車聯(lián)網(wǎng)專用短程通信技術(shù)

田大新

摘要：通過對(duì)車路通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，車載、路側(cè)通信單元的開發(fā)，車路通信系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)的搭建及測(cè)試，指出車路通信系統(tǒng)是車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的通信鏈路保障，而基于專用短程通信（DSRC）的車路通信系統(tǒng)可以大幅度降低通信延遲，保障了高速、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頻繁變化的車輛網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，為車車、車路間提供更為可靠、穩(wěn)定、高效的通信服務(wù)。

關(guān)鍵詞： 專用短程通信技術(shù)；車路通信系統(tǒng)；性能測(cè)試

隨著中國人口數(shù)量、機(jī)動(dòng)車保有量、路網(wǎng)結(jié)構(gòu)、城市規(guī)模的不斷增長(zhǎng)與擴(kuò)張，交通擁堵、交通安全、節(jié)能減排成為新時(shí)期交通發(fā)展聚焦的三大熱點(diǎn)。近年來，世界范圍內(nèi)的智能交通研發(fā)熱潮推動(dòng)了交通行業(yè)的推陳革新，現(xiàn)代交通將逐漸向更加高效、安全、環(huán)保的方向發(fā)展。移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展為交通技術(shù)的革新提供了機(jī)遇，智能交通已廣泛利用無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，形成了以智能車輛、智能道路、智能終端為主流的發(fā)展方向。車聯(lián)網(wǎng)作為引領(lǐng)未來的前沿技術(shù)，已經(jīng)成為國際智能交通領(lǐng)域研究的新熱點(diǎn)。

在車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，車與車、車與路之間通過無線通信手段，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的信息交互融合。車與車之間通過位置信息的共享，可以相互感知；結(jié)合先進(jìn)的傳感器技術(shù)，車輛控制技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)車車之間的協(xié)同避險(xiǎn)，隊(duì)列跟馳。在典型應(yīng)用場(chǎng)景如十字交叉路口，車與交通信號(hào)燈系統(tǒng)信息交互融合，車輛可以獲得信號(hào)燈的綠燈剩余時(shí)間，通過自身車速、位置信息即可判斷能否正常通過交叉口，并可以幫助駕駛員合理地做出選擇，避免車輛進(jìn)入交通信號(hào)燈“兩難區(qū)”，降低發(fā)生交通事故或引起交通擁堵的可能性；在高速公路或城市道路路側(cè)，則提供了無線服務(wù)接入點(diǎn)，方便駕駛員實(shí)時(shí)獲得天氣、路況、限速等信息，同時(shí)可為乘車旅客提供優(yōu)質(zhì)的互聯(lián)網(wǎng)娛樂服務(wù)；在出現(xiàn)應(yīng)急事件如重大交通事故，由智能道路或其他手段感知事故點(diǎn)基本情況，將信息快速反饋到交通指揮中心，指揮中心根據(jù)事故情況做出合適的部署，妥善應(yīng)對(duì)各種應(yīng)急事件。

由此可見，車聯(lián)網(wǎng)、車路協(xié)同技術(shù)是改善現(xiàn)存交通問題的有效途徑，其中移動(dòng)無線通信技術(shù)對(duì)保障車車、車路順利進(jìn)行信息交互融合，提升交通效率、安全等因素起到至關(guān)重要的作用。因此，為車車、車路建立一個(gè)低延遲、質(zhì)量可靠、抗干擾能力強(qiáng)的無線通信環(huán)境就顯得十分必要。由于專用短程通信（DSRC）技術(shù)在延遲、移動(dòng)性、通信距離方面有著無可替代的優(yōu)勢(shì)，特別適用于車輛安全應(yīng)用。目前全球范圍內(nèi)的大多車路協(xié)同項(xiàng)目的研究，均采用DSRC技術(shù)建立車輛網(wǎng)絡(luò)。美國麻省理工學(xué)院Mythili Vutukuru等提出了一種基于傳輸誤碼率、信噪比自反饋的比特率自選擇協(xié)議棧 SoftRate，吞吐量較傳輸控制協(xié)議（TCP）/IP提高近4倍[1]；Jakob Eriksson等研發(fā)了基于車車、車路通信的Carbernet網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，開發(fā)了QuickWifi客戶端，降低行車中用戶與Wi-Fi接入點(diǎn)的連接時(shí)間，其相應(yīng)開發(fā)的Carbernet網(wǎng)絡(luò)傳輸層協(xié)議（CTP），吞吐量[2]較TCP/IP增加近2倍；俄亥俄州立大學(xué)Eylem Ekici等研究了適合與車輛自組織網(wǎng)絡(luò)（VANETs）的跨層協(xié)議棧，并提出一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧PROMPT，該協(xié)議?？蛇x擇最小延遲的數(shù)據(jù)傳輸路徑，完成多跳通信[3]。文章則介紹了適用于車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的專用短程通信系統(tǒng)。

1 通信系統(tǒng)及協(xié)議棧

1.1 通信系統(tǒng)

隨著車輛中加裝的傳感器增多，數(shù)據(jù)采集量也相應(yīng)增加，因此處理數(shù)據(jù)、融合數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算機(jī)性能需求不斷提高。由于應(yīng)用平臺(tái)需要執(zhí)行多種復(fù)雜的應(yīng)用程序來完成大量復(fù)雜計(jì)算，因此選擇一臺(tái)獨(dú)立的計(jì)算單元作為應(yīng)用平臺(tái)可以提高數(shù)據(jù)處理效率。

