CN113038391B - 一种基于c-v2x的露天矿路侧单元虚拟小区切换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于C‑V2X的露天矿路侧单元虚拟小区切换方法，车载OBU设备根据接收到的RSU设备的RSSI信号强度决定建立通信的RSU设备，再由RSU设备将通信数据转发给云平台。通过本发明的技术方案，对露天矿区无人车行驶过程中通信的可靠性和冗余性进行了剖析，无需增加其他额外的传感器来增加成本和空间，在现有硬件的基础上，完全可以靠该方案保证数据传输的可靠性。

Description

一种基于C-V2X的露天矿路侧单元虚拟小区切换方法
技术领域
本发明属于无人驾驶车辆、路侧单元、云端通信等技术领域，尤其涉及一种基于C-V2X的露天矿路侧单元虚拟小区切换方法。
背景技术
IEEE802.11p/IEEE1609是车载无线通信的代表性协议，为交通安全相关的应用提供了良好的通信保障，能够满足大部分网络数据业务传输的需求。IEEE802.11p/IEEE1609定义了控制信道CCH用于传输控制信息和SCH用于传输多媒体信息，最多可以覆盖1000米传输距离。协议并没有规定相邻RSU的切换方式。如果采用传统的802.11切换方式，从断开连接到重新建立新的连接过程中，可能会引入比较长的时延。
本发明的技术方案的应用场景类似于手机的Wi-Fi漫游，可以将OBU类比为手机，RSU类比为Wi-Fi AP。OBU可以进行D2D通信，而手机不可以。
目前针对V2X和RSU通信的专利和文献较少，针对露天矿区的V2X方案更少。本发明聚焦于V2V和V2R通信，保证车辆与车辆之间，以及车辆与路侧单元之间均可以实现可靠的传输。在路边单元覆盖的区域，V2R通信在车辆和路侧单元进行，一般更稳定，且具有更高的传输速率。V2V通信在车辆和车辆之间进行，不需要RSU覆盖也可以通信，适用范围更广，传输速率稍低，可以用来传输控制或报警数据。
本发明中涉及如下名词缩写：
C-V2X: cellular-vehicle to everything,基于蜂窝网络的车联网技术；
V2X: vehicle to everything,车对万物；
V2V: vehicle to vehicle，车对车；
V2N: vehicle to Internet，车对互联网；
V2R/V2I:vehicle to RSU/ Infrastructure,车对RSU/路侧基础设施；
V2P:vehicle to person，车对行人；
CCH: control channel，IEEE1609定义的控制信道；
SCH: Service channel，IEEE1609定义的业务信道；
OBU: On board Unit，车载单元；
RSU: Road Side Unit，路侧单元；
Wi-Fi: Wireless Fidelity，无线上网；
D2D: device to device，终端设备到终端设备；
AP: Access Point，接入点；
SSID: Service Set Identifier，服务集标识；
RSSI: Received Signal Strength Indicator，接收信号的强度指示。
发明内容
为了解决上述已有技术存在的不足，本发明提出一种OBU和RSU跨小区通信和切换的方法，能够保证OBU可以正常与云平台通信，并在保证数据通信可靠性的基础上尽可能降低数据延时，本发明的具体技术方案如下：
一种基于C-V2X的露天矿区路侧单元虚拟小区切换方法，在车上安装车载OBU，在道路侧且彼此间隔设置路侧设备RSU，路侧设备RSU通过V2X的方式与车载OBU和其他路侧设备RSU通信，车载OBU接收路侧设备RSU和其他车载OBU发出的广播信号；
车载OBU根据接收到的广播信号参数RSSI，确定是否能够与云平台建立通信：若是，与云平台通信；若否，切换其他路侧设备RSU设备与云平台通信。
