CN105338497B - 一种基于协议跨层优化的车辆定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于协议跨层优化的车辆定位方法，包括下述步骤：S1、确定信道与帧结构，V2V通信使用遵循于IEEE802.11p WAVE标准的专用短程通信DSRC技术，实现车‑路与车‑车的双向通信，实时传输语音和数据信息，将车辆和道路、车辆间有机连接；S2、利用退避算法TRB记录退避时间；S3、通过使用专用的通信信道来降低网络碰撞的概率，统计数据重发所引起的延时，利用增强的OSS‑TWR定位通信协议，车辆周期性的广播定位请求数据帧“Req”，请求附近RSU提供位置参考，通过测量与RSU之间的距离完成自定位。本发明弥补了卫星定位系统的缺陷，车辆可以通过地面基站(RSU)估算自己的位置，特别是在GPS定位失效区域，这对车辆自动驾驶与车辆主动安全应用具有重要的意义。

Description

一种基于协议跨层优化的车辆定位方法

技术领域

本发明涉及车联网通信的研究领域，特别涉及一种基于协议跨层优化的车辆定位方法。

背景技术

随着车联网相关技术的不断进步，越来越多基于位置服务(Location BasedService，LBS)的车联网应用逐步地得到推广，如军车的敌我识别与位置协同、银行运钞车的监管。通过DSRC通信技术可以使车辆在高楼林立的市中心或隧道等特殊环境中同样能实现自定位，使监管真正做到无缝化。同样，基于位置的其他服务如精确广告推广、城市智能停车场导引系统，城市智能交通系统等也需要车辆的自定位，车辆的准确定位越来越具有价值。本发明提出了OSS-TWR定位算法，利用车载设备与路侧设备通信，计算无线信号从车辆到路侧设备的飞行时间，从而推导出车辆自身的位置，OSS-TWR解决了GPS定位信号被遮挡情形下的车辆自定位问题。在网络没有碰撞和延时的情况下(如基于令牌的网络)，此方法取得了较好的定位精度，但是在无线网络通信中，网络碰撞是不可避免的。因此，OSS-TWR算法需要改进以适应恶劣无线通信网络环境。本章首先分析无线网络碰撞对定位精度的影响，然后提出了一个可记录延迟时间的新退避算法，通过跨层优化协议，增强了OSS-TWR应用能力。最后，利用测距实验去验证新方法的可行性，并在车辆信息物理系统(VehicularCyber-physical System,VCPS)案例中得到应用。

众所周知，在无线通信网络中碰撞是无法避免的，隐藏节点与暴露节点等问题在车联网通信过程中同样存在，如图1所示，在车联网通信中，有两个RSUs(A，B)同时与车辆V通信，A，B都想传数据给车辆V，但A，B都不在彼此的传输范围内。因而也就不会感知到对方，但都能向V传输数据，在这种情况下，来自A和B的数据会在V处碰撞，造成数据丢失，网络性能下降，这就是车联网中的隐藏节点问题。在传统无线通信中，已经有了较好地解决隐藏节点问题的方法，如请求发送/允许发送(Request To Send/Clear To Send，RTS/CTS)。RTS/CTS的目的是允许在客户端和接入点之间进行协商。当网络中启用RTS/CTS时，接入点会为请求客户端分配完成发射所需的时隙与信道。在发射完成后，其它客户端可按类似方式请求信道。其通信原理如图2所示。

数据帧在发送之前，传送端先传送一个RTS封包，告知在传送端传送范围内所有节点不要有任何传送操作。如果接收端目前是空闲的，则响应CTS封包，进而传输数据。从而可有效解决隐藏节点的问题，但是对于基于测量信号飞行的时间的定位系统来说，RTS/CTS对协商所消耗的时间没有进行准确统计。同样的，RST/CTS可以降低碰撞的概率但是不能避免碰撞发生，碰撞后数据帧重发的延时同样无法精确统计。这些不确定的时间将会影响位置估计，RTS/CTS机制无法直接用于车辆无线定位。车联网中，可能的网络碰撞如图3所示，在车辆定位过程中，一次定位过程中可能会有3次碰撞的机会，A)当车辆发送定位请求“Req”包时；B)RSU发送确认包“Ack”；和C)RSU发送同步“Sync”数据包时。由于碰撞会造成数据帧的重发，等待重发时所消耗的时间将影响信号飞行时间的测量精度，从而导致定位准确度的下降。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于协议跨层优化的车辆定位方法。