圖1為平臺(tái)通信模式，其中主機(jī)端執(zhí)行應(yīng)用程序，路由端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，主機(jī)端與路由端共同組成一個(gè)車載通信單元。圖1中還展示了兩輛不同車輛中通信單元1與單元2間的通信：主機(jī)端負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)，并通過用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議傳遞數(shù)據(jù)到路由端，路由端采用基于非IP的通信協(xié)議棧，車載通信單元間通過802.11p物理層無線傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)信息交互融合。

1.2 通信協(xié)議棧

參考開放式系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）模型，并根據(jù)相關(guān)工作需求，我們?cè)O(shè)計(jì)了如圖2的通信協(xié)議棧，其中網(wǎng)絡(luò)層/傳輸層能夠兼容非IP與IP協(xié)議[4-12]。

2軟硬件架構(gòu)

2.1 軟件平臺(tái)

車路通信系統(tǒng)中車載通信單元的開發(fā)平臺(tái)可以分為兩部分：應(yīng)用平臺(tái)和通信平臺(tái)。應(yīng)用平臺(tái)執(zhí)行應(yīng)用程序，如處理各式傳感器采集車路狀態(tài)信息，提供管理配置圖形化操作界面等功能；而通信平臺(tái)，由無線傳輸硬件設(shè)備和通信協(xié)議棧組成，可由應(yīng)用程序調(diào)用，實(shí)現(xiàn)車車、車路信息交互融合。通信平臺(tái)包含軟件部分與硬件部分。

2.2 硬件平臺(tái)

應(yīng)用平臺(tái)、通信平臺(tái)分別在獨(dú)立單元中實(shí)現(xiàn)。其中通信平臺(tái)在MIPS架構(gòu)嵌入式設(shè)備實(shí)現(xiàn)，并以獨(dú)立終端方式出現(xiàn)，最終實(shí)現(xiàn)車路通信功能。硬件組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1 測(cè)試方案

測(cè)試采用2臺(tái)DSRC車載通信終端（OBU），1臺(tái)DSRC路側(cè)通信終端（RSU），3臺(tái)計(jì)算單元，2臺(tái)實(shí)驗(yàn)車，所有終端均通過網(wǎng)線與計(jì)算機(jī)單元相連，其中OBU終端與計(jì)算機(jī)單元組成的設(shè)備布設(shè)在實(shí)驗(yàn)車中，RSU終端與計(jì)算機(jī)單元組成的設(shè)備布設(shè)在路側(cè)，計(jì)算單元運(yùn)行測(cè)試程序，將測(cè)試消息發(fā)送到終端，再由終端將其廣播；OBU終端的天線需放置在實(shí)驗(yàn)車車頂，RSU終端的天線需放置較高位置，3個(gè)天線之間始終保持無遮擋狀態(tài)。測(cè)試場(chǎng)景如圖4所示，道路兩側(cè)存在樹木和建筑物等DSRC信號(hào)干擾源。確定實(shí)驗(yàn)環(huán)境后，首先測(cè)定車載通信單元在該環(huán)境下的最遠(yuǎn)通信距離，其后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

3.1.1 單跳通信距離

如圖5所示，節(jié)點(diǎn)A包含OBU，并處于靜止?fàn)顟B(tài)；節(jié)點(diǎn)B包含OBU，以速度0～120 km/h從A旁行駛，保證通信鏈路始終保持連接，數(shù)據(jù)包持續(xù)收發(fā)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)B行駛至不能收到數(shù)據(jù)包時(shí)刻，節(jié)點(diǎn) A與節(jié)點(diǎn)B間距距離即為最遠(yuǎn)通信距離。

實(shí)測(cè)最遠(yuǎn)通信距離的結(jié)果約為256 m，因此限定節(jié)點(diǎn)A與B的最遠(yuǎn)相對(duì)距離為200 m，進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

3.1.2 通信延遲

如圖6所示，節(jié)點(diǎn)A包含RSU，并處于靜止?fàn)顟B(tài)；而節(jié)點(diǎn) B包含OBU，以速度0～120 km/h行駛。在-150～150 m范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)B起點(diǎn)與終點(diǎn)間中點(diǎn)視為0點(diǎn)，測(cè)試程序輸出車路通信延遲。

3.2性能測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，車路通信單元之間的距離對(duì)組網(wǎng)延遲幾乎沒有影響。文中提出的非IP協(xié)議組網(wǎng)延遲約為46 ms，而基于IP方式組網(wǎng)延遲約為92 ms，相較非IP方式組網(wǎng)延遲高出約1倍。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，車路通信單元之間的距離對(duì)通信延遲幾乎沒有影響，文章提出的非IP協(xié)議通信延遲約為49 ms，而基于IP方式的互聯(lián)網(wǎng)控制報(bào)文協(xié)議（ICMP）通信延遲約為144 ms，相較非IP方式通信延遲高出約2倍。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9顯示車路通信單元之間的距離、車輛的行駛速度對(duì)傳輸延遲幾乎沒有影響，本文提出的非IP協(xié)議傳輸延遲約為0.2 ms。

4 結(jié)束語

文章研究的車聯(lián)網(wǎng)專用短程通信單元的單跳通信距離約256 m，通信延遲約為50 ms，對(duì)速度、距離等干擾因素具有一定適應(yīng)能力，通信延遲短，因此該終端完全滿足車車、車路通信鏈路的兩項(xiàng)重要指標(biāo)，可以為車路協(xié)同系統(tǒng)提供低延遲、穩(wěn)定可靠的通信服務(wù)。

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