車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的打車軟件通信系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計與實現(xiàn)

彭燦華　韋曉敏

摘 要： 在車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下對打車軟件通信系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，改善用戶體驗，提高通信實時性和吞吐性能。提出一種基于通信信號收發(fā)轉(zhuǎn)換動態(tài)增益控制的車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下打車軟件通信系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法。首先進行通信系統(tǒng)的總體設(shè)計構(gòu)架和模塊化集成設(shè)計的功能分析，針對車聯(lián)網(wǎng)通信信道受到的碼間干擾較強的問題，采用動態(tài)增益編碼方法進行碼間干擾控制，進行信道均衡設(shè)計；然后對打車軟件通信系統(tǒng)進行硬件電路設(shè)計；最后進行系統(tǒng)的調(diào)試分析。實驗表明，采用該系統(tǒng)進行車聯(lián)網(wǎng)打車軟件通信的傳輸時延較低、吞吐量較大。

關(guān)鍵詞： 車聯(lián)網(wǎng)； 打車軟件； 通信系統(tǒng)； 信道均衡

中圖分類號： TN92?34； TN911 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）10?0035?04

Abstract： The design of a taxi software communication system in the vehicle networking environment was optimized to improve the user experience， communication real?time performance and throughput performance. An optimization design method of the taxi software communication system in the vehicle networking environment based on dynamic gain control of communication signal transceiver is proposed. The function analysis of overall design framework and module integrated design of the communication system is carried out. In order to solve the problem of intersymbol strong interference to vehicle network communication channel， the dynamic gain encoding method is used to for intersymbol interference control and channel equalization design. The hardware circuit design and debugging analysis of the taxi software communication system are also conducted. The experiment result shows that the system can shorten the transmission delay and enlarge the throughput of the vehicle networking software communication.

Keywords： vehicle networking； taxi software； communication system； channel equalization

0 引 言

通過車載自組網(wǎng)方式構(gòu)建車聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)，實現(xiàn)了智能交通系統(tǒng)（ITS）設(shè)計。車聯(lián)網(wǎng)是保障智能交通控制和智慧交通網(wǎng)絡(luò)的重要基礎(chǔ)，采用車載自組網(wǎng)（Vehicle Ad Hoc Networks，VANET） 構(gòu)建的車聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)實現(xiàn)了車和車、車和路邊設(shè)備直接通信[1?2]。隨著當前滴滴打車等專車運營的興起，在車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下對打車軟件通信系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，克服用戶在打車過程中通信繁忙和擁塞的問題，提高車聯(lián)網(wǎng)通信的實時準確性，從而在避免交通擁塞、提高用戶體驗等方面都具有較強的實踐價值，研究車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的打車軟件通信系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法具有重要意義。

1 打車軟件通信系統(tǒng)總體設(shè)計構(gòu)架

在車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，進行打車軟件通信系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，首先構(gòu)建車聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

在車聯(lián)網(wǎng)中，車輛裝載有GPS和導(dǎo)航系統(tǒng)。車輛的位置信息通過專用短程通信（Dedicated Short Range Communication，DSRC）標準進行信息發(fā)布[3]；車輛有相關(guān)傳感器測量裝置測量車輛的速度和加速度，采用VANET線狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)測試路面的擁堵情況。以上述信息為參考輸入?yún)⒘?，作為車?lián)網(wǎng)打車軟件通信系統(tǒng)的信息輸入端，在通信系統(tǒng)中進行信息調(diào)制和節(jié)點，實現(xiàn)多功能多通道的打車用戶信息和車輛信息的數(shù)據(jù)傳輸和控制[4?5]。為了提高數(shù)據(jù)并行傳輸和收發(fā)的能力，進行了車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下打車軟件通信系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計。

首先進行打車軟件通信系統(tǒng)的總體設(shè)計和功能指標分析。在車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下打車軟件通信系統(tǒng)設(shè)計中，數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)設(shè)計是通信系統(tǒng)設(shè)計的核心，采用數(shù)據(jù)信號處理芯片，進行車輛位置、速度以及道路交通信息的實時采集和信息共享。采用收發(fā)轉(zhuǎn)換模塊對打車軟件的通信數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、發(fā)射、傳輸和接收過程進行AD轉(zhuǎn)換和校準換能處理；采用調(diào)制解調(diào)模塊實現(xiàn)對通信信號輸入/輸出的調(diào)制和解調(diào)。綜上分析，本文設(shè)計的打車軟件通信系統(tǒng)主要包括了數(shù)據(jù)傳感器采集模塊、收發(fā)轉(zhuǎn)換模塊、功率放大模塊和信號處理模塊等，在車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下打車軟件通信系統(tǒng)的總體設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

