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
對於汽車行業兩個新興的技術：自動汽車和V2X通信。雖然它們兩者經常被分別看待，但將兩者聯繫起來時以下兩個關鍵特點將成爲可能：感知和操控（maneuvering）。協同感知讓車輛可以從路測設施獲取信息。協同操控讓車之間更加協調。這兩個特點爲協同自動駕駛的出現創造了條件，從而極大的改進交通安全、效率和駕駛員的舒適程度。第一代V2X通信系統和標準主要是爲預警而設計，而非自動駕駛，比如來自ETSI的Release 1 。
本文對協同自動駕駛的核心功能設計進行說明。強調了爲了支持特定書兩個無人駕駛應用場景的從新標準演進方向。文章對目標使用場景、識別通信需求的方法和當前（2015年）ETSI發佈的V2X通信標準缺失的特點進行了分析。結果是一系列通信標準的擴展和修正條款，這些修改主要是爲了便於部署協同無人駕駛。
介紹
近些年（本文發表日期：2015），研究機構和工業界都對支持自動駕駛的汽車表現出了濃厚的興趣。自動汽車在交通安全、油耗、對於基礎設施的使用方面都展現出優勢，並且可以讓駕駛員在駕駛過程中可以做其他的事情。因爲以上原因，無人駕駛有可能會在人和貨物運輸方面形成一個新的模式。
到目前爲止，大多數發展中的自動汽車都具備感知子系統和控制子系統，感知子系統由車載傳感器組成，它可以感知車輛周圍的環境並生成地圖，控制子系統控制車輛的經緯度動作。目前已經對這個方案進行了場地實驗，並且形成了以下反饋：1.車載傳感器的精度有限，因此只能對鄰近的車輛新城檢測；2.車輛不能在高複雜場景下有效地完成車輛間協作。
這些限制可能通過V2X通信技術克服，這將讓自動汽車的兩個關鍵特性成爲可能：協同感知 ：通過相互交換傳感器信息增加感知範圍；協同操控 ：使一組自動汽車根據一個集中式或分散式的決策指定策略協同駕駛。整合車載傳感器和V2X通信的方案也比單獨使用高質量傳感器的方案更加經濟。
很多年來，V2X通信在自動汽車上的應用一直是一個研究課題，比如歐洲PROMETHEUS提出的實現方案，美國PATH自動高速公路系統等。近些年來，對於V2X通信在交通安全和效率提升方面的應用，已經有許多研究計劃和成功的實驗結果，這些都導致了更多的人致力於將應用於自動駕駛的V2X通信引向實用。協同自動駕駛目前在 歐洲的 R&D projects AutoNet2030， i-GAME，AdaptIVe，和COMPANION完成了進一步的發展。
我們將面向自動駕駛的V2X通信技術視爲協同車輛通信的自然演變。後者，是指第一代V2X通信系統（1G-V2X），它以提供駕駛員輔助爲設計初衷，這也對應了SAE發佈的車輛自動化層次的第一階段。更高級別的自動化提出了1G-V2X所無法提供的新的要求；因此，定義新的或增強的信息通信協議和相應的標準化文件，是協同自動駕駛所需要的。
下一節將對以V2X通信爲核心技術的自動駕駛應用場景做一個大致的介紹。重要的是，這可以幫助你識別對於上述場景的V2X需求是什麼。在那之後，將給出歐洲目前最先進的V2X標準的概覽。基於這些要求和標準，本文將對支持自動駕駛的信息擴展技術給出解釋。最後我們將對文章進行總結。
自動駕駛使用案例
自動駕駛的使用場景可以被分爲三大類：近距離駕駛，城區駕駛和高速公路駕駛。近距離駕駛案例特指低速運行的汽車——一個例子就是可以實現自動停車的車輛——城區和高速公路駕駛案例關注的是更常見的交通情況。後兩類使用場景在提高交通安全和效率方面具有很大潛力。因此，我們給出了四個城區和高速公路的自動駕駛用例。
