CN102664916A

CN102664916A - 一种多模式无线通信车路协同数据交互系统

Info

Publication number: CN102664916A
Application number: CN2012100802304A
Authority: CN
Inventors: 姚丹亚; 陈晓博; 李辉; 杨宸; 石梦凯
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2012-03-23
Filing date: 2012-03-23
Publication date: 2012-09-12

Abstract

本发明公开了属于智能交通领域的一种多模式无线通信车路协同数据交互系统。它由路测设备、中心设备、车载设备和手持终端设备构成，运行在Linux操作系统环境下。本发明的有益效果为：1)实现了交通参与者之间的数据交互。2)满足了交通参与者对交通通信的多样化需求。3)整合了车车/车路通信等多种车路协同系统中的多种信息交互方式。4)用通信控制有效保障了了车路协同通信网络的可靠性和牢固性，并有效地适应了拓扑高速变换和以及通信遮挡等问题。5)采用包括AES加密和CRC数据校验的方式保证了数据的安全性和可靠性，消除外来攻击和检测无线传输中数据丢失。

Description

一种多模式无线通信车路协同数据交互系统

技术领域

本发明涉及智能交通领域，具体涉及一种多模式无线通信车路协同数据交互系统，其为城市道路交通中的机动车驾驶员、行人和交通管理者出行者提供了可用于改善交通安全和交通效率的数据交互平台。

背景技术

随着交通事故和交通拥堵的不断增长，大量交通控制和交通诱导设施被施用于实际道路交通系统中，其正常运行的数据基础是各类型的交通传感器，但是这些传感器所采集的交通数据往往只是来源于浮动车、部分交叉路口和少量路段，较之于整个城市而言仅仅是局部的交通数据，这些数据对于交通控制和交通诱导而言往往不完备，造成交通控制和交通诱导往往不能实时有效。另一方面，车辆获取交通信息仅仅是依靠交通广播电台的信息广播以及路旁的可变信息牌，这些信息延时往往较大，而且很难给驾驶员以全局、直观和实时的交通信息，造成驾驶员驾驶操作反应滞后；同时驾驶员也很难对短时间和短距离内发生的交通事件做出判断和应急反应。

发明内容

本发明针对上述缺陷公开了一种多模式无线通信车路协同数据交互系统，该系统运行于Linux操作系统环境下；车路协同数据交互系统的出现将给交通信息采集、交通安全保障、交通协调控制等提供一种全新的解决思路：车路协同数据交互系统就是采用先进的无线通信和新一代互联网等技术，全方位实施车车、车路动态实时信息交互，并在全时空动态交通信息采集与融合的基础上开展车辆主动安全控制和道路协同管理，充分实现人-车-路的有效协同，保证交通安全，提高通行效率，从而形成的安全、高效和环保的道路交通系统；

一种多模式无线通信车路协同数据交互系统能够借助无线局域通信网络、移动通信网络和专用通信网络等中先进的无线通信技术，通过通信控制和网络管理，实现车辆之间、车辆与路侧设备之间、行人与路侧设备之间以及管理中心与其他交通出行者之间的实时和可靠的信息交互，使得交通管理者能够获得全局、直观和实时的交通信息-为交通控制和交通诱导提供准确、可靠和完备的交通数据，有利于做出正确的交通决策。另一方面，基于多模式无线通信的车路协同数据交互平台能够提升交通出行者的交通效率和交通安全性；实时、可靠的交通信息能够使得交通出行者尤其是机动车驾驶员能够及时获取到周边车辆的全局运行状况、道路渠化信息和临近路段交通事故信息，从而为安全出行提供可靠保障；更为准确和实时的交通信息能够为交通出行者提供更加有效地诱导信息和服务信息，为交通出行者的合理决策提供充分的数据支撑。

