一種基于協(xié)議跨層優(yōu)化的車輛定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及車聯(lián)網(wǎng)通信的研究領(lǐng)域，特別設(shè)及一種基于協(xié)議跨層優(yōu)化的車輛定位 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著車聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步，越來越多基于位置服務(wù)化ocation Based Service, LB巧的車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用逐步地得到推廣，如軍車的敵我識別與位置協(xié)同、銀行運(yùn)鈔車 的監(jiān)管。通過DSRC通信技術(shù)可W使車輛在高樓林立的市中屯、或隧道等特殊環(huán)境中同樣能 實(shí)現(xiàn)自定位，使監(jiān)管真正做到無縫化。同樣，基于位置的其他服務(wù)如精確廣告推廣、城市智 能停車場導(dǎo)引系統(tǒng)，城市智能交通系統(tǒng)等也需要車輛的自定位，車輛的準(zhǔn)確定位越來越具 有價(jià)值。在第二章中，本文提出了OSS-TWR定位算法，利用車載設(shè)備與路側(cè)設(shè)備通信，計(jì)算 無線信號從車輛到路側(cè)設(shè)備的飛行時(shí)間，從而推導(dǎo)出車輛自身的位置，OSS-TWR解決了GPS 定位信號被遮擋情形下的車輛自定位問題。在網(wǎng)絡(luò)沒有碰撞和延時(shí)的情況下（如基于令牌 的網(wǎng)絡(luò)），此方法取得了較好的定位精度，但是在無線網(wǎng)絡(luò)通信中，網(wǎng)絡(luò)碰撞是不可避免的。 因此，OSS-TWR算法需要改進(jìn)W適應(yīng)惡劣無線通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。本章首先分析無線網(wǎng)絡(luò)碰撞 對定位精度的影響，然后提出了一個(gè)可記錄延遲時(shí)間的新退避算法，通過跨層優(yōu)化協(xié)議，增 強(qiáng)了OSS-TWR應(yīng)用能力。最后，利用測距實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證新方法的可行性，并在車輛信息物理系 統(tǒng)（￥6]1；[州1日1'切661-口1173；[。日157316111，￥〔口巧案例中得到應(yīng)用。
[0003] 眾所周知，在無線通信網(wǎng)絡(luò)中碰撞是無法避免的，隱藏節(jié)點(diǎn)與暴露節(jié)點(diǎn)等問題在 車聯(lián)網(wǎng)通信過程中同樣存在，如圖1所示，在車聯(lián)網(wǎng)通信中，有兩個(gè)RSUs(A，B)同時(shí)與車輛V 通信，A，B都想傳數(shù)據(jù)給車輛V，但A，B都不在彼此的傳輸范圍內(nèi)。因而也就不會感知到對 方，但都能向V傳輸數(shù)據(jù)，在運(yùn)種情況下，來自A和B的數(shù)據(jù)會在V處碰撞，造成數(shù)據(jù)丟失，網(wǎng) 絡(luò)性能下降，運(yùn)就是車聯(lián)網(wǎng)中的隱藏節(jié)點(diǎn)問題。在傳統(tǒng)無線通信中，已經(jīng)有了較好地解決隱 藏節(jié)點(diǎn)問題的方法，如請求發(fā)送/允許發(fā)送（RequestToSend/ClearToSend，RTS/CT巧。 RTS/CTS的目的是允許在客戶端和接入點(diǎn)之間進(jìn)行協(xié)商。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中啟用RTS/CTS時(shí)，接入 點(diǎn)會為請求客戶端分配完成發(fā)射所需的時(shí)隙與信道。在發(fā)射完成后，其它客戶端可按類似 方式請求信道。其通信原理如圖2所示。
