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AUTOSAR V2X设施层(V2xFac)技术分析

基于AUTOSAR标准的V2X通信设施层深度解析

1. 引言

1.1 文档目的

本文档旨在分析AUTOSAR标准中的V2X设施层(V2xFac)模块，提供其架构、组件结构和通信机制的深入理解。文档基于AUTOSAR规范文档"AUTOSAR_SWS_V2XFacilities"编写，并通过可视化图表展示关键概念和交互流程。

1.2 V2X技术概述

车联网技术(V2X, Vehicle-to-Everything)是指车辆与任何可能影响车辆的实体之间的通信技术。它包括：

V2V(Vehicle-to-Vehicle): 车辆间通信
V2I(Vehicle-to-Infrastructure): 车辆与基础设施通信
V2P(Vehicle-to-Pedestrian): 车辆与行人通信
V2N(Vehicle-to-Network): 车辆与网络通信

V2X技术使车辆能够接收和发送信息，提高道路安全性，减少交通拥堵，并为未来的自动驾驶提供基础。

1.3 AUTOSAR标准中的V2X

AUTOSAR(汽车开放系统架构)标准将V2X通信集成到其软件架构中，确保跨不同车辆平台的互操作性。在AUTOSAR中，V2X功能分布在多个层次：

应用层：包含V2X应用和车辆数据提供者
设施层：包含基础服务，如协作感知(CA)和分散式环境通知(DEN)
传输层：包含基础传输协议和地理网络功能
通信层：处理底层无线通信

V2X设施层(V2xFac)在这个架构中扮演关键角色，它实现消息处理和管理功能，为上层应用提供标准化的服务接口。

2. V2X设施层架构

2.1 架构总览

V2X设施层(V2xFac)是AUTOSAR V2X栈中的核心组件，它位于应用层和传输层之间，提供标准化的消息处理服务。

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图2-1：AUTOSAR V2X设施层架构图，展示了V2xFac模块在整体架构中的位置以及与其他组件的关系

2.2 V2X设施层在AUTOSAR中的位置

V2xFac模块在AUTOSAR架构中的定位如下：

上层连接：与V2X应用程序和车辆数据提供者(VDP)直接交互
下层连接：与V2X基础传输协议(V2xBtp)和V2X地理网络(V2xGn)层通信
横向关系：与V2X管理(V2xM)协同工作

这种分层架构确保了模块化和可扩展性，同时保持了标准化的接口。

2.3 组件间关系

V2X设施层包含以下主要组件：

协作感知(CA)基础服务：
- 管理CAM(Cooperative Awareness Message)消息
- 提供车辆状态广播功能
分散式环境通知(DEN)基础服务：
- 管理DENM(Decentralized Environmental Notification Message)消息
- 提供道路事件和危险通知功能
基础设施到车辆信息(IVI)基础服务：
- 处理IVIM(Infrastructure to Vehicle Information Message)消息
- 提供从基础设施到车辆的信息传递
道路和车道拓扑(RLT)服务：
- 处理MAPEM(MAP Extended Message)消息
- 提供道路和车道拓扑信息
交通灯操纵(TLM)服务：
- 处理SPATEM(Signal Phase and Timing Extended Message)消息
- 提供交通信号灯状态和时序信息
本地动态地图(LDM)服务：
- 管理和维护车辆周围环境的动态数据

这些组件协同工作，为上层V2X应用提供完整的通信和信息处理功能。

3. 协作感知(CA)基础服务

3.1 CA服务概述

协作感知(CA)基础服务是V2X设施层的核心服务之一，负责管理CAM(Cooperative Awareness Message)消息的生成、发送和接收。CAM消息是一种周期性广播的消息，包含发送车辆的位置、速度、方向等基本信息，使附近车辆能够感知彼此的存在和状态。

CA服务的主要职责包括：

根据车辆动态参数控制CAM生成频率(1-10Hz)
编码和解码CAM消息
管理CAM发送和接收流程
向上层应用提供接收到的CAM数据

3.2 组件结构

CA基础服务由多个功能组件组成，它们协同工作以提供完整的CAM处理功能。

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图3-1：AUTOSAR V2X Facilities CA基础服务组件图，展示了CA服务的内部结构及其与其他层的交互