本发明基于协议跨层优化的车辆定位方法，包括下述步骤：

S1、确定信道与帧结构，V2V通信使用遵循于IEEE802.11p WAVE标准的专用短程通信DSRC技术，在高速运动情况下，实现车-路与车-车的双向通信，实时传输语音和数据信息，将车辆和道路、车辆间有机连接；

S2、利用退避算法TRB记录退避时间，其具体方法为：

S2.1、确定基本退避时隙2τ，也就是一个争用期时间；

S2.2、定义1个参数C，为重传次数，K＝min(C,10)，其中K用于计算退避时间，所述退避时间为基准时隙的指数，可见K≤10；

S2.3、定义2个参数，单次退避时间t_backoff和累计退避时间t_coll，初始值为0；

S2.4、如果重传次数C小于设定阈值N，从离散型整数集合[0，1，2，……，2^k-1]中，随机取出一个数记做R，那么重传所需要的退避时间t_backoff等于R倍的基准退避时间：记为：t_backoff＝R×2τ；

S2.5、统计总的退避时间t_coll，t_coll＝t_coll+t_backoff，同时从“Sync”数据帧中读取“Sync Delay Time”域的值，计算FCS；然后把t_coll和FCS写入数据帧的“Collision DelayTime”域和“FCS域”，重发数据帧；

S2.6、如果重发成功，退出退避算法；否则，重传次数加1，C＝C+1，如果重传次数大于N次，则退出并向上层协议汇报，否则进入第S2.4步，再次重发；

S3、通过使用专用的通信信道来降低网络碰撞的概率，再使用可记录时间的退避算法去统计数据重发所引起的延时，利用增强的OSS-TWR定位通信协议，车辆周期性的广播定位请求数据帧“Req”，请求附近RSU提供位置参考，通过测量与RSU之间的距离完成自定位。

优选的，步骤S1中，所述DSRC频谱范围为5855MHz-5925MHz，把75MHz的频谱分为7个10MHz的信道，根据IEEE1609.4多信道通信协议7个信道中包含1个了控制信道CCH和6个业务信道SCHs，CCH主要用于传输信道的控制包，6个SCHs可以根据不同的应用进行分配，单天线的环境下，CCH和SCH可以根据优先级进行信道切换。

优选的，所述设定阈值N为16。

优选的，步骤S3中，所述增强的OSS-TWR定位通信协议的工作方法如下：

S31、车辆准备发送“Req”，检查无线信道的状态，使用RTS/CTS进行协商，等待信道空闲，一旦信道空闲，发送“Req”同时启动计时器t_roundA，发送后，检查是否有碰撞发生，如果发生，广播一个“Jamming signal”数据帧，延迟随机时间，启动t_roundA计时器重新开始计时，并重新发送“Req”；

S32、RSU接收到“Req”数据帧，并测量数据帧处理时间，使用计时器记录本次处理的总时间；

S33、车辆接收到“Ack”数据帧，立即停止计时器t_roundA，那么无线信号完成了从车辆到RSU，RSU到车辆的一次往返，同时启动计时器t'_watiA，并进入阻塞，等待“Sync”数据包；

S34、RSU在发送完“Ack”数据帧和启动t_delayB计时器后，唤醒计时器，把t_delayB的时间值写入“Sync”数据帧的“Sync Delay Time”域，发送“Sync”数据帧；

S35、车辆接收到“Sync”同步帧之后，停止计时器t'_watiA，解析数据包，得到t_delayB和t_col3，计算出实际的同步时间t_waitA。

优选的，步骤S32具体为：

a)RSU接收到“Req”数据帧，同时启动计时器t'_replyB去测量数据帧处理时间；

b)定位数据帧“Req”处理完毕后，RSU检查无线通信信道状态，当空闲时，发送“Ack”数据帧，使用t_temp暂存计时器t'_replyB的值(t'_replyB不停止计时)，同时重启计时器t_delayB；

c)如果发送成功，停止定时器t'_replyB，并且t'_replyB＝t_temp，t'_replyB为本次处理的总时间；如果发生碰撞，转到b)重新发送“Ack”数据帧。