列隊行駛
最近幾十年，自動駕駛的應用已經引起了研究和行業的強烈關注，其中之一就是車輛編隊（platooning）。在一個隊列中中，同一車道上的車輛排成穩定的隊形，車之間間隔較小，以增加道路通行能力、提高駕駛員的安全性和舒適性。一個隊列通常由一輛主車(通常是領頭車)和多輛跟隨車組成。
然而，單一隊列並不是在高速公路上組織車輛的唯一途徑。在一個多車道的列隊形式用例中，正如AutoNet2030項目中研究的那樣，並不存在集中控制器或領頭車。作爲代替，車輛控制（包括橫向和縱向）都部署在車隊的所有成員中(圖1)。這種方法的結果是，車輛擾動（比如一個拋錨的車輛）會或多或少地影響車隊的所有成員，使隊形更加穩定。
爲了保持較小的車輛間隙，隊列中的車輛高速交換最新並且高質量的車輛動態數據。文獻[9]提出的車隊控制算法只需要相鄰車輛的車輛動力學信息，而不需要所有車隊成員的信息。因此，該算法適用於大型車隊，並且當車輛加入或離開車隊時很容易收斂到理想的隊形。
協同式車道變換
在協同變道用例中，參與協作的車輛（包括自動駕駛和手動駕駛）以安全、高效的方式完成合作，完成一輛或一組車輛(如編隊)得變道。與傳統的變道情況不同，協作車輛共享它們的計劃軌跡，以便協商和調整它們的行動。
協同變道可以藉助於路邊單元來實現，該單元支持相互作用的車輛之間的通信。然而，當這種基礎設施不可用時，車輛被迫以一種特別的方式（ad hoc fashion）來協調變道。（如何特別？）
協同式交叉路口管理
對於一個協同式交叉路口，它允許合作車輛在不需要紅綠燈的情況下通過交叉口。這種情況需要一種協調機制，以防不同車輛的行駛軌跡重疊。
一種可能的解決方案如圖2所示，其中一個路邊單元通過實時分配來車的相對優先級，從而達到協調通過交叉口的交通流的目的。這樣，車輛就可以按照指定的優先次序高效地通過十字路口。
協同感知
所有上述用例的操作，以及一般的自動駕駛，都依賴於對車輛周圍環境的充分及可靠的感知，以便在交通中導航，並以高水平的自動化確保安全。損壞的傳感器、盲點和對傳感器數據的低信任度可能會降低系統的性能甚至使車輛的自動化功能失效。
在協同感知用例中（如圖3所示），爲提高個體檢測的質量和可靠性，相鄰車輛共享從路邊傳感器獲得的信息。
通信需求
1G-V2X主要解決手動駕駛車輛的道路安全和交通效率問題。典型的應用包括障礙物警告，道路工程信息，車載標誌，交通燈相位輔助等[6]。上述自動駕駛的用例對通信提出了新的需求。這些新的 功能性需求 如下。
額外的的車輛狀態數據：在1G-V2X中，每輛車都會週期性地廣播安全信息，告知鄰車它的位置、速度、行駛方向和其他參數。而自動駕駛車輛需要在車隊行駛和協作變道用例的週期性消息中包含額外的數據，比如它們在未來幾秒內的預測路徑。
隊列管理：在1G-V2X中，車輛與附近的車輛和路邊設施進行通信，其中路邊設施也可能位於特定的地理區域（也稱爲安全信息的相關區域）。與這種沒有明確成員的開放羣體相反，隊列代表一個封閉的羣體，在這個羣體中，車輛需要成爲一個羣體成員。爲了建立和維持隊列，協調分散式的行動協商，需要新的團隊容錯管理機制 。
談判策略：在自動駕駛中，車輛可能需要主動預留道路空間進行變道操作。與1G-V2X的定期或事件驅動的安全消息分發不同，一個預留（指預留車道）行爲需要相關車輛之間進行協商，以請求並確認行動。這種信息交換可以爲協作車輛提供最佳和安全的軌跡，並將碰撞風險降至最低。
