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作者：同濟大學(xué) 劉富強 孫斌 王新紅 2009-9 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(chē)輛和駕駛員輔助和交通管理，及時(shí)檢測發(fā)現異常，減少交通事故的發(fā)生，提高駕駛和交通運輸的安全性。 基于DSRC的車(chē)輛主動(dòng)安全技術(shù) 專(zhuān)用短程通信（DSRC）技術(shù)是ITS的基礎之一。DSRC系統包括車(chē)-路（V2R）通信和車(chē)-車(chē)（V2V）通信兩種形式：車(chē)-路通信是車(chē)輛與路邊基礎設施的通信，屬于移動(dòng)節點(diǎn)與固定節點(diǎn)的通信，采用基于一跳的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )模型；車(chē)-車(chē)通信是車(chē)輛間通信，采用基于多跳的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )模型。兩種通信方式被應用于不同領(lǐng)域。 1 車(chē)-路通信 車(chē)-路通信主要面向非安全性應用，以ETC系統為代表。車(chē)輛經(jīng)過(guò)特定的ETC車(chē)道，通過(guò)車(chē)載OBU與路邊RSU的通信，不需停車(chē)和收費人員采取任何操作的情況下，能自動(dòng)完成收費過(guò)程。除此之外，如圖1所示基于車(chē)-路通信的DSRC應用還可以用在電子地圖的下載和交通調度等。路邊的RSU接入后備網(wǎng)絡(luò )與當地的交通信息網(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(xiàn)，能夠緩解交通擁堵等。 
圖1 DSRC在車(chē)-路通信中的應用 2 車(chē)-車(chē)通信 車(chē)-車(chē)通信方式主要用于車(chē)輛的公共安全方面。將DSRC技術(shù)應用于交通安全領(lǐng)域，能夠提高交通的安全系數，作用是減少交通事故，降低直接和非直接的經(jīng)濟損失，以及減少地面交通網(wǎng)絡(luò )的擁塞。如圖2中所示，當前面車(chē)輛檢測到障礙物或車(chē)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(chē)輛潛在的危險。
圖2 DSRC在車(chē)-車(chē)通信中的應用 DSRC系統網(wǎng)絡(luò )仿真研究 為了分析基于DSRC的車(chē)載無(wú)線(xiàn)通信系統的網(wǎng)絡(luò )性能，可以采用仿真的方法。仿真采用同濟大學(xué)嘉定校區交通地圖，如圖3所示。假設車(chē)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(chē)輛解讀消息，對自身車(chē)輛進(jìn)行控制，且將消息繼續向周?chē)l(fā)送，傳遞給其他相關(guān)的車(chē)輛。仿真通過(guò)MOVE軟件，結合NS-2來(lái)實(shí)現。通過(guò)仿真可以得到，DSRC系統數據傳輸延時(shí)低于50ms，滿(mǎn)足車(chē)載環(huán)境對延時(shí)的需求。為了達到系統性能的最佳，通過(guò)仿真得出結論，在兩車(chē)相對速度較小的情況下，系統性能達到最佳，同時(shí)設置數據包的大小為200字節，系統的傳輸延時(shí)和吞吐量達到最佳平衡，實(shí)現傳輸性能的最佳特性。
圖3 DSRC的車(chē)載無(wú)線(xiàn)通信系統仿真場(chǎng)景 車(chē)載通信平臺設計 車(chē)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(chē)間通信平臺的示意圖，當車(chē)輛駛入 RSU的服務(wù)范圍，OBU就可以與RSU進(jìn)行通信，了解到當前道路的信息、交叉口的視頻信息和交通信號燈的狀態(tài)，OBU還可以通過(guò)相互通信，獲取周?chē)?chē)輛的位置和速度，以此判斷是否會(huì )相互碰撞，并為預防事故發(fā)生警告駕駛員。