为了解决现有技术中车辆的自主安全防护和交通信息的断面采集所具有的缺陷问题：车辆不能根据周边车辆的运行状况进行协同安全防护，而仅依靠车辆自身携带的传感器和驾驶员的安全意识和反应进行自主安全防护；交通控制和诱导系统不能获取到整体性的交通信息，而仅能够依赖局部区域不完整的交通信息来实施交通控制策略和发布诱导信息；本发明提供了一种多模式无线通信车路协同数据交互系统，借助先进的多模式无线通信技术，实现包括车辆、路侧设备、行人和中心等交通参与者之间实时、可靠和大容量的数据交互，从而为进一步改善城市道路交通效率和交通安全状况提供数据支撑。

一种多模式无线通信车路协同数据交互系统由路测设备、中心设备、车载设备和手持终端设备构成；系统中的设备均运行有Linux操作系统。

路测设备的结构如下：集成射频驱动单元分别连接数据传输模块、通信保障模块和通信控制模块，数据传输模块分别连接集成定位驱动单元、通信保障模块和通信控制模块；数据传输模块、通信保障模块和通信控制模块构成了通信控制与网络管理单元，通信控制与网络管理单元、集成射频驱动单元和集成定位驱动单元构成了车路协同数据交互平台，车路协同数据交互平台运行在控制机的Linux操作系统上；集成射频驱动单元通过通用串行总线接口连接射频单元，集成定位驱动单元通过通用串行总线接口连接本地定位单元，数据传输模块通过RJ-45接口连接本地应用单元，或者与本地应用单元运行在同一台控制机上；

中心设备、车载设备和手持终端设备与路测设备具有相同的结构。

所述路测设备的射频单元、中心设备的射频单元、车载设备的射频单元和手持终端设备的射频单元均向周边的射频单元发送信号，并且接收周边的射频单元发送的信号；

所述路测设备的射频单元支持无线局域网络的通信、移动通信网络的通信和专用通信网络的通信，并且支持IEEE 802.11p标准、IEEE802.11n标准、3G CDMA 20001xEv-Do标准和射频识别；

所述中心设备的射频单元支持移动通信网络的通信，并且支持3GCDMA 20001xEv-Do标准；

所述车载设备的射频单元支持无线局域网络的通信、移动通信网络的通信和专用通信网络的通信，并且支持IEEE 802.11p标准、IEEE802.11n标准、3G CDMA 20001xEv-Do标准和射频识别；

所述手持终端设备的射频单元支持无线局域网络的通信和移动通信网络的通信，并且支持IEEE 802.11n标准和3G CDMA 20001xEv-Do标准。

所述IEEE 802.11p标准的工作频率为5.9GHz，发射功率最大为33dBm；所述IEEE 802.11n标准的工作频率为2.4GHz，发射功率最大为20dBm；所述3G CDMA 20001xEv-Do标准的工作频率分别为1.9GHz和2.1GHz，最大发射功率为23dBm；射频识别的工作频率为5.8GHz，工作方式为主动式或被动式，发射功率小于300mW；

所述本地定位单元获取路测设备、中心设备、车载设备或手持终端设备的位置信息和时间信息，本地定位单元由SiRF Star III芯片组加上内建的主动型陶瓷天线构成，工作频率为1.5GHz，最短的信息获取周期为100ms。

所述本地应用单元与车路协同数据交互平台进行实时的信息交互，车路协同数据交互平台向本地应用单元传输经由射频单元获得的信息和本地定位单元获得的信息；本地应用单元将采集到的信息和需要向周边射频单元的发送的信息向车路协同数据交互平台发送。

所述集成射频驱动单元支持三种无线通信模式：无线局域通信网络模式、移动通信网络模式和专用通信网络模式；集成射频驱动单元提供了Linux操作系统下的无线局域通信网络、移动通信网络、专用通信网络设备和网络操作的驱动；

无线局域通信网络使用IEEE 802.11a/b/g/n/p标准，移动通信网络为包含了CDMA 2000、WCDMA和TD-SCDMA在内的3G移动通信网络和包含了GSM和CDMA在内的2G移动通信网络；