交叉口管理：1G-V2X依賴於週期性廣播交叉口的靜態和動態信息，即通過傳播交叉口的拓撲結構和車燈信息，實現綠燈最優速度諮詢等用例。它還允許請求和改變交通燈控制系統的狀態，以便優先控制和搶佔道路交通。通過自動駕駛技術，交叉路口管理的通信得到了擴展，允許獲得更詳細的交叉路口幾何形狀信息，併爲進入的車輛分配優先級，這可能會取代交通燈。
協作感知：通信允許交換從雷達、相機和其他傳感器處獲得的本地傳感器數據。從路面傳感器捕獲的數據被彙集到道路檢測對象（如障礙物、車輛和行人）列表中，這個列表可以與鄰近的車輛進行交換。協作感知將傳感器的視場範圍擴大到V2X通信範圍，並實現車輛之間的協作感知。在1G-V2X中，傳感器數據的聚合級別要高得多，並且消息只攜帶一個粗糙的事件分類器和一個大致的區域信息。作爲代替，協作感知用例需要交換關於被探測對象的非常詳細的信息。
除了以上的功能性需求外，協同自主駕駛對於特定的 性能需求 包括以下幾點。
高消息速率：在1G-V2X中，車輛週期性廣播安全消息，間隔在100毫秒到1秒之間，在此範圍中，具體的消息速率由車輛的運動狀態和無線信道上的負載決定。相比之下，由於無人駕駛汽車的車間距離小，這要求使用更高且固定的廣播頻率，並保證自動駕駛汽車獲取臨車信息的及時性。這些要求希望自動汽車有一個完整的並且先進的的環境模型，這允許它們以一個安全的方式協作運動。
數據負載控制：車輛間距離小、車輛密度高，導致網絡中數據負載高。此外，較高的消息傳輸速率和由於交換額外控制信息導致的信息負載增大也增大了數據的負載。爲了控制網絡中的數據流量，需要有效利用可用的頻譜，通過分散式擁塞控制(DCC)功能對消息進行有效的優先級排序，並對轉發操作進行嚴格控制。
低端到端延遲：端到端延遲主要包括從本地傳感器採集數據的延遲、協議棧中的處理延遲和無線鏈路上的傳輸延遲。端到端延遲還包括安全機制（分別生成和驗證簽名和證書）和DCC函數中的排隊延遲所導致的延遲。在1G-V2X中，關鍵道路安全應用程序的延遲要求設置爲300毫秒(ETSI TS 102 539-1)。在自動駕駛的用例中（如車隊駕駛），由於車輛之間的距離較小，對延遲要求更嚴格，這也是爲了確保大型車隊的編隊穩定性。
高可靠的數據包轉發： 對於信息交換的可靠性的需求，自動駕駛比1G-V2X更加迫切，因爲任何一次丟失或者錯誤信息都可能導致車輛控制算法的故障，從而導致安全問題。
V2X通信系統在功能和性能上都面臨着嚴峻的挑戰。本文建議對1G-V2X進行增強，以應對其中的一些挑戰。
目前的V2X通信標準
在過去幾年中，V2X通信的研發工作由歐洲標準化委員會(CEN)、歐洲電信標準協會(ETSI)、IEEE和國際標準組織(ISO)負責，這都是在協同智能運輸系統(C-ITS)的背景下進行的。這些活動導致了歐洲[11]和美國[12]共用一套的標準。我們總結了由ETSI定義的歐洲Release 1的核心標準，該標準爲面向自動駕駛車輛的支持擴展的通信奠定了基礎，本文後面將介紹該標準。
圖4參考模型的底層由訪問技術組成：對於V2X通信，ITS-G5 5 [EN 302 663]是與本工作最相關的訪問技術。它具有與IEEE 802.11a類似的特性(例如，正交頻分多路複用，OFDM)，但是在5.9 GHz頻段上工作，允許基本的ad hoc模式，但禁用管理程序。媒體訪問方案依賴於IEEE 802.11中著名的增強型分佈式信道訪問(EDCA)，具有載波感知多址、衝突避免(CSMA/CA)和服務質量(QoS)支持。在ITS網絡和傳輸層，GeoNetworking協議(EN 302 636-4)在車輛和路邊站組成的ad hoc網絡中提供單跳和多跳數據包交付。具體地說，它利用包頭中攜帶的地理圖形位置來動態地尋址和轉發包。在GeoNetworking的頂部，基本傳輸協議BTP (EN 302 636- 5-1)提供了一個類似UDP的無連接跨端口協議服務。
