基于车路协同的车联网编队无缝切换方法

本发明属于v2i车联网通信技术领域，具体涉及一种基于车路协同的车联网编队无缝切换方法。

背景技术：

车用无线通信技术(vehicletoeverything,v2x)是将车辆与万物互联的新一代通信技术，是各种车载通信技术的总称。另外由于5g核心网控制面和数据面相分离，便于分布式的边缘计算(multi-accessedgecomputing，mec)部署，而在车与基础设施(vehicletoinfrastructure,v2i)模式下，路边单元(roadsideunit,rsu)均部署边缘计算来完成本地端车辆信息的数据处理、加密和决策，并提供实时、高可靠的通信能力。借此，具有通信功能的车辆通过编队行驶，车与车之间保持理想的既定车间距，既保证了司机的驾驶安全和乘客的乘车体验，同时又有效提高了道路吞吐量、缓解了道路堵塞和减少环境污染。除此之外，所有车辆上传的行驶状态信息(drivingstateinformation，dsi)，包括车辆实时位置、车辆速度、车辆加速度不必再经过传输网络到达云端处理，从而降低时延和网络负荷，也提升了数据安全性和隐私性。

然而，在v2i车联网环境下，由于单个路边单元rsu的通信覆盖范围有限，因此需要道路旁布设的多个路侧单元协同合作。这会导致编队车辆从一个路边单元的覆盖范围驶入另一个路边单元的覆盖范围的过程中涉及通信切换和编队控制问题，而目前智能车辆的计算处理性能有限，且车辆行驶过程中具有高机动性的特点，因此要保证v2i的服务质量(qualityofservice，qos),就必须在车辆行驶过程中避免发生通信和编队控制服务中断。

而在当今的5g网络和4g传统网络中，双连接(dc，dual-connectivity)技术支持移动终端在网络切换时与源小区的连接始终保持活跃状态，以接收和发送用户数据，直到它能够在目标小区中发送和接收用户数据为止，这样可以大大减少移动性中断时间，但这只针对于单个终端。对于v2i车联网编队场景，存在多个车辆协同行驶，路边单元需要整个编队的行驶状态信息来保证计算正确的车辆控制输入，因此整个编队车辆在行驶过程中至少要保证有一个路边单元可以收到完整的车辆行驶信息。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提出一种基于车路协同的车联网编队无缝切换方法，用以保证车路协同下的服务质量和解决车路协同编队控制的问题。

本发明提供的基于车路协同的车联网编队无缝切换方法，具体技术方案为：

首先，设车路协同系统包括m+1辆编队车辆和提供编队服务的路边单元；将行驶方向最前方的第一辆车定义为领车，其余为跟随车辆；将当前为车辆提供编队服务的路边单元定义为源路边单元(源rsu)，行驶方向上的下一个路边单元定义为目标路边单元(目标rsu)；在路边单元上装配n根天线，车辆在行驶过程中向路边单元上传自身实时状态信息，路边单元控制决策器根据一定的控制法则利用边缘云处理计算得到编队控制输入，最后再将车辆的控制输入通过下行链路传输发送给车辆执行器运行，从而动态调整车辆行驶状态，使之达到编队稳定。

为了保证相邻两个rsu在发生切换时可以无缝的控制整个编队车辆，借鉴了4g和5g中已经采用的双连接技术，具体指车辆在一个区域内可以与两个路边单元建立通信连接，通过路边单元之间的协同合作来实现编队控制，将该区域称为双连接区域。且为了保证切换过程中整个编队车辆要在双连接区域内，应将相邻两个rsu间的纵向距离(inter-sitelongitudinaldistance,isld)保持在一定水平范围。另外还可以根据不同技术方案灵活配置无线资源来调整路边单元间的纵向距离，借此满足各种交通场景；所述纵向距离(isld)参见图1所示。

编队具体切换过程包括以下步骤：

步骤1，编队在行驶过程中，当领车建立与目标rsu的随机接入，领车便开始发送带有自身标识的行驶状态信息(p+车牌+状态信息)给目标rsu，目标rsu收到编队服务请求并通过此信息识别是否编队车辆，借此来排除不属于编队的其余行驶车辆；当目标rsu接收到来自领车的信息后，目标rsu立刻通过通信接口(x2)向源rsu发送编队车辆数目命令，使源rsu通过通信接口(x2)向目标rsu发送含有编队车辆数目的数据包。

说明：此阶段整个编队车辆刚进入双连接区域，继续接收来自源rsu发送的编队控制输入数据包。

步骤2，当目标rsu收到编队数目m+1后，通过编队标识确定接收到整个编队m+1辆车的状态信息之后，便第二次通过通信接口(x2)向源rsu发送编队控制输入命令，使源rsu通过通信接口(x2)向目标rsu持续发送每次更新后的含有编队车辆控制输入的数据包，同时目标rsu自身开始计算编队车辆的控制输入数据。

说明：此阶段整个编队车辆逐渐进入双连接区域，同时向源rsu和目标rsu发送自身行驶状态信息数据包和接收来自源rsu的控制输入数据包。

步骤3，目标rsu收到来自源rsu的编队控制输入数据后，与自身计算的控制输入数据进行比较，直到目标rsu接收来自源rsu的车辆控制输入数据与自身计算的控制输入数据相同时，便第三次通过通信接口(x2)向源rsu发送编队切换成功命令，同时目标rsu通过下行链路传输开始向整个编队车辆发送控制输入数据包。

