CN115484570A - 用于车联网的通信方法、车载通信装置和基础通信设施 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于车联网的通信方法、车载通信装置和基础通信设施。该方法包括：选择独立于多个车辆的通信装置的时钟模块作为主时钟模块，并将多个车辆的通信装置的时钟作为从时钟；基于主时钟模块的主时钟和从时钟，计算主时钟与从时钟之间的偏差、以及车辆的通信装置的至少一个可用通信路径的时延；选择具有最小时延的通信路径进行通信。本发明的实施例可以实现主时钟与从时钟的高精度时间同步，并使得车联网中的各节点之间的通信时延降至最小。

Description

用于车联网的通信方法、车载通信装置和基础通信设施
技术领域
本发明涉及一种用于车联网的通信方法、车载通信装置和基础通信设施。
背景技术
在车联网的网络拓扑中，车辆作为一个高速移动的节点，时延明显高于网络中固定的节点，在移动过程中还伴随着基站间的网络切换，但是在车联网的某些应用场景中对时延提出了更高的要求，系统应该做出更快的反馈。例如，在利用车联网来支持实现无人驾驶车辆的实时控制过程中，将对无人驾驶车辆进行实时操控以应对各种突发事件，以改善驾驶安全性，在这种场景下对车辆实时感测数据和控制数据的传输和处理时延的要求会更高。未来每一辆智能车辆每秒产生的数据量可能达到1GB的量级，这种瞬间的大量数据处理和传输，需要使用低延时的通信技术才能实现。
在现有技术中，用于降低网络时延的方法主要采用以下方法：一是预测补偿时延方法，然而动态的时延预测存在不确定性，导致降低网络时延的效果不稳定；二是无线资源控制链路/EPS承载建立/核心网分片区部署等控制面优化方法；三是空口上下行授权资源/空口处理时间/单独分配信道等用户面优化方法。后两种方法都依赖运营商提供的网络和基础设施，在网络断开或者丢失同步源的情况下，时钟无法保持精度；有些网络采用网络时间协议(NTP)时间同步技术，而NTP授时同步精度低，通常是毫秒级别，难以满足车联网实际应用的需要。
因此，需要改善现有的车联网通信技术，以降低车联网的通信时延。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于车联网的通信方法、车载通信装置和基础通信设施，以降低车联网的通信时延。
本发明的实施例提供一种用于在车联网中进行通信的方法，其中，所述车联网包括多个车辆和至少一个基础通信设施；每个车辆的通信装置和每个基础通信设施包括时钟模块；所述方法包括：选择独立于所述多个车辆的通信装置的时钟模块作为主时钟模块，并将所述多个车辆的通信装置的时钟作为从时钟；基于所述主时钟模块的主时钟和所述从时钟，计算所述主时钟与所述从时钟之间的偏差、以及所述车辆的通信装置的至少一个可用通信路径的时延；选择具有最小时延的通信路径进行通信。
本发明的实施例还提供一种用于车辆的通信装置，包括时钟模块和通信模块；其中，所述时钟模块的时钟被配置作为用于在车联网中进行通信的从时钟，所述时钟模块和所述通信模块被配置用于执行本发明的实施例所述的车联网通信方法。
本发明的实施例又提供一种用于车联网的基础通信设施，包括时钟模块和通信模块；其中，所述时钟模块的时钟被配置作为用于在车联网中进行通信的主时钟或从时钟，所述时钟模块和所述通信模块被配置用于与多个车辆的通信装置协调以执行本发明的实施例所述的车联网通信方法。
附图说明
图1是根据本发明的实施例用于在车联网中进行通信的方法的流程图；
图2是在本发明的实施例中从车联网的多个通信路径中选择最低时延的通信路径的示意图；
图3是在本发明的实施例中用于计算主时钟与从时钟之间的偏差、以及通信路径的传输时延的过程示意图。
具体实施方式
以下结合附图进一步描述本发明的实施例。
图1示出根据本发明的实施例用于在车联网中进行通信的方法的流程图。车联网包括多个车辆和至少一个基础通信设施；每个车辆的通信装置和每个基础通信设施包括时钟模块。如图1所示，方法100包括：选择独立于多个车辆的通信装置的时钟模块作为主时钟模块，并将多个车辆的通信装置的时钟作为从时钟(步骤110)；基于主时钟模块的主时钟和从时钟，计算主时钟与从时钟之间的偏差、以及车辆的通信装置的至少一个可用通信路径的时延(步骤120)；选择具有最小时延的通信路径进行通信(步骤130)。