設施層標準指定應用程序支持功能：協作感知信息(CAM)標準(EN 302 637-2)傳達關鍵的車輛狀態信息，以支持安全和交通效率應用程序，接收車輛可以跟蹤其他車輛的位置和移動。CAM是通過無線單跳通信發送的週期性消息，而分散環境通知消息(DENM)標準(EN 302 637-3)指定了一種協議，用於在地理區域內傳播事件驅動的安全信息，通常通過無線多跳通信to發送。TS103 301中規定了車輛到基礎設施通信的設施層消息，包括用於傳輸關於交叉口拓撲結構(MAP)的靜態信息和用於交通燈的動態信息。應用層的標準規定了道路危險信號(RHS)、交叉口碰撞風險預警(ICRW)和縱向碰撞風險預警(LCRW)的要求(TS 101539 -1，-2，-3)。RHS由用於初始部署的用例組成，包括緊急車輛接近、危險位置警告和緊急電子剎車燈。ICRW和LCRW解決了車輛在十字路口可能發生的碰撞以及追尾/迎面碰撞的問題。安全區塊的標準可通過數碼簽署及證書提供密碼保護(TS 103097)；但如果出於匿名性要求而更改假名會妨礙追蹤。最後，管理標準主要包括對分散數據控制的支持(TS 103 175)。
協作自動駕駛的消息擴展
歐洲1G-V2X系統及其相應標準的規範是由RHS、ICRW、LCRW的應用需求驅動的。如前所述，協同自動駕駛產生了額外的通信需求，並證明了新一代V2X通信的必要性。相對於1G-V2X，新一代通信技術仍然依賴於ITS-G5，但修改了上層協議層。我們擴展和修改設施層以滿足新一代通信的功能和性能要求，特別是滿足CAM標準(ETSI EN 302 637-2)，同時，我們引入新的設施層組件，如圖5所示。圖中還展示了增強的網絡和傳輸協議；到目前爲止，我們已經展示了geonetwork協議可以被修改以滿足隊列化用例[13]的網絡需求。此外，我們還介紹了BTP的一種改進，稱爲可靠BTP (RBTP)。然而，這裏的重點是設施層組件，如圖5中的實心方框所示。
由CAM（ETSI EN 302 637-2）傳遞的車輛狀態信息對於車隊和協同交叉路口來說是不足的。爲了規劃車輛和避免危險場景，這兩個用例都需要在相鄰車輛之間定期交換與控制相關的數據，例如它們預先確定的軌跡。這條軌跡是由自動駕駛汽車計算，而不能用外部傳感器測量。此外，在車隊中行駛需要交換額外的信息，如前面和後面車輛的距離、目標速度和加速度以及車隊標識符。
爲了滿足這些數據的要求，我們建議在CAM標準的基礎上增加一些高低頻的存儲器來承載協作式自動駕駛車輛專用的控制數據。高頻存儲器只儲存用於車隊駕駛的高速車輛狀態的最小集合，這受限於CAM的容量，包括速度、航向、加速度等。低頻存儲器存儲不太重要的車輛控制數據。
此外，還介紹了兩種工作模式：普通模式 和 高感知模式。在普通模式下，根據標準的觸發條件(即1至10hz)，視車輛的運動速度而定。高感知模式相對於普通模式有所增強，並將傳輸頻率增加到一個固定的值10hz。新引入的存儲器只在高感知模式下使用，並在單獨的服務信道上使用ITS-G5傳輸給單跳鄰車，以緩解控制信道的頻繁使用。
車隊控制通信服務
