[发明专利]基于DSRC及低空卫星通信的车载T-Box及其应用

权利要求书

1.一种基于DSRC及低空卫星通信的车载T-Box，其特征在于：包括互相连接的数据采集单元和无线通信单元，所述数据采集单元包括从处理器，以及与所述从处理器连接的数据存储、CAN通信模块，所述无线通信单元包括主处理器，以及与所述主处理器连接的DSRC通信模块，4G通信模块，低空卫星通信模块，WiFi/BT模块，GPS/北斗定位模块，RTC实时时钟模块，电池管理单元，存储模块，语音模块、编译码模块、人机交互模块以及安全芯片，所述主处理器与所述从处理器之间通过SPI接口实现连接；

所述车载T-Box之间数据包的转发算法为：

包括地理单播，拓扑域内广播，地理广播和地理任播；

所述地理单播是用于从一个源到一个目的的单线数据传播，通过基于DSRC通信指定的地址直接通信或通过多次跳跃完成转发，拓扑域内广播是用于从一个源到所有在车辆自组织覆盖范围内的节点的数据传输；

所述地理广播是用于从一个单一节点到所有在目标区域的节点的数据传播，地理广播目标区域范围是由地理区域定义的，地理区域是由几何形状依次定义的；

所述地理任播是从一个单节点到地理区域内任意节点的数据传播，地理任播中当数据包到达区域内的节点后，数据包不会被转发；

所述数据采集单元通过两侧CAN总线采集车辆的仪表盘信息、各ECU状态信息和故障信息，并通过无线通信单元中的4G通信模块将采集到的信息发送到云平台进行处理，并通过WiFi/BT模块将结果发送到移动终端；

所述无线通信单元中的GPS/北斗定位模块通过4G通信模块将车辆的位置信息实时传输到云平台或车辆调度中心；

所述无线通信单元接收来自云平台或用户手机的数据，并将之转换为CAN总线可以识别的报文数据，实现对车辆的远程操作；

应用上述车载T-Box进行车路协同的系统：包括装载有车载T-Box的车辆，以及路侧单元，车辆T-Box通过无线通信方式与其他同样装备车载T-Box的车辆及路边基站构建移动自组织网络实现数据通信；

应用上述车载T-Box进行车路协同的方法：作为发送者的车载T-Box通过DSRC模块的以广播的形式向周围的车辆或路侧单元发送频率为5.8GHz的数据或安全类信息，经过服务注册请求、认证，信道接入分配后，建立双向的数据传输，作为接受者的车载T-Box根据数据传输协议校验发送者接收到的消息，确认有效后将消息解码，将消息发送至云平台进行处理，云平台将处理后的消息返回至车载T-Box，并通过人机交互模块显示，车辆执行机构根据接收者的输出执行相应动作；

所述车载T-Box将消息发送至云平台与云平台进行数据交换时经过设备认证中心验证，用根密钥加密车载T-Box与云平台之间的传输认证密钥AK，设备认证中心产生随机数种子和随机询问发送给T-BOX的安全芯片；安全芯片根据RS和AK通过加密算法VA11计算出会话密钥，再根据RAND1通过加密算法VA12计算出响应和导出密钥，T-BOX将计算出的RES1发送给设备认证中心；设备认证中心根据RS和AK通过算法VA11计算出会话密钥，再根据RAND1通过算法VA12计算出预期响应和导出密钥，云平台把T-BOX发来的RES1与计算出的XRES1进行比较，如果值相，则设置运算结果R1为真，并发送给T-BOX，设备认证成功；

上述车载T-Box进行车路协同的系统在不同状况下设有四个应用程序，所述应用程序的要求和通用机制如下：

车-车合作，这个应用支持车辆在彼此之间没有持续的通信链路下分享信息的要求，车辆分别通过广播或区域联播发送数据到所有附近的车辆或在区域内的车辆，实现-车辆信息的共享；这个应用程序包含3个应用实例：发送者、接收者和车辆执行机构；其中发送者和接收者分别由交互车辆的车载T-Box扮演，其中发送者需要获得相应用例要求的本地车辆数据，包括车速及加减速度信息、车辆行驶方向及偏向角、车辆状态及故障信息、车辆高精度定位及行驶车道信息，这些信息由车载传感器及其它智能设备获得，通过车载以太网总线或常规CAN总线传输到车载T-Box；之后作为发送者的车载T-Box将本地车辆数据按照J2735专用短距离数据传输协议打包成消息，使用广播或地域性群播的机制将消息发送给附近的车辆；作为接收者的车载T-Box根据数据传输协议校验从发送者接收到的消息，确认有效后将消息解码为远程车辆数据，然后根据具体用例的要求评估消息的内容，车辆执行机构根据接收者的输出采取适当行动；以合作前向碰撞警告用例说明该应用程序的具体实现方式，路面行驶的车辆按照要求使用广播或地域性群播的机制发送自身车辆信息，附近车辆在接收到信息后将执行前向碰撞检测算法评估其他车辆对自己车辆的威胁；前向碰撞检测算法如图7所示，该算法以发送者发来的数据和本地采集车辆数据为输入，对比附近车辆的当前车道信息，车速及加/减速度信息和高精度定位信息并计算车辆的临界安全距离，常用的临界安全距离计算公式如下：

