V2X车联网关键技术及应用

引 言

V2X 即 Vehicle to X， 其中 X 代 表 路边 基 础 设 施

（Infrastructure）、车辆（Vehicle）、人（Pedestrian）、路（Road）等。其概念的表述是物联网应用的实现和对 D2D（Device to Device）技术的深入研究。

V2X 通信类型如图 1 所示。V2X 包括 V2V，V2I，V2P， V2N 等四大类，而这四种类型协同合作是实现自动驾驶和智慧交通的重要环节。大力发展 V2X 车联网技术不仅能减少交通事故的发生概率，提高道路交通的安全性，同时还能为实现自动驾驶、智能交通和下一代车联网提供低成本、易于部署的支撑和基础平台。

1 V2X关键技术

在智慧交通系统中应用 V2X 车联网的主要目的在于提高道路的安全性、解决交通问题和优化交通管理等，需要通过车辆与路侧单元、车辆与车辆等通信方式来向周围车辆实时准确地发送安装在车辆上的RFID（射频识别）、传感器等采集的车辆状态信息（特别是车辆的位置、速度、方向）。这些信息汇聚后通过数据分析、处理来提取出有效信息，为车辆的出行提供智能的决策依据。在此过程中涉及的关键技术分别是在车辆高速行驶时能支持实时可靠通信的无线通信技术，用于获取车辆精确位置的感知技术，以及海量数据处理评估技术。

1.1 无线通信技术

V2X 网络系统通过无线通信技术（欧美的 802.11P 和我国的 LTE-V）实现信息交互。该技术实施的关键在于无线通信技术的时效性，即需要确保网络的接入时间最短，传输时延较低，同时还需保证信息传输的可靠性和安全性等。在一定范围内，为实现车辆间通信，不仅要实现频谱的再利用以满足通信带宽要求，还需要建立核心网络，并利用系统的专用特殊组件来完成信息的中转和传输。

1.2 车辆感知技术

作为实现车联网应用重要基础的实时精准的车辆状态感知技术十分重要。车辆状态的感知技术通常包括车辆运动状态的感知技术和行车环境的感知技术。通过这些技术来感知车辆本身和周围车辆的运动状态，从而分析判断是否存在安全隐患。

在车辆运动状态的感知过程中，使用 CAN（控制器局域网络）采集车体内各 ECU（电子控制单元）和传感器设备产生的实时状态数据（车辆的行驶状态、安全设备等），通过对这些信息的综合分析来获得车辆的运动状态。其中，用位置感知获取精准的车辆位置信息尤为重要，位置感知通常分为绝对位置感知和相对位置感知，不同的位置感知技术和精准度被要求应用到不同的道路上。

车辆环境信息感知技术主要用于获取车辆周围环境的信息，例如道路线形、周围非机动车辆和路面状况等。可以通过交通地理信息系统获得路线信息，或者通过车载设备采用模式识别技术完成线形在线识别。利用红外传感器和车载雷达可以感知路边行人和非机动车辆的信息。有关路面状况、冰雪冰冻程度等信息则可利用激光、视频和红外技术等进行检测和采集。

1.3 数据处理技术

基于 V2X 的智能辅助驾驶系统通过信息融合和数据挖掘两种手段对车辆产生的海量数据进行综合分析和评估，进而根据处理结果做出智能决策。

信息融合即数据融合，其大体可概括为利用计算机技术关联和分析传感器从多个信息源采集的信息，并根据算法优化准则优化处理后的信息，最终获得智能决策所需的有效信息。在车联网系统中，信息融合技术主要是把来自车联网各部分的信息（车载信息、路侧信息等）进行加工融合，从而获得车辆行驶所需的有效信息。

数据挖掘是处理持续增长的海量数据的基础，一般包括寻找前期数据、探索数据规律和规律表示三个步骤 ：

从相关数据源中选出所需数据，并整合成数据集 ；

通过算法找出数据中所包含的隐含规律 ；

使用方便用户理解的形式标出数据规律。

2 V2X技术标准

当前 V2X 技术分为 DSRC（专用短程通信）和 LTE-V 两种，其中DSRC 主要基于 IEEE 802.11p 与IEEE 1609 系列标准， 是一种专门用于 V2V 和 V2I 之间的通信标准，其通信结构如图 2 所示。LTE-V 是基于 LTE 的智能网联汽车协议，由 3GPP 主导制定规范。

