CN101350134A - 基于dsrc的车辆紧急信息发送机制及系统 - Google Patents

Abstract

本发明基于DSRC的车辆紧急信息发送机制及系统，当车辆在行驶过程中遭遇异常状况时，将自动产生一个紧急信息，该紧急信息优先于其他消息发送。收到此紧急消息的车辆，将根据各自的转发距离门限，确定是否立刻转发。本发明保证了车辆发生事故后，紧急消息快速稳定地发送。根据已有的不同的环境，确定相应的转发距离门限，在降低网络开销的同时，进一步保证了紧急消息的快速发送。本发明的整体系统主要包含数据车辆定位模块、数据采集模块、存储器、处理器、数据发送和接收模块。

Description

基于DSRC的车辆紧急信息发送机制及系统

技术领域

本发明涉及智能交通系统(Intelligent Transportation System，ITS)领域，尤其涉及基于专用短距离通信(Dedicated Short Range Communication，DSRC)的车辆紧急信息发送系统。

背景技术

近年来，随着汽车行业的快速发展和无线网络通信技术的进步，迫切需要提高整车中的高科技应用程度，以提高汽车安全和驾驶者的舒适度。据通用汽车公司统计，仅在北美市场，2005年用于汽车产业研发的资金为170亿美金，为当年各行业研发资金投入之首(医药行业160亿美金，软件业150亿美金，半导体130亿美金)。信息化汽车将成为未来抢占市场先机的一个突破口。

传统的车载通信网络，通常只是针对于公路计费等用途设计的封闭式通信网络。由于在网络架构方面的缺陷，对于行驶中的车辆，传统的车载通信网络为了处理避免碰撞、紧急消息报警、动态路线安排、实时交通状况监控等应用，需要在每条道路配备相应的路边基础设施。而路边基础设施架设困难，维护成本高，阻碍了车间通信技术的推广。车辆自组织网络(Vehicle Ad hoc NETworks，VANET)具有无需基础网络设施支撑且组网灵活的特点，适于车辆间信息的交互，因此引起了ITS研究者的广泛关注。

在VANET中，车辆间紧急消息的及时传递，可以使车辆驾驶者了解在视线范围之外的其他车辆的异常情况，从而进行刹车、减速等相应的操作，大幅度提高车辆交通安全。DSRC是国际上专门开发的适用于ITS领域的车车之间、车路之间通信的协议，适用于中等距离通信服务需求，能支持路车、车车之间的公共安全。因此，通过基于DSRC的车辆间的紧急消息的传递，在交通控制方面有积极的作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一个基于DSRC的车辆紧急信息发送系统，可以减少紧急消息在车辆间的传输延迟，同时降低网络中的冗余信息数量。

为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是：

本发明基于DSRC的车辆紧急信息发送机制，具体包括如下步骤：

当车辆在行驶中遭遇异常情况后，车辆根据事故的等级，自动产生一个相应等级的紧急信息，并加入到MAC队列当中，同时赋予最高优先权和最小退避窗口。由于紧急消息的加入，将延迟队列当中的其他消息的发送，按优先级发送紧急消息。同时采用了DSRC技术中的多信道通信机制，使用其中的控制信道传送紧急消息。在其他车辆收到此紧急消息以后，首先根据消息的等级，确定相应的应付措施。另外将计算出的与事故车辆间的距离与所处环境下的转发距离门限相比较，确定是否转发紧急消息。而此转发距离门限是在事先勘查车辆行驶环境，根据行驶中所经过的不同的环境如信道状况等，再经过计算得出的。

