CN104079670A - 一种基于专用短程通信技术的多车协同测距的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信技术，具体是一种基于专用短程通信技术的多车协同测距的方法。主要原理是：通过将测距请求帧和测距应答帧合二为一，分别组播直接后继车辆和其他后继车辆的传播时延，从而实现所有车辆之间的测距，具体步骤是：组播发送测距帧、计算与直接后继车辆的传播时延、组播发送与直接后继车辆之间的传播时延、计算与非直接后继车辆的传播时延、组播与非直接后继车辆的传播时延。至此所有的车辆均知道了其与其他N-1辆车的传播时延，然后乘以电磁波的传播速度，即可得到与其他所有的N-1辆车的距离。该方法可以使用较少的数据通信让每辆车均获得所有的其他车辆的距离，进而计算得到每辆车的相对位置，可用于智能交通、车辆防碰撞领域。

Description

一种基于专用短程通信技术的多车协同测距的方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术，特别涉及DSRC(Dedicated Short Range Communications，专用短程通信)技术的无线通信技术，具体是一种基于DSRC的多车协同测距的方法。

背景技术

智能交通系统是未来交通系统的发展方向，它是将先进的导航定位技术、数据通信技术、电子传感技术等有效地集成，而建立的实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。智能交通是《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)》交通运输业的六大重点领域及其优先发展主题之一，同时也是《交通运输“十二五”发展规划》中的五大重大科技研发专项、六大科技成果推广应用重点领域之一。

目前的车辆防碰撞系统仅仅是采用后车根据雷达信号测量与前车距离的简单单车防碰撞系统，只有获得了远距离多辆车的距离信息，并根据相对车速、加速度等进行联合判断才有可能实现多车辆的连环碰撞预警，从而降低车祸发生率，尤其是连环追尾碰撞事故的发生率。

在车联网中车辆数量很多(N辆)，在传统的测量方法中，每辆车要想知道其他所有车辆距离必须向其他(N-1)辆车发送测距请求帧，其他(N-1)辆车再发送测距应答帧，所以完成一次全网的距离更新总共需要发送2*N*(N-1)个测距帧。为了减少在车联网中测距帧的数量，本发明提出了一种在车联网中多车协作测距的方法。

DSRC是一种高效的无线通信技术，它可以实现在特定小区域内(通常为数十米)对高速运动下的移动目标的识别和双向通信，例如车辆的“车-路”、“车-车”双向通信，实时传输图像、语音和数据信息，将车辆和道路有机连接。DSRC设备的研发是智能交通系统(ITS)研究中的一个重要课题，广泛地应用在不停车收费、出入控制、车队管理、信息服务等领域，并在车辆识别、驾驶员识别、路网与车辆之间信息交互等方面具备得天独厚的优势。

发明内容

鉴于目前车联网中完成所有车辆的测距需要发送大量测距帧的问题，本发明提出了一种在车联网中多车协作测距的方法，从而可以减少测距帧的数量、提高测距效率。

一种基于DSRC的多车协同测距的方法，包括以下步骤：

1)组播发送测距帧

从第1辆车开始，按照1，2，3，……，N-1的先后顺序，每辆车n(1…N-1)均以组播的形式向其所有的前驱车辆(n-1、n-2、……2、1)和第一辆后继车(n+1)发送测距帧；

只有当车辆n(2…N-1)收到前驱车辆n-1的测距帧后，第n辆车再延迟周转时延T，才发送第n辆车的测距帧，依此类推……；

2)计算与直接后继车辆的传播时延

根据公式T_n,n+1＝(R_n,n+1-S_n-T)/2(1≤n≤N-1)，分别计算每辆车n(1…N-1)与第一辆后继车，即直接后继车辆(n+1)之间的传播时延T_n,n+1；

其中：S_n是第n辆车发送测距请求帧的时刻；R_n,n+1是第n辆车收到第n+1辆车发送的应答帧的时刻；

3)组播发送与直接后继车辆的传播时延

每辆车n(2…N-1)均向其所有前驱车辆(n-1、n-2、2、1)组播发送其与直接后继车辆n+1的传播时延T_n,n+1；

4)计算与非直接后继车辆的传播时延

根据公式 $T_{n,k}=R_{n,k}-S_n-\underset{j=n}{\overset{k-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{T}_{j,j+1}-\underset{j=n+1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}T,(1\&le;n<k\&le;N),$ 每辆车n(1…N-2)均计算得到与所有非直接后继车辆(T_n,n+2、T_n,n+3……T_n,N)的传播时延T_n,k；

5)组播发送与非直接后继车辆的传播时延

每辆车n(1…N-1)均向其所有的后继车辆k(n+1，n+2，…，N)组播发送其与所有的后继车辆的传播时延T_n,k。

至此所有的车辆均知道了其与其他N-1辆车的传播时延，然后乘以电磁波的传播速度，即可得到与其他所有的N-1辆车的距离，进而根据距离即可求出相对位置。该算法可以使用较少的数据通信让每辆车均获得所有的其他车辆的距离，进而确定每辆车的相对位置。