根據(jù)圖2所示的總體設(shè)計構(gòu)建，進行打車軟件通信系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，主要包括了通信系統(tǒng)的抗干擾和信道均衡優(yōu)化設(shè)計、系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件開發(fā)三大部分。

2 通信系統(tǒng)的干擾抑制優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)上述對打車軟件通信系統(tǒng)的總體設(shè)計構(gòu)架描述，進行通信系統(tǒng)的算法設(shè)計。針對車聯(lián)網(wǎng)通信信道受到的碼間干擾較強的問題，采用動態(tài)增益編碼方法進行碼間干擾控制。提出一種基于通信信號收發(fā)轉(zhuǎn)換動態(tài)增益控制的車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下打車軟件通信系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法，建立一個車聯(lián)網(wǎng)通信的信道分析模型，對于一個通用的車聯(lián)網(wǎng)中打車軟件接收節(jié)點，接收功率[Pr]的計算公式為：

式中：[CPFr（k）]表示信道切換中信道k的性能因子值；[CPFs（k）]表示信道切換性能因子值；[β]是加權(quán)系數(shù)，0<[β]<1。通過[β]可以控制發(fā)射機與接收機之間的功率增益所占的比重，一般取[β]=0.5，通過自適應(yīng)均衡調(diào)制實現(xiàn)通信系統(tǒng)的信道優(yōu)化設(shè)計和干擾抑制。

3 通信系統(tǒng)的硬件設(shè)計部分

在上述系統(tǒng)的干擾抑制的優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)上，進行通信系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，對打車軟件通信系統(tǒng)進行硬件電路設(shè)計。其主要對車聯(lián)網(wǎng)下打車軟件通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳感器采集模塊、收發(fā)轉(zhuǎn)換模塊、功率放大模塊和信號處理模塊進行模塊化硬件設(shè)計：

（1） 數(shù)據(jù)傳感器采集模塊。采用數(shù)據(jù)傳感器采集模塊進行車輛定位和速度等信息的采樣和處理，采用IEC61375協(xié)議進行車聯(lián)網(wǎng)中的GPS定位信息的傳輸[6?7]，基于MVB總線控制進行數(shù)據(jù)傳感信息采樣，使用FPGA和ARM處理器進行整個MVB總線控制器。VME與上位機的通信的接口設(shè)計如圖3所示。把采集的信號數(shù)據(jù)通過PCI總線傳至PC進行資源鎖定和數(shù)據(jù)監(jiān)控，車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下打車軟件通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳感電路如圖4所示。

圖4中，使用由Mux101提供的多路ADC進行程控放大，采用A/D電路進行數(shù)/模轉(zhuǎn)化，數(shù)據(jù)傳感電路提供4個輸入通道，通過定時器能準確地控制A/D轉(zhuǎn)換的速率，從而提高了打車過程中的信息傳輸?shù)膶崟r性。

（2） 收發(fā)轉(zhuǎn)換模塊。采用AD7655作為收發(fā)轉(zhuǎn)換模塊的主控芯片，進行車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下打車軟件通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息收發(fā)和轉(zhuǎn)換設(shè)計，通過DSP的定時器TOUT0來啟動A/D轉(zhuǎn)換，采用5階開關(guān)電容匹配濾波器實現(xiàn)對DSP的高低電平控制，SEL1電平為“1”，表示放大100倍，“0”表示放大10倍。在進行通信數(shù)據(jù)的收發(fā)轉(zhuǎn)換中，在數(shù)據(jù)區(qū)存滿后，DSP發(fā)出中斷通知數(shù)據(jù)區(qū)滿，每個通道的傳輸可以由4個標準端口（port）與DARAM，SARAM觸發(fā)，主機接口（HPI）和存儲器之間通過外部存儲器和芯片上外設(shè)進行中斷控制，得到通信系統(tǒng)的收發(fā)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計如圖5所示。

