Enhancements of V2X Communication in Support of Cooperative Autonomous Driving

Laurens Hobert, Andreas Festag, Ignacio Llatser, Luciano Altomare, Filippo Visintainer,
and Andras Kovacs

摘要

对于汽车行业两个新兴的技术：自动汽车和V2X通信。虽然它们两者经常被分别看待，但将两者联系起来时以下两个关键特点将成为可能：感知和操控（maneuvering）。协同感知让车辆可以从路测设施获取信息。协同操控让车之间更加协调。这两个特点为协同自动驾驶的出现创造了条件，从而极大的改进交通安全、效率和驾驶员的舒适程度。第一代V2X通信系统和标准主要是为预警而设计，而非自动驾驶，比如来自ETSI的Release 1 。

本文对协同自动驾驶的核心功能设计进行说明。强调了为了支持特定书两个无人驾驶应用场景的从新标准演进方向。文章对目标使用场景、识别通信需求的方法和当前（2015年）ETSI发布的V2X通信标准缺失的特点进行了分析。结果是一系列通信标准的扩展和修正条款，这些修改主要是为了便于部署协同无人驾驶。

介绍

近些年（本文发表日期：2015），研究机构和工业界都对支持自动驾驶的汽车表现出了浓厚的兴趣。自动汽车在交通安全、油耗、对于基础设施的使用方面都展现出优势，并且可以让驾驶员在驾驶过程中可以做其他的事情。因为以上原因，无人驾驶有可能会在人和货物运输方面形成一个新的模式。

到目前为止，大多数发展中的自动汽车都具备感知子系统和控制子系统，感知子系统由车载传感器组成，它可以感知车辆周围的环境并生成地图，控制子系统控制车辆的经纬度动作。目前已经对这个方案进行了场地实验，并且形成了以下反馈：1.车载传感器的精度有限，因此只能对邻近的车辆新城检测；2.车辆不能在高复杂场景下有效地完成车辆间协作。

这些限制可能通过V2X通信技术克服，这将让自动汽车的两个关键特性成为可能：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。整合车载传感器和V2X通信的方案也比单独使用高质量传感器的方案更加经济。

很多年来，V2X通信在自动汽车上的应用一直是一个研究课题，比如欧洲PROMETHEUS提出的实现方案，美国PATH自动高速公路系统等。近些年来，对于V2X通信在交通安全和效率提升方面的应用，已经有许多研究计划和成功的实验结果，这些都导致了更多的人致力于将应用于自动驾驶的V2X通信引向实用。协同自动驾驶目前在欧洲的 R&D projects AutoNet2030， i-GAME，AdaptIVe，和COMPANION完成了进一步的发展。

我们将面向自动驾驶的V2X通信技术视为协同车辆通信的自然演变。后者，是指第一代V2X通信系统（1G-V2X），它以提供驾驶员辅助为设计初衷，这也对应了SAE发布的车辆自动化层次的第一阶段。更高级别的自动化提出了1G-V2X所无法提供的新的要求；因此，定义新的或增强的信息通信协议和相应的标准化文件，是协同自动驾驶所需要的。

下一节将对以V2X通信为核心技术的自动驾驶应用场景做一个大致的介绍。重要的是，这可以帮助你识别对于上述场景的V2X需求是什么。在那之后，将给出欧洲目前最先进的V2X标准的概览。基于这些要求和标准，本文将对支持自动驾驶的信息扩展技术给出解释。最后我们将对文章进行总结。

自动驾驶使用案例

自动驾驶的使用场景可以被分为三大类：近距离驾驶，城区驾驶和高速公路驾驶。近距离驾驶案例特指低速运行的汽车——一个例子就是可以实现自动停车的车辆——城区和高速公路驾驶案例关注的是更常见的交通情况。后两类使用场景在提高交通安全和效率方面具有很大潜力。因此，我们给出了四个城区和高速公路的自动驾驶用例。