[0004] 數(shù)據(jù)帖在發(fā)送之前，傳送端先傳送一個(gè)RTS封包，告知在傳送端傳送范圍內(nèi)所有 節(jié)點(diǎn)不要有任何傳送操作。如果接收端目前是空閑的，則響應(yīng)CTS封包，進(jìn)而傳輸數(shù)據(jù)。從 而可有效解決隱藏節(jié)點(diǎn)的問題，但是對于基于測量信號飛行的時(shí)間的定位系統(tǒng)來說，RTS/ CTS對協(xié)商所消耗的時(shí)間沒有進(jìn)行準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)。同樣的，RST/CTS可W降低碰撞的概率但是不 能避免碰撞發(fā)生，碰撞后數(shù)據(jù)帖重發(fā)的延時(shí)同樣無法精確統(tǒng)計(jì)。運(yùn)些不確定的時(shí)間將會影 響位置估計(jì)，RTS/CTS機(jī)制無法直接用于車輛無線定位。車聯(lián)網(wǎng)中，可能的網(wǎng)絡(luò)碰撞如圖3 所示，在車輛定位過程中，一次定位過程中可能會有3次碰撞的機(jī)會，A)當(dāng)車輛發(fā)送定位請 求"Req"包時(shí)；B) RSU發(fā)送確認(rèn)包"Ack";和ORSU發(fā)送同步"Sync"數(shù)據(jù)包時(shí)。由于碰撞會 造成數(shù)據(jù)帖的重發(fā)，等待重發(fā)時(shí)所消耗的時(shí)間將影響信號飛行時(shí)間的測量精度，從而導(dǎo)致 定位準(zhǔn)確度的下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種基于協(xié)議跨層優(yōu)化 的車輛定位方法。
[0006] 本發(fā)明基于協(xié)議跨層優(yōu)化的車輛定位方法，包括下述步驟：
[0007]S1、確定信道與帖結(jié)構(gòu)，V2V通信使用遵循于IE邸802.IlpWAVE標(biāo)準(zhǔn)的專用短程 通信DSRC技術(shù)，在高速運(yùn)動情況下，實(shí)現(xiàn)車-路與車-車的雙向通信，實(shí)時(shí)傳輸語音和數(shù)據(jù) 信息，將車輛和道路、車輛間有機(jī)連接；
[0008]S2、利用退避算法TRB記錄退避時(shí)間，其具體方法為：
[0009]S2. 1、確定基本退避時(shí)隙2T，也就是一個(gè)爭用期時(shí)間；
[0010] S2. 2、定義1個(gè)參數(shù)C，為重傳次數(shù)，K=min(C，10)，其中K用于計(jì)算退避時(shí)間，所 述退避時(shí)間為基準(zhǔn)時(shí)隙的指數(shù)，可見K《10;
[0011]S2. 3、定義2個(gè)參數(shù)，單次退避時(shí)間tbaekW和累計(jì)退避時(shí)間t。。11，初始值為0;
[0012]S2. 4、如果重傳次數(shù)C小于設(shè)定闊值N，從離散型整數(shù)集合[0，1，2,......，2ki] 中，隨機(jī)取出一個(gè)數(shù)記做R，那么重傳所需要的退避時(shí)間thtkwf等于R倍的基準(zhǔn)退避時(shí)間：
[001引S2. 5、統(tǒng)計(jì)總的退避時(shí)間tc。…tceii=tceii+tbackWf，同時(shí)從"Sync"數(shù)據(jù)帖中讀取"SyncDelayTime"域的值，計(jì)算FCS;然后把和FCS寫入數(shù)據(jù)帖的"CollisionDelay Time"域和"FCS域"，重發(fā)數(shù)據(jù)帖；
[0014]S2. 6、如果重發(fā)成功，退出退避算法；否則，重傳次數(shù)加1，C=C+1，如果重傳次數(shù) 大于N次，則退出并向上層協(xié)議匯報(bào)，否則進(jìn)入第S2. 4步，再次重發(fā)；
[0015]S3、通過使用專用的通信信道來降低網(wǎng)絡(luò)碰撞的概率，再使用可記錄時(shí)間的退避 算法去統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)重發(fā)所引起的延時(shí)，利用增強(qiáng)的OSS-TWR定位通信協(xié)議，車輛周期性的廣 播定位請求數(shù)據(jù)帖"Req"，請求附近RSU提供位置參考，通過測量與RSU之間的距離完成自 定位。
[0016] 優(yōu)選的，步驟Sl中，所述DSRC頻譜范圍為5855MHZ-5925MHZ，把75MHz的頻譜分為 7個(gè)IOMHz的信道，根據(jù)IE邸1609. 4多信道通信協(xié)議7個(gè)信道中包含1個(gè)了控制信道CCH 和6個(gè)業(yè)務(wù)信道SCHs,CCH主要用于傳輸信道的控制包，6個(gè)SCHs可W根據(jù)不同的應(yīng)用進(jìn) 行分配，單天線的環(huán)境下，CCH和SCH可W根據(jù)優(yōu)先級進(jìn)行信道切換。
