车路协同RSU软件系统的设计与实现

2022-03-17潘景剑候春辉张翔宇

计算机与网络 2022年2期

潘景剑候春辉张翔宇

摘要：提出了一种车路协同路侧单元（RSU）软件系统的设计方案，论述了RSU在车路协同系统中的位置及功能，提出功能架构设计、系统架构设计、安全服务设计等若干需要解决的核心问题。详细阐述了解决这些问题用到的关键技术和设计方案，对车路协同系统进行测试，并在实际工程项目进行应用和功能验证，证明了该系统设计的可行性和合理性。

关键词：智能交通系统;车路协同;路侧单元;V2X

中图分类号：TN929.52文献标志码：A文章编号：1008-1739（2022）02-60-4

0引言

在现实交通中，机动车保有量和道路交通量不断增加，路况随机性强，车辆、行人众多，亟需通过智能交通系统（ITS）建设提升道路交通系统的安全性和通行效率。车路协同系统作为智能交通的重要组成部分，在实时、可靠的全时空交通信息的基础上，实现车辆与道路设施的智能化和信息共享，保证交通安全、提高通行效率，在高速公路等领域具备广泛的应用前景[1]。车路协同技术正成为各国智能交通系统技术研发和落地应用的热点[2]。

车路协同是采用先进的无线通信和新一代互联网等技术，全方位实施车-车（V2V）、车-路（V2I）动态实时信息交互[3]。并在全时空动态交通信息采集与融合的基础上开展车辆主动安全控制和道路协同管理，充分实现人、车、路的有效协同，保证交通安全，提高通行效率，从而形成安全、高效和环保的道路交通系统。RSU部署在路侧，实现路侧信息与车侧信息的实时交互，是车路协同系统的重要组成部分。

1总体设计

车路协同通过V2V、V2I、车-人（V2P）、车-网（V2N）等信息交互、共享[4]，使车和周围环境协同与配合，实现智能交通管理控制、车辆智能化控制和智能动态信息服务的一体化网络。

车路协同系统分为车载设备、路侧设备、平台层和业务层四部分。OBU安装在车辆上，用于实现V2X通信，可实现本车与其他车辆OBU、RSU、行人和车路协同平台的通信;RSU利用摄像机、激光雷达、毫米波雷达、环境感知设备等多传感器信息融合数据，实现道路信息汇聚，并实现平台层与车载设备信息交互;平台层通过边缘计算和云平台实现信息实时处理和流程管理;业务层实现各种具体的应用功能。4个部分共同合作实现车路协同系统功能，RSU在车路协同系统中的位置如图1所示。

为了更好地为公众出行服务，车路协同重点关注提升出行安全和提高交通效率。中国汽车工程学会T/CSAE 53-2017发布的17种应用场景标准，包括碰撞预警、变道辅助等主动安全类场景，车速引导、限速预警等交通效率类场景，以及近场支付、信息回传等信息服务类场景[5]。

为实现车路协同各种场景服务，在路侧部署各种形态的通信设备RSU，汇集路侧交通设施和道路交通参与者的信息，上传至车路协同平台，并将车路协同消息广播给道路交通参与者。RSU需要具备多种通信方式，通过不同的传输方式进行消息传递，包括LTE-V2X PC5通信、LTE Uu通信、5G Uu通信，以及正在制定中的5G-V2X PC5通信等[6]，满足车路协同不同的应用场景对消息传递在传输时延、数据量等方面的需求。

2需解决的问题

为了高效地完成车路协同RSU软件系统的设计与实现，需要解决以下几个问题：

①功能架构：RSU软件系统功能丰富，包括业务功能、管理功能、安全功能等，其中业务功能主要包括数据上传与下发、消息协议转换等。能否对系统功能进行详细分解，做到系统功能完备性、功能架构合理性，实现系统运行效率最大化，是RSU软件系统设计的重点。

②系统结构：RSU系统结构复杂，如何确定软件的总体结构和模块组成，并明确每个模块的逻辑结构、模块间的调用关系，以及每个模块的输入和输出，在保证模块独立性的同时，做到高内聚、低耦合，是设计时需要解决的一个重要问题。

③安全服务：车路协同作为国家智能汽车发展战略以及国家新基建的重要组成部分，涉及个人安全、公共安全乃至国家安全。如何保证车路协同不同厂家、不同设备之间的互通互认，保障车路协同通信安全，是设计时需要解决的又一重要问题。

3设计实现

3.1功能架构设计

为了实现车路协同系统整体功能支撑，RSU结合功能需求和特点，对系统功能进行了分类定义，在大的功能模块基础上又细分为小的功能模块，多层次进行划分，保证了系统功能的完备性和功能架构的合理性。RSU软件功能架构如图2所示。