由于选择了独立的主时钟模块以及相应地计算可用通信路径的时延，从而可以在车联网中准确地选择具有最小时延的通信路径进行通信，以使通信时延降至最小。独立的主时钟模块可以设置在独立的信号塔上、附着在建筑物或其它通信设施上。
主时钟模块作为主节点，可以不被包含在车机系统或基础通信设施的中央处理单元CPU中，是单独的时钟模块。例如，IEEE1588v2可以同时使用独立的软件和硬件来实现，而传统的网络时间协议NTP只利用软件来实现。主时钟模块也可以是独立于车辆的通信装置和基础通信设施，或者是选自多个基础通信设施的时钟模块中的一个时钟模块。利用独立的硬件时钟模块可以更加精准地记录时间戳。各个从时钟将与主时钟模块的主时钟同步，由此在整个车联网中保持各个从时钟计时的一致性和精确性。车辆的通信装置作为从节点，可以是包含在车机系统中用于车联网通信的车载单元(OBU)、智能终端T-BOX或其它无线通信模块。基础通信设施可以是用于车联网的路侧单元(RSU)、基站或其它通信设备。
在V2V和V2I网络中各个通信节点(如车机系统)达到高精度时间同步且能实时测量各通信路径时延的情况下，可以选择时延更低的通信路径进行节点之间的消息转发，从而达到降低通信时延的目的。车辆的通信装置可以与其附近通信范围内的所有通信设施、车辆建立连接，例如通过参考网络拓扑中的混合拓扑结构，从而从多个可用通信路径中选择一个最低时延的通信路径。
在本发明的实施例中，主时钟和从时钟是符合IEEE 1588协议的精确时间协议(PTP)时钟。IEEE1588标准的全称是“网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准(IEEE1588Precision Clock Synchronization Protocol)”，简称PTP(Precision TimingProtocol)，它的主要原理是通过一个同步信号周期性的对网络中所有节点的时钟进行校正同步，可以使基于以太网的分布式系统达到精确同步。PTP时钟同步过程包括时间发出和接收时间信息的记录，并且对每一条信息增加一个“时间戳”；有了时间记录，接收端(如从时钟)就可以计算出自己在网络中的时钟误差和延时，进而可以保持同步。PTP时钟可以达到亚微秒级别的时间同步精度，明显优于NTP时间同步技术，并且可以实现主时钟和从时钟的功能。含有晶振的PTP时钟可以在同步源丢失的情况下进入时钟保持(holdover)状态，保持一定时间的高精度频率输出，保证在网络通信恢复前输出时间还是精准的。在具体的实施方式中，通过在车辆的通信装置和基础通信设施中使用高精度的PTP时钟，车辆的通信装置作为从时钟，能迅速追踪到主时钟的时间变化率，利用硬件(例如从时钟包含的晶振IEEE1588v2)来记录报文进入和离开通信装置的时间，从时钟可以相应地实现与主时钟的协调同步，使车辆的通信装置与主时钟模块保持一致的频率和时间。
在本发明的实施例中，通过对各通信链路时延的实时监测和利用独立的高精度主时钟模块来记录时间戳，使得作为从时钟的PTP时钟模块可以具有时延反馈功能，以适应不断调整的行车网络时延并且选择最优的通信链路进行通信。而且，在主时钟与从时钟高精度同步的情况下，更容易计算得到精确的V2V(车辆至车辆)和V2I(车辆至基础通信设施)网络通信中各链路的实时时延，从而使网络中的各通信节点可以选择延迟更小的通信链路，来达到降低通信时延的目的。
在一个实施方式的变型方案中，车辆的通信装置上的PTP时钟与移动通信的基站上的PTP时钟(作为主时钟)进行时间同步。
本领域技术人员应该理解的是，本发明并不限于使用PTP时钟，也可以采用其它高精度的时间同步技术。
在本发明的实施例中，选择主时钟模块的步骤110包括：根据IEEE 1588协议中的BMCA最佳主时钟算法，从多个时钟模块中竞选出作为主时钟模块；和/或在当前的主时钟模块出现故障时，从多个时钟模块中的其它时钟模块中竞选出作为下一个主时钟模块。
在本发明的实施例中，方法100还包括：利用所计算的主时钟与从时钟之间的偏差来修正从时钟，使从时钟与主时钟保持同步。例如，当检测到从时钟与主时钟之间的时间偏差超出预定范围时，利用所计算的时间偏差来修正从时钟，以保持与主时钟的时间同步。
