車聯(lián)網(wǎng)中的ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)挠绊懸蛩胤治觯?/h1>

2015-05-08 09:11:50馮興樂權(quán)娜娜周旭穎

交通信息與安全訂閱 2015年3期 收藏

關(guān)鍵詞：車路車速車載

馮興樂 雷 旭 權(quán)娜娜 周旭穎

（長安大學(xué)信息工程學(xué)院 西安710064）

0 引 言

隨著我國汽車保有量的持續(xù)快速增長，交通擁堵已經(jīng)成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要瓶頸。車聯(lián)網(wǎng)是利用信息技術(shù)，全面提升現(xiàn)有道路利用率和管理水平的交通信息化手段，也是智能交通系統(tǒng)（ITS）和“智慧城市”的重要技術(shù)支撐［1－2］。而車路協(xié)同通信是連接交通各要素的重要橋梁，也是實(shí)現(xiàn)車路協(xié)同的技術(shù)支撐。

根據(jù)車路協(xié)同系統(tǒng)對通信傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性的不同要求，將應(yīng)用場景分為3類，與此對應(yīng)的通信方式也有所不同［3］。第1類是車輛協(xié)同安全，包括人－車主動(dòng)避撞、車－車主動(dòng)避撞、危險(xiǎn)路段預(yù)警與控制等；由于該場景需要快速反應(yīng)，通信傳輸采用由IEEE802.11p和IEEE1609協(xié)議組成的WAVE專用短距離通信技術(shù)［4］。但該方法面對眾多終端節(jié)點(diǎn)時(shí)，組網(wǎng)時(shí)延和靈活性面臨挑戰(zhàn)。文獻(xiàn)［5］搭建了城市平面交叉口和一段快速路仿真環(huán)境，實(shí)現(xiàn)基于IEEE 802.11p協(xié)議下的車路通信的適應(yīng)性仿真，得到車輛數(shù)與時(shí)延、車輛數(shù)與吞吐量、車速與時(shí)延、車速與吞吐量之間的關(guān)系。第2類是交通協(xié)調(diào)控制，包括交通信號協(xié)調(diào)控制、交通信息采集、實(shí)時(shí)路徑誘導(dǎo)、公交優(yōu)先控制和不停車收費(fèi)等；該場景主要面向非交通安全的車路通信，實(shí)時(shí)性要求適中，但涉及節(jié)點(diǎn)較多，可選用的通信傳輸技術(shù)包括 WIFI、ZigBee等。第3類是綜合信息服務(wù)，包括交通需求管理、實(shí)時(shí)交通信息查詢、位置信息服務(wù)；這類應(yīng)用實(shí)時(shí)性要求低，但需要全面網(wǎng)絡(luò)覆蓋和寬帶傳輸，近年興起的WiMAX寬帶無線接入技術(shù)是較好的選擇［6］。

筆者重點(diǎn)研究第2類應(yīng)用中的特殊車輛（如公交車輛、警用車輛及救護(hù)車輛等）的信號燈優(yōu)先控制。當(dāng)特殊車輛即將到達(dá)交叉路口時(shí)，通信終端將車輛信息傳給路側(cè)的信號機(jī)，信號機(jī)遵循一定的控制策略對特殊車輛優(yōu)先放行。目前，信號優(yōu)先控制主要通過在監(jiān)控中心手動(dòng)控制已經(jīng)聯(lián)網(wǎng)的信號機(jī)，自動(dòng)采集特種車輛信息并控制信號燈配時(shí)方面的應(yīng)用較少［7］。

在信號燈優(yōu)先控制的應(yīng)用場景中，車輛移動(dòng)速度中等，終端數(shù)量眾多，考慮到Zigbee技術(shù)具有的自組網(wǎng)和高可靠性，將其作為移動(dòng)車輛節(jié)點(diǎn)和路側(cè)單元的通信技術(shù)逐漸成為共識［7］。但在車路通信過程中，要面臨車輛終端的移動(dòng)性、無線信道的開放性、復(fù)雜環(huán)境的時(shí)變性、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的易變性等一系列挑戰(zhàn)，對車路通信的快速組網(wǎng)、抗多徑效應(yīng)、抗多普勒頻移方面提出了更高的要求［8］。筆者首先搭建基于ZigBee的短距離車路通信簡易平臺，然后對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，研究多普勒效應(yīng)、車速、天線高度等因素對有效傳輸距離和掉包率等車路通信性能的影響。

1 車路通信模擬實(shí)驗(yàn)平臺搭建

采用的Zigbee是基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz載頻的短距離、低速率通信協(xié)議［9］。在信號燈優(yōu)先控制的應(yīng)用場景中采用簇樹型車載自組織網(wǎng)絡(luò)［10］?；炯軜?gòu)包括車載終端節(jié)點(diǎn)、路側(cè)單元和交通信號控制器。