本发明的整体流程主要包含紧急消息的等级设定、MAC的队列管理、多信道分配和转发判决等。

紧急消息的等级设定是根据车辆所发生的异常情况，产生相应等级的紧急消息。

MAC的队列管理是指当紧急消息进入到队列当中时，立刻暂停其他低优先级消息的发送，将优先级高的紧急消息放到队列的首部，接入信道。

多信道分配采用DSRC技术中制定的传送各种安全信息及信道分配协调信息的控制信道传输紧急消息，其他信道用以在控制信道的协调下实现车辆间的数据传输。

转发判决比较计算出的车辆间距离与在当前环境下的转发距离门限相比较，确定是否转发。车辆可通过接收到的紧急信息计算出与发送该紧急信息的异常状况车辆之间的距离。转发距离门限通过事先勘查车辆行驶环境，根据行驶中所经过的不同环境中的信道状况计算得出，其满足

$D_{\mathrm{TH}}^{\′}\sqrt{4r^{\′2}-D_{\mathrm{TH}}^{\′2}}+4r^{\′2}{\sin }^{-1}\frac{D_{\mathrm{TH}}^{\′}}{2r^{\′}}-0.4\mathrm{\π}{r}^{\′2}=0,$

D′_TH为实际转发门限，且r′＝αr，r为车辆最大的传输半径，α为信道抗干扰系数。

基于DSRC的车辆紧急信息发送系统，其通信装置由车辆定位模块、数据采集模块、存储器、处理器、数据发送和接收模块构成，处理器为基于ARMV5TE架构的嵌入式处理器。

车辆定位模块负责车辆位置信息的提取；数据采集模块负责传输数据的采集；存储器负责接收数据的存储及环境数据的数据缓存；数据发送和接收模块负责数据的发送和接收以及信号强度的检测；处理器负责协调各个模块的工作以及数据的处理。

车辆可以结合车辆定位模块、数据采集模块以及接收模块，得出实际的距离转发门限，从而由处理器根据两车间距判定是否转发。

由于采用了上述方案，本发明具有以下特点：可广泛应用于未来的智能交通系统中，用以增强道路上车辆的安全、效率以及舒适性等，同时也可以减少交通事故的发生。

附图说明

图1为紧急消息传播实例示意图。

图2为IEEE 802.11e中MAC层队列管理示意图。

图3为本发明中MAC层队列管理示意图。

图4为增加的广播面积的期望与k的关系示意图。

图5为本发明的具体流程示意图。

图6是本发明车载通信装置硬件结构框图。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

在ITS中，由车辆间自组织形成的网络负责局部车辆网络的安全信息及数据的通信。本发明采用基于DSRC的车载网络构架。在车载网络中无论要传送何种信息，首先必须保证安全性信息的传送，因此采用多信道技术成为了DSRC系统的必然，业界对此已经达成共识。美国通信委员会(FCC)为DSRC通信划分的频段位于5.9GHz频段，由7个不相互重叠的带宽为10MHz的信道组成，也可以由两个信道结合使用来扩展带宽。为了满足DSRC系统的通信要求，需要把所有的安全性信息都在一个特定的信道上传送，以此来确保所有的节点能够及时、有效的接收到所有的安全性信息。在2006年刚获得通过并且进入使用阶段的IEEE1609.4协议中，规定所有的安全性信息都在在美国标准中的信道标号为178的控制信道中传送，恰恰满足了上面的需求。

如图1假设车辆A发生交通事故后，根据事故的等级，自动产生一个等级为二的紧急信息，并加入到MAC队列当中。由于紧急消息的加入，将延迟队列当中的其他消息的发送，优先发送紧急消息。

下面结合图2、图3对MAC层队列管理作详细说明。

在IEEE 802.11e中，到达MAC层的数据将被归于不同的访问类(AC，Access Categories)，而每个访问类将对应不同的优先级及不同的访问机制。不同访问类的数据将各自组成不同队列，竞争以获得被该节点尝试发送的资格。

在车载通信环境中，如果某个车辆发生了紧急交通事故，那么车载装置自动产生的紧急信息或者需要转发的紧急信息将希望以最快的速度从车辆中发出，并希望在尽可能短的时间内，传送给尽可能多的车辆。但是在IEEE 802.11e中，紧急交通事故即使被设置的最高优先级，也有可能因为车辆内不同数据队列的竞争而产生一定的延迟。