列队行驶

最近几十年，自动驾驶的应用已经引起了研究和行业的强烈关注，其中之一就是车辆编队（platooning）。在一个队列中中，同一车道上的车辆排成稳定的队形，车之间间隔较小，以增加道路通行能力、提高驾驶员的安全性和舒适性。一个队列通常由一辆主车(通常是领头车)和多辆跟随车组成。

然而，单一队列并不是在高速公路上组织车辆的唯一途径。在一个多车道的列队形式用例中，正如AutoNet2030项目中研究的那样，并不存在集中控制器或领头车。作为代替，车辆控制（包括横向和纵向）都部署在车队的所有成员中(图1)。这种方法的结果是，车辆扰动（比如一个抛锚的车辆）会或多或少地影响车队的所有成员，使队形更加稳定。

为了保持较小的车辆间隙，队列中的车辆高速交换最新并且高质量的车辆动态数据。文献[9]提出的车队控制算法只需要相邻车辆的车辆动力学信息，而不需要所有车队成员的信息。因此，该算法适用于大型车队，并且当车辆加入或离开车队时很容易收敛到理想的队形。

协同式车道变换

在协同变道用例中，参与协作的车辆（包括自动驾驶和手动驾驶）以安全、高效的方式完成合作，完成一辆或一组车辆(如编队)得变道。与传统的变道情况不同，协作车辆共享它们的计划轨迹，以便协商和调整它们的行动。

协同变道可以借助于路边单元来实现，该单元支持相互作用的车辆之间的通信。然而，当这种基础设施不可用时，车辆被迫以一种特别的方式（ad hoc fashion）来协调变道。（如何特别？）

协同式交叉路口管理

对于一个协同式交叉路口，它允许合作车辆在不需要红绿灯的情况下通过交叉口。这种情况需要一种协调机制，以防不同车辆的行驶轨迹重叠。

一种可能的解决方案如图2所示，其中一个路边单元通过实时分配来车的相对优先级，从而达到协调通过交叉口的交通流的目的。这样，车辆就可以按照指定的优先次序高效地通过十字路口。

协同感知

所有上述用例的操作，以及一般的自动驾驶，都依赖于对车辆周围环境的充分及可靠的感知，以便在交通中导航，并以高水平的自动化确保安全。损坏的传感器、盲点和对传感器数据的低信任度可能会降低系统的性能甚至使车辆的自动化功能失效。
在协同感知用例中（如图3所示），为提高个体检测的质量和可靠性，相邻车辆共享从路边传感器获得的信息。

通信需求

1G-V2X主要解决手动驾驶车辆的道路安全和交通效率问题。典型的应用包括障碍物警告，道路工程信息，车载标志，交通灯相位辅助等[6]。上述自动驾驶的用例对通信提出了新的需求。这些新的 功能性需求 如下。

额外的的车辆状态数据：在1G-V2X中，每辆车都会周期性地广播安全信息，告知邻车它的位置、速度、行驶方向和其他参数。而自动驾驶车辆需要在车队行驶和协作变道用例的周期性消息中包含额外的数据，比如它们在未来几秒内的预测路径。

队列管理：在1G-V2X中，车辆与附近的车辆和路边设施进行通信，其中路边设施也可能位于特定的地理区域（也称为安全信息的相关区域）。与这种没有明确成员的开放群体相反，队列代表一个封闭的群体，在这个群体中，车辆需要成为一个群体成员。为了建立和维持队列，协调分散式的行动协商，需要新的团队容错管理机制 。

谈判策略：在自动驾驶中，车辆可能需要主动预留道路空间进行变道操作。与1G-V2X的定期或事件驱动的安全消息分发不同，一个预留（指预留车道）行为需要相关车辆之间进行协商，以请求并确认行动。这种信息交换可以为协作车辆提供最佳和安全的轨迹，并将碰撞风险降至最低。

