的基本原理是將路口交通燈（On-Road Traffic Lights，ORTL）的實(shí)時(shí)相位信息和路口地圖信息經(jīng)信號(hào)機(jī)直傳至車載單元（On-Board Unit，OBU）或由公安數(shù)據(jù)中臺(tái)發(fā)送至OBU。車輛接近路口時(shí)，OBU向駕駛員提示前方ORTL狀態(tài)信息。IVTL系統(tǒng)的基本性能要求如表3所示。

表3 車內(nèi)交通燈系統(tǒng)基本性能要求

為了保證IVTL 與ORTL 的低延遲一致性，通過(guò)ORTL相位時(shí)間戳和IVTL顯示時(shí)間戳進(jìn)行對(duì)比，以實(shí)現(xiàn)信息同步。首先，IVTL和ORTL分別維護(hù)一個(gè)燈態(tài)時(shí)間戳記錄和一個(gè)相位時(shí)間戳記錄，當(dāng)OBU 通過(guò)RSU 獲取相位時(shí)間戳后，記錄為燈態(tài)時(shí)間戳，將其與相位時(shí)間戳進(jìn)行比對(duì)。如果發(fā)現(xiàn)時(shí)間戳不一致，則OBU 會(huì)通過(guò)基于長(zhǎng)期演進(jìn)的車聯(lián)網(wǎng)（Long-Term Evolution-Vehicle to Everything，LTE-V2X）通信方式向RSU 發(fā)送同步請(qǐng)求，以保證其與ORTL時(shí)間一致。在具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，需注意時(shí)間戳精度、同步頻率以及同步算法的設(shè)計(jì)，同時(shí)需要考慮通信的安全性和可靠性等因素，確保兩者的準(zhǔn)確性和一致性。

2.2 闖紅燈預(yù)警

闖紅燈預(yù)警場(chǎng)景是指車輛經(jīng)過(guò)有交通信號(hào)燈控制的交叉路口時(shí)，當(dāng)車輛存在違反交通信號(hào)燈指示行駛的風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，OBU 設(shè)備發(fā)出提醒信息，對(duì)駕駛員進(jìn)行預(yù)警。闖紅燈預(yù)警示意如圖3所示。

圖3 闖紅燈預(yù)警場(chǎng)景示意

該應(yīng)用場(chǎng)景適用的道路條件與IVTL 場(chǎng)景相同。OBU收到消息后根據(jù)自身定位、速度、加速度等進(jìn)行信息篩選、方向匹配，然后應(yīng)用車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)估計(jì)算法估算車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，判斷是否存在信號(hào)違規(guī)風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)判斷存在風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，向駕駛員發(fā)出預(yù)警信息。預(yù)警信息可以通過(guò)車載終端屏幕、聲音或振動(dòng)等方式傳遞給駕駛員。對(duì)闖紅燈預(yù)警的基本性能要求如表4所示。

表4 闖紅燈預(yù)警基本性能要求

3 實(shí)際道路試驗(yàn)

3.1 實(shí)際道路環(huán)境搭建

為了從功能性和可靠性方面驗(yàn)證C-V2X車路協(xié)同的實(shí)際效果，搭建了實(shí)際道路環(huán)境。試驗(yàn)設(shè)備主要包括電源箱、交通信號(hào)機(jī)、交通燈、可視化雷達(dá)檢測(cè)器、RSU、OBU 等，如圖4 所示。以車內(nèi)交通燈為例，設(shè)備間的數(shù)據(jù)流向?yàn)椋篟SU通過(guò)交通信號(hào)機(jī)獲取交通燈的相位和定時(shí)信息（Signal Phase And Timing Message，SPAT），然后將其存儲(chǔ)在本地地圖上并將得到的SPAT 向周圍的OBU進(jìn)行周期性廣播，當(dāng)OBU在RSU的廣播范圍內(nèi)，其接收到信息后可通過(guò)車載交互系統(tǒng)顯示交通燈的實(shí)時(shí)顏色和倒計(jì)時(shí)讀秒。

圖4 試驗(yàn)設(shè)備及數(shù)據(jù)流向

試驗(yàn)過(guò)程中的關(guān)鍵設(shè)備如圖5 所示。RSU 設(shè)備具備LTE-V2X（工作頻段為5.9 GHz，發(fā)射功率≥20 dBm）、第四代移動(dòng)通信技術(shù)（the 4th Generation mobile communication technology，4G，支持移動(dòng)蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)，三網(wǎng)通）、WiFi（支持IEEE 802.11b/g/n協(xié)議，工作頻段為2.4 GHz）通信方式，通信距離不少于500 m，支持全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）定位，數(shù)據(jù)更新頻率為10 Hz。OBU 設(shè)備同樣具備LTE-V2X、蜂窩通信（支持2G/3G/4G）、WiFi 通信方式，通信距離不少于500 m，支持GNSS定位。

圖5 關(guān)鍵試驗(yàn)設(shè)備

3.2 試驗(yàn)過(guò)程

3.2.1 車內(nèi)交通燈試驗(yàn)

如圖6所示為一個(gè)路口的試驗(yàn)區(qū)域劃分情況，實(shí)際試驗(yàn)中存在多個(gè)同樣劃分的路口。緩沖區(qū)1 設(shè)置為車輛車速穩(wěn)定區(qū)域：試驗(yàn)車輛在到達(dá)場(chǎng)景觸發(fā)區(qū)域前可在緩沖區(qū)內(nèi)調(diào)整車速以達(dá)到試驗(yàn)規(guī)定速度并穩(wěn)定車速，車速在50 km/h以下時(shí)誤差控制在±3 km/h范圍內(nèi)，車速在50 km/h 及以上時(shí)控制誤差在±5 km/h 范圍內(nèi)。場(chǎng)景觸發(fā)區(qū)域?yàn)檫M(jìn)行場(chǎng)景試驗(yàn)的區(qū)域，要求距離不少于400 m，車輛駛?cè)朐搮^(qū)域后保持勻速通過(guò)。緩沖區(qū)2 為考慮實(shí)際道路情況而保留的緩沖區(qū)域，包括人行橫道寬度、路口寬度、綠化帶寬度等。