在本发明的实施例中，车联网可以包括多个基础通信设施，多个基础通信设施中的每一个包括符合IEEE 1588协议的精确时间协议(PTP)时钟；方法100中选择主时钟模块的步骤110包括：根据IEEE 1588协议中的BMCA最佳主时钟算法，从多个基础通信设施的多个PTP时钟模块中竞选出主时钟模块；多个PTP时钟模块中的其它PTP时钟模块被控制与所竞选出的主时钟模块的时钟进行同步。在一个示例中，在V2I网络中的多个基础通信设施上都安装PTP时钟，在其中选取一个或者多个能稳定追踪GPS授时的时钟作为主时钟，这个主时钟可以通过IEEE1588中的BMCA最佳主时钟算法从多个基础通信设施中竞选出来；在一个域内只选择一个主时钟并基于PTP时钟同步，主时钟和从时钟都不依靠CPU的时钟模块，而是依靠1588v2时钟；其它的车机系统和基础通信设施也安装IEEE1588v2时钟。在当前主时钟模块出问题时，可以继续从其它基础通信设施中竞选出下一个主时钟模块，各个车机系统仍然作为从时钟，而在竞选中未胜出的其它基础通信设施的非最佳主时钟则全部进入消极的静默状态。通常一个域内应该存在两个或者以上的基础通信设施来参与竞选主时钟，但是一个域内只能同时存在一个主时钟来给其它设备授时。在一个域内，其余的PTP时钟可以作为第一级的边界时钟跟主时钟进行同步，由主时钟向各个边界时钟发送时间同步报文，保持一致的时间和晶振振荡频率。
PTP时钟包括普通时钟、边界时钟等。边界时钟通常会有多个物理端口，每个物理端口有两个逻辑接口：时间和通用。边界时钟的每个端口与普通时钟基本一致。边界时钟所有的端口的时钟数据集是公用的，公用一个本地时间。每个协议引擎会有额外的功能来解析所有端口的状态，从而决定哪个端口用来提供时间信号来同步本地时钟。
在上述实施例中，方法100还可包括：计算其它PTP时钟模块的时钟与车辆的通信装置的从时钟之间的偏差；以及当至少一个其它PTP时钟模块的时钟与该车辆的通信装置的从时钟之间的偏差超出预定的范围时，修正该车辆的通信装置的从时钟，以与至少一个其它PTP时钟模块的时钟同步。由此可以使得车辆的通信装置可以利用其它车辆上的从时钟来修改本车上的从时钟，从而在不便于通过主时钟修正的情况下同样可以完成本车上的从时钟修正。
在本发明的实施例中，选择具有最小时延的通信路径进行通信的步骤130包括：基于主时钟模块的主时钟和从时钟，计算多个车辆的通信装置中至少两个车辆的通信装置的时钟模块之间的可用通信路径的时延；以及选择具有最小时延的通信路径进行至少两个车辆的通信装置之间的通信；当主时钟与从时钟之间的偏差在预定范围内时，使用多个车辆的通信装置的从时钟来计算至少两个车辆的通信装置的时钟模块之间的可用通信路径的时延。
在一个示例中，如图2所示，道路中行驶的车辆A、B、C和D都是自动驾驶车辆，其它两辆车是普通车辆，且只有车辆A在基础通信设施201的通信范围内，车辆D在基础通信设施202的通信范围内，基础通信设施201和202中的PTP时钟可以作为一级边界时钟(Boundaryclock)，自动驾驶车辆的通信装置中的PTP时钟可以作为二级边界时钟并通过IEEE802.1as向车内的各个模块精准授时。假设车辆A到车辆B的通信时延为4s，车辆A到车辆C的通信时延为1s，车辆C到车辆B的通信时延为1s，车辆C到车辆D的通信时延为3s，车辆B到车辆D的通信时延为1s。当车辆A要跟车辆D互相传递信息时，由于距离较远而使通信受到限制，两车不能直接通信。车辆A的信息要传递给车辆D，此时一共有四条可用通信路径，分别是：(1)A-C-D，通信总时延为4s，(2)A-B-D，通信总时延为5s，(3)A-C-B-D，通信总时延为3s，(4)通信总时延A-B-C-D为8s。通过计算各个可用通信路径的通信总时延，可以确定车辆A与车辆D之间最后的通信路径为时延最低的A-C-B-D链路。
在另一个示例中，安装有PTP时钟的自动驾驶车辆在行驶进入各个(如基础通信设施上)一级边界时钟的通信范围内时，先检测自身产生的时间戳和振荡频率是否和一级边界时钟是否在允许的误差范围内，如果超过允许的误差范围则需要对车辆上的PTP时钟进行同步。在进行时钟同步之前，需要先对PTP时钟进行调谐，并且利用调谐的结果修正(车辆上)从时钟产生的时间戳。