交叉口管理：1G-V2X依赖于周期性广播交叉口的静态和动态信息，即通过传播交叉口的拓扑结构和车灯信息，实现绿灯最优速度咨询等用例。它还允许请求和改变交通灯控制系统的状态，以便优先控制和抢占道路交通。通过自动驾驶技术，交叉路口管理的通信得到了扩展，允许获得更详细的交叉路口几何形状信息，并为进入的车辆分配优先级，这可能会取代交通灯。

协作感知：通信允许交换从雷达、相机和其他传感器处获得的本地传感器数据。从路面传感器捕获的数据被汇集到道路检测对象（如障碍物、车辆和行人）列表中，这个列表可以与邻近的车辆进行交换。协作感知将传感器的视场范围扩大到V2X通信范围，并实现车辆之间的协作感知。在1G-V2X中，传感器数据的聚合级别要高得多，并且消息只携带一个粗糙的事件分类器和一个大致的区域信息。作为代替，协作感知用例需要交换关于被探测对象的非常详细的信息。

除了以上的功能性需求外，协同自主驾驶对于特定的 性能需求 包括以下几点。

高消息速率：在1G-V2X中，车辆周期性广播安全消息，间隔在100毫秒到1秒之间，在此范围中，具体的消息速率由车辆的运动状态和无线信道上的负载决定。相比之下，由于无人驾驶汽车的车间距离小，这要求使用更高且固定的广播频率，并保证自动驾驶汽车获取临车信息的及时性。这些要求希望自动汽车有一个完整的并且先进的的环境模型，这允许它们以一个安全的方式协作运动。

数据负载控制：车辆间距离小、车辆密度高，导致网络中数据负载高。此外，较高的消息传输速率和由于交换额外控制信息导致的信息负载增大也增大了数据的负载。为了控制网络中的数据流量，需要有效利用可用的频谱，通过分散式拥塞控制(DCC)功能对消息进行有效的优先级排序，并对转发操作进行严格控制。

低端到端延迟：端到端延迟主要包括从本地传感器采集数据的延迟、协议栈中的处理延迟和无线链路上的传输延迟。端到端延迟还包括安全机制（分别生成和验证签名和证书）和DCC函数中的排队延迟所导致的延迟。在1G-V2X中，关键道路安全应用程序的延迟要求设置为300毫秒(ETSI TS 102 539-1)。在自动驾驶的用例中（如车队驾驶），由于车辆之间的距离较小，对延迟要求更严格，这也是为了确保大型车队的编队稳定性。

高可靠的数据包转发： 对于信息交换的可靠性的需求，自动驾驶比1G-V2X更加迫切，因为任何一次丢失或者错误信息都可能导致车辆控制算法的故障，从而导致安全问题。

V2X通信系统在功能和性能上都面临着严峻的挑战。本文建议对1G-V2X进行增强，以应对其中的一些挑战。

目前的V2X通信标准

在过去几年中，V2X通信的研发工作由欧洲标准化委员会(CEN)、欧洲电信标准协会(ETSI)、IEEE和国际标准组织(ISO)负责，这都是在协同智能运输系统(C-ITS)的背景下进行的。这些活动导致了欧洲[11]和美国[12]共用一套的标准。我们总结了由ETSI定义的欧洲Release 1的核心标准，该标准为面向自动驾驶车辆的支持扩展的通信奠定了基础，本文后面将介绍该标准。

图4参考模型的底层由访问技术组成：对于V2X通信，ITS-G5 5 [EN 302 663]是与本工作最相关的访问技术。它具有与IEEE 802.11a类似的特性(例如，正交频分多路复用，OFDM)，但是在5.9 GHz频段上工作，允许基本的ad hoc模式，但禁用管理程序。媒体访问方案依赖于IEEE 802.11中著名的增强型分布式信道访问(EDCA)，具有载波感知多址、冲突避免(CSMA/CA)和服务质量(QoS)支持。在ITS网络和传输层，GeoNetworking协议(EN 302 636-4)在车辆和路边站组成的ad hoc网络中提供单跳和多跳数据包交付。具体地说，它利用包头中携带的地理图形位置来动态地寻址和转发包。在GeoNetworking的顶部，基本传输协议BTP (EN 302 636- 5-1)提供了一个类似UDP的无连接跨端口协议服务。