（3） 功率放大模塊。功率放大模塊是實現(xiàn)通信信號的放大功能，在主機接口（HPI）和存儲器之間的數(shù)據(jù)傳送過程中，通過功率放大，提高接收機對通信信號的處理增益。功率放大模塊采用I2C加載模式，芯片為CAT24WC256，打車軟件通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲髠鬏斔俾蕿?00 kHz，在進行功率放大設(shè)計中，存儲器必須和Philips的I2C總線標準相兼容[8?10]，采用4片AD8582引導(dǎo)加載的I2C E2PROM，功率放大模塊接口電路設(shè)計見圖6。

（4） 信號調(diào)制解調(diào)處理模塊。信號調(diào)制和解調(diào)是實現(xiàn)通信系統(tǒng)信號傳輸和控制的核心模塊，采用4片AD8582結(jié)合CPLD編程進行信號調(diào)制，產(chǎn)生最多8路同步采樣數(shù)/模轉(zhuǎn)換信息輸出。DSP的數(shù)據(jù)線與AD7864的數(shù)據(jù)線依次相連，設(shè)計一個計數(shù)器模塊，進行車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下打車軟件通信系統(tǒng)的傳輸信息時鐘控制和位置統(tǒng)計。設(shè)置了隔直通交的RC濾波電路來逐級濾波進行干擾抑制。得到信號調(diào)制解調(diào)處理模塊的電路集成設(shè)計如圖7所示。

根據(jù)上述進行了車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下打車軟件通信系統(tǒng)的硬件集成設(shè)計方法，采用PCB板制作系統(tǒng)的樣機，結(jié)合軟件開發(fā)模板進行系統(tǒng)的調(diào)試和性能測試分析。

4 系統(tǒng)的調(diào)試測試分析

在進行車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下打車軟件通信系統(tǒng)的調(diào)試之前，需要進行軟件開發(fā)和程序加載設(shè)計。通信系統(tǒng)的抗干擾和信道均衡設(shè)計程序是在C++仿真平臺上開發(fā)設(shè)計，打車軟件通信的調(diào)試信號為CW調(diào)頻波，測試信號的脈寬為10 ms，采樣輸出峰峰電壓為0.45 V。系統(tǒng)PCI總線采用的是3組板電源[±12 V，]5 V和3.3 V供電。AD9850分辨率為32位，數(shù)據(jù)線依次與5409A數(shù)據(jù)總線連接，A#[B]由DSP的地址線A0控制，得到通信系統(tǒng)的傳輸數(shù)據(jù)的輸入/輸出關(guān)系見表1。

最后測試不同的打車軟件通信系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸通信的時延和車聯(lián)網(wǎng)通信的吞吐量對比結(jié)果如圖8和圖9所示。

分析上述仿真結(jié)果得知，源車輛節(jié)點發(fā)包的頻次速率的增大，平均端到端時延增大，通信的實時性受到影響。采用本文設(shè)計系統(tǒng)，能有效降低端到端時延，從而提高了通信的實時性；另外，本文設(shè)計的系統(tǒng)進行打車軟件通信應(yīng)用，其吞吐量均優(yōu)于其他方法，可知本文設(shè)計系統(tǒng)能有效提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐掏铝?，避免網(wǎng)絡(luò)擁堵，降低通信傳輸?shù)恼`碼，改善通信質(zhì)量。

5 結(jié) 語

為了改善物聯(lián)網(wǎng)下的打車軟件的通信性能，本文提出一種基于通信信號收發(fā)轉(zhuǎn)換動態(tài)增益控制的車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下打車軟件通信系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法。首先進行通信系統(tǒng)的總體設(shè)計構(gòu)架和模塊化集成設(shè)計的功能分析，采用動態(tài)增益編碼方法進行碼間干擾控制，進行信道均衡設(shè)計。對打車軟件通信系統(tǒng)進行硬件電路設(shè)計，最后進行系統(tǒng)的調(diào)試分析。實驗表明，采用該系統(tǒng)進行車聯(lián)網(wǎng)打車軟件通信的傳輸時延較低、吞吐性能較好，從而提高了通信的實時性和準確性。

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