一種基于WiFi Direct的車路信息交互方法

摘 要： 基于短程通信的車車、車路信息交互已經(jīng)成為智能交通的一種發(fā)展趨勢，提出一種基于WiFi Direct的車路信息交互方法，通過運(yùn)行于網(wǎng)絡(luò)中的路邊基站向車載終端發(fā)出連接并發(fā)布消息。針對目前用戶個(gè)性化信息服務(wù)的需求，提出一種基于過濾信息的WiFi Direct自動連接方法，在WiFi Direct技術(shù)上作出改進(jìn)，在 Sendmessage數(shù)據(jù)幀中增加一幀過濾信息。該方法簡化了基站與終端之間的連接，提高了消息推送的準(zhǔn)確性，而且實(shí)地測試得出，該改進(jìn)方法比現(xiàn)有的方法在連接速度上平均提高35.01%，消息推送量平均提高8.65%。

關(guān)鍵詞： 短程通信； 車路信息交互； WiFi Direct； 基站； 車載終端

中圖分類號： TN916.51?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）09?0154?05

Abstract： The vehicle， vehicle?road information interaction based on short?range communication becomes a development trend of intelligent transportation. The method of vehicle?road information interaction based on WiFi direct is proposed， which is sending connection and information to the vehicle terminal by the roadside base station running in the network. With the demands of the users personalized information service， the method of WiFi direct automatic connection based on filtering information is proposed， that is the improvements based on WiFi direct technology and adding a frame filtering information in send?message data frame. The proposed method simplifies the connection between the base station and vehicle terminal， and improves the accuracy of message push. The field test shows that the connection speed is increased by 35.01% and the quantity of push messages is increased by 8.65% by the improved method compared with the existing method.

Keywords： short?range communication； vehicle ?road information interaction； WiFi direct； base station； vehicular terminal

0 引 言

車路協(xié)同系統(tǒng)（Cooperative Vehicle?Infrastructure System，CVIS）[1]是基于先進(jìn)的全時(shí)空動態(tài)交通信息采集、融合技術(shù)，通過全方位實(shí)施車車、車路動態(tài)實(shí)時(shí)信息交互，進(jìn)行車輛主動安全控制和道路協(xié)同管理，形成人車路有效協(xié)同的安全、高效和環(huán)保的道路交通系統(tǒng)[2]。目前世界各國都積極發(fā)展車路協(xié)同技術(shù)的研究與實(shí)驗(yàn)。

美國通過計(jì)劃IntelHDrive[3]研究項(xiàng)目大力推動了車路協(xié)同技術(shù)的發(fā)展，其中，IntelliDrive是VII[4]項(xiàng)目的演進(jìn)，其研究方向的重點(diǎn)在于車輛主動安全方面。2006年起，美國交通部就開始協(xié)助汽車制造廠商對車載終端連接、服務(wù)中心平臺以及無線短距離通信（Dedicated Short Range Communications，DSRC）與車輛間的通信技術(shù)進(jìn)行研發(fā)。

日本車路協(xié)同技術(shù)的最大特點(diǎn)是個(gè)性化行車安全與導(dǎo)航。2006年，日本由政府和23家知名企業(yè)共同啟動了 “SmartWay計(jì)劃”[5]，該計(jì)劃利用現(xiàn)有的智能交通技術(shù)[6?7]，例如即時(shí)交通信息系統(tǒng)VICS、電子不停車收費(fèi)ETC[8]等技術(shù)以及信息與短程通信技術(shù)，建立車載集成平臺，將道路與車輛連接成為一個(gè)整體，形成車路協(xié)同感知整體環(huán)境。

和國外相比，我國的車路協(xié)同系統(tǒng)的研究起步較晚，2007年起通過863計(jì)劃《交通對象協(xié)同式安全控制技術(shù)》、自主科研計(jì)劃《基于車路協(xié)同的智能交通系統(tǒng)》等項(xiàng)目開始對車路協(xié)同技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究，我國在“十五”科技攻關(guān)項(xiàng)目中，把發(fā)展基于短程通信的車路交互技術(shù)列為重大攻關(guān)項(xiàng)目。