車隊控制通信服務*(CCCS)支持車隊駕駛用例中合作車輛之間的信息交換，滿足車隊管理的功能需求。車隊成員間消息的傳輸頻率根據車隊屬性和交通條件進行動態調整。通過CCCS在車隊車輛之間交換的消息使每輛車維護一個local graph，圖的節點爲車隊成員；圖的邊表示車輛運動的依賴性。一個分散式車輛控制算法執行協同操控，調整車輛橫向和縱向動向以保持均衡的隊形，並根據[9]要求進行變道。
CCCS爲車隊成員提供的消息類型如下。
加入/離開車隊：加入請求是一個由駛近車輛發送的單跳廣播消息，它檢測到一個車隊並請求成爲車隊成員。類似地，當車隊成員決定離隊時（例如，當該車輛到達目的地時）將廣播一個許可請求，通知鄰車它的意圖。
變道：變道信息允許車隊車輛在車隊內改變車道。該消息由一輛隊內車輛廣播，通知其鄰居計劃換道。通過這種方式，目標車道上的車隊成員將調整他們的位置，爲駛來的車輛騰出空間。
修改local grah：由於變道或新車輛進入車隊，車輛可以更新其 local graph。在本例中，新graph 通過一個modify local graph消息的形式廣播給它的鄰車。然後，相鄰車輛相應地修改它們自己的local graph，從而確保圖在所有車隊成員之間的一致性。
協同式變道服務
協同式變道服務(CLCS)用以支持協作變道用例的通信。CLCS通過專用信息支持不屬於同一車隊的車輛之間的談判策略。合作變道分爲三個階段。
搜索階段：在此階段，待變道車輛宣佈自己的變道計劃，搜索配對車輛開始變道談判。這個階段可以啓動並激活的條件是，待變道車輛對交通狀況沒有足夠的認識，並且無法提前選擇合適的對等點時。計劃的變道行爲在變道請求(LCR)消息中進行描述，並在變道區域內進行多跳廣播。任何接收到LCR的車輛都將根據自己計劃的軌跡來決定它是否是一個合適的配對對象，並通過*變道響應*來進行迴應，這是對待變道車輛的單播多跳通信。待變道車輛最終選擇最合適的配對車輛，並通過定期廣播更新的LCR消息來通知在變道區域周圍的所有車輛，包括所選擇的配對車輛，直到協同變道行爲完成爲止。
準備階段：選定的配對車輛拉開約定的間距，兩輛車根據約定的速度和到達時間進行調整。一旦準備好，配對車輛給待變道車輛回覆一個*變道準備就緒信息*，那麼下一階段可以開始。
執行階段：變道行爲在此階段執行，不需要CLCS組件的通信支持。此行爲的安全由自動車輛確保，它是基於接收到的攝像頭和局部傳感器信息的。
在合作變道的所有階段，都可能會發意外事件，這時就要終止變道。在這種情況下，一個專用的變道中止（LCA）消息在待變道車輛和配對車輛之間交換。CLCS組件使用重傳和確認管理機制來改進LCA消息的可靠傳遞。
協同式交叉路口控制業務
協同交叉口控制服務(CICS)支持協同自動車輛通過交叉口，即根據功能需求進行交叉路口管理。爲了實現無碰撞、無死鎖的交叉口通行，一個路邊單元充當交叉口控制器，協調接近交叉口[10]的車輛的行動。交叉口控制器根據車輛當前狀態和預期行動軌跡的信息，按需向車輛發送信息，爲車輛分配優先級；這些規則規定了允許它們通過交叉路口的順序。
CICS提供的消息類型如下。
交叉口進入請求：此單播信息由正在進入的車輛發送，它通過檢測交叉口控制器得知交叉路口的存在。在交叉口進入請求中，車輛指定它想要的入口和出口車道，預計進入交叉口的時間，以及關於車輛動力學信息。
交叉口進入取消：通過此消息，車輛可以通知交叉口控制器它想取消前一個交叉口入口請求，例如，爲了發送一個帶有不同參數的新入口請求。
交叉口進入狀態：由交叉口控制器計算出的相關優先級廣播給交叉口附近的所有合作車輛。有了這些信息，車輛就能夠協同機動，安全地通過十字路口。