附图说明

图1协作测距方法发送测距帧示意图；

图2协作测距方法测距流程图；

图3协作测距方法待求传播时延的矩阵示意图；

具体实施方式

1.测距基本原理

以下结合具体实施例和附图，对本发明进行详细说明。

如图1所示，假设网络中共有N辆车，假设每辆车中物理层收到测距请求帧，然后传送到应用层，最后又组装成新的测距响应帧并发送所经历的时延，即周转时延相同。

从第1辆车开始，按照1，2，3，……，N-1的先后顺序，每辆车(1…N-1)均以组播的形式向其所有的前驱车辆和第一辆后继车发送一个测距帧。图中：

实心标签表示发送的帧；

空心标签表示接收到的帧；

T_k,n：表示从第k辆车到第n辆车之间的传播时延；

S_n：表示第n辆车发送测距帧的时刻；

R_k,n：表示第k辆车收到第n辆车发送的测距帧的时刻；

T：表示收到测距请求帧，到发送测距应答帧之间的周转时延；

根据图1，可以得到以下表达式：

车辆1中：

R_1,2-S₁＝T_1,2+T+T_1,2

R_1,3-S₁＝T_1,2+T+T_2,3+T+T_1,3

R_1,4-S₁＝T_1,2+T+T_2,3+T+T_3,4+T+T_1,4

R_1,5-S₁＝T_1,2+T+T_2,3+T+T_3,4+T+T_4,5+T+T_1,5

车辆2中：

R_2,3-S₂＝T_2,3+T+T_2,3

R_2,4-S₂＝T_2,3+T+T_3,4+T+T_2,4

R_2,5-S₂＝T_2,3+T+T_3,4+T+T_4,5+T+T_2,5

车辆3中：

R_3,4-S₃＝T_3,4+T+T_3,4

R_3,5-S₃＝T_3,4+T+T_4,5+T+T_3,5

车辆4中：

R_4,5-S₄＝T_4,5+T+T_4,5

不失一般性，车辆n发送帧后，又收到车辆k发送的帧的时间间隔为：

$R_{n,k}-S_n=\underset{j=n}{\overset{k-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{T}_{j,j+1}+\underset{j=n+1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}T+T_{n,k},(1=<n<k\&le;N)---\left(1\right)$

即：

$T_{n,k}=R_{n,k}-S_n-\underset{j=n}{\overset{k-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{T}_{j,j+1}-\underset{j=n+1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}T,(1=<n<k\&le;N)---\left(2\right)$

如果车辆k为车辆n的直接后继车辆，则k＝n+1，公式(1)可以简写为：

R_n,n+1-S_n＝T_n,n+1+T+T_n,n+1   (1＝<n<N)   (3)

即：

T_n,n+1＝(R_n,n+1-S_n-T)/2   (1＝<n<N)   (4)

2.实施例

本发明的实施步骤如图2所示。

1)组播发送测距帧

从第1辆车开始，按照1，2，3，……，N-1的先后顺序，每辆车n(1…N-1)均以组播的形式向其所有的前驱车辆和第一辆后继车发送一个测距帧。

只有当车辆n(2…N-1)收到前驱车辆n-1的测距帧后，第n辆车再延迟T时间，才发送第n辆车的测距帧，依此类推……。

假设当前是第n辆车在发送测距帧，发送的时刻为S_n，该测距帧只组播发送给车辆n的所有的前驱车辆(n-1、n-2、……2、1)和第一辆后继车(n+1)。而且所有的前驱车辆将该帧看作为测距应答帧，后继车辆n+1将其看作是测距请求帧。所有这些接收到该帧的时刻用R_k,n表示，即车辆k接收到车辆n发送的测距帧的时刻为R_k,n。

例如：假设当前是第3辆车在发送测距帧，则只有第1，2，4辆车接收该帧，其中第1，2辆车将其视为是测距应答帧，接收到该帧的时刻分别为R_1,3、R_2,3；第4辆车将其视为测距请求帧，接收到该帧的时刻为R_4,3。

2)计算与直接后继车辆的传播时延

根据图1可以根据公式(3)和(4)得到以下关系表达式：

在车辆1中可得：R_1,2-S₁＝T_1,2+T+T_1,2所以T_1,2＝(R_1,2-S₁-T)/2

在车辆2中可得：R_2,3-S₂＝T_2,3+T+T_2,3所以T_2,3＝(R_2,3-S₂-T)/2

同理，在车辆n(1…N-1)中可得：T_n,n+1＝(R_n,n+1-S_n-T)/2(1≤n≤N-1)，即公式(4)。

通过本步骤，每辆车n(1…N-1)均可以用公式(4)得到与第一辆后继车(n+1)之间的传播时延。如图3中每个对角线上方第一条对角线的车(1,2)、(2,3)、(3,4)、(4,5)，即T_1,2、T_2,3、T_3,4、T_4,5。

3)组播发送与直接后继车辆之间的传播时延

每辆车(2…N-1)均向其所有前驱车组播发送其与第一辆后继车的传播时延，即车n(2…N-1)向所有的前驱车n-1、n-2、2、1发送与第一辆后继车n+1的传播时延T_n,n+1。例如：车辆3需要向车辆1,2发送与其与车辆4的传播时延T_3,4。