优选的，步骤S34具体为：

a)RSU在发送完“Ack”数据帧和启动t_delayB计时器后，进入阻塞状态，直到计时器t_delayB的计时等于t'_replyB时被唤醒，设置计时器的最大阀值为t'_replyB的时间值，一旦t_delayB的计时等于t_replyB，系统将会产生中断；

b)RSU初始化“Sync”数据帧，把t_delayB的时间值写入“Sync”数据帧的“Sync DelayTime”域，发送“Sync”数据帧；

c)如果成功，结束本次通信；如果发生网络碰撞，调用TRB算法重新发送与统计退避延时。

优选的，步骤S3.5中，计算出实际的同步时间t_waitA的方法为：

假定将所有的延迟时间累加记为t_col3，那么，t'_watiA＝f(t_delayB)+f(t_col3)，同步时间t_waitA与t'_watiA，t_delayB和t_delayB+t_col3的关系如下：

优选的，步骤S3.5之后，还包括下述步骤：

车辆通过高精度计时器可以精确地测量到t_roundA和t'_watiA的时间值，再从RSU得到t_delayB和t_col3时间值，推导出t_col3与t_delayB+t_col3的比例关系，最终可以得到同步时间t_waitA的值。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明弥补了卫星定位系统的缺陷，车辆可以通过地面基站(RSU)估算自己的位置，特别是在卫星信号被遮挡的区域，这对车辆自动驾驶与车辆主动安全应用具有重要的意义；

2、本发明与其他新型定位方式相比，如基于RFID定位，具有定位精度高的特点；

3、本发明具备灵活的位置参考节点，只要位置已知，就可以充当定位参考基站，如果使用位置已知的车辆作为参考基站的话，可以轻松实现车辆间的协同定位。

附图说明

图1是车联网中的网络碰撞问题示意图；

图2是本发明RTS/CTS通信协议的工作示意图；

图3是OSS-TWR可能发生的网络碰撞示意图；

图4是三种潜在的网络碰撞及处理方式示意图；

图5是本发明的信道分配示意图；

图6是本发明数据帧结构示意图；

图7是本发明能记录退避时间的退避算法流程图；

图8是本发明基于跨层优化的车辆定位算法流程图；

图9是本发明三种坐标比较示意图；

图10是本发明三种方式距离误差比较示意图；

图11是本发明RMSE比较示意图；

图12是本发明基于协议跨层优化的车辆定位方法。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

在理想的通信环境下，根据OSS-TWR定位算法，信号的飞行的时间t_p计算如公示(1.1)，与电波传播速度相乘可得到车辆到RSU的距离D。

t_roundA是无线信号在车辆与RSU之间的往返飞行时间；t_replyB为定位数据包在RSU端的处理时间(以RSU的时钟系统计时)；t_waitA是在车辆的时钟系统下，记录定位数据包在RSU端的处理时间；t_waitA＝f(t_replyB)，f是映射函数，表示两种时钟系统的映射关系。但是在复杂的网络环境下，OSS-TWR将受到影响。

在有碰撞通信网络和理想通信网络中，t_roundA和t_waitA是不一致的，在理想网络中，t_roundA和t_waitA的计算如公式1.2所示。

在有碰撞的网络中，t_roundA和t_waitA的计算需要考虑碰撞后退避处理时间和数据帧重发所消耗的时间，计算如公式1.3所示。

其中t_col1、t_col2、t_col3表示的是“Req”、“Ack”、“Sync”三个数据帧发生碰撞后的所消耗的退避时间和，如图4所示。

t_col1、t_col2、t_col3是由于网络碰撞导致重发数据帧，根据MAC协议，为了避免再次发生网络碰撞，会退避一个随机的时间后再次发送，根据上面所述的3种不同情形，本发明将有针对性地讨论可行的解决方法。

1)重启t_roundA定时器重新计时。当车辆需要定位时，发送“Req”定位请求帧，由于网络碰撞的发生，导致数据帧无法顺利送达到RSU。根据退避协议，车辆在延迟随机时间t_col1后重新发送“Req”定位请求帧。如果在重发的同时重新启动定时器t_roundA重新计时，那么t_col1将不会影响测量无线信号在空中飞行的时间。

2)把退避时间看做定位数据处理时间t'_replyB的一部分。RSU接收到“Req”数据帧，同时启动定时器t'_replyB。处理完“Req”定位数据帧之后(假定处理时间为t_replyB)，向车辆发送“Ack”数据帧，此时不停止定时器t'_replyB计时。直到成功Ack”数据帧发送完毕，才停止t'_replyB计时。期间如果发生碰撞，由于退避算法所导致的延时也被t'_replyB计算在内，即t'_replyB＝t_replyB+t_col2。由此可见，第二种情况下的数据重发所造成的延时也被统计在内。

