概要

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内涵协同感知的内容，后文对架构和应用层描述较多，通信方面描述较少

自动驾驶有两个关键特征：感知和操控（maneuvering）。若想更好的增强这两个功能，将V2X通信技术融入到汽车中比单独从汽车上下功夫会产生更好的效果。本文发布时所普遍使用的第一代V2X是以“为驾驶员提供预警信息”为出发点，并未具备自动驾驶场景所需要的一些功能，要实现后者，势必要对其进行改进。这篇文章完成了以下工作：

1. 介绍自动驾驶研究的技术背景（2015时间点）
2. 介绍了自动驾驶的使用场景（案例）
3. 以自动驾驶为使用场景的通信技术的功能性需求、性能需求
4. 目前的V2X通信标准
5. 应用于协同自动驾驶的消息扩展

1.技术背景

感知和操控在传统汽车中是交由传感器独立完成的，但因传感器精度有限及应用场景的复杂性，很难完成大范围环境感知与控制车辆间协作（比如A车要向B车所在车道变道，B车只有高频次的对前方物体进行探测才能避免碰撞，这对传感器的精度、使用频率要求都很高；但若A可以向B发个变道预警，那么B在未收到预警时就可降低探测的频率）。将通信与自动汽车结合对感知和操控的增强体现在以下两个方面：

• 协同感知 ：通过相互交换传感器信息增加感知范围；
• 协同操控 ：使一组自动汽车根据一个集中式或分散式的决策指定策略协同驾驶。

2.使用案例

列队行驶：一个车队由一个leading和多个Following组成，队内成员以较高频率交换互相的数据，维持车之间较小的间隔，从而保证道路通行能力并提高安全性和舒适性；多车道时，也有可能不存在leading，车辆控制部署在每一个成员车辆中，这种情况下一辆车的故障会或多或少的影响整个车队，从而导致车队的编队更稳定。

协同变车道：借助路边单元，车辆相互共享彼此的计划行驶轨迹，从而协商和调整彼此的行动。

协同交叉路口管理：这里需要一个协调机制来确保车的轨迹不会相互重叠（防止碰撞呗），一种可能的方案是通过路边单元来分配车的相对优先级。

协同感知：车之间共享感知信息以完成对更大范围的感知。（有时候也可利用路边传感器的信息）

3.通信需求

从期望实现的功能出发对通信提出要求：功能性需求

• 可传输更大量的车辆状态数据：比起过去的位置速度等信息，通过通信传输的信息量更大，比如可能要求传输在未来几面内的预测形式路径等信息。

• 队列管理：这里的队列指车队的成员列表，这个列表的创建和变更都需要管理机制进行管理。

• 谈判策略：当车道变更等需要其他车辆配合的行为发生时，需要相关车辆通过协商决定下一步的动作。

• 交叉口管理：1G-V2X通过周期性广播交叉口的信息实现绿灯最优速度查询、交通灯时长变化等功能（这都是以听从交通灯的管控为前提的）；自动驾驶允许传输更加详细的信息，控制中心将为车辆分配优先级，可能不再需要交通灯的调控。

• 协作感知：目前车辆通信交换的信息很粗糙（如一个粗糙的时间分类和大致的定位信息），协作感知要求可以交换彼此更详细的信息。

从性能出发对通信提出的要求（也就是具体要提高哪些指标）：性能需求

• 高消息速率：因为车间距减小了，所以要提高信息交换的频率。从1-100Hz的消息交换频率的基础上提高。
• 能进行数据负载控制：车辆密度加大导致负载增加。通过利用可用频谱或分散式拥塞控制改善。
• 低延迟：包括传感器数据传输的延迟、协议栈中处理延迟和链路上的传输延迟。目前的延迟要求为300ms，在此基础上降低。
• 高可靠的数据包转发：为防止控制算法故障，对信息交换的可靠性要求更大了。

4.目前的V2X通信标准

主要是由欧洲的CEN、ETSI、IEEE、ISO负责，在C-ITS（协同智能运输系统）的背景下进行。以下说明欧洲的Release 1的核心标准。

 ISO/OSI参考模型从下到上分为：1 物理层、2 数据链路层、3 网络层、4 传输层、5 会话层、6 表示层、7 应用层。共七层。（图左侧标注）

与1G-V2X的对应为：

• 1 2  -> 接入技术：ITS-G5技术、Cellular蜂窝技术
• 3 4 - > 网络和传输：GeoNetworking协议提供单跳和多跳数据包交付；基本传输协议BTP（一种类似UDP的无连接跨端口协议）
• 5 6 7 ->  设施层：
  • 协作感知信息（CAM）传输关键的车辆状态信息（用来安全和交通效率应用）；通无限单跳发送周期性消息
  • 分散环境通知消息（DENM）用于在地理区域内传播事件驱动的安全信息。通过无线多跳通信发送
  • 车辆到基础设施通信的消息：传输交叉口阔普的静态消息和交通灯的动态消息
• 5 6 7 -> 应用层：
  • 道路危险信号 RHS：近畿车辆接近、危险位置警告、紧急电子刹车灯等
  • 交叉口碰撞风险预警 ICRW：十字路口可能发生的碰撞问题
  • 纵向碰撞风险预警LCRW：十字路口可能发生的碰撞问题

5.协作自动驾驶对协议的扩展

1G-V2X是由RHS、ICRW、LCRW等应用驱动。新一代通信技术仍然以来ITS-G5但修改了上层协议层。为适应其变化，我们扩展何修改设施层以满足通信需要。

与1G-V2X相比，变化如下

• 网络和传输层：更换BTP为RBTP(可靠BTP)，删掉GN6

• 设施层：CAM无法传输大量的状态信息，因此在此基础上增加高频和低频的存储器（Extended CAM）来承载控制数据。另外增加了CCCS、CLCS、CICS、CSS

  • CCCS --- 车队控制通信服务：支持车队成员间信息交换，满足车队管理的需求

    • 可动态调整成员间信息的传输频率，并维护一个local graph，其中记录了车队成员和成员间相互运动的依赖性

    • 消息类型：加入/离开车队、变道、修改local graph

  • CLCS --- 协同式变道服务：支持不属于同一车队的车进行谈判

    • 分为：搜索、准备、执行 三个阶段；

    • 意外发生时通过变道中止（LCA）消息中止动作，通过重传和确认管理机制保证LCA消息的可靠传递

  • CICS --- 协同式交叉路口控制：由路边单元充当交叉口控制器，为车辆分配通行优先级

    • 消息类型分为：交叉口进入请求、交叉口进入取消、交叉口进入状态；

    • 支持非协同车辆通过交叉口：1 通过交通灯控制；2 若此车在队列中，则跟随队长优先级通过路口

  • CCS --- 协同感知：通过协作感知消息（CSMs）实现监测信息共享

    • 一个CSM可描述多达16个对象属性，包括位置、航向、v和置信度等

    • 与传统传感器感知对象的相对速度不同（相对速度：你在一辆50km/h的车上观测一辆60km/h的汽车，观测结果是10km/h），CSM只提供对象的绝对属性。

    • 以1hz构造CSMs，通过无限单跳传输，在服务通道而非控制通道上上传输，用以解决高负载问题。

• 应用层：不再强调RHS等事件，以自动驾驶应用统一标识

• 此外还增加了普通模式和高感知模式两种工作模式，高感知模式下，通信频率由原来的1-10Hz变更为固定的10Hz。

最后

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