基于DSRC的車載通信平臺設(shè)計

開展基于DSRC技術(shù)研究旨在提供一套先進(jìn)的手段和科學(xué)的方法，能全方位地控制，有效地進(jìn)行車輛和駕駛員輔助和交通管理，及時檢測發(fā)現(xiàn)異常，減少交通事故的發(fā)生，提高駕駛和交通運(yùn)輸?shù)陌踩浴?/p>

基于DSRC的車輛主動安全技術(shù)
專用短程通信（DSRC）技術(shù)是ITS的基礎(chǔ)之一。DSRC系統(tǒng)包括車-路（V2R）通信和車-車（V2V）通信兩種形式：車-路通信是車輛與路邊基礎(chǔ)設(shè)施的通信，屬于移動節(jié)點(diǎn)與固定節(jié)點(diǎn)的通信，采用基于一跳的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)模型；車-車通信是車輛間通信，采用基于多跳的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)模型。兩種通信方式被應(yīng)用于不同領(lǐng)域。

1 車-路通信
車-路通信主要面向非安全性應(yīng)用，以ETC系統(tǒng)為代表。車輛經(jīng)過特定的ETC車道，通過車載OBU與路邊RSU的通信，不需停車和收費(fèi)人員采取任何操作的情況下，能自動完成收費(fèi)過程。除此之外，如圖1所示基于車-路通信的DSRC應(yīng)用還可以用在電子地圖的下載和交通調(diào)度等。路邊的RSU接入后備網(wǎng)絡(luò)與當(dāng)?shù)氐慕煌ㄐ畔⒕W(wǎng)或因特網(wǎng)相連，通過OBU與RSU的通信來獲得電子地圖和路況信息等，從而可以選擇最優(yōu)路線，能夠緩解交通擁堵等。

圖1 DSRC在車-路通信中的應(yīng)用

2 車-車通信
車-車通信方式主要用于車輛的公共安全方面。將DSRC技術(shù)應(yīng)用于交通安全領(lǐng)域，能夠提高交通的安全系數(shù)，作用是減少交通事故，降低直接和非直接的經(jīng)濟(jì)損失，以及減少地面交通網(wǎng)絡(luò)的擁塞。如圖2中所示，當(dāng)前面車輛檢測到障礙物或車禍等情況時，它將向后發(fā)送碰撞警告信息，提醒后面的車輛潛在的危險。

圖2 DSRC在車-車通信中的應(yīng)用

DSRC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)仿真研究
為了分析基于DSRC的車載無線通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)性能，可以采用仿真的方法。仿真采用同濟(jì)大學(xué)嘉定校區(qū)交通地圖，如圖3所示。假設(shè)車輛在交通道路地圖上發(fā)生碰撞，發(fā)出碰撞緊急消息，收到消息的車輛解讀消息，對自身車輛進(jìn)行控制，且將消息繼續(xù)向周圍發(fā)送，傳遞給其他相關(guān)的車輛。仿真通過MOVE軟件，結(jié)合NS-2來實(shí)現(xiàn)。通過仿真可以得到，DSRC系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸延時低于50ms，滿足車載環(huán)境對延時的需求。為了達(dá)到系統(tǒng)性能的最佳，通過仿真得出結(jié)論，在兩車相對速度較小的情況下，系統(tǒng)性能達(dá)到最佳，同時設(shè)置數(shù)據(jù)包的大小為200字節(jié)，系統(tǒng)的傳輸延時和吞吐量達(dá)到最佳平衡，實(shí)現(xiàn)傳輸性能的最佳特性。

圖3 DSRC的車載無線通信系統(tǒng)仿真場景

車載通信平臺設(shè)計
車載通信平臺的建立是對DSRC技術(shù)的初步探索與嘗試，由OBU和RSU組成，圖4是車間通信平臺的示意圖，當(dāng)車輛駛?cè)隦SU的服務(wù)范圍，OBU就可以與RSU進(jìn)行通信，了解到當(dāng)前道路的信息、交叉口的視頻信息和交通信號燈的狀態(tài)，OBU還可以通過相互通信，獲取周圍車輛的位置和速度，以此判斷是否會相互碰撞，并為預(yù)防事故發(fā)生警告駕駛員。

圖4 車間通信場景圖

由于車內(nèi)空間狹小，通信時延要求較高，車間通信對于車載設(shè)備的可靠性和實(shí)時性提出了更高的要求，本文考慮DSRC應(yīng)用場景，為嵌入式車載通信提供了解決方案。與通用型計算機(jī)平臺相比，DSRC嵌入式平臺除了具有功耗低、占用空間小等特點(diǎn)此還具有以下特性。