3)统计因退避所造成的总延时。根据OSS-TWR算法，为了完成时间映射，需要让RSU的同步延迟时间t_delayB等于t'_replyB。RSU在延时t'_replyB后发送“Sync”，如果发送成功，那么t_col3为0，t'_watiA＝f(t_delayB)＝f(t'_replyB)。如果发送失败，“Sync”数据包将会等待随机的时间再次尝试发送，直到发送成功或者发送次数超过16次退出。假定将所有的延迟时间累加(记为t_col3)，那么，t'_watiA＝f(t_delayB)+f(t_col3)，同步时间t_waitA与t'_watiA，t_delayB和t_delayB+t_col3的关系如公式1.4所示。

如图12所示，本实施例基于协议跨层优化的车辆定位方法，包括下述步骤：

S1、确定信道与帧结构；

V2V通信使用遵循于IEEE802.11p WAVE标准的专用短程通信(Dedicated ShortRange Communications，DSRC)技术，在高速运动情况下，实现车-路与车-车的双向通信，可以实时传输语音和数据信息，将车辆和道路、车辆间有机连接。DSRC频谱范围为5855MHz-5925MHz，把75MHz的频谱分为7个10MHz的信道。根据IEEE1609.4多信道通信协议7个信道中包含1个了控制信道(Control Channel，CCH)和6个业务信道(Service Channels，SCHs)，CCH主要用于传输信道的控制包，6个SCHs可以根据不同的应用进行分配；单天线的环境下，CCH和SCH可以根据优先级进行信道切换。

CH172和CH184被用于生命安全(如车辆碰撞避免警告系统)和高功率公共安全应用(如大型交通事故)，本系统则采用CH182(频率范围为5905MHz-5915MHz)作为专用的车辆定位业务信道，如图5所示。使用专用的信道进行通信，可以有效的避免其他车联网应用通信的干扰，降低网络碰撞的概率。

根据上述分析，准确记录因数据帧重发所消耗的总的退避时间t_col3是非常有必要的，同时为了计算t_waitA还需要t_delayB准确值，所以需要RSU向车辆发送t_col3和t_delayB。由于DSRC的协议栈比较复杂，不深入讨论WAVE物理层协议和MAC层协议，在本发明只介绍跟定位有关的数据格式，如图6所示。

同步延迟时间“Sync Delay Time”域用于存储t_delayB的值，碰撞延迟时间“Collision Delay Time”域用于存储t_col3的值。这两个域将在“Sync”数据帧时，由退避算法填充到域中，并发送到车辆端。帧校验序列(Frame Check Sequence，FCS)用于这两个域的校验。

S2、利用退避算法TRB记录退避时间(Time-recordable backoff algorithm)；

一旦发生网络碰撞，数据帧会延迟随机的时间重新发送，这个工作一般由 MAC层的退避算法来完成。在网络通信中，最常用的退避算法是二进制指数退避算法(BinaryExponential Backoff，BEB)，针对不同的应用，相关学者又提出了其他退避算法，如时延约束的二进制指数退避算法(Delay-constrained Binary Exponential BackoffAlgorithm，DCBEB)，自适应二进制指数退避算法(Self-adaptive Binary ExponentialBackoff，SBEB)和半随机退避算法。不幸的是，这些退避算法的出发点是为了提高通信信道的吞吐率，不关心退避所延迟时间的长短，也没有统计总的延时时间。

传统的ISO或者TCP/IP网络协议在有线网络中运行是非常成功的，它的分层机制有效的简化了网络通信。但是在车辆自组织网络中，接入冲突、用户间干扰、网络的快速变化，分层协议在通信网络中存在很大弊端。本发明中，RSU利用MAC层的退避算法，填充应用层数据帧的两个域，利用跨层优化实现了一种新的退避算法，即为可记录退避时间的退避算法(Time-Recordable backoff algorithm，TRB)，算法工作流程如图7所示。

