CN103079287A - 基于无线多跳自组网的高速公路智能车辆感知与路灯控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线多跳自组网的高速公路智能车辆感知与路灯控制方法，包括：网络的建立和维护，车辆感知信息的多跳传输和路灯通断控制。网络的建立和维护包括，路边单元（RSU）周期性发送自身标识，各RSU根据收到的RSU标识的信号阈值，加入RSU标识列表，启动或重启动计时器，从而生成和维护邻居路边单元列表。车辆感知信息的多跳传输和路灯通断控制包括，车上单元（OBU）周期性广播自身标识，RSU接收并按照规则转发/丢弃OBU标识，生成和维护OBU标识列表，并依据接收内容和列表内容接通或断开路灯。本发明结合相应的硬件平台，满足高速公路运营者对车辆智能感知、对路灯进行实时、鲁棒的智能控制的需求。

Description

基于无线多跳自组网的高速公路智能车辆感知与路灯控制方法

技术领域

本发明涉及一种智能交通领域和无线通信领域，具体地讲是一种基于无线多跳、无中心的自组网协议的高速公路智能车辆感知与路灯控制方法。

背景技术

高速公路路网是国家最为重要的基础设施之一，其规模庞大，信息化管理任务繁重。提升公路路网交通信息化与智能化水平是我国公路交通发展的重点任务。

为了提高高速公路行车安全程度，高速公路运营管理单位纷纷为高速公路架设路灯，以提升恶劣天气和夜晚情况下的道路可见度。为了降低能耗，达到绿色交通的目的，高效自动的高速公路智能车辆感知与路灯控制技术，成为当务之急。

目前，对公路路灯的控制手段，主要是依赖人工操作，或简单的环境光测量，无法满足高效、低耗、实时的控制效果。

无线多跳自组网可以看作是一个独立的自治系统或者是一个对因特网的多跳无线扩展。作为一个自治系统，它有自己的通信协议和网络管理机制。与其他通信网络相比，无线多跳自组网有以下特点：

(1)自组织：自组网相对常规通信网络而言，最大的区别就是可以在任何时刻、任何地点不需依靠基础设施的支持，快速构建起一个移动网络。

(2)多跳路由：当节点要与其覆盖范围之外的节点进行通信时，需要中间节点的多跳转发。无线自组织网络中的多跳路由是由普通的网络节点完成的。网络中的每一个网络节点扮演着多个角色，它们可以是服务器、终端，也可以是路由器。

将无线多跳自组网技术和高速公路智能车辆感知与路灯控制结合，是跨学科技术的交叉融合。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于无线多跳自组网的高速公路智能车辆感知与路灯控制方法，能够完成在高速公路上或具有类似特征的场合的智能车辆感知和路灯控制。

本发明采用的技术方案为：一种基于无线多跳自组网的高速公路智能车辆感知与路灯控制方法，包括以下步骤：

1)每台车辆上设置有一个车上单元(OBU：On Board Unit)：集成双向低功耗无线通信系统；车上单元OBU采用卡式有源结构，OBU在高速公路入口处分发，或与ETC卡绑定同时发放；

2)每根高速公路路灯杆上架设有路边单元(RSU：Road Side Unit)：集成两路双向低功耗无线通信系统，与路灯通断控制口直接连接；RSU可接收OBU发送的标识数据，可与邻居RSU双向通信；具备数据融合处理功能；可对所连接路灯进行通断控制；路灯典型间隔距离为30米，因此相邻RSU之间距离典型值为30米，RSU构成的拓扑为典型间隔30米分布的线性拓扑；

3)网络的建立与维护；

(a)RSU周期性以设定的功率发送自身标识，使用CSMA/CA方式争用预先设定频率的无线信道；

(b)当某RSU发现另外某RSU的信号强度超过阈值，而该RSU不在本RSU的邻居列表中，就将该节点加入到本RSU的邻居列表，并启动该节点更新计时器；

(c)当某RSU发现另外某RSU的信号强度超过阈值，而该RSU已在本RSU的邻居列表中，就恢复该表项对应的节点更新计时器初值，并重新启动；

(d)当本RSU邻居列表中的某表项节点更新计时器计时结束，将该表项从本RSU邻居列表中删除；

4)车辆感知信息传输和路灯控制实现步骤：

(a)在高速公路上，OBU以设定的周期广播自身标识，使用无反馈的简单CSMA方式与其他可能存在的OBU争用预先设定频率的无线信道，并且OBU的发射功率受到限制，1～2个距离较近的RSU会收到OBU的发送数据；所广播的标识附加序号0；在两次发送之间OBU可休眠以降低功耗；