不難看出，基于短程通信[9]的車路信息交互技術(shù)是目前智能交通領(lǐng)域發(fā)展的趨勢和熱點(diǎn)，短程通信是一種小范圍的無線通信系統(tǒng)[10?11]，主要用于車輛與路邊系統(tǒng)、車輛之間的通信。法國ESCOTA高速公路利用短程通信技術(shù)檢測車流平均速度和旅行時(shí)間等； 歐美國家利用短程通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)交通導(dǎo)航系統(tǒng)， 幫助駕駛員選擇最佳路徑， 有效處理交通流量分布的不平衡性； 廣東利用短程通信技術(shù)推行電子收費(fèi)系統(tǒng)， 提高了道路的通行能力， 降低了空氣污染。

但是，目前基于短程通信的車路信息交互方面還存在一些問題：

（1） 傳輸距離有限。

（2） 傳輸速度不高。

（3） 路邊基站與車載終端連接過程比較復(fù)雜，而車輛行駛中的駕駛員不便于頻繁操作終端。

（4） 信息推送混亂，無法滿足目前用戶個(gè)性化信息服務(wù)的需求，車載終端會同時(shí)接收到很多連接請求和消息推送，而有些信息是駕駛員當(dāng)時(shí)環(huán)境下不需要的。

2010年10月，WiFi Alliance（WiFi聯(lián)盟）推出WiFi Direct技術(shù)，WiFi Direct標(biāo)準(zhǔn)是指允許無線網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備無需通過無線路由器即可相互連接，即點(diǎn)對點(diǎn)直連，WiFi Direct的傳輸距離高達(dá)200 m，最大傳輸速度是250 Mb/s，所以非常適合應(yīng)用于車路信息交互，但是同樣存在連接復(fù)雜和信息推送混亂的缺點(diǎn)。

因此，本文提出一種基于WiFi Direct的車路信息交互方法，該方法充分發(fā)揮了WiFi Direct的技術(shù)優(yōu)勢，并且在WiFi Direct技術(shù)上作出改進(jìn)，提出一種基于過濾信息的WiFi Direct自動連接方法，當(dāng)有路邊基站向車載終端發(fā)送連接申請信息時(shí)，車載終端通過對申請信息數(shù)據(jù)幀中的過濾信息進(jìn)行判斷，有選擇性地完成連接，然后進(jìn)行消息推送，該方法簡化了基站與終端之間的連接，避免了消息推送的混亂性。

1 系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)通過運(yùn)行于網(wǎng)絡(luò)中的路邊基站向車載終端申請連接并發(fā)布消息，實(shí)現(xiàn)道路交通基礎(chǔ)設(shè)施與車載終端的一體化協(xié)調(diào)合作。

1.1 車路交互模型

基于WiFi Direct的車路交互架構(gòu)圖如圖1所示。路邊設(shè)有WiFi Direct基站，這些基站通過高速局域網(wǎng)與服務(wù)器通信。車輛在經(jīng)過基站覆蓋范圍時(shí)，基站向車載終端發(fā)布最新路況、娛樂等消息。

1.2 車路交互過程

如圖1所示，基站會不斷地搜索附近車載設(shè)備。當(dāng)車輛行駛至A位置時(shí)就進(jìn)入了WiFi Direct基站的無線覆蓋范圍，此時(shí)基站會搜索到該車輛內(nèi)的WiFi Direct車載終端設(shè)備，并且向車載終端發(fā)送連接申請，該連接申請信息包括過濾信息，車載終端通過對過濾信息判斷決定是否連接。例如，車載終端設(shè)定只接收緊急路況消息，基站會發(fā)送緊急路況消息連接申請、街邊飲食消息連接申請、街邊娛樂消息連接申請等，終端會對基站發(fā)送來的申請連接信息進(jìn)行標(biāo)題判斷，如果“過濾信息”等于“緊急路況消息”，就同意連接，否則就拒絕，連接完成后，基站會向車載終端傳輸緊急路況消息，當(dāng)車輛行駛至B位置就會駛離基站覆蓋范圍斷開連接。如此，駕駛員可以權(quán)衡多個(gè)路況信息，選擇通往目的地最快捷的路線，還可以獲得街邊服務(wù)信息。

2 基于過濾信息的WiFi Direct自動連接方法

根據(jù)圖1的車路交互架構(gòu)可知，車輛在經(jīng)過一個(gè)WiFi Direct基站覆蓋范圍時(shí)有：

[T總=T連接+T傳輸]

式中：[T總]為車輛從駛?cè)牖痉秶今傠x基站范圍（約400 m）的時(shí)間，與車速有關(guān)；[T連接]為基站與該車輛連接成功時(shí)間；[T傳輸]為基站向車輛推送消息的時(shí)間。

