CN114501378A - 一种基于车路协同的特殊环境应急通信方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于车路协同的特殊环境应急通信方法及系统，搭载有智能车载设备的车辆在驶入对应路侧设备服务范围时，建立与该路侧设备的传输连接，并断开与其他路侧设备的连接；车载设备向对应路侧设备发送车辆基本驾驶信息；路侧设备接收到车辆基本驾驶信息后进行距离判断，根据距离发送针对不同应用场景下的预警信息；路侧设备判断蜂窝通信质量是否正常，当通信质量出现异常时，路侧设备主动将通信方式切换为LoRa应急通信方式；当本轮消息传输结束时，路侧设备重新对通信质量与距离信息进行判断，决定下一轮消息的传输方式。本发明在4G信号受限的环境，可以有效提高车路协同相关服务的通信稳定性，降低各种特殊环境下的消息传输风险。

Description

一种基于车路协同的特殊环境应急通信方法及系统
技术领域
本发明涉及车路协同通信领域，具体涉及一种基于车路协同的特殊环境应急通信方法及系统。
背景技术
车路协同技术在现代智能交通环境下发挥重要的作用，而保证车路协同技术的关键在于高效可靠的数据传输技术。目前车路协同环境下的主要通信方式为LTE-V2X(Vehicle to Everything)方式与NR-V2X方式，属于作用在蜂窝通信网络环境下的传输协议。此类协议在蜂窝网络覆盖的地带具有良好的通信性能，而在某些特殊区域，如隧道、部署有4G信号屏蔽装置的地区及远离基站的郊区等地区，则难以保证其正常的传输性能。
考虑到交通道路环境的复杂性，某些远离基站的区域及遮挡严重的区域易出现信号不足的情况，这说明需要一种更加可靠的传输方式，用以解决已有通信方式中网络信号不良的消息丢失问题。目前最常用的车联网通信协议主要基于蜂窝网络，这意味着需要一种应急状况下的通信协议，作为蜂窝通信方式的补充。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够在蜂窝网络信号受限环境下正常工作、提升已有协议可靠性的应急通信方法及系统。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于车路协同的特殊环境应急通信方法，步骤如下：
步骤1，搭载有智能车载设备的车辆在驶入对应路侧设备服务范围时，建立与该路侧设备的传输连接，并断开与其他路侧设备的连接；
步骤2，车载设备向对应路侧设备发送车辆基本驾驶信息；
步骤3，路侧设备接收到车辆基本驾驶信息后进行距离判断，根据距离发送针对不同应用场景下的预警信息；
步骤4，路侧设备判断蜂窝通信质量是否正常，当通信质量出现异常时，路侧设备主动将通信方式切换为LoRa应急通信方式；
步骤5，当本轮消息传输结束时，路侧设备重新对通信质量与距离信息进行判断，决定下一轮消息的传输方式。
进一步的，步骤1中，通过车载设备与内部已注册路侧设备的位置列表进行比较，判断是否进入对应设备服务范围。
进一步的，步骤1中，车辆在驶入对应路侧设备服务范围时，与该路侧设备建立的传输连接为基于蜂窝网络的MQTT连接。
进一步的，步骤2中，车辆基本驾驶信息为国际V2X标准中的BSM消息，包含车辆ID、车辆经纬度、行驶速度、方向角。
进一步的，步骤3中，路侧设备接收到车辆基本驾驶信息后进行距离判断，具体方法如下：
a＝(lat1-lat2)*π/180
b＝(lng1-lng2)*π/180
Figure BDA0003533570610000021
其中，lat1表示路侧设备的纬度值，lat2表示车载端的纬度值，ln g1表示路侧设备的经度值，ln g2表示车载端的经度值，a与b为中间变量，dst表示车载设备与路侧设备间的距离，Re为地球赤道半径，约为6378.137km。
进一步的，步骤3中，根据距离发送针对不同应用场景下的预警信息时，有关交通效率类的场景通信距离为500m，发送频率为1Hz；交通安全类场景的通信距离为100m；发送频率为5Hz。