因此本发明中提出了当车辆中存在需要发送的紧急信息时，车辆中的所有其他队列的竞争访问将被暂时中止。这样紧急信息将进入无竞争状态，将以最快的速度获得被节点尝试发送的资格。当紧急信息队列为空后，其他队列的竞争访问行为从被中止的地方继续进行。

车辆B收到此紧急消息以后，首先根据消息的等级，确定相应的应付措施。另外将计算出的与车辆A之间的距离与所处环境下的转发距离门限相比较，确定是否转发此紧急消息。而此转发距离门限是在事先勘查车辆行驶环境，根据行驶中所经过的不同的环境中的信道状况，经过计算得出的。

而对于消息转发门限的原理如下：

车辆B转发后增加的广播面积

$S_{\mathrm{additional}}=S_B-S_{A\∩B}=\mathrm{\π}{r}^2-4\underset{\frac{2}{d}}{\overset{r}{\∫}}\sqrt{r^2-x^2\mathrm{dx}}---\left(1\right)$

其中d是车辆A与车辆B之间的距离，r为车辆最大的传输半径。

可以得出转发后增加的广播面积的期望EAC为

$\underset{0}{\overset{r}{\∫}}\frac{2\mathrm{\πr}[\mathrm{\π}{r}^2-f\left(x\right)]}{\mathrm{\π}{r}^2}\mathrm{dx}\≈0.41\mathrm{\π}{r}^2---\left(2\right)$

根据Sze-Yao Ni等人的研究表明重复接收到同一个包的次数k与增加的广播面积的期望EAC(k)的关系如图4。可以看出当k≥4的时候EAC(k)≤0.05％，所以如果我们可以选择一个合适的k，就可以大大增加新增的广播区域，从而提高转发的有效性，

在本系统中我们选取k＝2，则

EAC(k)≈0.187(3)

$\frac{[\mathrm{\π}{r}^2-f\left(D_{\mathrm{TH}}\right)]}{\mathrm{\π}{r}^2}\≈0.187---\left(4\right)$

得出

$D_{\mathrm{TH}}\sqrt{4r^2-D_{\mathrm{TH}}^2}+4r^2{\sin }^{-1}\frac{D_{\mathrm{TH}}}{2r}-0.4\mathrm{\π}{r}^2=0---\left(5\right)$

那么假设车辆的最大传输半径为250m，即r＝250。根据牛顿-拉夫逊方法可以得出此时D_TH＝127m。D_TH为理论转发门限

通过实际的勘察车辆行驶的道路环境，根据不同的信道情况可以分为优，良，中，差四个等级，并根据不同的等级设置不同的α。

令r′＝αr代入到

$D_{\mathrm{TH}}^{\′}\sqrt{4r^{\′2}-D_{\mathrm{TH}}^{\′2}}+4r^{\′2}{\sin }^{-1}\frac{D_{\mathrm{TH}}^{\′}}{2r^{\′}}-0.4\mathrm{\π}{r}^{\′2}=0---\left(6\right)$

式中得出D′_TH，为实际的转发门限。

可以得出在不同信道状况下的不同消息转发门限，然后车辆B通过GPS或者其他手段确定与车辆A的相对距离以后，将此距离与已有的转发距离门限相比较，判断自己是否转发。即如果车辆B与异常车辆A相对距离大于转发距离门限D′_TH，则立刻转发紧急消息；反之，则不转发。具体流程如图5所示。