进一步地，对于车载OBU根据接收到的广播信号强度RSSI，车载OBU恰好能够与路侧设备RSU建立通信的连接阈值记为RSSI进入，不能够与路侧设备RSU建立通信的离开阈值记为RSSI离开；
车载OBU根据接收到的广播信号强度RSSI，判断车载OBU在路侧设备RSU小区的覆盖范围，如果RSSI大于连接阈值RSSI进入，那么车载OBU连接到该路侧设备RSU小区，如果RSSI小于离开阈值RSSI离开，则车载OBU断开路侧设备RSU；通常RSSI进入>RSSI离开；
对车载OBU，如果只在一个路侧设备RSU小区的覆盖范围内，则直接与该路侧设备RSU通信；如果在其他路侧设备RSU的覆盖范围，并且其他路侧设备RSU的RSSI大于RSSI进入，则发送同样的数据信息给RSSI最好的两个RSU设备。
进一步地，路侧设备RSU通过V2X方式与车载OBU和其他路侧设备RSU通信，即路侧设备RSU将自身的状态信息通过V2X的方式广播，车载OBU将自身的状态信息通过V2X的方式上报给路侧设备RSU，车载OBU将自身的状态信息通过V2X的方式发给其他车载OBU。
进一步地，车载OBU设备附近无联网路侧设备RSU时，能够使用附近的联网车载OBU与云平台建立连接，此时需该OBU设备的RSSI信号强度大于RSSI进入。
进一步地，路侧设备RSU的自组网：
将同一个矿区的路侧设备RSU分组，设定只有主路侧设备RSU组能够与云平台通信，其他次路侧设备RSU组只能通过主路侧设备RSU组与云平台通信，每个组里有一个主路侧设备RSU，其余为次路侧设备RSU，次路侧设备RSU负责接收小区内OBU设备发来的数据，并转发给主路侧设备RSU；
主路侧设备RSU组的主路侧设备RSU除了负责接收本小区的OBU设备数据外，还负责接收主路侧设备RSU组的次路侧设备RSU和次路侧设备RSU组的主路侧设备RSU发来的数据，去重后发给云平台；云平台发起的业务流则下发到主路侧设备RSU组的主路侧设备RSU，主路侧设备RSU再同步到各个次路侧设备RSU和次路侧设备RSU组的主路侧设备RSU，路侧设备RSU检测到目标OBU设备在本小区则下发至该OBU设备，否则转发该消息；车载OBU设备接收到数据后去重后转发或自己处理。
本发明的有益效果在于：
1.本发明对露天矿区无人车行驶过程中通信的可靠性和冗余性进行了剖析，无需增加其他额外的网络设备来增加成本和空间，在现有硬件的基础上，就可以靠该方案保证数据传输的可靠性。
2.本发明提供了一种矿区覆盖的方案，可拓展信号覆盖范围，减少了对5G/4G等公网通信基站覆盖的依赖，降低组网成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
图1是本发明的系统拓扑图；
图2是本发明实施例中根据白云鄂博矿区实际情况部署RSU的系统拓扑图；
图3是本发明实施例中根据白云鄂博矿区实际情况部署RSU的位置图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1所示，一种基于C-V2X的露天矿区路侧单元虚拟小区切换方法，车载OBU设备根据接收到的RSU设备的RSSI信号强度决定建立通信的RSU设备，再由RSU设备将通信数据转发至云平台；
在矿区，根据RSU设备的覆盖范围即RSU设备小区，车辆的车载OBU设备包括以下场景：
a.只在一个RSU设备的覆盖范围；
b.同时处于两个以上RSU设备的覆盖范围；
c.不在任何RSU设备的覆盖范围，但是附近有车辆且该车辆的OBU设备已联网，该车辆的OBU设备能够作为中继OBU设备；
d.不在任何RSU设备的覆盖范围，附近无车辆；
以上场景中，对于车载OBU设备，需确定当前车辆所属的RSU设备小区或者建立通信的RSU设备，接收车辆数据的RSU设备或中继OBU设备，转发其他车辆的消息至RSU设备；
