基于5G车联网技术的道路紧急救援系统研究

2022-10-20朱爽张彬后嘉龙黄欣赵冬婷

电子元器件与信息技术 2022年8期

朱爽，张彬，后嘉龙，黄欣，赵冬婷

中国移动通信集团吉林有限公司长春分公司，吉林长春，130033

0 引言

车联网技术是城市智慧交通的重要应用技术，基于5G移动网络环境下，在城市交通设备上合理搭配使用传感器技术、车联网技术，实现城市交通运行效率的提升，面对突发情况能够快速有效地实施应急救援处理[1]。作为智慧交通工程的首要环节，交通安全是人们出行的保障，本文针对基于5G车联网技术下的道路紧急救援系统应用展开研究，相比于常规的人为报警救援方式，能够有效提高交通救援管理效率，提高救援速度，降低意外交通情况造成的损失。通过科学应用5G网络下的车联网技术，实现网络节点的适应性控制，进而提升节点间的数据收发质量和效率，完成道路紧急救援系统救援信息的快速可靠传输和处置安排。

1 基于5G移动网络的车联网技术

车联网是车载自组织网络的简称，5G车联网主要以机动车及相关基础设施为节点，利用5G移动通信网络实现节点间数据通信，是移动自组织网络的重要组成部分[2]。5G车联网以C-V2X为统一标准通信协议，将机动车定义为自组织节点，以实现在道路交通行驶过程中的数据通信，是智能交通网络的重要组成。以此为基础，可以提供多种道路交通服务，如：道路交通拥堵调配、道路交通互联网接入、某位置附近饭店及加油站等配套信息。

1.1 5G车联网的网络架构

车联网的实现目的是使道路交通中的车辆能够实现连网，在5G移动网络中车辆可以接收和利用交通路况数据、车辆位置数据及最优路线数据，进而实现交通智能化管控、交通动态信息服务和车辆的智能化控制[3]。根据具体功能，可以将车联网分成四部分：道路交通基础设施、机动车终端、行人和基础网络，通过相互组合完成车联网的车际网、车内网和车辆互联网的搭建[4]。车联网的具体应用场景如图1所示。

图1 车联网应用场景示意图

基于5G技术的车联网网络架构将更趋于立体，以保证车联网能够承载可靠性高、时延低、不同形式的业务接入。在满足5G网络业务需求的同时，还应保证继续实现3G/4G通信技术业务。通过引入光纤通信技术，并安装在道路周边，结合应用边继云计算技术，实现车联网通信质量的提升。

1.2 基于5G的车联网特征分析

虽然基于5G技术的车联网与常规的移动自组织网络在多跳路由、节点间通信距离、节点间通信模式及底层网络架构方面存在类似的地方，但也存在很多有别于移动自组织网络的特点。网络结构节点方面，其网络内的机动车会在一定范围内形成高速位移；在网络环境方面，物联网能够实时了解道路交通环境中行驶路线、环境因素的不利因素，制定机动车在特定区域范围内的最优路线方案[5-6]。

所以，5G车联网区别于常规的移动自组织网络，其网络架构是动态、缺少组织的网络，涵盖网络通信环境较复杂、节点位移可预测、节点位移速度较快、车载设备种类多等特点。发展路径也从起初的Telematics发展到智能化网络互联，再到如今基于5G的智能交通，发展目标也趋向于更加全面、丰富和立体。

1.3 关键技术

（1）路由应用技术。在车辆网的网络层应用路由技术，目的是解决多跳场景的路由分配和使用问题，包括网络寻址、消息转发及路由表数据管理。5G技术下的车联网通过应用路由协议设计车载终端与附近基站之间、车载终端之间的信息转发路由，以达到车联网数据的高效传输，并实现降低传输延时和提高通信效率的目的，对于信息实时性互通标准要求极强的车联网道路紧急救援系统具有重要意义。按路由标准，还可以将路由协议划分为基于位置的路由协议、基于地图的路由协议和基于拓扑的路由协议。

（2）数据云计算应用技术。将数据云计算技术应用到车联网中，主要是利用云计算强大的运算能力实现业务的高速部署，获得更加实时的数据和丰富的业务支撑，以便为使用者提供更高效、更便捷的服务[7]。将数据云计算应用到车辆导航技术中，能够随时获得最新的路况信息，为用户选择最优路线，并缓解交通的整体压力。利用数据云计算还可以通过计算交通路况数据，分析路况信息和道路紧急状况的调配，为道路紧急救援系统获取更有价值的路况信息。

（4）媒体访问控制技术。媒体访问技术在车联网中的应用体现在合理分配频谱资源，完成信道利用，以实现通信数据安全、高效的互通。除了信息同步和资源节约方面，媒体访问控制技术还专注于提供高质量的业务服务并减少冲突发生率。媒体访问控制技术可以针对车辆密集度、交通情况空闲时隙等减低间隔时延，通过提高安全分组传送率，保证数据通信适用于道路紧急救援系统中车辆速度变化和密度变化的情况。

2 道路紧急救援系统

2.1 紧急救援系统概要

汽车行业及道路交通建设的高速发展，为国民经济提高作出贡献的同时，也伴随着产生了很多社会问题，如：交通拥堵、环境污染及不断攀升的交通事故。导致交通事故率攀升的原因各不相同，其中道路救援时效性和救援方式不科学无疑为道路事故救援雪上加霜，可见提升道路管理救援工作的效率具有一定的现实意义。