圖4 車(chē)間通信場(chǎng)景圖 由于車(chē)內空間狹小，通信時(shí)延要求較高，車(chē)間通信對于車(chē)載設備的可靠性和實(shí)時(shí)性提出了更高的要求，本文考慮DSRC應用場(chǎng)景，為嵌入式車(chē)載通信提供了解決方案。與通用型計算機平臺相比，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。 ● 穩定性 除了需要滿(mǎn)足安全消息的傳輸的高可靠性外，在實(shí)際電路中還需要減少毛刺和干擾，使系統在車(chē)內和室外環(huán)境下仍能保持穩定高效地工作。 ● 實(shí)時(shí)性 車(chē)間通信系統中對于安全消息傳輸的實(shí)時(shí)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行效率都提出了更高的要求。 ● 通用性 車(chē)間通信系統分為路邊單元和車(chē)載單元兩部分，不同廠(chǎng)商的設備需要進(jìn)行互聯(lián)，所以在硬件設計和軟件協(xié)議上需要考慮設備之間的兼容。 車(chē)載硬件平臺系統如圖5所示。無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊會(huì )發(fā)送或者接收車(chē)-車(chē)或車(chē)-路通信的數據包，通過(guò)車(chē)載處理器處理后將安全或者非安全信息顯示于用戶(hù)界面上，如果是安全消息則還會(huì )觸發(fā)音頻警報向駕駛員預警。此外，GPS單元將獲得的地理位置信息由車(chē)載處理器生成安全消息通過(guò)無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊發(fā)送給鄰近車(chē)輛。
圖5 車(chē)載硬件平臺總體框架圖 無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊負責按照相應的數據格式接收和發(fā)送數據，其結構如圖6所示。整體上無(wú)線(xiàn)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前車(chē)輛的經(jīng)度、緯度以及差分后的速度信息，車(chē)載處理器將會(huì )對從無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊和GPS模塊接收到的當前車(chē)輛的位置和速度信息進(jìn)行處理和預測，判斷是否會(huì )發(fā)生碰撞危險。
圖6 無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊結構圖 車(chē)載處理器選擇具有較高數據處理能力以及較低功耗的PXA270，PXA270處理器是基于Intel XScale架構的處理芯片，集成了存儲單元控制器、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)現豐富的外圍接口功能。PXA270采用ARM內核，內置了Intel的無(wú)線(xiàn)MMX技術(shù)，能夠顯著(zhù)地提升處理性能，適用于車(chē)載信息處理。圖7為車(chē)載處理器結構圖，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(chē)載處理器結構圖 對于車(chē)載單元而言，一個(gè)可裁剪、低資源占用、低功耗并同時(shí)滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性和多任務(wù)同時(shí)處理的需求的操作系統是必需的。在眾多的操作系統中，嵌入式Linux操作系統是比較合適的選擇。 圖8提供了車(chē)載單元的軟件設計整體架構，共分為五個(gè)模塊：視頻傳輸模塊、數據傳輸模塊、數據融合處理模塊、GPS信息獲取模塊以及用戶(hù)界面模塊。
圖8 DSRC車(chē)載單元的軟件架構 GPS信息獲取模塊通過(guò)串口接收來(lái)自GPS模塊的數據，用戶(hù)界面模塊用于顯示車(chē)輛當前狀態(tài)信息，如果需要，則通過(guò)音頻報警，提示駕駛員注意當前狀況。 視頻和數據傳輸模塊用于接收和發(fā)送數據包，接收到的數據包首先判斷數據包的類(lèi)型，如果是視頻數據則將其拼接成一個(gè)完整的壓縮幀，如果是非視頻數據則將數據解包后直接交付數據處理模塊進(jìn)行處理。OBU通過(guò)數據包中的時(shí)間戳判斷數據包是否過(guò)期，通過(guò)數據包中的順序號判斷視頻數據是否發(fā)生丟包。視頻傳輸中，將攝像頭采集的數據通過(guò)MP4壓縮再按照1024字節的大小進(jìn)行傳輸，接收端如發(fā)生數據包的丟失則相應的丟棄一幀的數據。
數據處理模塊的作用為融合GPS信息獲取模塊、數據傳輸模塊以及視頻傳輸模塊所獲得的數據信息并根據本車(chē)的信息和周?chē)?chē)輛的位置信息，及時(shí)發(fā)出報警。其使用Xvid開(kāi)源編解碼函數庫對接收到的視頻數據進(jìn)行MP4解碼，并顯示解碼后的圖像。表1為車(chē)間通信實(shí)驗平臺的總體性能指標。 |