RSU软件系统划分为6个功能模块：

①MQTT功能：包括订阅客户端和发布客户端，负责接收云平台的配置操作，并完成设备心跳及环境数据的上报。

②操作管理：负责云端数据格式解析功能及消息中转，负责告警信息、状态信息、统计信息的收集及上报，负责配置管理维护。

③消息下发：按照平台配置的管理策略触发RSI、MAP消息定时下发功能，负责RSM、SPAT消息接口转换及实时下发;负责BSM消息的封裝及平台上报。

④V2X协议栈：实现消息层数据的ASN.1编解码、网络层协议格式的封装解封装、网络层DME管理功能，以及V2X模组的无线数据收发功能。

⑤安全功能：包括证书的管理维护功能、数据的签名验签、数据加解密以及其他系统安全功能。

⑥单元测试：实现RSU软件的单元测试功能。

通过上述功能架构设计，对RSU系统功能进行模块划分和定义，保证RSU系统功能架构的合理性和完整性。

3.2系统结构设计

RSU系统软件需要实现数据传输、消息适配、业务应用等功能，其中每部分功能实现需要多个模块共同完成。为了适应上述要求，在明确每个功能模块的逻辑结构、相互间调用关系的基础上，RSU软件系统建立了如图3所示的RSU系统结构。

RSU系统结构分为应用层、消息层、网络层和设备驱动层4个部分。

①应用层：负责处理业务逻辑，实现消息的收发、对接云端管理接口、定时逻辑及实时下发，故障信息、状态信息、统计信息和环境信息的收集上报，以及应用层数据的安全，与车路协同系统平台层通过MQTT协议进行通信，与消息层通过函数调用的方式进行通信。

②消息层：负责数据编解码，依赖网络层数据实现应用消息的ANS.1编解码，与网络层通过消息队列的方式进行通信。

③网络层：遵循直连通信短消息协议实现网络层数据收发，与设备驱动层通过UDP套接字进行通信。

④设备驱动层：通过C-V2X蜂窝移动通信技术、短距离无线通信技术、有线网络传输实现UU/PC5/有线的网络通信底层驱动功能，可直接操作底层硬件设备。

通过上述系统结构设计，成功将RSU系统进行分层，可以保证上层控制和路侧终端消息的传输，不论空口或有线传输的消息，都能快速、准确地进行适配和转发，从而進行相应的处理，保证信息处理的实时性和有效性。

3.3安全服务设计

车路协同面临着假冒网络、信息窃取、假冒终端、虚假信息及隐私泄露等安全风险。鉴于车路协同通信安全的重要性，以及空口数据传输的不稳定性，车路协同系统需要具备设备认证、信息完整校验、隐私保护、机密保护等安全能力。

车路协同是相互没有关系的设备之间进行随机通信，RSU安全通信采用业界共识的基于PKI的安全机制实现车路协同设备之间的认证和通信安全。相关设备需要根据实际场景对接收到的信息提供安全服务，保证车路协同通信安全。

RSU安全通信服务架构如图4所示，由安全数据处理功能、安全凭证管理功能、安全服务功能等构成[7]。

①安全数据处理功能（SDPF）

SDPF位于RSU的车路协同应用服务实体中，负责基于特定的车路协同应用逻辑生成与处理安全消息，包括明文消息、签名消息、加密消息等。SDPF根据需要调用安全服务功能提供的基本安全服务。

②安全凭证管理功能（SCMF）

SCMF负责与车路协同SCME交互获得相关的公钥证书和安全凭证、数据。SCMF需要与安全服务功能交互完成安全凭证和数据（例如公钥证书和CRL）的导入和导出，以及密钥的生成和导出等处理。

③安全服务功能（SSF）

SSF负责提供安全凭证和安全数据的存储和密码运算服务，通过API对外提供安全服务。SSF负责处理安全协议数据单元（SPDUs），并通过生成和处理SPDU为RSU设备提供签名、验签、加密和解密等安全服务。

通过上述设计，RSU设备能够实现对假冒终端、虚假信息的丢弃，保证信息传递机密性性，避免信息泄露，实现车路协同设备间的通信安全。

4设计验证

RSU通过将车路协同系统作为一个整体进行系统集成测试完成实验室功能验证。经过实验室验证测试后，在新元高速5 km车路协同示范路段安装部署RSU并进行了实际工程项目的测试验证。新元高速车路协同系统拓扑如图5所示。

通过测试，RSU在安装高度为7 m，数据包为400 byte，发送频率为10 Hz，零丢包率情况下实际覆盖半径大于500 m，时延小于25 ms，能够正确、实时处理OBU发送的车辆信息，路侧摄像机、激光雷达、毫米波雷达、环境感知设备等发送的传感器信息，以及平台层发送的信息实时处理和流程管理信息，未出现异常，满足标准及设计要求，行驶场景提醒准确，可辅助车辆驾驶和交通管理，提升出行的安全性。测试和应用证明RSU能够实现设计所需的功能及车路协同系统要求，其设计及实现是正确的。