对于RSU设备，将同一个矿区的RSU设备分组，设定只有主RSU设备组能够与云平台通信，其他次RSU设备组只能通过主RSU设备组与云平台通信，每个组里有一个主RSU设备，其余为次RSU设备，次RSU设备负责接收小区内OBU设备发来的数据，并转发给主RSU设备；主RSU设备组的主RSU设备除了负责接收本小区的OBU设备数据外，还负责接收主RSU设备组的次RSU设备和次RSU设备组的主RSU设备发来的数据，去重后发给云平台；云平台发起的业务流则下发到主RSU设备组的主RSU设备，主RSU设备再同步到各个次RSU设备和次RSU设备组的主RSU设备，RSU设备检测到目标OBU设备在本小区则下发至该OBU设备，否则转发该消息；车载OBU设备接收到数据后去重后转发或自己处理；
在系统建立初始需要根据RSU设备的覆盖情况，设置每个RSU设备的角色，包括：
A.RSU设备组中的次RSU设备，负责与本RSU设备小区OBU设备通信；
B.RSU设备组中的主RSU设备，不可与基站通信，负责与本RSU设备小区的OBU设备、RSU设备组的次RSU设备通信；
C.RSU设备组中的主RSU设备，可以与基站通信， 负责与本RSU设备小区的OBU设备、RSU设备组的次RSU设备、其他RSU设备组的主RSU设备通信；
为实现数据的稳定传输，防止在车辆行驶中丢失数据，同一条数据需要发送给2个信号强度RSSI最好的RSU设备，根据OBU设备接收到的RSU设备无线RSSI信号强度判断车辆OBU设备在RSU设备小区的覆盖范围，如果RSSI大于连接阈值RSSI进入，那么OBU设备连接到该RSU设备小区，如果RSSI小于离开阈值RSSI离开，则OBU设备断开该RSU设备；通常RSSI进入>RSSI离开；对车载OBU设备，如果只在一个RSU设备小区的覆盖范围内，则直接与该RSU设备通信；如果在其他RSU设备的覆盖范围，并且其他RSU设备的RSSI大于RSSI进入，则发送同样的数据信息给RSSI最好的两个RSU设备；
数据去重动作在主RSU设备和OBU设备端进行，根据时间，OBU设备和云平台之间的数据传输报文由唯一ID标识，若主RSU设备或OBU设备在5s内收到2条以上的同样ID数据，只保留一条处理即可，其他报文丢弃。
本发明通过不同RSU的部署位置，RSU组网，消息传递ID去重，实现云平台和终端车辆OBU的可靠数据交互。RSU的部署位置实现矿区V2X通信的全覆盖，RSU组网和消息传递去除云平台的消息传递冗余。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。下面通过一个矿区运行实现双网冗余的示例说明本发明方法的有效性。
实施例1
本实施例的试验场地在白云鄂博露天矿区，实验车辆为一台北方重型汽车MT3600型矿用车，车上装载有车载OBU设备，车载OBU设备通过4G网络获取RTK server数据进行惯导定位，当车辆行进到4G信号比较弱的区域，无法与RTK server连接时，则从所属RSU小区（RSU2）获取RTK server数据，保证惯导定位的正常运行，同时上传车辆自身的位置等信息。
如图2和图3所示，在图2矿区中部署了6台RSU设备，其中RSU4为主RSU设备组的主RSU设备，其它RSU设备要与云平台连接，均需要通过RSU4。根据各个RSU设备的位置和RSSI的信号强度，将各个RSU设备的分组配置如下：
RSU4：一级RSU设备，负责与基站通信；
RSU1：上级RSU设备为RSU4设备 ；
RSU3/RSU2/RSU5：上级RSU设备为RSU1；
RSU6：上级RSU设备为RSU5；
RSU设备上电根据配置文件判断上级和下级RSU设备。
组网步骤为：
a)如果无上级RSU设备，那么与云平台建立通信，通知下级RSU设备联网消息，并与覆盖范围内车载OBU设备的连接。
b)如果存在上级RSU设备，等待上级RSU联网后，获取上级RSU设备联网跳转数（+1），然后通知下级RSU设备联网，以此类推，直到所有设备完成组网。