車載終端節(jié)點(diǎn)一方面要采集速度、加速度、位置和姿態(tài)等車輛基本運(yùn)行信息，還要采集公交車內(nèi)的溫度、乘客人數(shù)、運(yùn)行線路等數(shù)據(jù)信息，所有這些分散在車內(nèi)各傳感器信息通過自組網(wǎng)匯總到Zigbee車載終端節(jié)點(diǎn)［11］。

路側(cè)單元是指安裝在路邊電線桿或電子站牌桿上的Zigbee接收主機(jī)，作為無線自組網(wǎng)絡(luò)中的匯聚節(jié)點(diǎn)，將接收到的數(shù)據(jù)通過RS232有線方式發(fā)送到交叉路口附近的交通信號控制器。

交通信號控制器作為自組網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器，對各終端節(jié)點(diǎn)的信息進(jìn)行融合和決策，估算出公交車輛到達(dá)交叉口的時(shí)間，并選擇適當(dāng)?shù)膬?yōu)先控制策略，如選擇乘客數(shù)量作為優(yōu)先權(quán)重，計(jì)算出在路口是否需要調(diào)整綠信比來優(yōu)先放行公交車輛。

為了模擬車路通信情況，研究影響車路通信傳輸性能的因素，本文以最簡單的點(diǎn)對點(diǎn)ZigBee車路通信為切入點(diǎn)，搭建簡易實(shí)驗(yàn)平臺，實(shí)物如圖1所示。

圖1 車路通信實(shí)驗(yàn)平臺Fig.1 Experiental platform of vehicle-road communication

具體來講，以遙控小車作為車載單元，包括信息采集模塊和ZigBee發(fā)射模塊2部分。信息采集模塊包括溫濕度傳感器SHT11，光敏傳感器TEMT6000和速度傳感器A44E。ZigBee發(fā)射模塊的核心是CC2530無線射頻芯片。其工作過程是將傳感器采集的各類信息和事先存儲(chǔ)在內(nèi)存中的訓(xùn)練信息，經(jīng)過ZigBee發(fā)射模塊，按照一定的幀格式，完成O-QPSK調(diào)制后，傳輸?shù)铰穫?cè)單元。

路側(cè)單元包括ZigBee接收模塊、ARM2440模塊和計(jì)算機(jī)3部分，其工作過程是ZigBee接收車載單元的溫度、速度等信息，通過USB接口輸入到ARM2440模塊，在ARM液晶屏顯示溫濕度、速度信息的同時(shí)，將解碼后的各類信息通過RS232串口轉(zhuǎn)USB接口上傳數(shù)據(jù)至計(jì)算機(jī)繪制曲線，計(jì)算機(jī)也通過該接口調(diào)試數(shù)據(jù)采集程序。

由于車路通信過程中，收發(fā)兩端不具備同步的時(shí)鐘，需采用異步傳輸?shù)男畔袷?，這種固定格式的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有利于程序的編寫和調(diào)試等。

表1 MAC層幀格式Tab.1 Frame format of the MAC layer

表2 應(yīng)用層幀格式Tab.2 Frame format of the application layer

表1為ZigBee協(xié)議MAC層幀格式。規(guī)定了在傳輸過程中數(shù)據(jù)接入層面的相關(guān)參數(shù)。每個(gè)MAC層數(shù)據(jù)幀包含32字節(jié)，包括幀頭、幀尾、命令頭、地址和數(shù)據(jù)?！啊纭睘閹^，“＠”為幀尾。表2為車載單元的溫濕度、光照和速度等信息在應(yīng)用層幀格式中所占的字節(jié)數(shù)。每個(gè)應(yīng)用層數(shù)據(jù)幀包含24字節(jié)。

車載模塊上的傳感器將采集的數(shù)據(jù)按照表2的幀格式封裝成1個(gè)字符串格式包，例 如：陜A580960276047606020321。字符串代表的具體信息如下，車牌號為“陜A58096”，車內(nèi)溫度27.6℃，濕度47.6%，光照強(qiáng)度60.2klx，車輛行駛速度是32.1km／h。這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為ASCII碼字符后，按照MAC層協(xié)議的地址，從車載單元傳輸?shù)铰穫?cè)單元的ZigBee模塊。

本實(shí)驗(yàn)測試環(huán)境為周圍無遮攔的空曠操場跑道。由人工控制遙控小車，車載單元經(jīng)過路側(cè)單元時(shí)的情景如圖2所示，圖中O點(diǎn)為路側(cè)單元到道沿的垂線的垂足，d0為路側(cè)單元到道沿的距離，在本實(shí)驗(yàn)中d0＝10m。l為車輛到O點(diǎn)的距離，d為車輛到路側(cè)單元的距離，即傳輸距離。