进一步的，步骤4中，路侧设备判断蜂窝通信质量是否正常，具体参考TCP/IP协议中的ICMP协议，方法如下：
计算消息往返时延，用于反映消息传输一次所花费的时间，公式为：
RTT＝aRTT+(1-a)M
式中，RTT表示往返时延，a是一个推荐值为0.9的平滑因子，M表示测量时间，指发送一个某序列号的字节和接收到包含该序列号的确认之间的往返时间样本值；
计算平均偏差，用以衡量蜂窝环境的网络稳定性，公式为：
Figure BDA0003533570610000022
式中，mdev表示平均偏差，N表示ICMP包的数量，xi表示第i个ICMP包的往返时延，
Figure BDA0003533570610000023
表示ICMP包的平均往返时延；
当消息往返时延RTT高于100ms时，认定蜂窝通信方式质量未达标准。当平均偏差大于30ms时，认定蜂窝通信方式的通信质量不稳定，以上任何一项指标如果满足，则判定蜂窝通信方式质量不正常。
进一步的，步骤4中，LoRa通信方式采用38.4Kbps的空中速率。
一种基于车路协同的特殊环境应急通信系统，基于所述的基于车路协同的特殊环境应急通信方法，实现基于车路协同的特殊环境应急通信。
本发明与现有技术相比，有以下不同及优点：能够在大规模用户接入环境下，根据不通场景需求，对通信基本参数，如通信距离与消息发送频率进行灵活控制，且能够保证蜂窝网络质量受限环境下的通信质量。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为一个实施例中基于车路协同的特殊环境应急通信方法的流程图。
图2为一个实施例中车路协同系统硬件连接与消息流向示意图。
图3为一个实施例中五层消息传输协议示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
考虑到现有车路协同通信方案对不同应用场景下的通信性能区分不灵活，以及未解决蜂窝网络质量受限环境的通信性能问题，本发明提出了一种基于车路协同的特殊环境应急通信方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1，搭载有智能车载设备的车辆在驶入对应路侧设备服务范围时，建立与该路侧设备的传输连接，并断开与其他路侧设备的连接；
进一步地，步骤1中，所述的车辆驶入对应路侧设备服务范围，通过车载设备与内部已注册路侧设备的位置列表进行比较，判断是否驶入对应设备服务范围。
车载设备主程序开始工作前，会维护一个当前路网中所有已注册的路侧设备信息表，其中包括所有路侧设备的基本信息，如路侧设备ID号、路侧设备经纬度等，便于车载设备查询距自身最近的路侧设备位置。
步骤1中的传输连接为基于蜂窝网络的MQTT连接。在本方法中，选择mosquitto软件包进行方案开发，通过软件包中mosquitto_new()函数建立连接，会话主题为二级主题，定义为“RSU_x/OBU_y”。其中，x表示路侧设备的ID号，y表示车载设备的ID号。
步骤2，车载设备向对应路侧设备发送车辆基本驾驶信息；
进一步地，步骤2中所述的车辆基本驾驶信息为国际V2X标准中的BSM消息，包含车辆ID、车辆经纬度、行驶速度、方向角。
车载设备向路侧设备发送第一条车辆基本驾驶信息通过MQTT与LoRa方式同时发送，以保证路侧设备能够成功收到消息。从第二条消息开始，若没有收到路侧设备发来的有关通信质量异常的提醒，车载设备皆采用MQTT方式发送消息。
以MQTT发送消息的方式为mosquitto软件包中的mosquitto_publish()函数，主题为步骤1建立连接时创建的主题“RSU_x/OBU_y”；以LoRa发送消息的方式为广播发送。
需要注意的是，LoRa通信方式中，不包含MQTT方式特有的发布订阅模式，但其传输方式为明文传输，因此车载设备第一次通过LoRa方式发送消息时，在消息内容中，应当包含LoRa方式的标识符“#L”与“RSU_x/OBU_y”格式的字符串，当路侧设备识别到“#L”标识符，便可以认定本消息是通过LoRa方式发送的，并通过消息内容中的“RSU_x/OBU_y/”解析出发送消息的车载设备的ID，并进行后续步骤。