由于车辆的高速移动性，OBU与附近RSU的位置关系会发生快速的变化，OBU的信道争用环境也会发生快速的变化，基于此特点，OBU仅使用CSMA来减少碰撞，不使用RSU的反馈来判断是否需要重发，OBU会以带随机延时的周期进行业务层的重发。

由于OBU移动性以及CSMA不可完全避免的碰撞可能性，会导致OBU发送的数据包有一定的概率(虽小但无法完全忽略)无法被RSU正确接收，在设计自组织多跳方案时必须予以针对性的考虑。

发送的周期(间隔)设定与RSU间距及允许的最大车速有关。在设定的周期下，间距越小或车速越快，则单个RSU无法正确接收OBU标识数据的概率越大。当该概率过大时，路灯控制的实时性和准确性会受到影响。需要在以上因素和OBU的低功耗性能之间取得均衡。

(b)RSU接收到OBU或邻居RSU发送的OBU标识，查询本节点“当前OBU标识列表”，如附加序号小于某设定阈值(如5)，且“当前OBU标识列表”中无该标识，或者已存该标识但附加序号大于所收到的附加序号，则RSU将该标识及当前附加序号更新至“当前OBU标识列表”；

在以上步骤中，理想情况下，单个RSU能接收到经过的OBU所发送的标识，本步骤中RSU仅需存储OBU发来的标识(即附加序号为0)；但正因单个RSU存在无法正确接收OBU标识的概率，因此本步骤中将存储(更新)OBU标识的条件放宽。

(c)任意RSU收到OBU或邻居RSU发来的OBU标识，在以下3个条件中，①在“当前OBU标识列表”中查询到该标识，②所收到的OBU标识的附加序号大于等于某设定阈值(如5)，③所收到OBU标识的附加序号比列表中该标识的附加序号大某设定阈值(如3)；

(c1)如不能同时满足①②③，且当附加序号小于等于某设定的阈值(如16)时，控制路灯处于“通”状态，并将其附加序号加1后向邻居RSU(从OBU收到时向两侧邻居RSU，从RSU收到时仅向另一侧RSU)转发；转发时使用CSMA/CA方式争用预先设定频率的无线信道，并且使用RLC协议确保数据的收发；RSU之间的通信使用与OBU广播传输不同的信道；

(c2)如不能同时满足①②③，且当附加序号大于某设定的阈值(如16)时，丢弃该OBU标识；

(c3)如同时满足①②③，则不再直接转发该标识信息，而是向另一侧的邻居RSU发送“单一标识删除指令”，发送方法同c1步骤；收到“单一标识删除指令”的RSU删除对应标识，并在无其它条件控制路灯处于“通”状态的情况下，直接控制路灯处于“断”状态；

该步骤，使得车辆后方约5×30米处的RSU不再向后面更远的RSU扩展该车标识信息。在RSU能够理想接收OBU数据时，条件③中的阈值为1(新收到的标识序号大于表中已存对应标识的序号)即可判断标识信息传递方向为反向。但非理想情况下(MAC的碰撞)，车辆前进方向次近的RSU有可能会比最近的RSU更早收到OBU直接发出的标识数据，此时若条件③中的阈值为1，可能会导致被误判为与车辆行进方向相反的信息传递。因此阈值放宽为3有利于增强系统稳健性。