由上式可知，[T連接]過大，那么[T傳輸]則越少，這樣會降低消息傳輸量，本文的連接方法可以通過減小[T連接，]從而增大[T傳輸。]

2.1 現(xiàn)有的WiFi Direct連接方法

現(xiàn)有的WiFi Direct連接過程如圖2所示。由圖2可知，現(xiàn)有的WiFi Direct技術(shù)在連接時(shí)，首先需要在設(shè)備1上開啟WiFi網(wǎng)卡，搜索附近設(shè)備，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有可連接的WiFi Direct設(shè)備（例如設(shè)備2）時(shí)，手動觸發(fā)connect按鈕來向設(shè)備2申請連接，設(shè)備2上會出現(xiàn)一個(gè)對話框，提示是否要連接，然后接收方再觸發(fā)設(shè)備2連接按鈕同意連接，連接完成后推送消息，這些消息只有個(gè)別是接收方需求的，因而接收方需要一個(gè)一個(gè)排除無用的連接，浪費(fèi)大量時(shí)間，增加了連接時(shí)間從而縮短了消息推送時(shí)間。而且，每一步的申請與應(yīng)答都需要手動，駕駛員在駕駛過程中頻繁的操作終端不方便也不安全。

2.2 改進(jìn)后的WiFi Direct連接方法

本節(jié)主要介紹基于過濾信息的WiFi Direct自動連接方法，這個(gè)方法用于基站與車載終端的自動連接?，F(xiàn)有方法在2.1小節(jié)中已經(jīng)講過，首先，每一步的申請與應(yīng)答都需要手動，這就不適合基站與車載終端的連接情況。對于基站來說，不可能總要人手動來觸發(fā)和發(fā)出申請連接，對于車載終端來說，駕駛員在駕駛過程中頻繁地操作終端很不方便也不安全。其次，要先完成連接才能再傳輸各種數(shù)據(jù)信息，這樣就存在一個(gè)問題，就是接收方要先確認(rèn)連接，再獲取申請方再次傳輸?shù)南⒉诺弥暾埛降囊鈭D，那么申請方發(fā)出的連接意圖也許對于接收方?jīng)]有用，就會造成目的不清，信息推送混亂的情況。所以，本文提出的自動連接方法是基站定時(shí)向周圍車載終端發(fā)送連接申請，而且車載終端根據(jù)申請信息中的過濾信息判斷是否完成連接，避免不必要的連接，這樣就大大提高了連接的準(zhǔn)確性和快速性，為消息傳輸創(chuàng)造了更多的時(shí)間。

2.2.1 改進(jìn)后的WiFi Direct連接方法流程

如圖3所示，路邊的基站會在通電后立即打開WiFi網(wǎng)卡，開啟WiFi Direct功能，然后進(jìn)行如下步驟：

（1） 車載終端設(shè)定好要接收的消息標(biāo)題，例如設(shè)定“緊急路況消息”標(biāo)題，可選的標(biāo)題有：“緊急路況消息”、“街邊飲食消息”、“街邊娛樂消息等。

（2） 基站在后臺線程每隔1秒觸發(fā)一次自動搜索功能，羅列并更新出附近200 m內(nèi)所有WiFi Direct車載終端設(shè)備，例如設(shè)備2。

（3） 基站循環(huán)觸發(fā)connect函數(shù)，將申請連接信息即Sendmessage數(shù)據(jù)發(fā)送至每一個(gè)搜索到的WiFi Direct設(shè)備（如設(shè)備2）申請點(diǎn)對點(diǎn)直連。本方法對已有的Sendmessage數(shù)據(jù)幀格式做了改進(jìn)，其中添加了過濾信息“基站服務(wù)”。具體的Sendmessage數(shù)據(jù)幀格式修改方法在2.2.2節(jié)中詳細(xì)介紹。

（4） 車載終端接收到連接請求時(shí)，獲取Sendmessage數(shù)據(jù)幀中過濾信息“緊急路況消息”。終端對Sendmessage的過濾信息進(jìn)行判斷，判斷請求設(shè)備是否是基站設(shè)備，從而得知終端是否要完成連接。判斷方法如下：

如果：“過濾信息”不等于“緊急路況消息”，則車載終端拒絕連接。

如果：“過濾信息”等于“緊急路況消息”，則車載終端立刻調(diào)用自動連接函數(shù)完成連接。

（5） 連接完成后，基站將在后臺線程中啟用server服務(wù)即FileTransferService，向車載終端發(fā)送相應(yīng)消息，如路況視頻消息。