步骤4，当源rsu收到目标rsu的切换成功命令时，将立刻触发停止向编队车辆的下行链路传输，不再向当前编队车辆发送控制输入数据，编队处理任务完全交付给目标rsu进行，此时整个切换过程完成。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

弥补了双连接技术下无法进行车路协同编队控制的缺陷；不仅支持ltec-v2x下的3.5ghz和5.9ghz频点传输，并随着5g网络的逐渐普遍，也同样支持nrc-v2x。同时也可以扩展到毫米波频段和面向未来的6g太赫兹频段，提高了车路协同网络的普适性。

附图说明

图1为本发明基于车路协同的车联网编队无缝切换方法的双连接范围图示。

图2为本发明基于车路协同的车联网编队无缝切换方法的流程图示。

具体实施方式

下面将给出本发明的具体实施例，以便于更加清楚的理解本发明的实质，但应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的实施例提供了一种基于车路协同的车联网编队无缝切换方法。该实施例基于5g大规模mimo下的v2i通信，在rsu侧使用迫零(zf)接收。在此方案下首先给定编队跟随车辆数目m、路边单元装配的天线个数n、系统带宽b和通信速率阈值rth等，再考虑到车辆的高机动性特点等，对问题进行理论建模。然后通过事先分配好的无线资源计算出双连接下源路边单元和目标路边单元之间的最大纵向距离(isld)，在该情形下纵向距离(isld)的表达式为：

其中，代表领车的发送功率，σ²代表噪声功率，rth代表通信速率阈值，b代表系统带宽，α代表通信链路中的路径损耗指数，β为常数参数，ro代表路边单元位置到车辆行驶方向的垂直距离，ho代表车辆自身和rsu的高度差，dplatoon代表编队长度。

图1为本发明实施例提供的一种基于车路协同的车联网编队无缝切换方法的系统场景图。如图一所示，本发明考虑一个系统场景：m+1辆装配单根天线的编队车辆行驶在直线道路上，本实施例中m取8，即有8辆跟随车辆，进一步利用车辆自身长度和目标车间距可以得到编队长度dplatoon，本实施例中编队长度dplatoon取15m。另外道路旁布设若干个路边单元为车辆提供编队服务，每个路边单元装配n根天线用于接收来自编队车辆的状态信息和发送控制输入给编队车辆，本实施例中n取64，路边单元的纵向间距应保持在之内，使之可以无缝地为编队车辆提供服务。本实施例中系统带宽b取5mhz，领车的发送功率取20dbm，路径损耗指数α取2，路边单元位置到车辆行驶方向的垂直距离ro取10m，高度差ho取6m。

本实施例中，所述的具体切换过程，如图2所示：

步骤1，编队在行驶过程中，当领车建立与目标rsu的随机接入，领车便开始发送带有自身标识的行驶状态信息(p+领车车牌+位置/速度/加速度)给目标rsu。目标rsu收到编队服务请求并通过此信息识别是否编队车辆，借此来排除不属于编队的其余行驶车辆。当目标rsu接收到来自领车的信息后，目标rsu立刻通过通信接口(x2)向源rsu发送编队车辆数目命令，使源rsu通过通信接口(x2)向目标rsu发送含有编队车辆数目的数据包。

注：此阶段整个编队车辆刚进入式(1)所代表的双连接区域，继续接收来自源rsu发送的编队控制输入数据包。

步骤2，当目标rsu收到来自整个编队9辆车的状态信息之后。便第二次通过通信接口(x2)向源rsu发送编队控制输入命令，使源rsu通过通信接口(x2)向目标rsu持续发送每次更新后的含有编队车辆控制输入的数据包，同时目标rsu自身开始计算编队车辆的控制输入数据。

注：此阶段整个编队车辆逐渐进入双连接区域，同时向源rsu和目标rsu发送自身行驶状态信息数据包和接收来自源rsu的控制输入数据包。

步骤3，目标rsu收到来自源rsu的编队控制输入数据后，与自身计算的控制输入数据进行比较，直到目标rsu接收来自源rsu的车辆控制输入数据与自身计算的控制输入数据相同时。便第三次通过通信接口(x2)向源rsu发送编队切换成功命令，同时目标rsu通过下行链路传输开始向整个编队车辆发送控制输入数据包。

步骤4，当源rsu收到目标rsu的切换成功命令时，将立刻触发停止向编队车辆的下行链路传输，不再向当前编队车辆发送控制输入，编队处理任务完全交付给目标rsu进行，此时整个切换过程完成。

综上所述，本发明的编队无缝切换方法不仅适用于4g，5g中频和毫米波频段，还可以适用于6g太赫兹频段。通过给定一定数目的编队车辆以及配置好的无线通信资源，借此得到路边单元之间的纵向距离，保证在切换过程中整个编队车辆可以在双连接区域内，致使编队车辆可以达到无缝切换。另外可以根据不同技术方案配置不同的无线通信资源，例如车辆发送功率和路边单元装配天线个数等，来灵活的调整路边单元间纵向距离，用以应对各种交通场景。因此，本发明方法不仅保证了车路协同过程中的服务质量，也提高了车路协同网络的普适性。

以上仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下，所做的任何修改、替换和变型，均应该包含在本发明的保护范围之内。