基于DSRC的車載通信平臺(tái)設(shè)計(jì)

開(kāi)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(shí)檢測(cè)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(dòng)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(dòng)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(guò)特定的ETC車道，通過(guò)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(dòng)完成收費(fèi)過(guò)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(guò)OBU與RSU的通信來(lái)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(cè)到障礙物或車禍等情況時(shí)，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(xiǎn)。

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(wú)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(duì)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(guò)MOVE軟件，結(jié)合NS-2來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)仿真可以得到，DSRC系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)低于50ms，滿足車載環(huán)境對(duì)延時(shí)的需求。為了達(dá)到系統(tǒng)性能的最佳，通過(guò)仿真得出結(jié)論，在兩車相對(duì)速度較小的情況下，系統(tǒng)性能達(dá)到最佳，同時(shí)設(shè)置數(shù)據(jù)包的大小為200字節(jié)，系統(tǒng)的傳輸延時(shí)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(wú)線通信系統(tǒng)仿真場(chǎng)景

車載通信平臺(tái)設(shè)計(jì)
車載通信平臺(tái)的建立是對(duì)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(tái)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(hào)燈的狀態(tài)，OBU還可以通過(guò)相互通信，獲取周圍車輛的位置和速度，以此判斷是否會(huì)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(chǎng)景圖

由于車內(nèi)空間狹小，通信時(shí)延要求較高，車間通信對(duì)于車載設(shè)備的可靠性和實(shí)時(shí)性提出了更高的要求，本文考慮DSRC應(yīng)用場(chǎng)景，為嵌入式車載通信提供了解決方案。與通用型計(jì)算機(jī)平臺(tái)相比，DSRC嵌入式平臺(tái)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(shí)性
車間通信系統(tǒng)中對(duì)于安全消息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性需要小于50ms，這對(duì)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。[!--empirenews.page--]

● 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(jì)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(tái)系統(tǒng)如圖5所示。無(wú)線收發(fā)模塊會(huì)發(fā)送或者接收車-車或車-路通信的數(shù)據(jù)包，通過(guò)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(huì)觸發(fā)音頻警報(bào)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(guò)無(wú)線收發(fā)模塊發(fā)送給鄰近車輛。

圖5 車載硬件平臺(tái)總體框架圖

無(wú)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(wú)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(guò)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(huì)對(duì)從無(wú)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(cè)，判斷是否會(huì)發(fā)生碰撞危險(xiǎn)。

圖6 無(wú)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(chǔ)單元控制器、時(shí)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(wú)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(chǔ)芯片采用兩片型號(hào)為HYB25L256160AF的64MB SDRAM和一片型號(hào)為K9F5608U0B-YCB0的32MB Flash。

圖7 車載處理器結(jié)構(gòu)圖

對(duì)于車載單元而言，一個(gè)可裁剪、低資源占用、低功耗并同時(shí)滿足實(shí)時(shí)性和多任務(wù)同時(shí)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(jì)整體架構(gòu)，共分為五個(gè)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(guò)串口接收來(lái)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(guò)音頻報(bào)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(gè)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(guò)數(shù)據(jù)包中的時(shí)間戳判斷數(shù)據(jù)包是否過(guò)期，通過(guò)數(shù)據(jù)包中的順序號(hào)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(guò)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(shí)發(fā)出報(bào)警。其使用Xvid開(kāi)源編解碼函數(shù)庫(kù)對(duì)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(yàn)平臺(tái)的總體性能指標(biāo)。