TRB工作原理：

1)确定基本退避时隙2τ(基数)，也就是一个争用期时间；

2)定义1个参数C，为重传次数，K＝min(C,10)，其中K用于计算退避时间(为基准时隙的指数)，可见K≤10；

3)定义2个参数，单次退避时间t_backoff和累计退避时间t_coll，初始值为0；

4)如果重传次数C小于16，从离散型整数集合[0，1，2，……，2^k-1]中，随机取出一个数记做R，那么重传所需要的退避时间t_backoff等于R倍的基准退避时间：记为：t_backoff＝R×2τ；

5)统计总的退避时间t_coll，t_coll＝t_coll+t_backoff，同时从“Sync”数据帧中读取“SyncDelay Time”域的值，计算FCS；然后把t_coll和FCS写入数据帧的“Collision Delay Time”域和“FCS域”，重发数据帧。

6)如果重发成功，退出退避算法；否则，重传次数加1，C＝C+1，如果重传次数大于16次，则退出并向上层协议汇报，否则进入第4)步，再次重发。

例子：当一个网络碰撞发生，发送端立即发送一个“Jamming signal”信号，预防有新的数据发送。假定退避基准时间2τ为51.2μs，重传次数C为1，那么K也为1，那么发送端在0或1个基准时间后重新发送数据帧。根据TRB，t_coll＝t_coll+t_backoff(t_coll初始值为0)，t_backoff等于51.2μs，把51.2μs写入数据帧的“Collision Delay Time”域并重新发送。如果重发失败，重传次数C(加1)为2次，K等于2，那么R在0～2中随机选择，t_backoff∈[0s,51.2μs,102.4μs]，假定R被随机设置为2，即t_backoff＝102.4us，根据TRB，t_coll＝51.2us+102.4us，把153.6μs写入到数据帧的“Collision Delay Time”域并发送，接收端通过解析数据帧可以获得发送端在发送过程中由于数据重发所延迟的总时间t_coll。TRB的伪代码实现如下表1所示：

表1

S3、增强的单边同步双向测距算法(Ehanced OSS-TWR,EOSS-TWR)

在OSS-TWR算法中，由于网络碰撞的存在(在使用RTS/CTS机制后碰撞依然存在)，车辆位置估计受到无线信号飞行时间统计不准确的影响，网络延时是时间统计不精确的原因之一。系统通过使用专用的通信信道来降低网络碰撞的概率，再使用可记录时间的退避算法去统计数据重发所引起的延时，设计了一个增强的OSS-TWR定位通信协议，协议通信流程如图8所示。车辆周期性的广播定位请求数据帧“Req”，请求附近RSU提供位置参考，通过测量与RSU之间的距离完成自定位，其工作原理如下所示:

Setp 1：车辆准备发送“Req”，检查无线信道的状态，使用RTS/CTS进行协商，等待信道空闲，一旦信道空闲，发送“Req”同时启动计时器t_roundA，发送后，检查是否有碰撞发生，如果发生，广播一个“Jamming signal”数据帧。延迟随机时间，启动t_roundA计时器重新开始计时，并重新发送“Req”。

Setp 2：本步骤分为3个部分，a)RSU接收到“Req”数据帧，同时启动计时器器t'_replyB去测量数据帧处理时间；b)定位数据帧“Req”处理完毕后，RSU检查无线通信信道状态，当空闲时，发送“Ack”数据帧，使用t_temp暂存计时器t'_replyB的值(t'_replyB不停止计时)，同时重启计时器t_delayB(第一次则启动计时器t_delayB)；c)如果发送成功，停止定时器t'_replyB，并且t'_replyB＝t_temp，t'_replyB为本次处理的总时间；如果发生碰撞，转到b)重新发送“Ack”数据帧。

Setp 3:车辆接收到“Ack”数据帧，立即停止计时器t_roundA，那么无线信号完成了从车辆到RSU，RSU到车辆的一次往返，同时启动计时器t'_watiA，并进入阻塞，等待“Sync”数据包。

Setp 4:a)RSU在发送完“Ack”数据帧和启动t_delayB计时器后，进入阻塞状态，直到计时器t_delayB的计时等于t'_replyB时被唤醒(设置计时器的最大阀值为t'_replyB的时间值，一旦t_delayB的计时等于t'_replyB，系统将会产生中断)；b)RSU初始化“Sync”数据帧(内部域清零)，把t_delayB的时间值写入“Sync”数据帧的“Sync Delay Time”域，发送“Sync”数据帧；c)如果成功，结束本次通信；如果发生网络碰撞，调用TRB算法重新发送与统计退避延时。