在本发明的实施例中，计算主时钟与从时钟之间的偏差、以及车辆的通信装置的可用通信路径的传输时延的步骤120包括：使用可用通信路径，从主时钟模块向作为从时钟的车辆的通信装置发送同步报文，并记录同步报文的本地发送时间T1；车辆的通信装置接收同步报文，并记录其接收同步报文的本地接收时间T2；车辆的通信装置向主时钟模块发送Delay_Req报文，用于发起反向传输延时的计算，并在本地记录发送时间T3；主时钟模块接收Delay_Req报文，并记录接收时间T4；以及至少基于所记录的时间T1、T2、T3和T4，计算主时钟与所述从时钟之间的偏差、以及可用通信路径的传输时延。
该实施例的具体细节可参照图3进一步描述。在该实施例中，同步消息传递的机制是延时请求响应机制，整个同步过程可分为两个不同的阶段：
第一个阶段是时间偏差Toffset测量阶段，过程如下：a)主时钟(Master)周期性地向从时钟(Slave)发出同步报文(Sync报文)，间隔时间缺省值一般为1s，主时钟在本地记录发送时间T1；从时钟接收到同步报文并记录下接收到同步报文的时间值T2；b)在同步报文发出之后，主时钟会紧接着发出跟随报文(Follow-up报文)，跟随报文将同步报文发出时的精准时间T1传送给从时钟；c)从时钟向主时钟发送Delay_Req报文，用于发起反向传输延时的计算，并在本地记录发送时间T3；主时钟收到该报文后，记录接收时间T4；d)主时钟收到Delay_Req报文之后，回复携带有时间值T4的Delay_Response报文。报文sync、Follow-up、Delay_Req、delay_Resp的内容包括每一个报文发送步骤所加的时间戳。
第二阶段是通信路径延迟Tdelay测量阶段。为了防止报文发送时产生碰撞，在从时钟接受到同步报文后并不是立即发送延迟请求报文(Delay-Req报文)，而是随机地等待一段时间，在T3时刻才发出延迟请求报文。主时钟接收到延迟请求报文并记录下接收到延迟请求报文的时间值T4，向从时钟发出包含时间值T4的延迟应答报文(Delay-response报文)。
在上述过程中，从时钟获得了四个时间值，即：T1、T2、T3和T4。主时钟到从时钟的传输时延为T2-T1，从时钟到主时钟的传输时延为T4-T3。从时钟根据收到的时间信息和自身发送消息的时间，可以计算出与主时钟的时间偏差和线路延迟，线路延迟包括车与车之间、车与基础通信设施之间、基础通信设施与基础通信设施之间的线路的通信时延。结合图3和以上所述可以得到如下方程：
T1-Toffset+Tdelay＝T2 T3+Toffset+Tdelay＝T4
联合上述方程可以得出：
Toffset＝(T1-T2+T4-T3)/2 Tdelay＝(T2-T1+T4-T3)/2
从时钟根据所计算的Toffset和Tdelay的值来调节本地时钟，从而实现从时钟与主时钟的时间同步。
根据本发明的实施例，车辆的通信装置包括时钟模块和通信模块；时钟模块的时钟被配置作为用于在车联网中进行通信的从时钟，时钟模块和通信模块被配置用于执行本发明的上述各个实施例所述的车联网通信方法。时钟模块也可以被包含在通信模块中并使用PTP时钟，通信装置可以被包含在车机系统中。
根据本发明的实施例，用于车联网的基础通信设施包括时钟模块和通信模块；时钟模块的时钟被配置作为用于在车联网中进行通信的主时钟或从时钟，时钟模块和通信模块被配置用于与多个车辆的通信装置协调以执行本发明的上述各个实施例所述的车联网通信方法。时钟模块也可以被包含在通信模块中并使用PTP时钟。
以上描述仅是本发明的优选实施例，并非构成对本发明的任何限制。本领域技术人员在了解了本发明内容和原理后，可以在不背离本发明原理的情况下，进行形式和细节上的各种修改和变型，而这些基于本发明原理的修改和变型仍在本专利的权利要求书所限定的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种用于在车联网中进行通信的方法，其中，所述车联网包括多个车辆和至少一个基础通信设施；每个车辆的通信装置和每个基础通信设施包括时钟模块；所述方法包括：
选择独立于所述多个车辆的通信装置的时钟模块作为主时钟模块，并将所述多个车辆的通信装置的时钟作为从时钟；