步骤3，路侧设备接收到车辆基本驾驶信息后根据其中包含的位置信息进行距离判断，根据距离发送针对不同应用场景下的预警信息；
进一步地，步骤3中所述距离判断方法，计算公式如下：
a＝(lat1-lat2)*π/180
b＝(lng1-lng2)*π/180
Figure BDA0003533570610000041
其中，lat1表示路侧设备的纬度值，lat2表示车载端的纬度值，ln g1表示路侧设备的经度值，ln g2表示车载端的经度值，a与b为中间变量，dst表示车载设备与路侧设备间的距离，Re为地球赤道半径，约为6378.137km。
步骤3中规定的不同场景，其中有关交通效率类的场景通信距离为500m，发送频率为1Hz；交通安全类场景的通信距离为100m；发送频率为5Hz。
根据不同场景的通信需求，在同一个MQTT连接下划分不同的三级子主题，格式为“RSU_x/OBU_y/topic1”、“RSU_x/OBU_y/topic2”。其中，“RSU_x/OBU_y”为步骤1中的二级父主题，topic1与topic2为针对不同通信需求创建的三级子主题。
步骤4，路侧设备判断蜂窝通信质量是否正常；
进一步地，步骤4中所述的判断蜂窝通信质量方法参考TCP/IP协议中的ICMP协议。
步骤4中所述的判断蜂窝通信质量主要通过两个参数，即消息往返时延RTT与平均偏差mdev。
消息往返时延用于直观反映消息传输一次所花费的时间，公式具体为：
RTT＝aRTT+(1-a)M
式中，RTT表示往返时延，a是一个推荐值为0.9的平滑因子，M表示测量时间，指发送一个某序列号的字节和接收到包含该序列号的确认之间的往返时间样本值。
平均偏差用以反映消息往返时延偏离平均值的程度，可以衡量蜂窝环境的网络波动性。具体表示为：
Figure BDA0003533570610000051
式中，mdev表示平均偏差，N表示ICMP包的数量，xi表示第i个ICMP包的往返时延，
Figure BDA0003533570610000052
表示ICMP包的平均往返时延。
中国汽车工程学会发布的《T/CSAE 53-2020合作式智能运输系统车用通信系统应用层及应用数据交互标准》中，对于交通安全类应用所规定的最高允许传输时延为100ms，因此，本方法规定，当消息往返时延RTT高于100ms时，认定蜂窝通信方式质量未达标准。另外，当平均偏差大于30ms时，认定蜂窝通信方式的通信质量存在较大波动，并不稳定。以上任何一项指标如果满足，则判定蜂窝通信方式质量不正常。
步骤5，当通信质量出现异常时，路侧设备主动将通信方式切换为LoRa应急通信方式；
进一步地，步骤5中的LoRa通信方式采用38.4Kbps的空中速率。
需要注意的是，路侧设备通过LoRa方式发送消息时，在消息内容中，应当包含LoRa方式的标识符“#L”与“RSU_x/OBU_y/topic1”格式的字符串，当车载设备识别到“#L”标识符，便可以认定本消息是通过LoRa方式发送的，且代表当前通信质量异常，自身将发送方式也改为LoRa方式，并通过消息内容中的“RSU_x/OBU_y/topic1”解析出发送消息的路侧设备的ID与主题名称，并进行后续步骤。
若当前传输方式为LoRa方式，在每一次消息传输动作后，同时测量MQTT方式的消息往返时延与LoRa方式的消息往返时延，当MQTT的消息往返时延低于LoRa方式的消息往返时延后，认定此时的蜂窝通信质量更优，将通信方式重新切换为MQTT方式。
步骤6，当本轮消息传输结束时，路侧设备重新对通信质量与距离信息进行判断，决定下一轮消息的传输方式。
方案在每一个消息处理循环开始时，都会维护一个超时定时器，当定时器统计出本次消息处理循环时间超出规定时间(本方案中超时时间为200ms)时，表示本次消息处理循环中消息收发处理失败，执行强制跳出消息处理循环操作，从步骤1开始，重新执行新一轮消息处理循环。