所述集成定位驱动单元提供了Linux操作系统下北斗卫星导航系统和全球卫星定位系统的驱动；

所述数据传输模块实现本地应用单元与多模式无线通信车路协同数据交互平台的数据传输；

所述通信控制模块和通信保障模块优化车路协同实体之间的接入时间和信息交互的链路质量。

所述控制机为工控机、笔记本、PDA或智能手机。

所述射频单元向周边射频单元发送数据时，采用AES算法进行数据加密，所述射频单元接收来自周边射频单元的数据时，采用AES算法对数据进行解密，在接收数据后，采用CRC 32算法进行数据验证，以确保数据发送过程中的完整性。

本发明的有益效果为：

1)实现了交通参与者之间的数据交互。从提升交通效率的角度来分析，在传统的交通系统中，交通管理者是通过传感器检测方式获得交通系统的各种断面的交通数据，而很难获取到全面和连续的交通数据，因此其所做出的交通控制和诱导策略也很难完全准确。通过基于车路协同的数据交互，每一个交通参与者都是一个交通信息源，能够为交通管理者提供连续和实时的交通信息，从而为交通参与者做出准确和及时的交通控制和诱导奠定了基础；对交通出行者而言，在传统的交通系统中，其仅能够从电台广播、电视或是路旁的可变信息牌获取到交通信息，这些信息往往非常有限，且实时性较差，基于车路协同的交通系统能够极大丰富交通出行者所能获得的交通信息，并为个性化的信息定制提供可能，从而个人出行提供更为准确的导向提供信息平台。另一方面，在传统的交通系统中，从安全角度考虑，在传统的交通系统中，车辆仅能够依靠驾驶员的安全意识和反应来保障驾驶安全，而在本发明中，车辆能够实时的获取到周边车辆的运行信息，并基于该信息对周边的危险状况进行告警和主动安全防护。

2)满足了交通参与者对交通通信的多样化需求。车路协同数据交互系统的交通安全和交通效率等诸多应用，对无线通信具有极其多样化的需求，很难有一种通信模式能够很好的满足所有的需求；另一方面，车路协同数据交互系统还要在最大程度上兼容现有的通信设备，以提高设备利用率，所以，采用多模式无线通信网络作为车路协同系统中实体之间的联系满足了交通系统中交通参与者对信息种类和通信质量的多样化需求。

3)整合了车车/车路通信等多种车路协同系统中的多种信息交互方式，改变了一种应用-一套通信设备的状况，实现了车路协同数据交互系统中的参与者-车辆、路侧设备、行人和中心通过统一的数据交互平台进行数据传输，便利了车路协同系统应用的开发。

4)用通信控制有效保障了了车路协同通信网络的可靠性和牢固性，并有效地适应了拓扑高速变换和以及通信遮挡等问题。

5)采用包括AES加密和CRC数据校验的方式保证了数据的安全性和可靠性，消除外来攻击和检测无线传输中数据丢失。

附图说明

图1所示是本发明所述数据交互平台的功能结构图；

图2所示是本发明所述数据交互平台的部署示意图；

具体实施方式

下面结合图1～图2详细说明具体实施方式。

一种多模式无线通信车路协同数据交互系统由路测设备、中心设备、车载设备和手持终端设备构成；

如图1、图2所示，路测设备的结构如下：集成射频驱动单元分别连接数据传输模块、通信保障模块和通信控制模块，数据传输模块分别连接集成定位驱动单元、通信保障模块和通信控制模块；数据传输模块、通信保障模块和通信控制模块构成了通信控制与网络管理单元，通信控制与网络管理单元、集成射频驱动单元和集成定位驱动单元构成了车路协同数据交互平台；集成射频驱动单元通过通用串行总线接口连接射频单元，集成定位驱动单元通过通用串行总线接口连接本地定位单元；