传统的人工报警方式道路救援时效性差，车辆人员报警容易对救援产生误导，而且如果肇事车辆不便完成人工报警，还会造成交通事故救援的延误，从而降低救援效率。随着5G车联网技术的发展，能够提供更加全面立体的服务类型，这也为道路紧急救援服务的开展创造了更优质的基础平台，并提供了全面的技术支持，优化了交通公共服务系统。利用5G车联网实施交通救援能够快速到达现场，节省救援时间，减少事故损失。将5G车联网技术应用在道路紧急救援系统中，能够实现传感器传感、位置定位及移动信息的高效通信，车辆在发生交通事故后，可以第一时间与救援服务中心完成通信，将发生位置和车辆数据传送到救援中心，以便于救援中心迅速做出回应，调度资源完成救援。道路紧急救援系统模拟示意图如图2所示。

图2 道路紧急救援系统模拟示意图

2.2 道路紧急救援系统的构成

道路紧急救援系统由救援业务调度中心和行车终端构成。救援业务调度中心划分为业务操作平台和大数据处理平台，调度中心接收到行车终端信息后，首先经过大数据处理平台进行数据处理，然后将数据结果发送至业务操作平台，利用软件系统和多媒体设备实现应急救援场景在电子地图的可视化呈现，从而进行交通调度，调配交通设施，为紧急救援创造便利的交通条件，缩短救援时间。行车终端的功能主要是利用车载传感器完成收集救援数据信息并实现发送传递，数据信息涵盖事故时间、地点、路况。道路紧急救援系统的构成如图3所示。

图3 道路紧急救援系统的构成

3 基于5G的车联网技术在道路紧急救援系统的应用

道路紧急救援系统是基于5G车联网技术的重要应用，由于救援系统对救援时间和救援效率有着较高的要求，所以应当利用5G车联网技术有效降低信息收集、传输、处理、调度时长，以实现道路紧急救援效率的提升，并最大限度降低交通事故带来的人身伤害和财产损失。利用5G车联网技术实现道路紧急救援系统的应用体现在传感器技术的应用、车辆的精准定位应用及系统通信技术应用。

3.1 传感器技术应用

车联网的构成元素包括道路交通基础设施、机动车终端、行人和基础网络。5G车联网技术在道路紧急救援系统中的应用体现在传感器技术的应用方面。传感器的作用是感知采集环境信息，实现多传感信息的综合，并利用信息技术、通信技术实现数据分析、控制及利用，为相应决策提供依据。根据传感器的安装部位，将传感器划分为车辆内部传感器、车辆外部传感器和道路交通传感器。车辆内部传感器用于实现车辆自身情况信息的采集，车辆外部传感器主要完成车辆外界环境因素的采集，道路交通传感器主要完成道路交通信息的采集和发送。

一旦车联网中的机动车遇到紧急情况，会随即启动紧急救援系统。5G车联网技术的传感器应用可以实现救援消息的自动发出，并传送至救援业务调度中心获得救援帮助。行车终端传感器包括安全气囊传感装置、加速传感装置和碰撞传感装置。如果遇到机动车前部发生碰撞造成安全气囊弹出，安全气囊传感装置触发响应，并通过气囊打开得出机动车遇到事故的结论，随即通过行车终端发出救援请求信息至救援业务调度中心。

3.2 机动车的精准定位应用

5G车联网无线环境下机动车精准定位的应用主体是行车终端，如果机动车遭遇紧急状况，机动车的方位确定则显得十分重要，这将直接对救援业务调度中心能否准确判断遇险机动车的准确位置造成影响，从而关系到整个救援的效率。其主要借助卫星定位技术实现机动车位置获取，通常依靠北斗定位系统或GPS定位系统实现，但此类方式在机动车所处地域情况特殊或遭遇极端恶劣天气时，对机动车位置信息获取会比较困难，所以对获取机动车位置信息的时效性和稳定性会产生不利影响。基于5G车联网的机动车定位主要依据机动车内人员的手机终端5G网络信号通过信令方式完成位置信息获取，在基于位置的路由协议中建立一个路由路径表，表中录入该节点所有下一跳的相邻节点位置信息，并通过设置周期性的接收相邻节点的心跳消息进行路由路径表的及时变更，根据路由表准确判定机动车位置，基于5G的车联网位置路由协议的机动车位置定位应用能更准确、高效地实现位置信息获取。

3.3 通信技术应用

基于5G车联网道路紧急救援系统的通信质量是救援实施的基础，也是保证救援管控的关键。5G车联网能够保证特定范围内的机动车实现通信，包括机动车之间（V2V）通信、人与机动车之间（V2P）通信、车与交通设施（V2I）的通信。体现在道路紧急救援系统中，就是为了实现快速与机动车通信，获取车辆及道路信息，应利用5G移动网络数据包传输效率高、低时延的特点，利用E-GyTAR路由协议端到端低时延和高数据传输率优势，提高救援通信质量，实现救援效率的提升。另外，利用5G移动网络优化的MAC层协议，面对不同种类应用业务实现优先级划分，将救援业务的优先级设置为最高，依据优先级建立救援通信，实现救援通信的质量提升。