值得注意的是，CICS還支持非協作車輛通過交叉路口。可以考慮兩種情況：首先，非協作車輛在單獨行駛時，交叉口控制器通過交通燈來傳達所分配的優先級；第二，如果非協作車輛屬於一個由協作車輛領導的隊列，所有的隊中車輛將按照分配給隊長車輛的優先級通過交叉口。
協同感知服務
協作感知服務(CSS)通過協作感知消息(CSMs)實現被檢測對象的共享，包括車輛、行人、騎自行車的人等，並支持協作感知用例。
一個CSM可以描述多達16個被探測對象的主要屬性，包括位置、航向、速度、加速度和各自的置信度。與原始的傳感器數據（如攝像機的視頻幀或激光雷達的點雲）相比，對象屬性較少依賴於傳感器，總體上導致傳輸信息量較少。未來無人駕駛汽車的設計趨勢是將多個傳感器的數據組合在一起，以完成更簡練的檢測，提高整體的探測精度。CSS組件可以以兩種方式與傳感器融合過程交互：作爲感知數據的消費者和生產者。作爲消費者，CSS使用傳感器融合輸出構建新的CSMs。作爲一個生產者，CSS 組件可以提供接收到的CSMs的內容，並充當一個虛擬傳感器。
許多感知傳感器的本質是測量和提供相對的對象屬性，例如被探測車輛的距離或相對速度。雖然這些值對於自動車輛的控制來說是合適的，但是相對對象的屬性並不適合車輛間的共享。因此，CSM只包含絕對對象屬性。
CSS組件以1hz的速率構造CSMs，並通過無線單跳向相鄰車輛傳播消息。爲了解決高數據負載的問題，CSMs在服務通道(例如SCH1)上傳輸，而不是在1G-V2X常用的控制通道上傳輸。
結論
自動駕駛被認爲是一步重大的創新，它有潛力在根本上改變人與貨物的流動性。如今，大多數研發的目標是獨立自主的無人駕駛汽車，這種汽車能夠感知周圍環境，並根據這種感知來控制車輛，在這種場景中，駕駛員的干預受限甚至無法干預。該解決方案的固有缺點是車輛之間缺乏協調和傳感器感知範圍有限，這導致性能不佳。車輛對車輛/基礎設施通信(V2X)通過增加自動駕駛車輛的規劃視野和實現自動駕駛的兩個關鍵特性：協同運動和協同感知，他們的實現克服了這些缺點。
在本文中，我們提出了協同自動駕駛的四個用例，並分析了它們對安全高效駕駛的要求。與第一代V2X通信系統(1G-V2X)及其對應的第一版通信標準相比，協同自主駕駛函需要適應和擴展。我們展示了了一個由ETSI提出的的V2X通信系統標準化的演變。特別地，我們已經展示了作爲V2X核心設施的CAM標準如何擴展，我們也介紹了新的設施層組
提出的用於協同自動駕駛的V2X通信系統使用了一個增強的基於ITS-G5-based的協議棧。這種方法允許以1G-V2X爲依賴，逐步部署用於協同自動駕駛的下一代V2X通信。雖然1G-V2X預計將在未來幾年內推出，但AutoNet2030和其他項目有助於爲下一代V2X通信系統開發概念、協議、原型實現、評估和標準。AutoNet2030將特別側重於使用模擬和演示通過AutoNet2030概念的原型來分析量化性能需求。總而言之，這些進展將證明，爲實現全面自動駕駛的遠景，V2X通信將會對自動駕駛等級的演進起到重要作用。
致謝 參考 作者介紹 略
後記：
第一次將論文翻譯過程以blog的形式呈現出來，整個過程除去排版大致用了一整天。
有一些詞彙翻譯的可能不是很準確，有錯誤歡迎私信指出。
最開始用的Markdown但是插入圖片很麻煩還怕因爲路徑變更導致圖片掛掉，後改用了CSDN的富文本編輯器，也十分不方便（連文本居中、字體選擇都沒有），這部分以後再探索吧。