需要说明，以上6个步骤完成后，表示一轮消息传输过程结束，下一轮消息传输过程重新从步骤1开始。另外，本方法中的路侧设备只负责判断蜂窝通信质量与发送消息，当车辆驶出路侧设备服务范围时，断开连接的步骤由车载设备一端来完成。
本发明还提出一种基于车路协同的特殊环境应急通信系统，基于所述的基于车路协同的特殊环境应急通信方法，实现基于车路协同的特殊环境应急通信。
实施例
为了验证本发明方案的有效性，进行如下实验。
本实例中以一部路侧设备与一部车载设备进行外场实验为例，路侧设备与车载设备的组成模块如图2所示。实验过程如下：
搭载有智能车载设备的车辆自远处向路侧设备所在方位行驶，车载端系统内预先注册有路侧设备的位置信息，车辆通过比较与路侧设备间的距离判断是否进入对应设备服务范围内。服务范围根据当前路侧设备所提供所需通信范围最大的场景决定，本实验中为500m。驶入路侧设备服务范围后，车载设备通过MQTT服务连接至路侧设备所在的父主题，由此建立与对应路侧设备的连接。设备的基本参数与环境参数如表1所示：
表1实验参数信息
Figure BDA0003533570610000071
步骤2，车载设备向对应路侧设备发送车辆基本驾驶信息，包括车辆ID、车辆经纬度、车辆行驶速度、方向角等。车辆行驶基本信息通过搭载ATGM332D定位模块读取数据实现。
步骤3，路侧设备接收到车辆基本信息后根据位置进行距离判断，具体方法为：
a＝(lat1-lat2)*π/180
b＝(lng1-lng2)*π/180
Figure BDA0003533570610000072
其中，lat1表示路侧设备的纬度值，lat2表示车载端的纬度值，ln g1表示路侧设备的经度值，ln g2表示车载端的经度值，a与b为中间变量，dst表示车载设备与路侧设备间的距离，Re为地球赤道半径，约为6378.137km。
在获得距离信息后，根据两点距离与内设不同场景下的通信距离门限进行轮询比较，判断是否发送对应场景消息。发送方式为向格式为“RSU_+路侧设备ID/OBU_+车载设备ID/场景名称”的主题发布消息。
步骤4，路侧设备判断蜂窝通信质量是否正常；
本方案中判别蜂窝通信质量主要根据两项指标，即消息往返时延与根据往返时延求出的平均偏差，在主消息处理引擎中，当MQTT服务器开始向主题发布消息时，通过ICMP协议循环检通信质量，国家标准中规定，交通安全类应用的系统通信时延需控制在100ms内，因此选取100ms作为传输方式切换门限。另外，当平均误差在30ms以上时，认定网络环境不稳定，同样需要将传输方式切换为LoRa方式。
步骤5，当通信质量出现异常时，路侧设备主动将通信方式切换为LoRa应急通信方式；
本实例中选择型号为E22 SX1268的LoRa模块，空中速率设定为38.4Kbps。在该空中速率下的LoRa模式，实测平均传输时延为78ms，满足国内车联网标准下的通信时延要求。
步骤6，当本轮消息队列传输结束时，路侧设备重新对通信质量与距离信息进行判断，决定下一轮消息队列的传输方式。本实例的通信协议五层模型如图3所示。
为了表明本发明的准确性，本实例共进行了8组对照实验，分别在不同通信频率、消息包长度、空中速率与信道数进行测试，信道数为MQTT方式中的变量，具体表示为订阅主题数，用于测试系统在高并发业务环境下的通信性能。测试的结果如表2所示。
表2通信时延测试各组结果对照表
Figure BDA0003533570610000081
中国汽车工程学会发布的《T/CSAE 53-2020合作式智能运输系统车用通信系统应用层及应用数据交互标准》中，对于标准规定的典型应用场景，明确了不同场景下的基本通信性能要求。其中交通安全类应用要求系统延迟小于等于100ms，数据更新频率典型值为1Hz；交通效率类应用要求系统延迟小于等于500ms，数据更新频率典型值为1Hz。测试结果表明，本发明两种通信方式的实际通信延迟均控制在100ms以内，且在数据更新频率高、业务并发的环境下同样满足通信时延要求。
