深度探析V2X与ITS的发展史

v2x可以简单分为两大类,一类是以智能交通(its)为核心的,发起者自然是政府机构。另一类是以智能驾驶为核心的,发起者主要是汽车厂家和电信运营商。另一种分法就是按通讯方式,一类是dsrc,一类是c-v2x。dsrc主要是针对智能交通应用的,欧美日都选择以dsrc的智能交通技术路线,某种意义上讲dsrc与c-v2x并非水火不容,c-v2x更侧重智能驾驶。
早在1994年,美国高速公路管理局推出先进高速系统ahs研究课题,1997年成立智能汽车计划小组研究智能交通,2005年完成研究任务,提出了完整的its体系。同时在1999年,fcc就为its划分了一个5850mhz-5925mhz频带,决定用当时最先进的基于802.11a的技术。并分成七个独立的频道,分别为频道172、174、176、178、180、182、184;各频道均为10mhz。频道178为控制频道(control channel,cch),负责wave服务广播讯框(wave service advertisement,wsa)封包;其他频道则为服务频道(service channel,sch),只能传递wave短信息(wave short message,wsm)封包。
同时在2003年,全球八大车厂丰田、日产、福特、通用、戴姆勒、克莱斯勒、大众、宝马成立vscc车辆安全通讯联盟开展dsrc车端的研究,2005年通用演示了第一个v2v系统。之后经过8年的完善,2013年dsrc形成了完备的体系。
2014年2月,欧洲标准组织etsi与cen宣布完成第一阶段基于dsrc的its标准,底层为ieee 802.11p,上层为ieee1609,同时还有sae j2375和j2945两个标准定义通讯格式。
2014年8月,美国交通部试图强制立法推广dsrc为核心的its,但直到今天也没用完成强制立法。
dsrc的ieee 1609标准架构
dsrc架构标准
欧洲方面,its系统源自1973年英国运输与道路研究所(trrl)的scoot(split, cycle and offset optimization technique),更早scoot模型基础原自transyt (trafficnetwork study tool),采用了同样的周期流分布图(cfp)的建模方式和相近的目标函数。不过有了显著的改进,transyt的cfp是以历史的平均交通流计算的;而scoot是联机模型,cfp是实时测量的。
scoot的核心就是如何控制交通信号灯,中国的北京、青岛、成都、重庆、大连就采用西门子的scoot系统。 当时的技术无法利用传感器高效计算实时交通流量,因此意义不大。但这是its的基础方法论,scoot后来被德国西门子全盘继承,并衍生出spat(signal phase and timing)。 scoot是跨整个路网进行交通号志变换时机的最佳化,仅倚赖工程师预先以固定且有限数量的可行程序进行配置,无法弹性对应即时路况与个别交叉路口的流量变化。
西门子在2018年推出follow ai也就是下一代scoot,它首先会建立复杂的一般性规则,接着可针对每个特定的交叉路口进行个性化的适地性处理,flow ai根据内建的回环(loop)侦测即时的交通流,并运用云端ai即时产生近乎无限数量的交通号志变换时机选项。
欧洲its标准主要分5个工作组 (wg).
wg1 (application requirements and services):its中基础应用需求与服务,并制定applications与facilities两层之通讯协议。
wg2 (architecture and cross layer):发展适合所有its之通讯架构与跨层管理协议,并扮演欧洲its通讯架构之协调者角色。
wg3 (transport and network): 规范networking和transport两层之协议,并利用车载网络特有之地理位置信息特性,发展制定geonetworking及ipv6相关协议。
wg4 (media and medium related): 规范mac和phy两层相关之标准,其将欧洲its使用之频谱划分为its-g5a、its-g5b与its-g5c三个部分,并兼顾其中之兼容性。
wg5 (security):制定its相关之安全性议题,此草案为车载安全通讯标准制定之基准,规范车载环境中威胁、弱点与风险分析,该草案已于2017年3月正式出版。
目前etsi正着手制定第二版标准,主要涵盖更多使用案例(use cases),包括自动跟车(platooning)、协同式可适应性巡航控制(cooperative adaptive cruise control, c-acc),以及弱势道路使用者(vulnerable road users, vru)等。
欧洲its标准框架
欧洲its的osi模型
信道技术层( access layer):本层提供物理层与介质访问控制层服务,对应 osi通信协议模型的物理层和数据链路层。
网络传输层( networking &transport layer):本层提供数据路由与传输服务,对应 osi 通信协议模型的网络层和传输层。
服务设施层( facilities layer): 本层为多个应用提供高层数据传输协议与信息管理服务,对应 osi 通信协议模型的会话层、表示层和应用层。
除此之外, its-s 还分为以下功能层:
应用层( application layer): 应用层模块表示 its-s 应用程序利用 its-s 的服务来连接一个或多个其他 its-s 应用程序。两个或多个互补的 its-s 应用程序组成了一个向 its 用户提供服务的应用。
管理层( management layer):负责管理 its-s 的通信以及站内数据交换服务。
安全( security entity):为 osi 通信协议栈各层提供安全服务。
cam与denm是智能交通系统中最重要的两种信息协议栈标准。
decentralized environmental notification message,分散环境通知信息,主要用于道路危险预警应用,是事件触发型信息,一旦通过车载设备检测到了安全隐患事件(例如前方车辆紧急刹车、道路施工警告等),车载its的相关应用就立即发射denm信息。接收车辆可对比车辆自身位置与行车路线,判断事件对自车的关联性并预测可能的碰撞风险,以及提前通知驾驶员采取有效的措施。根据事件地点和类型,可能要求接收到denm信息的车辆向外转发。
cam(cooperative awareness message),合作感知信息,这是时间触发信息,提供车辆的速度、位置、方向灯以及交通信号系统如交通信号灯的状态,天气提醒等信息。
etsi 在 2013 年发布了道路危险警告( rhw) 应用 , its-s 通过 rhw 应用检测到道路危险情况并触发生成相应的 denm 消息,之后 its-s 会将这一 denm 消息发送出去,通知一定区域范围内的其他车辆。
1、 原始 its-s 检测到事件后要生成描述该事件用例的 denm 并将其发送给该用例对应的目的区域内的其他 its-s。
2、 denm 传输的开始和终止由应用层的 its-s 应用程序控制。
3、 只要事件存在, denm 就会持续发送。
4、处在目的区域内的 its-s 需要将接收到的 denm 转发给其它 its-s。
5、 denm 传输过程的终止, its-s 判断 denm 的有效期字段, 在到达 denm 有效期时 its-s 停止发送该消息, 或者在未到达有效期时但已经检测到危险事件已经解除则可以由 its-s 应用程序请求生成一个通知事件已经终止的 denm。
6、 若收到 denm 的 its-s 根据消息内容判断事件与自身有关,则做出适当的警告给使用者。
这个cam应用类似于长沙智能驾驶研究院发布的“v2x+交叉路口”解决方案,能够车载传感器所不能覆盖的范围,也就是nlos。
不同的是欧洲早在2011年就已经做了完整的技术规范。路侧传感器可以是摄像头、毫米波雷达或激光雷达。激光雷达最合适,因为能见度差的情况下反而是最易发生交通事故的时候。1550纳米波长的激光雷达几乎可以像毫米波雷达那样全天候工作,同时激光雷达的分辨率较高。
欧洲its整体框架
这其中承载整个系统的关键是ldm,即local dynamic map。
典型ldm的4层结构,最上层基本就是v2x信息。欧洲etsi在2014年对ldm做了详细标准,也就是etsi en302895 v1.1.1,车辆通讯基础应用设置之ldm。

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