(d)RSU的“当前OBU标识列表”中，任一表项对应标识若在设定时间(如5秒)内，末重新从OBU或邻居RSU收到，则清除该OBU标识；

该步骤为增强系统稳健性，以避免“死”数据的产生导致系统消耗内存不正常增长而溢出。

(e)RSU如在设定时间(如3秒)内，未从OBU或邻居RSU收到任何OBU标识，则控制路灯处于“断”状态。

该步骤为增强系统稳健性，以避免由于算法错误或其它异常情况导致路灯长时间处于点亮耗电状态。

本发明的功能实现为：

1)位于行驶车辆前方大约A米(如500米)和后方大约B米(如150米)内的路灯必须点亮；

2)以上范围之外的路灯如无其它条件导致点亮，则需熄灭。

本发明的有益效果：

1.完全自组织，无需人工参与

从网络拓扑的自动生成和维护、多跳转发的传输和终止，系统的工作完全不需要人工操作、不需要依赖视频观察，效率高，实时性好；

2.通过OBU、RSU分布式协作运行，鲁棒性好

整个系统的工作完全分布式，不需要将大量数据通过通信传输接入后台服务器再由服务器通过指令设置，不依赖于服务器性能，不依赖于大规模接入网的传输性能，因此实时性好，系统鲁棒性能强；

每个RSU也仅需知道自己的邻居RSU，无需获得并维护全网拓扑，因此实现代价低，通信开销小，同时避免了拓扑信息传递和路由收敛带来的不确定性，进一步增强了系统鲁棒性。

3.简单可靠成本低

分布式有冗余设计的多跳算法和控制算法，对OBU与RSU之间的通信要求低，OBU的传输允许一定的传输误码，允许一定概率的碰撞丢包。因此OBU与RSU之间的通信可设计成简单、廉价的方式，不需要非常可靠的通信连接，也适应高速公路行车环境OBU快速移动的场景。同时也允许OBU的适时休眠，以降低功耗，延长待机时间和维护周期。

附图说明

图1为本发明中网络的建立和维护流程图；

图2为本发明中车辆感知信息传输和路灯控制实现流程图；

图3为本发明多跳传输和路灯控制过程实施例示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

一种基于无线多跳自组网的高速公路智能车辆感知与路灯控制方法，包括以下步骤：

1)每台车辆上设置有一个车上单元(OBU：On Board Unit)：集成双向低功耗无线通信系统；

2)每根高速公路路灯杆上架设有路边单元(RSU：Road Side Unit)：集成两路双向低功耗无线通信系统，与路灯通断控制口直接连接；RSU可接收OBU发送的标识数据，可与邻居RSU双向通信；具备数据融合处理功能；可对所连接路灯进行通断控制；高速公路运营方，趋向于将路灯架设于公路中央隔离带，这样RSU的多跳传输必须综合考虑左右两个方向多个车道的车辆感应和路灯控制。本发明针对这样的应用场合，非常合适。如将路灯架设于高速公路两侧，则每侧的RSU仅感应单一方向的车辆并进行路灯控制，这种情况下，需要在进入高速发卡时通过无线对OBU进行信道设定，将两个方向的OBU传输信道设置为不同的信道。

3)网络的建立与维护(如图1所示)；

(a)RSU周期性以设定的功率发送自身标识，使用CSMA/CA方式争用预先设定频率的无线信道；

(b)当某RSU发现另外某RSU的信号强度超过阈值，而该RSU不在本RSU的邻居列表中，就将该节点加入到本RSU的邻居列表，并启动该节点更新计时器；

(c)当某RSU发现另外某RSU的信号强度超过阈值，而该RSU已在本RSU的邻居列表中，就恢复该表项对应的节点更新计时器初值，并重新启动；

(d)当本RSU邻居列表中的某表项节点更新计时器计时结束，将该表项从本RSU邻居列表中删除；

4)车辆感知信息传输和路灯控制实现步骤(如图2所示)：

(a)在高速公路上，OBU以设定的周期广播自身标识，使用无反馈的简单CSMA方式与其他可能存在的OBU争用预先设定频率的无线信道，并且OBU的发射功率受到限制，1～2个距离较近的RSU会收到OBU的发送数据；所广播的标识附加序号0；在两次发送之间OBU可休眠以降低功耗；

(b)RSU接收到OBU或邻居RSU发送的OBU标识，查询本节点“当前OBU标识列表”，如附加序号小于某设定阈值(如5)，且“当前OBU标识列表”中无该标识，或者已存该标识但附加序号大于所收到的附加序号，则RSU将该标识及当前附加序号更新至“当前OBU标识列表”；

第三层数据格式

Type

OBU_ID

Seq

Type为该数据类型，其取值及后续数据域的含义以下表说明：

此数据格式适用于OBU向RSU传输OBU标识，也适用于RSU之间的传输。在OBU向RSU传输时，第二层为简单的CSMA，而RSU之间的传输，在CSMA/CA之上和第三层之下有RLC层予以传输正确性保障。

