1、 交通信息物理体系车载节点通信技术概述1 绪论1.1 研究的背景及意义随着社会经济的不断发展和城镇化进程的不断加快，我国的城市交通发展步伐不断加速，汽车得到了空前普及，截至 2013 年底，我国机动车数量突破 2.5 亿，其中汽车达 1.37 亿辆，增加 1651 万辆，增长了 13.7%。道路交通流量和驾驶员数量连续多年呈高位增长，由此引发的道路交通拥堵、交通事故频发、交通污染不断恶化等问题日益凸显。新情况和新问题不断涌现，给人们的生命财产安全造成了极大的伤害，严重影响了经济的发展。因此，当前形势下大力发展交通建设、提高交通安全水平、降低交通事故的发生率已经引起全社会的高度重视，也是当前形势
2、下发展经济、构建和谐社会的迫切需求。我国政府和学术界长期致力于构建高效、快捷、安全和绿色的交通运输环境。2006 年美国国家科学基金会 National Science Foundation，NSF）首次提出信息物理系统 (Cyber-Physical System, CPS)的概念，此后 CPS 迅速受到社会各界的广泛关注，更有专家预测 CPS 将会像计算机和互联那样成为改变人类认知方式，推动人类社会进步的又一次信息科技革命1,2。CPS 是通过计算Computation）、通信 Communication）和控制 Control）3C 技术3,4实现计算、络和物理环境有机融合与深度感知的多
3、维复杂系统，集计算、通信、感知、控制为一体，主要特点是通过 Cyber System 与 Physical System 之间的相互反馈作用，实现对工程中大型系统实时、动态的感知与控制。目前已成为计算科学、通信络、传感与控制等多学科的共同研究热点，受到国际学术界、企业界和政府的广泛关注和大力扶持，在交通系统、智能电、远程医疗、环境监测、航空航天等多个领域均具有较高的应用前景与价值。.1.2 国内外研究现状随着 CPS 越来越被人熟知，其广阔的应用前景也受到社会各界的高度认可，各国政府和研究机构纷纷投入大量的里、物力和财力开展 CPS 相关研究。美国、欧洲、日本、韩国等国家先后将其列为重点资助发
4、展的领域并制定了一系列的研究计划。2006 年 2 月签署的美国竞争力计划中，首次把 CPS 作为国家战略研究项目列出7 。 2007 年 7 月，美国总统科技顾委会 PCAST）在题为挑战下的领先竞争世界中的信息技术研发的报告中将 CPS 作为 8 大关键信息技术之首列出8。随后，美国国内掀起了研究 CPS 的浪潮，NFS、NASA、NSA 等多家美国机构先后支持并参与 CPS 的研究。从 2006 年到 2009 年末，NSF 共批准 130 余项 CPS 相关项目，四年批准的项目数分别为 8 项、26 项、32 项和 66 项，批准项目数呈逐年递增趋势，资助范围主要包括：基本理论、基础结
5、构、基础应用、络基础、支持技术、相关国际会议及论坛等9。CPS 在欧洲也得到了充分的重视，欧盟为了成为智能电子系统的领袖，计划在 2007 年到 2013 年的七年间投资 54 亿欧元用于 CPS 相关研究10。从 2008 年开始 CPS 逐渐逐渐引起国内有关部门、学者以及企业界的广泛关注和高度重视，把 CPS 作为国家信息技术发展的方向，并着手投入研究。国家自然科学基金、科技部 973 计划和 863 计划都已将 CPS 列为重点资助领域11,12 。2010 年 1 月 15 日，科技部高新技术及产业化司和 863 信息技术领域办专门组织 100 多位专家学者在上海举办了信息-物理融合系
6、统 CPS 发展战略论坛 ，会上专家学者们围绕 CPS 科学基础及其关键技术进行了探讨，并研讨了 CPS 技术在智能交通、智慧城市、环境保护、智能电、公共安全、智能家居、数字医疗、数字农业等领域的应用13,14。目前国内仅在个别高校成立了 CPS 研究小组和相关的研究室，但这些结构规模尚小，研究内容单一，研究进度及成果不明显。随着 CPS 关注度的不断提高及相关基础理论体系的不断完善,会有越来越多的研究机构和专家学者参与到 CPS 的研究工作中来。.2 交通信息物理系统(TCPS)2.1 TCPS 体系结构在交通系统存在的诸多问题中，大都是由于没有从根本上解决交通物理系统与交通信息系统的深度融
7、合造成的，二者的分离使得交通物理系统的特征和状态不能够实时、可靠地传输到交通信息系统，同时交通信息系统的控制决策指令也不能实时、正确地控制交通物理系统的行为，这种信息传输的滞后是造成交通拥堵、交通事故等问题的主要原因。如果能实现对交通物理系统中驾驶员、车辆、交通路况及其他交通设施状态的综合感知，并有高速、优质、可靠的通信络保证信息的实时、高效、安全的传输，结合交通信息系统强大的海量数据处理能力，形成实时、正确的控制信息，进而实现对交通物理系统的实时、有效、正确的控制和信息的共享，将为解决上述交通问题提供一条全新有效的思路和途径。将 CPS 运用于交通系统，实质上是基于其计算、通信、控制 3C