圖6 試驗(yàn)道路劃分

RSU 分別以LTE-V2X、4G 通信方式廣播SPAT，配備OBU的試驗(yàn)車輛分別以20 km/h、40 km/h、60 km/h的速度進(jìn)入試驗(yàn)區(qū)域，同時(shí)保證單次試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)量不少于600 條，每組試驗(yàn)進(jìn)行3 次，最終從RSU、OBU 導(dǎo)出數(shù)據(jù)中獲取消息的傳輸延遲時(shí)間、消息準(zhǔn)確率、丟包率等結(jié)果。該應(yīng)用場(chǎng)景要求LTE-V2X通信方式、4G通信方式的通信延遲（包括傳輸延遲、設(shè)備延遲等）分別低于400 ms、1 s，消息準(zhǔn)確率不低于99%，丟包率不超過(guò)2%。通過(guò)RSU和OBU之間的數(shù)據(jù)傳輸校驗(yàn)機(jī)制判斷接收數(shù)據(jù)的完整性，從而得出準(zhǔn)確消息數(shù)量占接收消息總數(shù)量的比例，即消息準(zhǔn)確率。

3.2.2 闖紅燈預(yù)警試驗(yàn)

闖紅燈預(yù)警試驗(yàn)區(qū)域劃分與車內(nèi)交通燈試驗(yàn)區(qū)域劃分稍有不同，其總測(cè)試長(zhǎng)度調(diào)整為不小于250 m，場(chǎng)景觸發(fā)區(qū)調(diào)整為不少于150 m。RSU分別以LTE-V2X、4G 通信方式廣播SPAT，配備OBU 的試驗(yàn)車輛分別以20 km/h、40 km/h、60 km/h的速度進(jìn)入試驗(yàn)區(qū)域，同時(shí)保證單次試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)量不少于400條，每組試驗(yàn)進(jìn)行3 次。通過(guò)OBU 顯示設(shè)備（如與其連接的平板等）觀察記錄進(jìn)入場(chǎng)景觸發(fā)區(qū)域后場(chǎng)景是否觸發(fā)。該場(chǎng)景要求不同通信方式下均能在觸發(fā)區(qū)內(nèi)成功觸發(fā)闖紅燈預(yù)警。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)于功能性試驗(yàn)結(jié)果，OBU 進(jìn)入場(chǎng)景觸發(fā)區(qū)域后OBU 顯示設(shè)備均觸發(fā)了場(chǎng)景，如圖7 所示，OBU 顯示設(shè)備顯示了車內(nèi)交通燈、闖紅燈預(yù)警等功能，且消息準(zhǔn)確率不低于99%。

圖7 實(shí)際道路試驗(yàn)結(jié)果

將靜止?fàn)顟B(tài)RSU 和OBU 間以LTE-V2X 方式通信的延遲時(shí)間設(shè)定為設(shè)備延遲時(shí)間，由RSU 向OBU 發(fā)送數(shù)據(jù)信息，每次發(fā)送1 000 個(gè)數(shù)據(jù)包，共發(fā)送4 次，結(jié)果如圖8 所示，丟包率為0，平均延遲時(shí)間為22.66 ms，即設(shè)備延遲時(shí)間為22.66 ms。

圖8 RSU、OBU設(shè)備延遲時(shí)間

不同通信方式、車速和通信距離下的通訊延遲、丟包率情況如圖9、圖10 所示。對(duì)于可靠性試驗(yàn)結(jié)果，通信延遲時(shí)間和丟包率與通信方式、試驗(yàn)車速和通信距離有關(guān)。在通信距離較近且試驗(yàn)車速較低時(shí)，LTE-V2X通信方式相較于4G通信方式在通信延遲時(shí)間和丟包率上有更好的表現(xiàn)；隨著通信距離的增加，LTE-V2X和4G通信方式的通信延遲時(shí)間和丟包率均有所增加。另外，隨著試驗(yàn)車速的提高，各種通信方式的通信延遲時(shí)間和丟包率均有所上升，但始終能夠滿足丟包率低于2%、通信延遲低于1 s的要求，且LTE-V2X通信方式相較于4G通信方式受車速的影響更小，所以更適用于中高速場(chǎng)景。相較于4G，LTE-V2X 兼具遠(yuǎn)距離、低延遲、高可靠性的優(yōu)勢(shì)。

圖9 不同通信方式、通信距離、車速下的通信延遲時(shí)間

圖10 不同通信方式、通信距離、車速下的丟包率

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于C-V2X車路協(xié)同的交通燈車內(nèi)應(yīng)用場(chǎng)景展開研究，闡述了IVTL和闖紅燈預(yù)警場(chǎng)景的作用、適用范圍、基本原理、性能要求，并從功能性和可靠性方面驗(yàn)證了C-V2X 車路協(xié)同的實(shí)際效果，搭建了實(shí)際道路環(huán)境，開展了IVTL試驗(yàn)和闖紅燈預(yù)警試驗(yàn)。結(jié)果表明，在不同通信方式下所有試驗(yàn)場(chǎng)景均能有效觸發(fā)且滿足試驗(yàn)要求，LTE-V2X 通信方式相較于4G 通信方式，在通信距離、通訊延遲、丟包率上更具優(yōu)勢(shì)。