式中D_w为前向碰撞报警距离；V_f、a_f、V_l、a_l分别为前车和后车的速度和减速度，T_w为刹车反应时间；如果算法检测到在同一车道的两辆车以当前加速度或减速度会产生潜在前向碰撞，车载T-Box会将这个结果通过USB接口发送到车辆人机界面，给驾驶员一个警告；此外，基于该应用程序实现的用例还包括合作自适应巡航控制、超车警告；

车-车分散式环境通知，这个应用程序提供关于事件和道路特征的信息，这些信息是驾驶员在特定的区域和时间里感兴趣的；这个应用程序包含3个应用实例：监测器、发送者、接收者；监测器主要包括现有道路上基础设施，如交通监控系统，可见性传感器，桥上的风力传感器，道路信息警示，监测器在采集到相关数据后通过互联网连接将消息发送到附近的路侧单元(RSU)，消息包括分布参数(例如优先级，有效性)、认证数据(例如签名)、位置和使用标准化的风险类型方案描述的事件和道路信息；然后路侧单元(RSU)扮演发送者的角色，使用广播或地域性群播的机制发送消息到周围的车辆或在一个地理区域内的车辆；车辆的车载T-Box作为接收者解码收到的消息同时确认消息的有效性，保存有效的消息并丢弃无效的消息；然后按照标准化的风险类型方案集群描述相同事件或道路信息的消息，优先考虑集群分布的信息，并以最高优先级传递到到车辆人机界面；该应用程序中，消息包含了关于事件和路况的信息；注意路况可以是静态的或动态的，(例如冻雨—静态，交通堵塞—动态)；每个消息包含关于一个单一事件或路况的信息，为了独立的发布信息；每个消息由以下3部分组成：

用于消息管理的参数：这个信息用于满足消息的独立处理；它包含：一个随机的且独一无二的消息ID；由于车辆独立的生成消息ID，不能保证完全的唯一性除非它包含位置和时间信息，这将导致很长的ID；因此系统必须避免ID重复；消息的时间戳、优先级、发起者设定的消息的可靠性、目标区域的限制、到期时间；

位置信息：这个信息是必须的，为了集群信息和帮助驾驶员识别相关消息；因此，不同消息的位置信息必须被匹配且自己的驾驶路径必须和消息匹配；为了实现匹配，不仅要将事件位置加入到消息中而且要增加位置追踪描述符；这个追踪信息必须和专用的数字地图配合；

事件和路况信息：事件和路况信息使用标准化的、可扩展的方案编码；

下面以危险预警用例说明该应用程序的具体实现方式，监测器监测像交通事故或危险情况这样的事件；为了避免信息丢失，检测器会及时将危险事件消息发送到事故发送区域内的路侧单元，路侧单元在事故区域和特定的时间内广播交通事故危险预警消息；区域内的车辆通过车载T-Box接收广播的消息并完成消息的解码与相同事件的集群，然后将危险预警事件通过USB传递到车辆人机界面递交给驾驶员(例如，听觉、视觉和触觉)；此外，基于该应用程序实现的用例还包括堵车提前预警、危险地段车-车通知、安全服务点、盲区警告；

基础设施-车(单向)通信，这个应用程序支持车辆与路边基站(RSU)之间无持续通信链路时从路边基站(RSU)到车辆的通信；该应用程序既不能建立双向的通信链路也不能接收和转发危险警告；这些将通过车-车分布式环境通知实现；本应用程序包含2个应用实例:路侧单元(RSU)和车载T-Box；其中路侧单元(RSU)作为发送者按照DSRC数据传输协议将需要广播的数据封装成短消息，然后使用广播机制将消息发送到周围车辆；车载T-Box作为接收者验证接收到的消息并将消息解码成远程RSU数据，然后根据用例要求评估消息的内容；并将评估结果传递到车辆人机界面；以车速限制广播用例说明该应用程序的实现方式，动态限速标志根据当天的时间或交通堵塞特殊情况显示不同的限制，该区域的RSU将周期性地广播包含速度限制的消息；此外，消息将包含额外的关于速度限制的信息例如它的地理或定向限制；区域内的车辆通过车载T-Box收到广播消息后完成消息的解码，将消息中的一些地理或定向限制与车辆的本地数据进行比较来决定本地车辆是否应用速度限制；如果T-Box采集的车辆速度超过当前限制速度，T-Box会通过USB将超速信息发送到车辆人机界面给驾驶员发送一个警告；此外，基于该应用程序实现的用例还包括绿灯最佳速度咨询、危险地段I2V通知；

车-车单播交换，这个应用程序能够使能两辆车之间用于交换信息的通信链路；这个应用由4个不同的阶段组成：发现、连接、维护和关闭；发现阶段是指一个车辆决定连接其他车辆的阶段；在随后的连接阶段车辆发起一个请求发送到其他车辆从而打开一个连接；其他车辆必须决定是否允许这个连接；维护阶段是当两个车辆正在交换数据的同时保持连接打开；关闭阶段是当两个车辆中的一个决定停止交换数据并关闭连接；发起者将发送一个连接请求到目标车辆，一旦连接被建立，发起者必须执行实现用例所需的双工或双向的通信协议；这包括将车辆信息打包成消息和在合适的时间发送消息，发起者随时关闭连接；应答者应当回应所有的连接请求，接受或拒绝；当和某个发起者的连接被建立，应答者应该执行实现用例所需的双工或双向的通信协议；这包括将车辆信息打包成消息和在合适的时间发送消息；应答者应当视用例的情况从车辆系统请求信息和发送信息到车辆系统，应答者随时关闭连接；该应用一般用于建立车辆间的及时通讯。