2.2.2 改進(jìn)后的Sendmessage數(shù)據(jù)幀格式

WiFi Direct基站設(shè)備在申請連接時(shí)，發(fā)出的連接申請信息即為Sendmessage數(shù)據(jù)，本文對Sendmessage數(shù)據(jù)幀格式做如下修改，提高連接的準(zhǔn)確性，更便于車路進(jìn)行信息交互。

如圖4所示，Sendmessage數(shù)據(jù)幀格式中數(shù)據(jù)主要存儲在最后一幀config配置數(shù)據(jù)中，所以本方法在config數(shù)據(jù)幀中的組所有者（groupOnwerIntent）后添加了一幀過濾信息，該過濾信息可為“緊急路況消息”、“地理位置消息”、“街邊飲食消息”等標(biāo)題，并跟隨Sendmessage數(shù)據(jù)發(fā)送至每一個(gè)搜索到的WiFi Direct車載終端設(shè)備。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文提出的交互方法，試選取長安大學(xué)信息學(xué)院門前東西方向?yàn)闇y試路段，如圖5所示，該路段長約700 m，大于WiFi Direct的覆蓋范圍，論文選擇兩個(gè)三星Note3手機(jī)作為測試工具，分別安裝本文的車路交互軟件，一個(gè)作為WiFi Direct基站，另一個(gè)作為WiFi Direct車載終端。

3.1 連接時(shí)間對比驗(yàn)證

考慮到實(shí)際應(yīng)用場景中的無線連接距離受各種干擾和設(shè)備的影響，實(shí)際的WiFi Direct連接距離不一定有200 m，論文分別在距離基站150 m，160 m，170 m，180 m，190 m，200 m處測試連接時(shí)間。測試時(shí)設(shè)置兩個(gè)時(shí)間戳[t1]和[t2，][t1]為發(fā)出連接時(shí)刻，[t2]為連接成功時(shí)刻，測得連接時(shí)間為[t連接]=[t2]-[t1。]

首先使用現(xiàn)有的WiFi Direct連接方法，在200 m處，使用基站的三星Note3設(shè)備搜索終端Note3設(shè)備并點(diǎn)擊“連接”按鈕，終端Note3設(shè)備出現(xiàn)對話框時(shí)點(diǎn)擊“完成”連接，測得200 m處連接時(shí)間。內(nèi)置終端Note3的車輛由東向西行駛10 m，測試190 m處的連接時(shí)間，如此反復(fù)測得所有結(jié)果。

再采用本文中的基于過濾信息的WiFi Direct自動連接方法測試，如圖6所示，打開終端Note3車路交互軟件，設(shè)置只接收“緊急路況信息”，在200 m處，打開基站Note3車路交互軟件向終端發(fā)出“緊急路況信息”推送連接申請，同樣測得所有連接時(shí)間。結(jié)果見表1。

3.2 消息推送量對比驗(yàn)證

WiFi Direct基站與WiFi Direct車載終端在圖5測試環(huán)境下連接距離為165 m，車輛行駛距離為一個(gè)直徑是330 m的圓，如圖5所示。測試時(shí)分別設(shè)定車速為20 km/h，30 km/h，40 km/h，50 km/h，60 km/h，70 km/h，分別計(jì)算出消息推送整個(gè)過程的時(shí)間，此段時(shí)間內(nèi)基站Note3向終端Note3推送視頻消息，先采用現(xiàn)有方法推送消息，手動傳送一段視頻，第二次采用本文方法開啟基于WiFi Direct的車路信息交互軟件推送視頻消息，在終端Note3查看兩種方法接收視頻的大小。結(jié)果見表2。

4 結(jié) 語

本文提出一種基于WiFi Direct的車路信息交互方法，通過對現(xiàn)有WiFi Direct技術(shù)作出改進(jìn)，在基站發(fā)出連接的Sendmessage數(shù)據(jù)幀中增加一幀過濾信息，WiFi Direct終端通過判斷過濾信息進(jìn)行確認(rèn)連接，從而快速推送各種消息。通過實(shí)地驗(yàn)證和分析，該方法可有效地縮短連接時(shí)間、提高消息推送量，具有消息推送準(zhǔn)確的特點(diǎn)。

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