综上所述，本发明可以为车路协同场景提供灵活、高效、可靠的传输方案，在一些信号强度易受干扰的区域，同样能够保证消息传输的性能，避免驾驶员在驶入蜂窝网络信号盲区时有可能发生的潜在驾驶风险。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种基于车路协同的特殊环境应急通信方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1，搭载有智能车载设备的车辆在驶入对应路侧设备服务范围时，建立与该路侧设备的传输连接，并断开与其他路侧设备的连接；
步骤2，车载设备向对应路侧设备发送车辆基本驾驶信息；
步骤3，路侧设备接收到车辆基本驾驶信息后进行距离判断，根据距离发送针对不同应用场景下的预警信息；
步骤4，路侧设备判断蜂窝通信质量是否正常，当通信质量出现异常时，路侧设备主动将通信方式切换为LoRa应急通信方式；
步骤5，当本轮消息传输结束时，路侧设备重新对通信质量与距离信息进行判断，决定下一轮消息的传输方式。
2.根据权利要求1所述的基于车路协同的特殊环境应急通信方法，其特征在于，步骤1中，通过车载设备与内部已注册路侧设备的位置列表进行比较，判断是否进入对应设备服务范围。
3.根据权利要求1所述的基于车路协同的特殊环境应急通信方法，其特征在于，步骤1中，车辆在驶入对应路侧设备服务范围时，与该路侧设备建立的传输连接为基于蜂窝网络的MQTT连接。
4.根据权利要求1所述的基于车路协同的特殊环境应急通信方法，其特征在于，步骤2中，车辆基本驾驶信息为国际V2X标准中的BSM消息，包含车辆ID、车辆经纬度、行驶速度、方向角。
5.根据权利要求1所述的基于车路协同的特殊环境应急通信方法，其特征在于，步骤3中，路侧设备接收到车辆基本驾驶信息后进行距离判断，具体方法如下：
a＝(lat1-lat2)*π/180
b＝(lng1-lng2)*π/180
Figure FDA0003533570600000011
其中，lat1表示路侧设备的纬度值，lat2表示车载端的纬度值，lng1表示路侧设备的经度值，lng2表示车载端的经度值，a与b为中间变量，dst表示车载设备与路侧设备间的距离，Re为地球赤道半径，约为6378.137km。
6.根据权利要求1所述的基于车路协同的特殊环境应急通信方法，其特征在于，步骤3中，根据距离发送针对不同应用场景下的预警信息时，有关交通效率类的场景通信距离为500m，发送频率为1Hz；交通安全类场景的通信距离为100m；发送频率为5Hz。
7.根据权利要求1所述的基于车路协同的特殊环境应急通信方法，其特征在于，步骤4中，路侧设备判断蜂窝通信质量是否正常，具体参考TCP/IP协议中的ICMP协议，方法如下：
计算消息往返时延，用于反映消息传输一次所花费的时间，公式为：
RTT＝aRTT+(1-a)M
式中，RTT表示往返时延，a是一个推荐值为0.9的平滑因子，M表示测量时间，指发送一个某序列号的字节和接收到包含该序列号的确认之间的往返时间样本值；
计算平均偏差，用以衡量蜂窝环境的网络稳定性，公式为：
Figure FDA0003533570600000021
式中，mdev表示平均偏差，N表示ICMP包的数量，xi表示第i个ICMP包的往返时延，
Figure FDA0003533570600000022
表示ICMP包的平均往返时延；
当消息往返时延RTT高于100ms时，认定蜂窝通信方式质量未达标准。当平均偏差大于30ms时，认定蜂窝通信方式的通信质量不稳定，以上任何一项指标如果满足，则判定蜂窝通信方式质量不正常。
8.根据根据权利要求1所述的基于车路协同的特殊环境应急通信方法，其特征在于，步骤4中，LoRa通信方式采用38.4Kbps的空中速率。
9.一种基于车路协同的特殊环境应急通信系统，其特征在于，基于权利要求1-8任一项所述的基于车路协同的特殊环境应急通信方法，实现基于车路协同的特殊环境应急通信。
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