Setp 5:车辆接收到“Sync”同步帧之后，停止计时器t'_watiA，解析数据包，得到t_delayB和t_col3，可以根据公式1.4计算出实际的同步时间t_waitA。

车辆通过高精度计时器可以精确地测量到t_roundA和t'_watiA的时间值，再从RSU得到t_delayB和t_col3时间值，推导出t_col3与t_delayB+t_col3的比例关系，最终可以得到同步时间t_waitA的值。系统通过协议跨层优化读写应用层的数据帧，统计出了数据重发所导致的延时时间，对测量无线信号在空中的实际飞行时间，具有重大的意义。整个基于协议跨层优化的定位算法伪代码实现如下述表2和表3所示。

表2

表3

实验结果及分析

本次实验中，测试OSS-TWR与EOSS-TWR在有网络碰撞的通信环境中的测距准确度，并与无碰撞情况下的算法进行对比。其中有4个RSU提供参考位置，增加了一个RSU充当干扰节点，随机的广播数据帧干扰正常通信。RSU_0-3的坐标分别是((0，0)，(300，0)，(300，300)，(300，0))，车辆坐标为(150，150)，干扰RSU₄的坐标(200，200)。车辆采用基于TDC-GP2的专用技术系统进行计时，系统分辨率为65ps，精确度非常高，RSU采用STM32芯片，内部时钟频率200M，采用温控晶振，误差范围为10ppm。无碰撞网络通信采用分时隙通信协议；有碰撞通信网络采用CDMA/CA通信协议，RSU在OSS-TWR算法中采用二进制指数退避算法，在EOSS-TWR算法中采用TRB退避算法。设定车辆位置向量X_k-1的初始坐标值为(140，160)，设定Q_k为eye(2)，R_k设定为4×eye(4)，根据扩展卡尔曼滤波算法，可以估算出车辆的位置信息。相同的实验重复了100次，其实验结果如表4所示。

表4测距实验结果

	Max distanceerror(m)	Average distanceerror(m)	X-axis averageerror(m)	Y-axis averageerror(m)
					OSS-TWR	11.4420	2.8561	1.8327	1.6934
EOSS-TWR	8.9480	2.1633	0.9949	1.0467
					Non-collision	4.3720	1.4109	0.8379	0.7540

从测距结果可以看出，最大误差距离可以看到OSS-TWR受到网络碰撞的影响，最大误差为11.4420米，平均误差是2.8561米；EOSS-TWR虽然受到了网络碰撞的影响，但是通过TRB算法能更精确的测量到无线信号飞行时间，定位精度相对OSS-TWR要高，最大距离误差为8.9480米，平均距离误差为2.1633米；Non-collision的定位算法准确度最高。在X方向和Y方向上的表现上看，依然是EOSS-TWR优于OSS-TWR。为了更直观的看到比较效果，图9给出了车辆坐标在三种方式下的对比。

从坐标点的集中度可以看出，三角形△(Non-collision)最集中，其次为圆形o(EOSS-TWR)，十字形+(OSS-TWR)最分散。图10为三种定位方式的距离误差对比，EOSS-TWR优于OSS-TWR。

从RMSE的角度来看，如图11所示，在网络碰撞环境下，EOSS-TWR优于OSS-TWR，可以说明，本发明所设计基于跨层优化的定位算法能有效降低网络碰撞对位置估计带来的影响。

VCPS应用案例研究

车辆信息物理融合系统(Vehicular Cyber-Physical System，VCPS)的应用很多，其中最常用的应用就是对车辆的监控，如运钞车的监控，装载危险物品的车辆监控，军车的实时监控。传统的方法使用GPS接收机来获取车辆所处的位置，然后通过3G/4G网络发送到监控数据中心，通过GIS等地图软件，实现车辆的在线跟踪与轨迹回放。但是这种方法在某些场合无法正常工作，城市中心区域、隧道和地下停车场，这些区域由于GPS信号被遮挡，GPS接收机无法提供准确的位置信息，导致监控中心无法实时跟踪，如在运钞车监控中，在短短几分钟内就可能存在被盗抢的风险。装载危险化学品的车辆穿过市区时，实时监控也是非常必要的。本节模拟被监控车辆通过类似的区域，使用基于EOSS-TWR的定位系统为车辆提供位置服务，同时把定位轨迹显示在Google Eath上。