圖2 車路通信相對位置示意圖Fig.2 The relative position of vehicle-road communication

筆者主要關(guān)注速度對掉包率和有效傳輸距離的影響。車輛速度由車載速度傳感器獲取車速后發(fā)給路側(cè)單元后獲得。掉包率是誤碼數(shù)據(jù)幀數(shù)量與發(fā)送數(shù)據(jù)幀總數(shù)之比。為了得到誤碼數(shù)據(jù)幀數(shù)量，在發(fā)射端預(yù)存的訓(xùn)練序列，在接收端也預(yù)先知曉這些序列的，并將這些訓(xùn)練數(shù)據(jù)包和接收端解包分析后的數(shù)據(jù)包進(jìn)行比較，從而判斷哪些數(shù)據(jù)包在傳輸過程中出錯(cuò)。需要指出的是，在1個(gè)數(shù)據(jù)包中，只要有1個(gè)字節(jié)出錯(cuò)，就認(rèn)為該數(shù)據(jù)包為錯(cuò)誤包。另外，有效傳輸距離設(shè)定為掉包率小于5%情況下的最大傳輸距離。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本實(shí)驗(yàn)主要測試車速對傳輸距離以及掉包率的影響。車載單元和路側(cè)單元均為靜止?fàn)顟B(tài)下，在有效組網(wǎng)距離70～100m內(nèi)，路側(cè)單元能夠完全接收車載單元發(fā)送的信息，掉包率可忽略不計(jì)。路側(cè)單元固定時(shí)，車速對傳輸距離和掉包率的影響如表3所示，表中所示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為測試10次后的平均值。在對應(yīng)的每組車速情況下，當(dāng)車速超過40km／h時(shí)，車載單元和路側(cè)單元組網(wǎng)失敗。

表3 車速對傳輸距離和掉包率的影響Tab.3 The impact of the speed on transmission and packet-loss rate

在掉包率保持在5%的條件下，車速和有效傳輸距離的關(guān)系如圖3所示，隨著車速逐漸增大，有效傳輸距離越來越短，當(dāng)車速大于40km／h時(shí)，車路之間根本無法組網(wǎng)，此時(shí)認(rèn)為有效傳輸距離為零。

圖3 車速和有效傳輸距離的關(guān)系Fig.3 The relationship between the speed and the effective transmitted distance

在傳輸距離固定為50m的情況下，即車載單元和路側(cè)單元之間的間距不變，但都在保持勻速移動(dòng)狀態(tài)，車速和掉包率的關(guān)系如圖4所示。掉包率隨車速增大而逐漸增加，當(dāng)車速達(dá)到某一門限值時(shí)，掉包率快速升高，甚至達(dá)到100%，即無法組網(wǎng)。究其原因，一方面，在高速移動(dòng)過程中，盡管相對靜止，但無線傳輸信道還是時(shí)變的，信道的衰落特性會(huì)影響傳輸性能；另一方面，由于手工控制小車，速度很難保持恒定，難以保證收發(fā)兩端相對靜止。

圖4 車速和掉包率的關(guān)系Fig.4 The relationship between speed and packet-loss rate

3 ZigBee車路通信影響因素

相比于傳統(tǒng)的固定有線通信，車路通信的挑戰(zhàn)在于車聯(lián)網(wǎng)中車輛的移動(dòng)性、無線信道的開放性、復(fù)雜環(huán)境的時(shí)變性、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的易變性等。筆者首先從車輛移動(dòng)引起的多普勒效應(yīng)入手，分析車速和天線高度對傳輸?shù)舭实挠绊憽?/p>

3.1 多普勒效應(yīng)影響分析

根據(jù)圖2所示的車載單元和路側(cè)單元相對位置和運(yùn)動(dòng)趨勢，多普勒頻移可表示為

式中：f為載波頻率，Hz；c為電磁波傳播速度，m／s；v為車輛移動(dòng)速度，m／s；t為車輛的行駛時(shí)間；θ（t）為車輛移動(dòng)方向和直射波方向的夾角。角度由下式計(jì)算。

由式（1）可見，在同等條件下，車速越大，頻偏絕對值越大，這也是車速增大時(shí)掉包率升高的原因之一。當(dāng)v＝25km／h時(shí)，改變路側(cè)單元到道沿的距離d0，車輛在移動(dòng)過程中的多普勒頻偏如圖5所示。由圖5可知，當(dāng)車輛在傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍邊緣時(shí)，頻偏絕對值最大，但變化緩慢；在駛過路側(cè)單元時(shí)，頻偏為0，但變化較快。d0越大，多普勒頻偏越小，所以可以增大路側(cè)單元與道沿的距離d0來減小多普勒效應(yīng)的影響［12］。但在實(shí)際應(yīng)用中，一方面為了節(jié)省成本，路側(cè)單元一般安裝在路邊設(shè)施，如電線桿、路燈桿上，距離道沿一般為10m以內(nèi)；另一方面，增大d0會(huì)增加信號的傳輸損耗，且信號傳輸會(huì)受到路邊建筑物和樹木的干擾。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，d0通常設(shè)置為10～20m。