RSU中OBU标识列表(例)

	OBU_ID(OBU标识)	Seq(附加序号)
			1	OBU_A	4
2	OBU_K	0
			3	OBU_B	0
4

(c)任意RSU收到OBU或邻居RSU发来的OBU标识，在以下3个条件中，①在“当前OBU标识列表”中查询到该标识，②所收到的OBU标识的附加序号大于等于某设定阈值(如5)，③所收到OBU标识的附加序号比列表中该标识的附加序号大某设定阈值(如3)；

(c1)如不能同时满足①②③，且当附加序号小于等于某设定的阈值(如16)时，控制路灯处于“通”状态，并将其附加序号加1后向邻居RSU(从OBU收到时向两侧邻居RSU，从RSU收到时仅向另一侧RSU)转发；转发时使用CSMA/CA方式争用预先设定频率的无线信道，并且使用RLC协议确保数据的收发；RSU之间的通信使用与OBU广播传输不同的信道；

(c2)如不能同时满足①②③，且当附加序号大于某设定的阈值(如16)时，丢弃该OBU标识；

(c3)如同时满足①②③，则不再直接转发该标识信息，而是向另一侧的邻居RSU发送“单一标识删除指令”，发送方法同c1步骤；收到“单一标识删除指令”的RSU删除对应标识，并在无其它条件控制路灯处于“通”状态的情况下，直接控制路灯处于“断”状态；

(d)RSU的“当前OBU标识列表”中，任一表项对应标识若在设定时间(如5秒)内，未重新从OBU或邻居RSU收到，则清除该OBU标识；

(e)RSU如在设定时间(如3秒)内，未从OBU或邻居RSU收到任何OBU标识，则控制路灯处于“断”状态。

如图3所示，以下为多跳传输和路灯控制过程实施例：

通常情况下的流程：

1)途中车辆A行驶至RSU_X；

2)之前经过的RSU_X-1至RSU_X-6，标识列表中也有表项OBU_A，其表中附加序号均为0；

3)此时OBU_A标识发送至RSU_X；

4)步骤2和3a使得OBU A标识被依次向前进方向(左)传递，直至RSU_X+16，其中RSU_X至RSU_X+4的标识列表中分别增加或更新表项OBU_A，且表中附加序号分别依次为0～4，其它RSU标识列表中无OBU_A项；

5)步骤3a使得RSU_X至RSU_x+16的路灯被点亮，RSU_x+16存储OBU_A后丢弃不再转发，其左侧的RSU将不会收到OBU_A，也不会被其点亮；

6)步骤3b使得OBU_A标识被依次向反方向(右)传递，直至RSU_X-5，由于RSU_X-1至RSU_X-6中OBU_A表项附加序号均为0，因此步骤2保证其不会被更新；

7)步骤3b使得OBU_A不再被RSU_X-5向右转发，而是向RSU_X-6发送“单一标识删除指令”。收到“单一标识删除指令”的RSU_X-6删除对应标识OBU_A，并在无其它条件控制路灯处于“通”状态的情况下，直接熄灭路灯。

通常情况下，车辆继续前行的过程中，按此感应、多跳传输和控制过程，前方16～17盏和后方5～6盏始终被接通点亮，后方5或6盏灯之后的灯逐个被断开熄灭，除非后方有别的车辆OBU使其接通点亮。

当车辆从行驶状态停靠路边时，OBU周期性传送标识OBU_A给RSU_X，RSU_X按步骤2和3a、3b扩散该标识，保证前方16～17盏和后方5～6盏始终被接通点亮。

某异常情况下的流程说明其鲁棒性：

1)当OBU发送OBU_A时，RSU_X与RSU_X+1可能都在其接收范围内，该数据有一定的概率由于碰撞导致无法被RSU_X正确接收，但被RSU_X+1正确接收；