本应用案例主要分为2部分，第一部分是位置估计，第二部分是轨迹显示。由于基于地面的无线定位系统采用UTM坐标系，而GIS等地图软件主要利用经纬度(如WGS84坐标系)显示车辆运行轨迹，因此本发明简单先介绍一些常用坐标系以及坐标系的转换方法，然后根据应用场景完成车辆的实时定位与跟踪。

对于本发明在VCPS场景的应用如下：

为了完整模拟被监控车辆的实时定位，需要有3种不同场景，第一、GPS信号没有遮挡的空旷地区，模拟公路等场景；第二、GPS信号被高楼部分遮挡，影响GPS定位，模拟高楼林立的城市中心区域；第三、GPS信号全部被隧道遮挡，模拟地下停车场或者隧道。在这3种情形下，使用基于EOSS-TWR的车辆定位系统，完成车辆的实时定位和轨迹跟踪。

测试路程从Start点开始，到End点结束，沿着道路两旁部署了18个RSUs(坐标为UTM格式)，其中第一区域部署4个，第二区域部署6个，第三区域部署了8个。车辆在任意时刻最少可以获得4个以上路侧设备的位置参考信息。测试车辆沿着红色轨迹以20公里每小时的速度行驶，车辆同时配备DSRC接收机和GPS接收机，接收天线部署在车顶。

首先需要设备初始化化与时间校准：包括设置GPS接收机串口号(COM6)与波特率(4800)，设置GPS数据存储目录，设置DSRC接收机信道(CH184)与数据存储目录，校准GPS与DSRC接收机的时间，使两者时间保持一致。然后以20公里每小时的速度按红色轨迹匀速行驶，GPS和DSRC接收机把定位数据存储在指定位置，其中GPS数据为经纬度坐标格式，DSRC定位数据为UTM坐标格式。最后把DSRC定位数据变换为经纬度坐标，把两种定位方法的位置数据通过Google Earth显示出来。

基于EOSS-TWR的定位系统工作稳定，有数量足够的RSU提供位置参考和良好的无线通信环境，定位精度较高。只有在开始阶段和进入隧道阶段，定位轨迹出现波动，根据定位数据分析，开始阶段接只收到的2～3个RSU的定位数据，在隧道阶段，由于无线信号的反射与折射造成了位置估计误差增大。基于GPS的定位系统开始阶段表现很好，由于地形开阔，没有遮挡，最大可以收到8颗的卫星信号，进入到第二个区域后，定位精度开始下降，进入隧道后，从A点到B点，长达20多秒没有定位数据，出隧道后，定位恢复正常。

根据两种定位算法的数据，分别计算RSME，EOSS-TWR经过开始几秒波动后，后期定位精度较高，RMSE较小。而GPS进入隧道后，RMSE大增。基于EOSS-TWR的定位系统需要部署RSU充当定位基站，大量部署成本较高，GPS在开阔区域定位精度高，成本低。两者具有很强互补性，基于EOSS-TWR的定位系统有效的弥补GPS定位系统的缺陷，使两种方式进行数据融合，形成一个组合定位算法将大大提高车辆定位的精确度。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于协议跨层优化的车辆定位方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1、确定信道与帧结构，V2V通信使用遵循于IEEE802.11p WAVE标准的专用短程通信DSRC技术，在高速运动情况下，实现车-路与车-车的双向通信，实时传输语音和数据信息，将车辆和道路、车辆间有机连接；

S2、利用退避算法TRB记录退避时间，其具体方法为：

S2.1、确定基本退避时隙2τ，也就是一个争用期时间；

S2.2、定义1个参数C，为重传次数，K＝min(C,10)，其中K用于计算退避时间，所述退避时间为基本退避时隙的指数，可见K≤10；

S2.3、定义2个参数，单次退避时间t_backoff和累计退避时间t_coll，初始值为0；

S2.4、如果重传次数C小于设定阈值N，从离散型整数集合[0，1，2，……，2^k-1]中，随机取出一个数记做R，那么重传所需要的退避时间t_backoff等于R倍的基准退避时间：记为：t_backoff＝R×2τ；

S2.5、统计总的退避时间t_coll，t_coll＝t_coll+t_backoff，同时从“Sync”数据帧中读取“SyncDelay Time”域的值，计算FCS；然后把t_coll和FCS写入数据帧的“Collision Delay Time”域和“FCS域”，重发数据帧,其中，FCS为帧校验序列；