设施层标准指定应用程序支持功能：协作感知信息(CAM)标准(EN 302 637-2)传达关键的车辆状态信息，以支持安全和交通效率应用程序，接收车辆可以跟踪其他车辆的位置和移动。CAM是通过无线单跳通信发送的周期性消息，而分散环境通知消息(DENM)标准(EN 302 637-3)指定了一种协议，用于在地理区域内传播事件驱动的安全信息，通常通过无线多跳通信to发送。TS103 301中规定了车辆到基础设施通信的设施层消息，包括用于传输关于交叉口拓扑结构(MAP)的静态信息和用于交通灯的动态信息。应用层的标准规定了道路危险信号(RHS)、交叉口碰撞风险预警(ICRW)和纵向碰撞风险预警(LCRW)的要求(TS 101539 -1，-2，-3)。RHS由用于初始部署的用例组成，包括紧急车辆接近、危险位置警告和紧急电子刹车灯。ICRW和LCRW解决了车辆在十字路口可能发生的碰撞以及追尾/迎面碰撞的问题。安全区块的标准可通过数码签署及证书提供密码保护(TS 103097)；但如果出于匿名性要求而更改假名会妨碍追踪。最后，管理标准主要包括对分散数据控制的支持(TS 103 175)。

协作自动驾驶的消息扩展

欧洲1G-V2X系统及其相应标准的规范是由RHS、ICRW、LCRW的应用需求驱动的。如前所述，协同自动驾驶产生了额外的通信需求，并证明了新一代V2X通信的必要性。相对于1G-V2X，新一代通信技术仍然依赖于ITS-G5，但修改了上层协议层。我们扩展和修改设施层以满足新一代通信的功能和性能要求，特别是满足CAM标准(ETSI EN 302 637-2)，同时，我们引入新的设施层组件，如图5所示。图中还展示了增强的网络和传输协议；到目前为止，我们已经展示了geonetwork协议可以被修改以满足队列化用例[13]的网络需求。此外，我们还介绍了BTP的一种改进，称为可靠BTP (RBTP)。然而，这里的重点是设施层组件，如图5中的实心方框所示。

由CAM（ETSI EN 302 637-2）传递的车辆状态信息对于车队和协同交叉路口来说是不足的。为了规划车辆和避免危险场景，这两个用例都需要在相邻车辆之间定期交换与控制相关的数据，例如它们预先确定的轨迹。这条轨迹是由自动驾驶汽车计算，而不能用外部传感器测量。此外，在车队中行驶需要交换额外的信息，如前面和后面车辆的距离、目标速度和加速度以及车队标识符。

为了满足这些数据的要求，我们建议在CAM标准的基础上增加一些高低频的存储器来承载协作式自动驾驶车辆专用的控制数据。高频存储器只储存用于车队驾驶的高速车辆状态的最小集合，这受限于CAM的容量，包括速度、航向、加速度等。低频存储器存储不太重要的车辆控制数据。

此外，还介绍了两种工作模式：普通模式 和 高感知模式。在普通模式下，根据标准的触发条件(即1至10hz)，视车辆的运动速度而定。高感知模式相对于普通模式有所增强，并将传输频率增加到一个固定的值10hz。新引入的存储器只在高感知模式下使用，并在单独的服务信道上使用ITS-G5传输给单跳邻车，以缓解控制信道的频繁使用。

