基于5G的车路协同智慧高速关键技术研究与应用

究与应用

摘要：十三五期间，国家将进一步加大智慧交通建设步伐，智能路侧基础设施的建设、大数据的采集与应用、信息化的管理手段，都可以更有效的服务于无人驾驶技术的应用。高速公路最有可能成为率先实现无人驾驶的应用场景，因此高速公路建设运营管理单位在无人驾驶商用过程中起到举足轻重的作用。5G-V2X是智慧交通的重要组成部分，也是智能网联汽车和无人驾驶汽车不可或缺的重要技术。

关键词：5G的车路协同；智能网联公路；关键技术研究

1. 项目实施的创新性与先进性

1.1创新性

车间通信5G-V2X技术主要关注的性能指标包括数据传输延迟、信道切换、目标分类的准确性等方面，本项目着重针对这些方面进行关键技术突破，其创新性表现在：

（1）基于5G的多传感器融合技术

研究多信息（5G-V2X、ADAS、雷达）采集与融合技术，并实现与自动驾驶的融合，提高自动驾驶的数据精度，优化车辆编队的效果。

（2）基于5G -V2X的专有通信协议

研究用于在5G通信环境下，扩展车辆编队的专用通信报文的方法，并支持基于中国V2X标准的软件协议栈，为编队驾驶场景提供更丰富的信息。

（3）针对车间网络的信道切换时间同步的特殊性，提出一种时间同步算法

通过快速的簇头决策和减少泛洪的范围，有效地降低车间网络的资源消耗，，大大降低了延迟所引起的不确定性。

（4）提出一种动态自适应拥塞控制算法

该算法首先根据车载网络环境的繁忙等级状况，动态的确定最大信标帧负载MBL及信标帧Beacon的发送频率，每个车辆可以实时准确的感知周围车辆的运行状态。

（5）结合车载网络的特点提出消息调度策略

设定不同优先级的调度队列，整体上保证安全类消息的优先级高于服务类消息；考虑消息在不同节点上的优先程度有可能不同，提出了基于时间及空间有效性的动态优先级算法能有效避免网络拥塞。

1.2先进性

本项目在信道预测、功率动态调整、预警系统等方面体现了一定的技术先进性，其主要表现在以下几方面：

（1）通信性能优化技术

5G-V2X无线信道性能优化技术研究，降低时延和丢包率，提高网络带宽；5G-V2X路由协议和优化算法研究，缩短多跳时延，提高多跳可达率。

（2）定位精度优化技术

研究基于5G-V2X的车辆运动轨迹拟合技术，提供精准的轨迹信息；优化基于5G-V2X的惯性导航系统，提高定位精度，提供更精准的车辆位置信息。

（3）基于最小二乘法的线性回归预测信道切换时间算法

算法使用最小二乘法确定了时间直线的斜率和截距，并通过引入预测切换周期的概念，可以精准的预测出车辆节点的服务信道切换时间。

（4）一种优化的基于D-FPAV的功率动态调整算法

在不超出信道负载的情况下，发送功率尽量取得最大，既满足不造成信道拥塞，又保证让更多车辆接收到车辆状态信息，并且能够快速收敛。

（5）一种基于车车通信的紧急制动预警系统

从紧急制动的安全距离及影响车辆的判断算法两个方法考虑紧急制动的触发条件，能够提前给驾驶员进行告警，提高危险预警的准确性和实时性，增强危险预警对驾驶员行驶的指导作用。

1. 项目的关键技术及应用场景

项目适用于自动驾驶各个级别的V2X场景；适用于停车场应用。 2.1感知数据共享

感知数据共享/车路协同感知是指在混合交通环境中，车辆自身的感知设备和集成到路侧单元（RSU）的感知设备探测周围车辆、行人、骑行者以及其他路面交通信息，并对这些信息进行处理后，通过V2X转发给周围其他搭载V2X的车辆，其他车辆收到这些信息后可以增强自身感知能力，辅助自身做出正确的驾驶决策。