实现基于DSRC的车辆紧急信息发送机制的系统，其通信装置由车辆定位模块、数据采集模块、存储器、处理器、数据发送和接收模块构成，处理器为基于ARMV5TE架构的嵌入式处理器。由于本发明使用在车载环境，要求处理器具有低功耗的特点；本发明需要支持多种业务的传输，要求处理器的外设接口丰富，并具有一定的多媒体处理能力和网络通信能力。综合以上各方面考虑，选择Intel公司的基于ARMv5TE架构的处理器Xscale pxa270。IntelXscalepxa270是Intel公司目前推出的在多媒体处理和网络传输领域的主流产品，并具有丰富的外设资源。系统结构如图6所示。

车辆定位模块负责车辆位置信息的提取；

数据采集模块负责传输数据的采集；

存储器负责接收数据的存储及环境数据的数据缓存；

数据发送和接收模块负责数据的发送和接收以及信号强度的检测；

处理器负责协调各个模块的工作以及数据的处理。

下面结合图1和图6对基于DSRC的车辆紧急信息发送系统进行说明。

车辆A行驶中遭遇异常情况后，通过车辆定位模块及数据采集模块收集相应故障信息，存储并由处理器确定事故等级，然后通过数据发送模块发送给周围的车辆。

车辆B实时地通过数据采集模块收集环境信息，从而确定相应的信道抗干扰系数α。当接收模块接收到车辆A发出的紧急消息之后，首先对消息进行存储，然后通过处理器计算出此刻的距离转发门限，并与此刻获知的两车之间的距离进行比较，从而确定是否转发此紧急消息。

车辆C处理流程与车辆B相似。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1、一种车辆紧急信息发送机制，其特征在于：包括：当车辆在行驶过程中遭遇异常状况时，车辆自动产生一个紧急信息，并加入MAC队列；赋予该紧急信息在信道竞争接入时的最高优先权等级和最小退避窗口，通过DSRC技术中的多信道通信机制优先发送该紧急信息；接收到该紧急信息的车辆，根据消息等级，确定相应的应对措施；通过接收车辆和事故车辆间的距离与转发距离门限相比较，确定是否转发紧急信息。

2、如权利要求1所述的车辆紧急信息发送机制，其特征在于：采用DSRC技术多信道通信机制发送该紧急信息，并使用传送各种安全信息及信道分配的协调信息的控制信道进行传输，其他信道在控制信道的协调下实现车辆间的数据传输。

3、如权利要求1所述的车辆紧急信息发送机制，其特征在于：当紧急消息产生并加入MAC队列，按优先权等级发送紧急消息，同时中止其他队列竞争访问信道直至紧急消息队列为空。

4、如权利要求1所述的车辆紧急信息发送机制，其特征在于：转发距离门限通过事先勘查车辆行驶环境，根据行驶中所经过的不同环境中的信道状况计算得出，其满足 $D_{\mathrm{TH}}^{\′}\sqrt{{4r}^{\′2}-D_{\mathrm{TH}}^{\′2}}+{4r}^{\′2}{\sin }^{-1}\frac{D_{\mathrm{TH}}^{\′}}{{2r}^{\′}}-0.4{\mathrm{\πr}}^{\′2}=0,$ D′_TH为实际转发门限，且r′＝αr，r为车辆最大的传输半径，α为信道抗干扰系数。

5、如权利要求1-3任一项所述的车辆紧急信息发送机制，其特征在于：紧急信息根据车辆所发生的异常状况分为不同优先权等级。

6、一种车辆紧急信息发送系统，其特征在于：基于DSRC的车辆紧急信息发送机制，其通信装置由车辆定位模块、数据采集模块、存储器、处理器、数据发送和接收模块构成，处理器为基于ARMV5TE架构的嵌入式处理器。

7、如权利要求6所述的车辆紧急信息发送系统，其特征在于：车辆定位模块负责车辆位置信息的提取；数据采集模块负责传输数据的采集；存储器负责接收数据的存储及环境数据的数据缓存；数据发送和接收模块负责数据的发送和接收以及信号强度的检测；处理器负责协调各个模块的工作以及数据的处理。

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