基于所述主时钟模块的主时钟和所述从时钟，计算所述主时钟与所述从时钟之间的偏差、以及所述车辆的通信装置的至少一个可用通信路径的时延；
选择具有最小时延的通信路径进行通信。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述主时钟和所述从时钟是符合IEEE 1588协议的精确时间协议(PTP)时钟。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，选择时钟模块作为主时钟模块包括：
根据IEEE 1588协议中的BMCA最佳主时钟算法，从多个时钟模块中竞选出作为所述主时钟模块；和/或
在当前的主时钟模块出现故障时，从所述多个时钟模块中的其它时钟模块中竞选出作为下一个主时钟模块。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，计算所述主时钟与所述从时钟之间的偏差、以及所述车辆的通信装置的可用通信路径的传输时延包括：
使用所述可用通信路径，从所述主时钟模块向作为从时钟的所述车辆的通信装置发送同步报文，并记录同步报文的本地发送时间T1；
所述车辆的通信装置接收所述同步报文，并记录其接收所述同步报文的本地接收时间T2；
所述车辆的通信装置向所述主时钟模块发送Delay_Req报文，用于发起反向传输延时的计算，并在本地记录发送时间T3；
所述主时钟模块接收所述Delay_Req报文，并记录接收时间T4；以及
至少基于所述时间T1、T2、T3和T4，计算所述主时钟与所述从时钟之间的偏差、以及所述可用通信路径的传输时延。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括：
利用所计算的所述主时钟与所述从时钟之间的偏差来修正所述从时钟，使所述从时钟与所述主时钟保持同步。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述主时钟模块独立于所述多个车辆的通信装置和所述基础通信设施。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述车联网包括多个基础通信设施，所述多个基础通信设施中的每一个包括符合IEEE 1588协议的精确时间协议(PTP)时钟；所述选择主时钟模块的步骤包括：
根据IEEE 1588协议中的BMCA最佳主时钟算法，从所述多个基础通信设施的多个PTP时钟模块中竞选出所述主时钟模块；
其中，多个PTP时钟模块中的其它PTP时钟模块被控制与所述主时钟模块的时钟进行同步。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括：
计算所述其它PTP时钟模块的时钟与所述车辆的通信装置的从时钟之间的偏差；以及
当至少一个所述其它PTP时钟模块的时钟与所述车辆的通信装置的从时钟之间的偏差超出预定的范围时，修正所述车辆的通信装置的从时钟，以与所述至少一个其它PTP时钟模块的时钟同步。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，选择具有最小时延的通信路径进行通信包括：
基于所述主时钟模块的主时钟和所述从时钟，计算所述多个车辆的通信装置中至少两个车辆的通信装置的时钟模块之间的可用通信路径的时延；以及
选择具有最小时延的通信路径进行所述至少两个车辆的通信装置之间的通信；
其中，当所述主时钟与所述从时钟之间的偏差在预定范围内时，使用所述多个车辆的通信装置的从时钟来计算所述至少两个车辆的通信装置的时钟模块之间的可用通信路径的时延。
10.一种用于车辆的通信装置，包括时钟模块和通信模块；其中，所述时钟模块的时钟被配置作为用于在车联网中进行通信的从时钟，所述时钟模块和所述通信模块被配置用于执行权利要求1至9中任一项所述的方法。
11.一种用于车联网的基础通信设施，包括时钟模块和通信模块；其中，所述时钟模块的时钟被配置作为用于在车联网中进行通信的主时钟或从时钟，所述时钟模块和所述通信模块被配置用于与多个车辆的通信装置协调以执行权利要求1至9中任一项所述的方法。
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