CA基础服务包含以下主要组件：

CAM传输管理：
- 根据ITS-S(智能交通系统站点)类型控制CAM生成
- 管理CAM触发条件
- 根据车辆动态情况控制发送频率
CAM接收管理：
- 接收来自V2xBtp层的CAM数据
- 验证CAM数据有效性
- 将接收到的CAM分发给应用层
CAM编码/解码：
- 将CAM数据按照ASN.1格式进行编码
- 将接收到的CAM消息解码成应用可用的格式
频率管理：
- 根据车辆动态参数(如位置、速度、方向变化)动态调整CAM发送频率
- 优化网络负载和信息时效性

3.3 消息处理流程

CAM消息处理包括发送和接收两个主要流程，下图展示了这些流程中各组件间的交互关系。

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图3-2：CAM消息处理序列图，展示了CAM消息从生成到接收的完整流程

CAM发送流程：

驾驶行为(加速、转向等)触发车辆数据变化
车辆数据提供者(VDP)将更新的车辆状态数据发送给CAM传输管理
CAM传输管理检查CAM触发条件，并咨询频率管理组件
频率管理根据车辆动态参数评估发送频率
如果需要发送CAM，CAM传输管理构建CAM数据并请求编码
CAM编码组件按照ASN.1格式编码CAM消息
编码后的CAM通过V2xBtp发送给其他ITS站

CAM接收流程：

来自其他ITS站的CAM消息通过V2xBtp接收
CAM接收管理接收CAM数据并请求解码
CAM解码组件解码CAM消息
CAM接收管理验证CAM有效性
有效的CAM数据被通知给V2X应用程序
应用程序处理CAM数据(如碰撞警告等)

CAM发送频率由多个条件动态决定，包括：

车辆位置变化 > 4米
车辆航向变化 > 4°
车辆速度变化 > 0.5米/秒
最低时间间隔为1秒(最低频率)
最高时间间隔为0.1秒(最高频率)

4. 分散式环境通知(DEN)基础服务

4.1 DEN服务概述

分散式环境通知(DEN)基础服务负责管理DENM(Decentralized Environmental Notification Message)消息，这是一种事件驱动型消息，用于通知道路危险或异常事件。与周期性发送的CAM不同，DENM仅在特定事件检测到时发送。

DEN服务的主要职责包括：

根据应用请求生成和管理DENM
控制DENM的生命周期(创建、更新、取消)
处理DENM的重复发送和转发机制
维护接收到的DENM缓存

4.2 组件结构

DEN基础服务由多个功能组件组成，协同工作以提供DENM处理功能。

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图4-1：AUTOSAR V2X Facilities DEN基础服务组件图，展示了DEN服务的内部结构及其与其他层的交互

DEN基础服务包含以下主要组件：

DENM传输管理：
- 根据应用请求生成DENM
- 管理DENM生命周期
- 控制DENM触发和更新机制
DENM接收管理：
- 接收来自V2xBtp层的DENM数据
- 验证DENM数据有效性
- 管理接收到的DENM缓存
- 将DENM分发给应用层
DENM编码/解码：
- 将DENM数据按照ASN.1格式进行编码
- 将接收到的DENM消息解码成应用可用的格式
DENM重复：
- 按照指定间隔重复发送DENM
- 管理重复次数和策略
DENM保活转发(KAF)：
- 接收和处理其他ITS-S发送的DENM
- 决定是否需要保活转发
- 管理转发策略和规则

4.3 消息处理流程

DENM消息处理包括发送、接收和转发流程，下图展示了这些流程中各组件间的交互关系。

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图4-2：DENM消息处理序列图，展示了DENM消息从生成到接收和转发的完整流程

DENM发送流程：

事件(如紧急制动)触发应用请求发送DENM
应用程序请求DENM传输管理发送DENM
DENM传输管理从车辆数据提供者获取车辆状态数据
DENM传输管理构建DENM数据并请求编码
DENM编码组件按照ASN.1格式编码DENM消息
编码后的DENM通过V2xBtp发送给其他ITS站
如果需要重复发送，设置重复发送参数并在指定时间间隔内重复步骤4-6
事件结束后，发送取消DENM消息

DENM接收流程：

来自其他ITS站的DENM消息通过V2xBtp接收
DENM接收管理接收DENM数据并请求解码
DENM解码组件解码DENM消息
DENM接收管理验证DENM有效性并更新DENM缓存
有效的DENM数据被通知给V2X应用程序
应用程序处理DENM数据(如显示危险警告)