8、融合的核心，发挥计算技术、通信技术、新型传感器技术和自动控制技术等在计算、传输、存储、信息挖掘与感知和优化控制等方面的特点，将交通物理系统中的交通设备状态和路况信息等传递到交通信息系统中，在准确地分析交通状况后，精确的完成数据处理及时做出对交通信息系统的控制决策，并将控制决策指令传递到相应的控制系统或执行器正确地控制交通物理系统的行为。通过交通物理系统与交通信息系统之间的反馈控制作用，实现交通系统的实时准确地进行信息交换、优化控制和合理执行，达到人车路环境的高度融合，从而使交通系统的安全性、可靠性和工作效率均得到极大地提高36。2.2 TCPS 体系各层次阐述交通系统是一个由交通参与者、车辆、
9、道路和交通环境等要素构成的动态系统，这些要素的相互作用构成了一系列的交通事件。交通参与者是影响交通事件的最活跃的要素，参与者的一举一动、思想情绪、思维方式等作用在不同的要素上都会产生不同的交通事件。车辆是交通系统中流动性最大的要素，也是诸多交通问题的根源所在，车辆的性能、状态是影响车辆安全行驶的重要因素，也是影响交通事件的重要因素。道路是交通系统中的重要载体，道路的设计、路面结构以及沿线的交通标志等也会对交通事件产生直接影响。交通环境不仅指实时的天气状况，还包括交通设施的工作状态、道路的实时交通状况、道路地貌、噪声污染等因素。驾驶员行车的行为举止和判断力不仅受到自身习惯和思想情绪的影响，还在一
10、定程度上受到天气状况、车辆密度、道路地貌等交通环境的影响。交通系统中人、车、路、环境等要素以及要素之间相互作用形成的交通事件等构成了 TCPS 的物理层，也是交通系统的主要研究对象。.3 WAVE 协议介绍.153.1 概述 .153.2 IEEE 802.11p 介绍.163.3 IEEE 1609.4/1609.3 介绍 .203.4 本章小结 .234 WAVE 短消息协议设计与实现.254.1 WIBSS 中 WSM 的实现过程 .254.2 WBSS 中 WSM 的实现过程.324.3 实现 RSU 与 OBU 之间通信 .354.4 本章小结 .385 车车间通信的路由算法设计与实
11、现.395.1 算法引入 .395.2 算法思想 . 405.3 算法的实现 . 455.4 本章小结 . 496 仿真与分析6.1 NCTUns-6.0 介绍NCTUns 仿真软件由台湾国立交通大学研发的一款具有模拟和仿真交通系统中车载通信功能的络仿真器。NCTUns-6.0 是该工具的第六版，已经提供了对 IEEE802.11p 和 IEEE 1609 系列标准的仿真支持，而且一直对外开源。由于前几版的成功与不断改进，吸引了成千上万的用户使用该类软件。之后又推出了功能更加强大的商业版 EstiNet7.0，但是不再向用户免费提供。由于本文主要针对 IEEE 802.11p/1609 仿真，
12、所以选择开源的 NCTUns-6.0 作为仿真平台。NCTUns-6.0 的体系结构主要包括图形用户界面 GUI），仿真引擎 SE），车辆代理 CA）和信号代理 SA）。图形用户界面：主要提供路建立、汽车配置文件设置、车辆调配、车辆运动设置和络协议设置等五大功能，帮助用户方便地生成模拟情况下所需要的配置文件。仿真引擎：读取各类信息文件，主要包括车辆配置文件、协议模块规格的配置文件、障碍物规范文件、应用程序启动配置文件等。车辆代理：读取路规范文件，建立自己的路数据库，读取车辆配置文件，负责控制车辆移动。信号代理：负责控制交通灯等交通信号，在信号信息数据库完成交通信号状态的更新。.总结TCPS 作
13、为 CPS 在交通领域的子系统，将信息物理系统的思想引入到交通系统中，为未来智能交通系统的发展提供了新的发展方向。车载节点作为 TCPS 交通路的一个节点，是交通系统的重要组成部分，其通信能力的好坏，直接关系到交通系统的安全、稳定与否。因此把 TCPS 中车载节点的通信技术作为研究对象，实现车载节点之间、车载节点与路边设施之间的通信，对未来交通系统安全性、稳定性以及运输效率的提高具有很高的促进作用。本文基于目前备受关注的 WAVE 协议为依托，重点研究了车辆与车辆之间、车辆与路边设施之间实现 WSM 消息通信的设计与实现过程，具体是从以下几个方面开展研究工作的：(1) 提出了 TCPS 层次体
14、系架构，架构共划分为四个部分：物理层、融合层、信息层和应用层。体系架构的提出对于后续更加深入、全面的开展研究工作是有必要的。(2) 在简要介绍 WAVE 协议的系统架构的基础上，重点分析了 WAVE 中的 3 个核心协议 IEEE 802.11p 和 IEEE 1609.4/3 协议，了解了 WAVE 协议中的多信道协调机制以及 WBSS 和 WIBSS 两种通信模式，对下一步实现通信打下理论基础。(3) 详细研究了基于 WIBSS 通信模式下的 OBU 与 OBU 之间通信的实现过程以及基于 WBSS 模式下的 OBU 与 RSU 通信的实现过程，并通过 Socket 接口编程实现 OBU 与 RSU 之间的通信。(4) 针对 OBU 与 OBU 之间信息通信的路径选择问题，提出了 VP-LD 路由算法，该算法在对下一跳 NHV 的选择时，首先过滤掉与 DV 不在同一方位的车辆，然后在其他的相邻车辆中选择通信链路持续时间最长的车辆作为 NHV，以应对交通环境中快速变化的络拓扑结构对通信连通性带来的影响。并在 NCTUns-6.0 平台上测试了该算法的相关性能。