圖5 路側(cè)設(shè)備和道沿間距對多普勒頻偏的影響Fig.5 The impact of distance between roadside equipment and shoulder on Doppler frequency shift

3.2 車速影響分析

在圖2所示的情景下，車輛在移動(dòng)過程中，車載單元的有效傳輸時(shí)間可表示為［13］

式中，t′為車載單元的響應(yīng)時(shí)間，s；b為車輛途徑路側(cè)單元覆蓋區(qū)域內(nèi)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，kb；R為數(shù)據(jù)傳輸速率，kb／s；由于傳輸距離較短，且Zig－Bee時(shí)延較短，無線信號從車載單元到路側(cè)單元的傳輸時(shí)延可忽略不計(jì)［14］。

車速增大時(shí)，有效傳輸時(shí)間2l／v變短，若保持t＇不變，則b／R將減小，理論上講，若保持傳輸數(shù)據(jù)總量b不變，需提高傳輸速率R，但是車速增大會(huì)導(dǎo)致多普勒頻偏變大，在接收端沒有相應(yīng)的抵抗多普勒頻移措施的情況下，掉包率會(huì)上升，因此，并不適合單純提高R。

在具體的工程實(shí)踐中，針對此類情況，可以通過自適應(yīng)調(diào)制和功率控制兩種手段應(yīng)對車速變化。下面以車速變快為例闡述應(yīng)對策略。一方面，降低發(fā)送端的調(diào)制制式，即降低傳輸速率R，增加信號調(diào)制映射圖中星座點(diǎn)之間的碼距，以應(yīng)對信道傳輸環(huán)境變差帶來的信噪比降低的狀況，保證掉包率滿足總體要求。另一方面，通過增加發(fā)射功率，提高接收端的信噪比，抑制快速傳輸導(dǎo)致的碼間串?dāng)_。然而，如何根據(jù)車速建立上述的自適應(yīng)控制模型，仍是本領(lǐng)域尚未解決的問題。

3.3 天線高度影響分析

只考慮直射波和反射波的傳輸模型如圖6所示，車載端發(fā)射天線A的架高為H1，接收天線B的高度為H2，直射波的傳播路徑為r1，地面反射波的傳播路徑為r2，與地面之間的投射角為Δ，收發(fā)兩點(diǎn)間的水平距離為D。

圖6 天線高度分析圖Fig.6 The analysis diagram of the height of antenna

由圖6可得，反射波和直射波的行程差［15］為：

接收點(diǎn)B處場強(qiáng)應(yīng)為電磁波沿直射路徑r1與地面反射路徑r2的場強(qiáng)疊加［16］。

式中：Γ為地面的反射系數(shù)，角頻率k＝2π／λ。在平坦地面選用水平極化方式時(shí)，Γ＝－1，則合成場簡化為

式中：λ為工作波長。由上式可知，當(dāng)λ和D不變時(shí)，接收場強(qiáng)隨天線高度的變化而在零值與最大值之間波動(dòng)。本文ZigBee的工作頻率f＝2.4 GHz，則波長λ＝0.125m，假設(shè)收發(fā)天線間距離D＝50m，車載單元天線高度H1＝1m，由式（6）可以算出，接收天線的理想高度應(yīng)為H2＝5.56 m，因此，將路側(cè)單元安裝在路邊的電線桿或路燈桿上是合理的。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)收發(fā)天線的實(shí)際距離來設(shè)定接收天線的高度。

4 結(jié)束語

本文主要搭建車路通信的實(shí)驗(yàn)平臺，通過數(shù)學(xué)建模分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究影響通信性能的各種因素，得到車速對傳輸距離和掉包率的影響。并建議通過自適應(yīng)調(diào)制和功率控制來應(yīng)對車輛快速移動(dòng)導(dǎo)致的多普勒效應(yīng)和傳輸環(huán)境變化。

實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)適用于車速較低的市內(nèi)交通場景。由于本實(shí)驗(yàn)平臺的移動(dòng)速度不夠精確，且傳輸環(huán)境為干擾較少的學(xué)校操場，所得結(jié)果僅為該領(lǐng)域的嘗試性實(shí)驗(yàn)，真實(shí)環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證還有待進(jìn)一步研究。

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