车队控制通信服务

车队控制通信服务*(CCCS)支持车队驾驶用例中合作车辆之间的信息交换，满足车队管理的功能需求。车队成员间消息的传输频率根据车队属性和交通条件进行动态调整。通过CCCS在车队车辆之间交换的消息使每辆车维护一个local graph，图的节点为车队成员；图的边表示车辆运动的依赖性。一个分散式车辆控制算法执行协同操控，调整车辆横向和纵向动向以保持均衡的队形，并根据[9]要求进行变道。

CCCS为车队成员提供的消息类型如下。

加入/离开车队：加入请求是一个由驶近车辆发送的单跳广播消息，它检测到一个车队并请求成为车队成员。类似地，当车队成员决定离队时（例如，当该车辆到达目的地时）将广播一个许可请求，通知邻车它的意图。

变道：变道信息允许车队车辆在车队内改变车道。该消息由一辆队内车辆广播，通知其邻居计划换道。通过这种方式，目标车道上的车队成员将调整他们的位置，为驶来的车辆腾出空间。

修改local grah：由于变道或新车辆进入车队，车辆可以更新其 local graph。在本例中，新graph 通过一个modify local graph消息的形式广播给它的邻车。然后，相邻车辆相应地修改它们自己的local graph，从而确保图在所有车队成员之间的一致性。

协同式变道服务

协同式变道服务(CLCS)用以支持协作变道用例的通信。CLCS通过专用信息支持不属于同一车队的车辆之间的谈判策略。合作变道分为三个阶段。

搜索阶段：在此阶段，待变道车辆宣布自己的变道计划，搜索配对车辆开始变道谈判。这个阶段可以启动并激活的条件是，待变道车辆对交通状况没有足够的认识，并且无法提前选择合适的对等点时。计划的变道行为在变道请求(LCR)消息中进行描述，并在变道区域内进行多跳广播。任何接收到LCR的车辆都将根据自己计划的轨迹来决定它是否是一个合适的配对对象，并通过*变道响应*来进行回应，这是对待变道车辆的单播多跳通信。待变道车辆最终选择最合适的配对车辆，并通过定期广播更新的LCR消息来通知在变道区域周围的所有车辆，包括所选择的配对车辆，直到协同变道行为完成为止。

准备阶段：选定的配对车辆拉开约定的间距，两辆车根据约定的速度和到达时间进行调整。一旦准备好，配对车辆给待变道车辆回复一个*变道准备就绪信息*，那么下一阶段可以开始。

执行阶段：变道行为在此阶段执行，不需要CLCS组件的通信支持。此行为的安全由自动车辆确保，它是基于接收到的摄像头和局部传感器信息的。

在合作变道的所有阶段，都可能会发意外事件，这时就要终止变道。在这种情况下，一个专用的变道中止（LCA）消息在待变道车辆和配对车辆之间交换。CLCS组件使用重传和确认管理机制来改进LCA消息的可靠传递。

协同式交叉路口控制业务

协同交叉口控制服务(CICS)支持协同自动车辆通过交叉口，即根据功能需求进行交叉路口管理。为了实现无碰撞、无死锁的交叉口通行，一个路边单元充当交叉口控制器，协调接近交叉口[10]的车辆的行动。交叉口控制器根据车辆当前状态和预期行动轨迹的信息，按需向车辆发送信息，为车辆分配优先级；这些规则规定了允许它们通过交叉路口的顺序。

CICS提供的消息类型如下。

交叉口进入请求：此单播信息由正在进入的车辆发送，它通过检测交叉口控制器得知交叉路口的存在。在交叉口进入请求中，车辆指定它想要的入口和出口车道，预计进入交叉口的时间，以及关于车辆动力学信息。