感知数据共享/车路协同感知主要分为两类场景：（1）车车感知数据共享。车辆通过自身感知设备探测到周围其他交通参与者，并将探测目标的类型、位置、速度、方向等信息进行处理后通过V2X发送给周围其他车辆，并根据自身的位置、行驶轨迹以及目标的位置、行驶轨迹等信息进行预判，减少了交通事故和二次伤害，提高了行车安全或通行效率。（2）车路感知数据共享。在交叉路口或者事故多发路段，可通过路侧感知设备对周围车辆、行人、骑行者以及其他路面交通信息进行扫描探测，并将探测到的目标物的位置、速度、方向、属性等信息实时传送给路边计算单元，路边计算单元处理这些信息后，再通过路侧单元（RSU）发送给周围车辆，收到信息的车辆可提前感知这些目标物，并做出合理的行车判断，提高行驶安全和通行效率。

2.2车辆编队

车辆编队系统需要实现车辆编队的管理，包括创建车队、加入车队、离开车队、解散车队等状态的切换，使得整个车队步调一致，协调运行。车辆编队系统能够有效提升车队管理效率，保证车队领队信息获取的全面性，提高驾乘体验的安全性、舒适性、运输效率和燃油效率等，降低大气污染，减少人员成本和交通拥堵。

车辆编队主要应用场景有：创建车队、加入车队等。 2.3远程驾驶

远程驾驶是指驾驶员在远程控制舱，基于云端/服务器、路侧端或近基站服务端，与被控车辆建立连接，实现远程操控车辆。驾驶员可基于车辆传感器上报的实时状态信息，高效安全的驾驶车辆；云端系统基于地图信息、交通基础设施信息、路网交通状态信息、以及综合感知信息等，预测交通运输系统状况，通过云端计算出车辆的行驶策略，为驾驶员规划最优的路径方案。

远程驾驶应用实现车辆的远程控制，有效的降低驾驶员的危险系数、降低驾驶成本，在长途物流运输、货运港头、矿山等特定区域是重点关注的应用场景。主要场景有车辆基于V2I通信与云端建立连接，驾驶员向云端/服务端请求车辆的控制权；云端/服务端通过RSU/基站获取HV车辆的实时状态信息，将此消息传输给驾驶员远程控制舱等。

2.4协作式交叉口通行

协作式交叉口通行是指主车（HV）驶向交叉路口，OBU向交叉口管理设施发送车辆行驶信息，交叉口管理设施根据车辆行驶信息、目标交叉路口的交通控制相位信息、其他车辆上报的行驶信息、以及路侧传感器上报的感知信息，为HV生成通过交叉路口的通行调度信息，结合V2X功能获取的其他RV行驶状态信息、以及自车车载传感器感知的周边环境信息，控制HV通过交叉路口。

2.5动态车道管理

动态车道管理是针对交叉口的拥堵问题，通过交叉口处的动态划分车道实现对交叉口进口道的空间资源进行实时地合理分配。通过交叉口范围内的车辆与路

侧单元的实时通信，路侧单元收集网联车辆（CV）的状态数据包括位置、速度、转向等等，实时确定交叉口的各个流向的交通需求，进行进口道车道功能的划分，并将结果发送给车辆，通过动态的车道管理提高交叉口的运行效率。

应用场景主要是交叉口各流向的需求变化较大的情况。对于车道功能固定的交叉口，在各流向的交通需求波动较大时，现有的车道可能无法满足某一流向的需求从而无法提供足够的排队空间，造成严重的拥堵。通过动态车道管理可以实时的匹配各流向的交通需求，最大程度上给每个流向车辆提供充足的排队空间，减少排队长度和二次排队次数。

5G-V2X技术发展水平，使性能指标处于国际领先地位。项目成果的应用，将为智能驾驶、智能交通和车联网创新提供低成本、易实施的技术路线和基础平台，加快智能网联驾驶技术成熟，促进智慧交通和智能驾驶产业链集约发展，有效加速相关产业布局，为我国交通安全形势根本好转带来重要机遇。同时对于推动智能网联驾驶技术成熟及商业化落地，推动产业格局及商业模式的全面重塑，引领智能交通进入车联网时代具有积极的现实意义。

参考文献：

[1]5G与车联网——基于移动通信的车联网技术与智能网联汽车[J].中国信息化. 2019(06)