DENM转发流程：

接收到DENM后，DENM接收管理检查是否需要转发
DENM保活转发组件评估转发条件
如果需要转发，请求DENM传输管理转发DENM
转发的DENM通过V2xBtp发送给其他ITS站

DENM保活转发(KAF)的条件包括：

消息具有保活转发标志
接收方在事件相关区域内
尚未超过最大转发跳数
原始消息的生命周期尚未过期

5. V2X消息格式

5.1 消息类型概述

V2X设施层处理多种标准化消息类型，每种消息都有特定的用途和格式。主要消息类型包括：

CAM(Cooperative Awareness Message)：
- 周期性广播的消息
- 包含车辆的位置、速度、方向等基本信息
- 用于让附近车辆感知彼此的存在和状态
DENM(Decentralized Environmental Notification Message)：
- 事件驱动型消息
- 用于通知道路危险或异常事件
- 包含事件类型、位置、严重程度和有效期等信息
IVIM(Infrastructure to Vehicle Information Message)：
- 从基础设施发送到车辆的信息
- 包含交通标志、道路施工等信息
MAPEM(MAP Extended Message)：
- 提供道路和车道拓扑信息
- 描述交叉路口结构和车道配置
SPATEM(Signal Phase and Timing Extended Message)：
- 提供交通信号灯状态和时序信息
- 用于交通灯配时优化和车辆准确通过交叉路口

5.2 CAM消息结构

CAM消息具有标准化的结构，包含多个容器，每个容器提供不同类型的信息。

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图5-1：V2X消息格式类图，展示了CAM和DENM消息的数据结构及其关系

CAM消息的主要结构包括：

头部(ItsPduHeader)：
- 协议版本
- 消息ID
- 站点ID
协作感知内容(CooperativeAwareness)：
- 生成时间差(generationDeltaTime)
- CAM参数
CAM参数(CamParameters)：
- 基本容器(BasicContainer)：包含站点类型和参考位置
- 高频容器(HighFrequencyContainer)：包含频繁更新的动态数据
- 低频容器(LowFrequencyContainer)：包含不频繁更新的静态或半静态数据
- 特殊车辆容器(SpecialVehicleContainer)：包含特定车辆类型的信息
基本容器(BasicContainer)：
- 站点类型(stationType)
- 参考位置(referencePosition)
高频容器(HighFrequencyContainer)：
- 航向(heading)
- 速度(speed)
- 行驶方向(driveDirection)
- 车辆尺寸(vehicleLength, vehicleWidth)
- 纵向加速度(longitudinalAcceleration)
- 弯道曲率(curvature)
- 偏航率(yawRate)
低频容器(LowFrequencyContainer)：
- 车辆角色(vehicleRole)
- 外部灯光状态(exteriorLights)
- 路径历史(pathHistory)

5.3 DENM消息结构

DENM消息同样具有标准化结构，主要用于通知特定事件或危险。

DENM消息的主要结构包括：

头部(ItsPduHeader)：
- 协议版本
- 消息ID
- 站点ID
分散式环境通知内容(DecentralizedEnvironmentalNotificationMessage)：
- 管理容器(ManagementContainer)：必选
- 情景容器(SituationContainer)：可选
- 位置容器(LocationContainer)：可选
- 其他容器(AlacarteContainer)：可选
管理容器(ManagementContainer)：
- 动作ID(actionID)
- 检测时间(detectionTime)
- 参考时间(referenceTime)
- 终止标志(termination)：可选
- 事件位置(eventPosition)
- 相关距离(relevanceDistance)：可选
- 相关交通方向(relevanceTrafficDirection)：可选
- 有效持续时间(validityDuration)：默认600秒
- 传输间隔(transmissionInterval)：可选
- 站点类型(stationType)
情景容器(SituationContainer)：
- 信息质量(informationQuality)
- 事件类型(eventType)
- 关联原因(linkedCause)：可选
- 事件历史(eventHistory)：可选
位置容器(LocationContainer)：
- 事件速度(eventSpeed)：可选
- 事件位置航向(eventPositionHeading)：可选
- 轨迹(traces)
- 道路类型(roadType)：可选