交叉口进入取消：通过此消息，车辆可以通知交叉口控制器它想取消前一个交叉口入口请求，例如，为了发送一个带有不同参数的新入口请求。

交叉口进入状态：由交叉口控制器计算出的相关优先级广播给交叉口附近的所有合作车辆。有了这些信息，车辆就能够协同机动，安全地通过十字路口。

值得注意的是，CICS还支持非协作车辆通过交叉路口。可以考虑两种情况：首先，非协作车辆在单独行驶时，交叉口控制器通过交通灯来传达所分配的优先级；第二，如果非协作车辆属于一个由协作车辆领导的队列，所有的队中车辆将按照分配给队长车辆的优先级通过交叉口。

协同感知服务

协作感知服务(CSS)通过协作感知消息(CSMs)实现被检测对象的共享，包括车辆、行人、骑自行车的人等，并支持协作感知用例。

一个CSM可以描述多达16个被探测对象的主要属性，包括位置、航向、速度、加速度和各自的置信度。与原始的传感器数据（如摄像机的视频帧或激光雷达的点云）相比，对象属性较少依赖于传感器，总体上导致传输信息量较少。未来无人驾驶汽车的设计趋势是将多个传感器的数据组合在一起，以完成更简练的检测，提高整体的探测精度。CSS组件可以以两种方式与传感器融合过程交互：作为感知数据的消费者和生产者。作为消费者，CSS使用传感器融合输出构建新的CSMs。作为一个生产者，CSS 组件可以提供接收到的CSMs的内容，并充当一个虚拟传感器。

许多感知传感器的本质是测量和提供相对的对象属性，例如被探测车辆的距离或相对速度。虽然这些值对于自动车辆的控制来说是合适的，但是相对对象的属性并不适合车辆间的共享。因此，CSM只包含绝对对象属性。

CSS组件以1hz的速率构造CSMs，并通过无线单跳向相邻车辆传播消息。为了解决高数据负载的问题，CSMs在服务通道(例如SCH1)上传输，而不是在1G-V2X常用的控制通道上传输。

结论

自动驾驶被认为是一步重大的创新，它有潜力在根本上改变人与货物的流动性。如今，大多数研发的目标是独立自主的无人驾驶汽车，这种汽车能够感知周围环境，并根据这种感知来控制车辆，在这种场景中，驾驶员的干预受限甚至无法干预。该解决方案的固有缺点是车辆之间缺乏协调和传感器感知范围有限，这导致性能不佳。车辆对车辆/基础设施通信(V2X)通过增加自动驾驶车辆的规划视野和实现自动驾驶的两个关键特性：协同运动和协同感知，他们的实现克服了这些缺点。

在本文中，我们提出了协同自动驾驶的四个用例，并分析了它们对安全高效驾驶的要求。与第一代V2X通信系统(1G-V2X)及其对应的第一版通信标准相比，协同自主驾驶函需要适应和扩展。我们展示了了一个由ETSI提出的的V2X通信系统标准化的演变。特别地，我们已经展示了作为V2X核心设施的CAM标准如何扩展，我们也介绍了新的设施层组

提出的用于协同自动驾驶的V2X通信系统使用了一个增强的基于ITS-G5-based的协议栈。这种方法允许以1G-V2X为依赖，逐步部署用于协同自动驾驶的下一代V2X通信。虽然1G-V2X预计将在未来几年内推出，但AutoNet2030和其他项目有助于为下一代V2X通信系统开发概念、协议、原型实现、评估和标准。AutoNet2030将特别侧重于使用模拟和演示通过AutoNet2030概念的原型来分析量化性能需求。总而言之，这些进展将证明，为实现全面自动驾驶的远景，V2X通信将会对自动驾驶等级的演进起到重要作用。

致谢参考作者介绍略

后记：

第一次将论文翻译过程以blog的形式呈现出来，整个过程除去排版大致用了一整天。

有一些词汇翻译的可能不是很准确，有错误欢迎私信指出。

最开始用的Markdown但是插入图片很麻烦还怕因为路径变更导致图片挂掉，后改用了CSDN的富文本编辑器，也十分不方便（连文本居中、字体选择都没有），这部分以后再探索吧。

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