数据传输模块通过RJ-45接口连接本地应用单元，或者与本地应用单元运行在同一台控制机上；

当数据传输模块与本地应用单元运行在同一台控制机上时，该控制机配置需满足车路协同数据交互平台的配置要求；控制机通过本地进程的Socket通信进行车路协同数据交互平台与应用程序的数据交互，数据交互遵循本地通信应用协议，Socket连接方式为UDP。

当数据传输模块与本地应用单元分别应用在两台控制机上时，本地应用单元的控制机不受限制，车路协同数据交互平台的控制机需满足配置要求；车路协同数据交互平台与应用程序的数据交互通过Socket通信进行，数据交互遵循本地通信应用协议，Socket连接方式为UDP。

路测设备的射频单元、中心设备的射频单元、车载设备的射频单元和手持终端设备的射频单元均向周边的射频单元发送信号，并且接收周边的射频单元发送的信号；

路测设备的射频单元支持无线局域网络的通信、移动通信网络的通信和专用通信网络的通信，并且支持IEEE 802.11p标准、IEEE802.11n标准、3G CDMA 20001xEv-Do标准和射频识别(RFID)；

中心设备的射频单元支持移动通信网络的通信，并且支持3GCDMA 20001xEv-Do标准；

车载设备的射频单元支持无线局域网络的通信、移动通信网络的通信和专用通信网络的通信，并且支持IEEE 802.11p标准、IEEE802.11n标准、3G CDMA 20001xEv-Do标准和射频识别；

手持终端设备的射频单元支持无线局域网络的通信和移动通信网络的通信，并且支持IEEE 802.11n标准和3G CDMA 20001xEv-Do标准。

车路协同数据交互系统通过射频单元组建无线自组织网络与结构性网络，并且接入周边无线自组织网络与结构性网络。

IEEE 802.11p标准的工作频率为5.9GHz，发射功率最大为33dBm；所述IEEE 802.11n标准的工作频率为2.4GHz，发射功率最大为20dBm；所述3G CDMA 20001xEv-Do标准的工作频率分别为1.9GHz(上行)和2.1GHz(下行)，最大发射功率为23dBm；射频识别的工作频率为5.8GHz，工作方式为主动式或被动式，发射功率小于300mW；

本地定位单元获取路测设备、中心设备、车载设备或手持终端设备的位置信息和时间信息，具体包括经纬度、速度、加速度、方向角、海拔等，本地定位单元由SiRF Star III芯片组加上内建的主动型陶瓷天线构成，工作频率为1.5GHz，最短的信息获取周期为100ms。

本地应用单元与车路协同数据交互平台进行实时的信息交互，车路协同数据交互平台向本地应用单元传输经由射频单元获得的信息和本地定位单元获得的信息；本地应用单元将采集到的信息(通过传感器采集信息)和需要向周边射频单元的发送的信息向车路协同数据交互平台发送。

集成射频驱动单元支持三种无线通信模式：无线局域通信网络模式、移动通信网络模式和专用通信网络模式；集成射频驱动单元提供了Linux操作系统下的无线局域通信网络、移动通信网络、专用通信网络设备和网络操作的驱动；

数据传输模块是四种设备(路测设备、中心设备、车载设备和手持终端设备)数据交互的实现部分，也是数据交互平台与应用数据交互的实现部分；数据传输模块基于TCP/IP协议族和WAVE协议族与周边单元进行通信。数据传输模块具有定周期的数据传输、基于请求响应的数据传输和基于事件驱动的数据传输三种传输模式，完成与四种设备(路测设备、中心设备、车载设备和手持终端设备)和本地应用收发数据、数据组帧、超时和重发控制、接收数据队列控制、本地地址管理、传输协议管理和无线传输功率控制的功能。

四种设备(路测设备、中心设备、车载设备和手持终端设备)通过数据交互平台进行数据交互；在数据交互的过程中，所述通信控制模块和通信保障模块优化车路协同实体之间的接入时间和信息交互的链路质量。