[0017] 優(yōu)選的，所述設(shè)定闊值N為16。
[0018] 優(yōu)選的，步驟S3中，所述增強(qiáng)的OSS-TWR定位通信協(xié)議的工作方法如下：
[0019]S31、車輛準(zhǔn)備發(fā)送"Req"，檢查無線信道的狀態(tài)，使用RTS/CTS進(jìn)行協(xié)商，等待信 道空閑，一旦信道空閑，發(fā)送"Req"同時(shí)啟動計(jì)時(shí)器tf。。。^，發(fā)送后，檢查是否有碰撞發(fā)生，如 果發(fā)生，廣播一個(gè)"Jammingsignal"數(shù)據(jù)帖，延遲隨機(jī)時(shí)間，啟動計(jì)時(shí)器重新開始計(jì) 時(shí)，并重新發(fā)送"Req";
[0020]S32、RSU接收到"Req"數(shù)據(jù)帖，并測量數(shù)據(jù)帖處理時(shí)間，使用計(jì)時(shí)器記錄本次處理 的總時(shí)間；
[002。 S33、車輛接收到"Ack"數(shù)據(jù)帖，立即停止計(jì)時(shí)器那么無線信號完成了從車 輛到RSU，RSU到車輛的一次往返，同時(shí)啟動計(jì)時(shí)器t' 并進(jìn)入阻塞，等待"Sync"數(shù)據(jù) 包；
[00過 S34、RSU在發(fā)送完"Ack"數(shù)據(jù)帖和啟動tdelayB計(jì)時(shí)器后，喚醒計(jì)時(shí)器，把tdebyB的 時(shí)間值寫入"Sync"數(shù)據(jù)帖的"SyncDelayTime"域，發(fā)送"Sync"數(shù)據(jù)帖；
[002引S35、車輛接收到"Sync"同步帖之后，停止計(jì)時(shí)器t' 解析數(shù)據(jù)包，得到tdebyB 和*。。13,計(jì)算出實(shí)際的同步時(shí)間 [0024] 優(yōu)選的，步驟S32具體為：
[002引 a)RSU接收到"Req"數(shù)據(jù)帖，同時(shí)啟動計(jì)時(shí)器t' 去測量數(shù)據(jù)帖處理時(shí)間；
[0026] b)定位數(shù)據(jù)帖"Req"處理完畢后，RSU檢查無線通信信道狀態(tài)，當(dāng)空閑時(shí)，發(fā)送 "Ack"數(shù)據(jù)帖，使用ttpmp暫存計(jì)時(shí)器t' 的值a' 不停止計(jì)時(shí)），同時(shí)重啟計(jì)時(shí)器 tdela沖；
[0027]C)如果發(fā)送成功，停止定時(shí)器t'nplyB，并且t'WlyB=ttemp，t'WlyB為本次處 理的總時(shí)間；如果發(fā)生碰撞，轉(zhuǎn)到b)重新發(fā)送"Ack"數(shù)據(jù)帖。
[002引優(yōu)選的，步驟S34具體為：
[0029] a)RSU在發(fā)送完"Ack"數(shù)據(jù)帖和啟動tdebye計(jì)時(shí)器后，進(jìn)入阻塞狀態(tài)，直到計(jì)時(shí) 器tdebye的計(jì)時(shí)等于t' 時(shí)被喚醒，設(shè)置計(jì)時(shí)器的最大閥值為t'npw的時(shí)間值，一旦 tdebye的計(jì)時(shí)等于t' 系統(tǒng)將會產(chǎn)生中斷；
[0030]b)RSU初始化"Sync^據(jù)帖，把tdeiayB的時(shí)間值寫入"Sync^據(jù)帖的"SyncDelay Time"域，發(fā)送"Sync"數(shù)據(jù)帖；
[0031] C)如果成功，結(jié)束本次通信；如果發(fā)生網(wǎng)絡(luò)碰撞，調(diào)用TRB算法重新發(fā)送與統(tǒng)計(jì)退 避延時(shí)。
[0032] 優(yōu)選的，步驟S3. 5中，計(jì)算出實(shí)際的同步時(shí)間的方法為：
[00對假定將所有的延遲時(shí)間累加記為t。?？?，那么，t'WatlA=fadelayB)+f也…），同步時(shí) 間twaitA與t'iratiA，tdelayB和tdelayB+tco口的關(guān)系如下；
[0035] 優(yōu)選的，步驟S3. 5之后，還包括下述步驟：
[0036] 車輛通過高精度計(jì)時(shí)器可W精確地測量到和t' 的時(shí)間值，再從RSU得 到tdelayB和tCDl擁間值，推導(dǎo)出t。。口與tdelayB+tcDi3的比例關(guān)系，最終可W得到同步時(shí)間