S2.6、如果重发成功，退出退避算法；否则，重传次数加1，C＝C+1，如果重传次数大于N次，则退出并向上层协议汇报，否则进入第S2.4步，再次重发；

S3、通过使用专用的通信信道来降低网络碰撞的概率，再使用可记录时间的退避算法去统计数据重发所引起的延时，利用增强的OSS-TWR定位通信协议，车辆周期性的广播定位请求数据帧“Req”，请求附近RSU提供位置参考，通过测量与RSU之间的距离完成自定位；

步骤S3中，所述增强的OSS-TWR定位通信协议的工作方法如下：

S31、车辆准备发送“Req”，检查无线信道的状态，使用RTS/CTS进行协商，等待信道空闲，一旦信道空闲，发送“Req”同时启动计时器t_roundA，发送后，检查是否有碰撞发生，如果发生，广播一个“Jamming signal”数据帧，延迟随机时间，启动t_roundA计时器重新开始计时，并重新发送“Req”；

S32、RSU接收到“Req”数据帧，并测量数据帧处理时间，使用计时器记录本次处理的总时间；

S33、车辆接收到“Ack”数据帧，立即停止计时器t_roundA，那么无线信号完成了从车辆到RSU，RSU到车辆的一次往返，同时启动计时器t'_watiA，并进入阻塞，等待“Sync”数据包；

S34、RSU在发送完“Ack”数据帧和启动t_delayB计时器后，唤醒计时器，把t_delayB的时间值写入“Sync”数据帧的“Sync Delay Time”域，发送“Sync”数据帧；

S35、车辆接收到“Sync”同步帧之后，停止计时器t'_watiA，解析数据包，得到t_delayB和t_col3，计算出实际的同步时间t_waitA；

步骤S34具体为：

a)RSU在发送完“Ack”数据帧和启动t_delayB计时器后，进入阻塞状态，直到计时器t_delayB的计时等于t'_replyB时被唤醒，设置计时器的最大阀值为t'_replyB的时间值，一旦t_delayB的计时等于t'_replyB，系统将会产生中断；

b)RSU初始化“Sync”数据帧，把t_delayB的时间值写入“Sync”数据帧的“Sync DelayTime”域，发送“Sync”数据帧；

c)如果成功，结束本次通信；如果发生网络碰撞，调用TRB算法重新发送与统计退避延时。

2.根据权利要求1所述的基于协议跨层优化的车辆定位方法，其特征在于，步骤S1中，所述DSRC频谱范围为5855MHz-5925MHz，把75MHz的频谱分为7个10MHz的信道，根据IEEE1609.4多信道通信协议7个信道中包含1个了控制信道CCH和6个业务信道SCHs，CCH主要用于传输信道的控制包，6个SCHs可以根据不同的应用进行分配，单天线的环境下，CCH和SCH可以根据优先级进行信道切换。

3.根据权利要求2所述的基于协议跨层优化的车辆定位方法，其特征在于，所述设定阈值N为16。

4.根据权利要求1所述的基于协议跨层优化的车辆定位方法，其特征在于，步骤S32具体为：

a)RSU接收到“Req”数据帧，同时启动计时器t'_replyB去测量数据帧处理时间；

b)定位数据帧“Req”处理完毕后，RSU检查无线通信信道状态，当空闲时，发送“Ack”数据帧，使用t_temp暂存计时器t'_replyB的值，t'_replyB不停止计时，同时重启计时器t_delayB；

c)如果发送成功，停止定时器t'_replyB，并且t'_replyB＝t_temp，t'_replyB为本次处理的总时间；如果发生碰撞，转到b)重新发送“Ack”数据帧。

5.根据权利要求1所述的基于协议跨层优化的车辆定位方法，其特征在于，步骤S35中，计算出实际的同步时间t_waitA的方法为：

假定将所有的延迟时间累加记为t_col3，那么，t'_watiA＝f(t_delayB)+f(t_col3)，同步时间t_waitA与t'_watiA，t_delayB和t_delayB+t_col3的关系如下：

6.根据权利要求5所述的基于协议跨层优化的车辆定位方法，其特征在于，步骤S35之后，还包括下述步骤：

车辆通过高精度计时器可以精确地测量到t_roundA和t'_watiA的时间值，再从RSU得到t_delayB和t_col3时间值，推导出t_col3与t_delayB+t_col3的比例关系，最终可以得到同步时间t_waitA的值。