● 穩(wěn)定性
除了需要滿足安全消息的傳輸?shù)母呖煽啃酝?，在?shí)際電路中還需要減少毛刺和干擾，使系統(tǒng)在車內(nèi)和室外環(huán)境下仍能保持穩(wěn)定高效地工作。

● 實(shí)時性
車間通信系統(tǒng)中對于安全消息傳輸?shù)膶?shí)時性需要小于50ms，這對于硬件芯片的處理速度和軟件程序的運(yùn)行效率都提出了更高的要求。

● 通用性
車間通信系統(tǒng)分為路邊單元和車載單元兩部分，不同廠商的設(shè)備需要進(jìn)行互聯(lián)，所以在硬件設(shè)計和軟件協(xié)議上需要考慮設(shè)備之間的兼容。

車載硬件平臺系統(tǒng)如圖5所示。無線收發(fā)模塊會發(fā)送或者接收車-車或車-路通信的數(shù)據(jù)包，通過車載處理器處理后將安全或者非安全信息顯示于用戶界面上，如果是安全消息則還會觸發(fā)音頻警報向駕駛員預(yù)警。此外，GPS單元將獲得的地理位置信息由車載處理器生成安全消息通過無線收發(fā)模塊發(fā)送給鄰近車輛。

圖5 車載硬件平臺總體框架圖

無線收發(fā)模塊負(fù)責(zé)按照相應(yīng)的數(shù)據(jù)格式接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。整體上無線收發(fā)模塊由兩部分組成：射頻處理單元以及基帶/MAC處理單元。GPS模塊通過串口按一定的格式輸出當(dāng)前車輛的經(jīng)度、緯度以及差分后的速度信息，車載處理器將會對從無線收發(fā)模塊和GPS模塊接收到的當(dāng)前車輛的位置和速度信息進(jìn)行處理和預(yù)測，判斷是否會發(fā)生碰撞危險。

圖6 無線收發(fā)模塊結(jié)構(gòu)圖

車載處理器選擇具有較高數(shù)據(jù)處理能力以及較低功耗的PXA270，PXA270處理器是基于Intel XScale架構(gòu)的處理芯片，集成了存儲單元控制器、時鐘和電源控制器、DMA控制器、LCD控制器、AC97控制器等外圍控制器，可以實(shí)現(xiàn)豐富的外圍接口功能。PXA270采用ARM內(nèi)核，內(nèi)置了Intel的無線MMX技術(shù)，能夠顯著地提升處理性能，適用于車載信息處理。圖7為車載處理器結(jié)構(gòu)圖，存儲芯片采用兩片型號為HYB25L256160AF的64MB SDRAM和一片型號為K9F5608U0B-YCB0的32MB Flash。

圖7 車載處理器結(jié)構(gòu)圖

對于車載單元而言，一個可裁剪、低資源占用、低功耗并同時滿足實(shí)時性和多任務(wù)同時處理的需求的操作系統(tǒng)是必需的。在眾多的操作系統(tǒng)中，嵌入式Linux操作系統(tǒng)是比較合適的選擇。

圖8提供了車載單元的軟件設(shè)計整體架構(gòu)，共分為五個模塊：視頻傳輸模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)融合處理模塊、GPS信息獲取模塊以及用戶界面模塊。

圖8 DSRC車載單元的軟件架構(gòu)

GPS信息獲取模塊通過串口接收來自GPS模塊的數(shù)據(jù)，用戶界面模塊用于顯示車輛當(dāng)前狀態(tài)信息，如果需要，則通過音頻報警，提示駕駛員注意當(dāng)前狀況。

視頻和數(shù)據(jù)傳輸模塊用于接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包，接收到的數(shù)據(jù)包首先判斷數(shù)據(jù)包的類型，如果是視頻數(shù)據(jù)則將其拼接成一個完整的壓縮幀，如果是非視頻數(shù)據(jù)則將數(shù)據(jù)解包后直接交付數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行處理。OBU通過數(shù)據(jù)包中的時間戳判斷數(shù)據(jù)包是否過期，通過數(shù)據(jù)包中的順序號判斷視頻數(shù)據(jù)是否發(fā)生丟包。視頻傳輸中，將攝像頭采集的數(shù)據(jù)通過MP4壓縮再按照1024字節(jié)的大小進(jìn)行傳輸，接收端如發(fā)生數(shù)據(jù)包的丟失則相應(yīng)的丟棄一幀的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理模塊的作用為融合GPS信息獲取模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊以及視頻傳輸模塊所獲得的數(shù)據(jù)信息并根據(jù)本車的信息和周圍車輛的位置信息，及時發(fā)出報警。其使用Xvid開源編解碼函數(shù)庫對接收到的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行MP4解碼，并顯示解碼后的圖像。表1為車間通信實(shí)驗平臺的總體性能指標(biāo)。