2)步骤2和3使得RSU_X+6的标识表项中OBU_A的附加序号将被更新为5；

3)下一周期的OBU_A发送，可能会被RSU_X正确接收，此时RSU_X+6将收到附加序号为6的OBU_A；

4)如步骤3中条件③不存在或③中阈值过小，则RSU_X+6将会认为这是一次与前进方向相反的标识转发，按条件①②，步骤3b将使得RSU_X+6发送“单一标识删除指令”给RSU_X+7，使得RSU_X+7删除OBU_A表项，并断开熄灭路灯，而这不是所预想的正确结果。

5)步骤3中的条件③设置的阈值，可处理此时RSU_X+6收到的OBU_A附加序号6大于原先存储的序号5的情况，由于6-5＜3，因此条件③不成立，RSU_X+6执行3a步骤，递增序号后，继续向车辆前进方向(左)转发。

步骤4和5进一步应对更复杂的异常情况，避免内存溢出和路灯常亮。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (3)

1.一种基于无线多跳自组网的高速公路智能车辆感知与路灯控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)每台车辆上设置有一个OBU：集成双向低功耗无线通信系统；

2)每根高速公路路灯杆上架设有RSU：集成两路双向低功耗无线通信系统，与路灯通断控制口直接连接；RSU可接收OBU发送的标识数据，可与邻居RSU双向通信；具备数据融合处理功能；可对所连接路灯进行通断控制；

3)网络的建立与维护；

(a)RSU周期性以设定的功率发送自身标识，使用CSMA/CA方式争用预先设定频率的无线信道；

(b)当某RSU发现另外某RSU的信号强度超过阈值，而该RSU不在本RSU的邻居列表中，就将该节点加入到本RSU的邻居列表，并启动该节点更新计时器；

(c)当某RSU发现另外某RSU的信号强度超过阈值，而该RSU已在本RSU的邻居列表中，就恢复该表项对应的节点更新计时器初值，并重新启动；

(d)当本RSU邻居列表中的某表项节点更新计时器计时结束，将该表项从本RSU邻居列表中删除；

4)车辆感知信息传输和路灯控制实现步骤：

(a)在高速公路上，OBU以设定的周期广播自身标识，使用无反馈的简单CSMA方式与其他可能存在的OBU争用预先设定频率的无线信道，并且OBU的发射功率受到限制，1～2个距离较近的RSU会收到OBU的发送数据；所广播的标识附加序号0；在两次发送之间OBU可休眠以降低功耗；

(b)RSU接收到OBU或邻居RSU发送的OBU标识，查询本节点“当前OBU标识列表”，如附加序号小于某设定阈值，且“当前OBU标识列表”中无该标识，或者已存该标识但附加序号大于所收到的附加序号，则RSU将该标识及当前附加序号更新至“当前OBU标识列表”；

(c)任意RSU收到OBU或邻居RSU发来的OBU标识，在以下3个条件中，①在“当前OBU标识列表”中查询到该标识，②所收到的OBU标识的附加序号大于等于某设定阈值，③所收到OBU标识的附加序号比列表中该标识的附加序号大某设定阈值：

(c1)如不能同时满足①②③，且当附加序号小于等于某设定的阈值时，控制路灯处于“通”状态，并将其附加序号加1后向邻居RSU转发；转发时使用CSMA/CA方式争用预先设定频率的无线信道，并且使用RLC协议确保数据的收发；RSU之间的通信使用与OBU广播传输不同的信道；

(c2)如不能同时满足①②③，且当附加序号大于某设定的阈值时，丢弃该OBU标识；

(c3)如同时满足①②③，则不再直接转发该标识信息，而是向另一侧的邻居RSU发送“单一标识删除指令”，发送方法同c1步骤；收到“单一标识删除指令”的RSU删除对应标识，并在无其它条件控制路灯处于“通”状态的情况下，直接控制路灯处于“断”状态；

(d)RSU的“当前OBU标识列表”中，任一表项对应标识若在设定时间内，未重新从OBU或邻居RSU收到，则清除该OBU标识；

(e)RSU如在设定时间内，未从OBU或邻居RSU收到任何OBU标识，则控制路灯处于“断”状态。

2.根据权利要求1所述的基于无线多跳自组网的高速公路智能车辆感知与路灯控制方法，其特征在于：所述OBU在高速公路入口处分发，或与ETC卡绑定同时发放。

3.根据权利要求1所述的基于无线多跳自组网的高速公路智能车辆感知与路灯控制方法，其特征在于：所述OBU采用卡式有源结构。

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