消息的传递方式为：
a)RSU设备组网之后，RSU设备收到平台发给车端推送的消息，则向下级RSU设备播发，以此类推，直到将消息发送给车端OBU设备后停止播发。
b)车载OBU设备向平台发送消息时，先确定所属RSU设备，然后将消息依次传递给上级RSU设备。最终由一级RSU设备RSU4根据消息ID去重后发给云平台。
车载OBU设备切换RSU设备的方式：
a)车载OBU设备选取V2X RSSI信号最好的且能稳定通信的至少1个RSU设备，再从这些设备中选择联网跳转数最小的RSU设备进行通信。
b)如果附近没有能够稳定通信的RSU设备，则从附近联网OBU设备中转后与平台进行通信。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于C-V2X的露天矿区路侧单元虚拟小区切换方法，其特征在于，
在车上安装车载OBU，在道路侧且彼此间隔设置路侧设备RSU，路侧设备RSU通过V2X的方式与车载OBU和其他路侧设备RSU通信，车载OBU接收路侧设备RSU和其他车载OBU发出的广播信号；
路侧设备RSU的自组网：将同一个矿区的路侧设备RSU分组，设定只有主路侧设备RSU组能够与云平台通信，其他次路侧设备RSU组只能通过主路侧设备RSU组与云平台通信，每个组里有一个主路侧设备RSU，其余为次路侧设备RSU，次路侧设备RSU负责接收小区内OBU设备发来的数据，并转发给主路侧设备RSU；
主路侧设备RSU组的主路侧设备RSU除了负责接收本小区的OBU设备数据外，还负责接收主路侧设备RSU组的次路侧设备RSU和次路侧设备RSU组的主路侧设备RSU发来的数据，去重后发给云平台；云平台发起的业务流则下发到主路侧设备RSU组的主路侧设备RSU，主路侧设备RSU再同步到各个次路侧设备RSU和次路侧设备RSU组的主路侧设备RSU，路侧设备RSU检测到目标OBU设备在本小区则下发至该OBU设备，否则转发该消息；车载OBU设备接收到数据后去重后转发或自己处理；
车载OBU根据接收到的广播信号参数RSSI，确定是否能够与云平台建立通信：若是，与云平台通信；若否，切换其他路侧设备RSU设备与云平台通信。
2.根据权利要求1中所述的一种基于C-V2X的露天矿区路侧单元虚拟小区切换方法，其特征在于，对于车载OBU根据接收到的广播信号强度RSSI，车载OBU恰好能够与路侧设备RSU建立通信的连接阈值记为RSSI进入，不能够与路侧设备RSU建立通信的离开阈值记为RSSI离开；
车载OBU根据接收到的广播信号强度RSSI，判断车载OBU在路侧设备RSU小区的覆盖范围，如果RSSI大于连接阈值RSSI进入，那么车载OBU连接到该路侧设备RSU小区，如果RSSI小于离开阈值RSSI离开，则车载OBU断开路侧设备RSU；通常RSSI进入>RSSI离开；
对车载OBU，如果只在一个路侧设备RSU小区的覆盖范围内，则直接与该路侧设备RSU通信；如果在其他路侧设备RSU的覆盖范围，并且其他路侧设备RSU的RSSI大于RSSI进入，则发送同样的数据信息给RSSI最好的两个RSU设备。
3.根据权利要求1中所述的一种基于C-V2X的露天矿区路侧单元虚拟小区切换方法，其特征在于，路侧设备RSU通过V2X方式与车载OBU和其他路侧设备RSU通信，即路侧设备RSU将自身的状态信息通过V2X的方式广播，车载OBU将自身的状态信息通过V2X的方式上报给路侧设备RSU，车载OBU将自身的状态信息通过V2X的方式发给其他车载OBU。
4.根据权利要求1或2中所述的一种基于C-V2X的露天矿区路侧单元虚拟小区切换方法，其特征在于，车载OBU设备附近无联网路侧设备RSU时，能够使用附近的联网车载OBU与云平台建立连接，此时需该OBU设备的RSSI信号强度大于RSSI进入。
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