图 2 DSRC 结 构

DSRC是基于 802.11p协议及其延伸扩展的技术，其典型应用场景有与安全相关的应用和非安全相关的应用。由于车辆的高移动性特点，DSRC技术对数据传输的高可靠、低延迟等要求进行了优化，使其适用于 V2V和 V2I场景。但 DSRC 技术也有很大的缺陷，当用户数量较多时，系统容量急剧下降， 传输时延增加等。此外，DSRC因其路边设施投入大，难以盈利，导致难以实现大规模的商业化使用。

LTE-V 是基于第四代移动通信技术的扩展技术，它是专为车辆与车辆间通信协议设计的 V2X 标准，其网络架构如图 3 所示。LTE-V 包括两种工作模式，分别为 LTE-V Uu 和LTE-V PC5。前者表示接入网 - 用户终端 ；后者是直接通信空口 D2D 短距离直传。Uu 空中接口主要用于传统的车联网通信业务，能满足网络与终端之间的大数据量要求 ；基于 PC5 的V2X 以 LTE-D2D 技术为基础，可实现 V2V/V2I/V2P/V2R 等V2X 业务，满足终端之间低延迟和高可靠性的要求。

从技术定义可以看出，DSRC技术直接与 LTE-V的PC5 空中接口类似，但 DSRC不具备 LTE-V 技术中 Uu空中接口的蜂窝通信能力。因此，如果 DSRC的车载终端设备想要实现蜂窝网络数据传输，则仍需依赖 LTE等蜂窝技术。3GPP 组织在近年来已制定了多种 V2X技术标准。

3 V2X技术典型应用

车联网具有大量运用场景，可应用于道路交通信息提示、协作车辆预防碰撞服务、自动停车系统等方面。如今有些已被实际使用，其余一些人们正在讨论和研究。

3.1 道路交通标识信息提示

目前驾驶员在驾驶车辆时，其获得交通标识信息的途径是眼睛，但由于人本能的反应时间，导致从发现标识到采取措施的时间极短，很容易造成交通事故和出现违规行为。V2X 技术可以有效缓解这种状况。车联网中的路侧单元会将道路上的状态信息（限行限速、信号灯状态等）传输到车载终端，车载终端处理后提前生成提示信息（减速、直行等）并发送给驾驶员，以便驾驶员提前采取应对措施减少交通违规现象的发生。

3.2 协作车辆预防碰撞服务

通过预防车辆碰撞来提供道路安全服务，在该过程中， 车辆通过V2V 获取和交换自身与周围车辆的运动状态信息， 并根据这些信息得到环绕本身车辆一周的邻近车辆的状态图， 分析判断是否存在潜在威胁，从而为驾驶员提供决策参考， 该过程为“协作”碰撞起预防作用。

4 自动停车系统

在具有大量停车位的停车场中，由于停车管理效率低， 驾驶员通常很难在第一时间找到停车位，所以 APS（自动停车系统）显得十分重要。APS 是一个可以提供各区域（市区街道、公共停车场等）实时停车位信息的数据库，其不仅支持通过智能手机访问实时数据库来获取停车位信息，还允许司机预留可用的停车位，通过导航等应用程序将车辆引入停车位，并可使用免提支付停车来提高停车效率。

5 结 语

V2X车联网技术是一种利用信息与通信技术来解决道路安全问题的新型技术。它整合了通信系统、信息处理、物联网、定位感知等领域的尖端技术，通过车辆与车辆、车辆与人以及车辆与基础设施等的信息交互，形成了车辆与外界之间的动态移动通信网络系统，使汽车不再只是一种交通运输工具，更成为了网络系统中可移动的节点。V2X 车联网技术的不断发展和应用将会推动智能交通的进一步发展，从而改变人们的交通生活。