控制机为工控机、笔记本、PDA或智能手机。

在一个优选实施例中，控制机硬件组成如下：微处理器采用板载

M Processor或M Processor 1G，北桥：Intel 82855GM/GME(GMCH)，南桥：Intel FW82801DB-M(ICH4-M)；显示控制器采用主板内建的图形控制器具有可以进行并行数据处理和精确像素插入的3D超管线架构，全3D硬件加速，VGA显示分辨率可达1600×120085Hz；系统存储器为配板载256MBDDR200/266/333MHz DDR SDRAM，另提供一条200Pin DDRSO-DIMM系统内存扩充插槽，主板内存最大容量可扩充到2GB；本地磁盘空间80GB；6个USB2.0高速接口，支持480Mb/s传输率；主板内建一个10/100Mb/s以太网控制器(Realtek TL8139DL)，支持网络引导启动(PXE)、网络唤醒(WOL)功能；I/O功能：2个标准RS-232串口(COM1～COM2)。其中手持终端实体的数据交互平台的物理组成是：微处理器采用高通snapdragon MSM82551433MHz，工作频段为GSM 850/900/1800/1900MHz，CDMA 2000800/1900MHz，主屏分辨率为800×480像素，主屏尺寸为4.3寸，支持Mini-USB接口，512MB RAM，存储空间16GB。

射频单元向周边射频单元发送数据时，采用AES算法进行数据加密，所述射频单元接收来自周边射频单元的数据时，采用AES算法对数据进行解密，在接收数据后，采用CRC 32算法进行数据验证，以确保数据发送过程中的完整性。

本发明的详细过程如下：

通信控制与网络管理单元启动后自动接入本地自组织通信网络，并根据应用需要接入结构性网络。对于不同的设备(路测设备、中心设备、车载设备和手持终端设备)，车路协同数据交互平台的启动后的工作模式各不相同，下面将说明这四类设备的工作模式：

车载设备：车载设备的车路协同数据交互平台启动后，其会主动连接周边自组织网，主动接受周边实体的信息；在这同时，并向周边射频单元广播本地基本信息，本地基本信息主要包含了车载设备类型、数据发送时间、车载设备位置、车载设备应用类型，广播信息定周期发送。并根据获取到的信息形成本地三维网络拓扑示意图，显示周边设备的经度、纬度和海拔高度信息。并根据本地应用的需要，向目的设备进行单播和组播信息。基于专用通信网络，车载设备向完成车辆认证和车辆收费的工作。车载设备的车路协同数据交互平台在启动之后会一直与本地周边的自组织网络保持连接关系，直至周边没有其他的车载设备或是路侧设备，而一旦检测发现周边的有其他的设备组成的自组织网络，车载设备将会自动连接。

路测设备：路测设备的车路协同数据交互平台启动后，其主动连接周边自组织网络；并生成结构性网络，以供周边的手持终端接入；其接受周边各类设备的信息，并经过整理后发送至周边的设备，同时将本地汇聚的数据处理后通过有线骨干网络或3G CDMA 2000移动通信网络发送至中心设备，同时将中心设备的信息发布至底层的其他设备，如其他路测设备、车载设备和手持终端设备；其将向其覆盖区域内的其他实体定周期的广播交通渠化和交通诱导信息，广播信息还包含了本地设备类型、数据发送时间、本地设备位置、本地设备应用类型。路侧设备形成以自身为中心的基于无线局域网络的自组织网络和结构性网络。

手持终端设备：手持设备的车路协同数据交互平台启动后，可以在有路侧结构性网络覆盖的情况下，通过无线局域网络方式连接路侧设备构建结构性网络，获得本地交通诱导信息；也可以通过移动通信网络连接中心设备，获得定制的全局交通信息。信息交互通过定周期的信息发送实现，数据信息还包含了本地设备类型、数据发送时间、本地设备位置、本地设备应用类型。手持终端设备与路侧设备的链路以及手持终端设备与中心设备的链路由手持终端设备自身发起、维持和断开。