4)计算与非直接后继车辆的传播时延

在车辆1中根据公式(1)和公式(2)可得：

因为R_1,3-S₁＝T_1,2+T+T_2,3+T+T_1,3所以根据第(1)步自己测出的时刻R_1,3、S₁，第(2)步自己计算出的T_1,2，以及第(3)步接收到的T_2,3即可计算出T_1,3；

因为R_1,4-S₁＝T_1,2+T+T_2,3+T+T_3,4+T+T_1,4所以根据第(1)步自己测出的时刻R_1,4、S₁，第(2)步自己计算出的T_1,2，以及第(3)步接收到的T_2,3、T_3,4即可计算出T_1,4；

因为R_1,5-S₁＝T_1,2+T+T_2,3+T+T_3,4+T+T_4,5+T+T_1,5所以根据第(1)步自己测出的时刻R_1,5、S₁，第(2)步自己计算出的T_1,2，以及第(3)步接收到的T_2,3、T_3,4、T_4,5即可计算出T_1,5；

同理，在车辆2中计算可以得到T_2,4、T_2,5；在车辆3中计算可以得到T_3,5。.

依此类推，在车辆n(1…N-2)中根据公式(2)可以得到T_n,n+2、T_n,n+3……T_n,N；

通过本步骤，车辆n(1…N-2)均计算得到与所有非直接后继车辆的传播时延，如图3中的(1,3)、(1,4)、(1,5)，(2,4)、(2,5)，(3,5)，即T_1,3、T_1,4、T_1,5，T_2,4、T_2,5，T_3,5。

至此，如图3上三角所有的传播时延均已知，即每辆车知道了与其所有后继车辆的传播时延。

5)组播发送与非直接后继车辆的传播时延

车辆n(1…N-1)均向其所有的后继车辆k(n+1，n+2，…，N)组播发送其与所有的后继车辆的传播时延T_n,k，例如：

车辆1向车辆2通知T_1,2，向车辆3通知T_1,3，向车辆4通知T_1,4，向车辆5通知T_1,5……；

车辆2向车辆3通知T_2,3，向车辆4通知T_2,4，向车辆5通知T_2,5……；

车辆3向车辆4通知T_3,4，向车辆5通知T_3,5……；

车辆4向车辆5通知T_4,5……；

通过本步骤，即可得到车辆(2…N)与其所有前驱车辆的传播时延，如图3中的下三角所有的点(2,1)、(3,1)、(4,1)、(5,1)，(3,2)、(4,2)、(5,2)，(4,3)、(5,3)，(5,4)，即T_1,2、T_1,3、T_1,4、T_1,5，T_2,3、T_2,4、T_2,5，T_3,4、T_3,5，T_4,5。

至此所有的车辆均知道了其与其他N-1辆车的传播时延，然后乘以电磁波的传播速度，即可得到与其他N-1辆车的距离。虽然实例中使用的是5辆车，但是在上述步骤中都给出了N辆车的一般表达式，所以可以扩展到任意多辆车的协作测距。该方法可以使用较少的数据通信让每辆车均获得所有的其他车辆的距离，进而确定每辆车的相对位置。

Claims (1)

1.一种基于专用短程通信技术的多车协同测距的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)组播发送测距帧

从第1辆车开始，按照1，2，3，……，N-1的先后顺序，每辆车n(1…N-1)均以组播的形式向其所有的前驱车辆(n-1、n-2、……2、1)和第一辆后继车(n+1)发送测距帧；

只有当车辆n(2…N-1)收到前驱车辆n-1的测距帧后，第n辆车再延迟周转时延T，才发送第n辆车的测距帧，依此类推……；

2)计算与直接后继车辆的传播时延

根据公式T_n,n+1＝(R_n,n+1-S_n-T)/2(1≤n≤N-1)，分别计算每辆车n(1…N-1)与第一辆后继车，即直接后继车辆(n+1)之间的传播时延T_n,n+1；

其中：S_n是第n辆车发送测距请求帧的时刻；R_n,n+1是第n辆车收到第n+1辆车发送的应答帧的时刻；

3)组播发送与直接后继车辆的传播时延

每辆车n(2…N-1)均向其所有前驱车辆(n-1、n-2、2、1)组播发送其与直接后继车辆n+1的传播时延T_n,n+1；

4)计算与非直接后继车辆的传播时延

根据公式 $T_{n,k}=R_{n,k}-S_n-\underset{j=n}{\overset{k-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{T}_{j,j+1}-\underset{j=n+1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}T,(1\&le;n<k\&le;N),$ 每辆车n(1…N-2)均计算得到与所有非直接后继车辆(T_n,n+2、T_n,n+3……T_n,N)的传播时延T_n,k；

5)组播发送与非直接后继车辆的传播时延

每辆车n(1…N-1)均向其所有的后继车辆k(n+1，n+2，…，N)组播发送其与所有的后继车辆的传播时延T_n,k。