中心设备：中心设备的车路协同数据交互平台启动后，其可以通过有线骨干网络和移动通信网络获取到由路侧汇聚处理的交通信息，也可以通过移动通信网络获取到由路侧设备获取到的信息；同时可以通过移动通信网络直接获取到由车载设备和手持终端设备上传的信息。另一方面，中心设备的诱导信息可以通过移动通信网络直接发布和通过有线骨干网络传输至路测设备后发布，数据信息包含了本地设备类型、数据发送时间、本地设备位置、本地设备应用类型。中心设备的连接网络一直保持在线状态。

本发明通过多模式无线通信实现交通参与者之间的实时、高效和大容量的数据交互。先进的无线通信能够保证交通应用对数据通信的需求，采用多模式无线通信则使得多样化的交通通信需求能够得到最大限度的满足。

本发明通过先进的通信控制使得多模式无线通信能够高效运行，实时应对通信网络拓扑的高速变换和网络中的接入、容量和通断速度等问题。

本发明通过完备的通信保障使得多模式无线通信的安全性、有效性得到实时的防护。

Claims

1.一种多模式无线通信车路协同数据交互系统，其特征在于，它由路测设备、中心设备、车载设备和手持终端设备构成；

2.根据权利要求1所述的一种多模式无线通信车路协同数据交互系统，其特征在于，所述路测设备的射频单元、中心设备的射频单元、车载设备的射频单元和手持终端设备的射频单元均向周边的射频单元发送信号，并且接收周边的射频单元发送的信号；

所述中心设备的射频单元支持移动通信网络的通信，并且支持3G CDMA 20001xEv-Do标准；

3.根据权利要求2所述的一种多模式无线通信车路协同数据交互系统，其特征在于，所述IEEE 802.11p标准的工作频率为5.9GHz，发射功率最大为33dBm；所述IEEE 802.11n标准的工作频率为2.4GHz，发射功率最大为20dBm；所述3G CDMA 20001xEv-Do标准的工作频率分别为1.9GHz和2.1GHz，最大发射功率为23dBm；射频识别的工作频率为5.8GHz，工作方式为主动式或被动式，发射功率小于300mW。

4.根据权利要求1所述的一种多模式无线通信车路协同数据交互系统，其特征在于，所述本地定位单元获取路测设备、中心设备、车载设备或手持终端设备的位置信息和时间信息，本地定位单元由SiRF Star III芯片组加上内建的主动型陶瓷天线构成，工作频率为1.5GHz，最短的信息获取周期为100ms。

5.根据权利要求1所述的一种多模式无线通信车路协同数据交互系统，其特征在于，所述本地应用单元与车路协同数据交互平台进行实时的信息交互，车路协同数据交互平台向本地应用单元传输经由射频单元获得的信息和本地定位单元获得的信息；本地应用单元将采集到的信息和需要向周边射频单元的发送的信息向车路协同数据交互平台发送。

6.根据权利要求1所述的一种多模式无线通信车路协同数据交互系统，其特征在于，所述集成射频驱动单元支持三种无线通信模式：无线局域通信网络模式、移动通信网络模式和专用通信网络模式；集成射频驱动单元提供了Linux操作系统下的无线局域通信网络、移动通信网络、专用通信网络设备和网络操作的驱动；

7.根据权利要求1所述的一种多模式无线通信车路协同数据交互系统，其特征在于，所述控制机为工控机、笔记本、PDA或智能手机。

8.根据权利要求1所述的一种多模式无线通信车路协同数据交互系统，其特征在于，所述射频单元向周边射频单元发送数据时，采用AES算法进行数据加密，所述射频单元接收来自周边射频单元的数据时，采用AES算法对数据进行解密，在接收数据后，采用CRC 32算法进行数据验证，以确保数据发送过程中的完整性。