基于CAN總線測(cè)試思路的V2X測(cè)試方法探索

徐敏星 張武 杜迎軍 何旭 王嬌

高新興物聯(lián)科技有限公司 陜西省西安市 710000

1 引言

當(dāng)前手機(jī)及其他終端的通信都是通過(guò)基站來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)的，即手機(jī)發(fā)送的信號(hào)都是先發(fā)送到基站，然后再由基站發(fā)送到另一端。經(jīng)過(guò)基站的中轉(zhuǎn)，無(wú)疑會(huì)增加通信的時(shí)延。為了實(shí)現(xiàn)車(chē)輛之間及環(huán)境的信息交流以及最大化的優(yōu)化通信時(shí)延，V2X技術(shù)運(yùn)用而生。V2X是Vehicle to everything的簡(jiǎn)稱，是一系列技術(shù)的集合，類似于自動(dòng)駕駛技術(shù)。自動(dòng)駕駛技術(shù)并不是某一項(xiàng)具體技術(shù)的名稱而是通過(guò)一系列的技術(shù)來(lái)達(dá)到自動(dòng)駕駛的目的。同樣V2X也并不是某一項(xiàng)具體的技術(shù)，而是通過(guò)一系列的技術(shù)來(lái)達(dá)到車(chē)與外界的互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)車(chē)與車(chē)、車(chē)與基礎(chǔ)設(shè)施、車(chē)與行人、車(chē)與云等之間的信息交流。2018年11月工信部確定以5.9G頻段作為基于LTE（Long Term Evolution）的V2X技術(shù)的車(chē)聯(lián)網(wǎng)直連通信工作頻段。直連通信的優(yōu)勢(shì)在于不通過(guò)基站，大大降低了信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)延，能夠快速感知周邊環(huán)境并做出響應(yīng)。V2X技術(shù)的最早應(yīng)用是在2006年，由通用汽車(chē)公司在一輛凱迪拉克上做展示。從那之后，其他的汽車(chē)制造商和汽車(chē)配套產(chǎn)品供應(yīng)商都紛紛開(kāi)始研究這項(xiàng)技術(shù)。受于3G、4G通訊的時(shí)延，V2X技術(shù)一直不慍不火，根本無(wú)法與自動(dòng)駕駛技術(shù)來(lái)媲美。目前，5G通訊的快速發(fā)展，其高速率、低時(shí)延等優(yōu)點(diǎn)給V2X的發(fā)展帶來(lái)了新機(jī)遇。

直連通信技術(shù)作為V2X的核心技術(shù)，承載了車(chē)與周?chē)h(huán)境之間的信息交流，直連通信的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、時(shí)效性以及安全性決定了V2X技術(shù)能給我們整個(gè)交通系統(tǒng)帶來(lái)多大的改善。一項(xiàng)新技術(shù)從提出到成熟再到大規(guī)模商用，必然得經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，尤其對(duì)于此類與行車(chē)安全相關(guān)的技術(shù)。假如一臺(tái)車(chē)載OBU（On Board Unit）未遵循相應(yīng)的開(kāi)發(fā)協(xié)議，則無(wú)法與周?chē)h(huán)境進(jìn)行信息交流，更甚者如果被不法分子攻擊，則可能會(huì)產(chǎn)生交通事故，所以對(duì)V2X必須進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。本文主要基于CAN（Controller Area Network）總線思維對(duì)V2X直連通信測(cè)試方法進(jìn)行探索。

2 通過(guò)CAN總線思維來(lái)看V2X技術(shù)

利用CAN總線實(shí)現(xiàn)了各個(gè)車(chē)載ECU（Electronic Control Unit）之間的數(shù)據(jù)傳輸，使整車(chē)根據(jù)各個(gè)子系統(tǒng)的工作狀態(tài)來(lái)協(xié)調(diào)工作，達(dá)到高效、穩(wěn)定、安全的運(yùn)行。如果將道路上行駛的車(chē)輛及路邊設(shè)備看作為一個(gè)個(gè)子系統(tǒng)，則可以通過(guò)直連通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)每個(gè)子系統(tǒng)之間的信息交互，從而達(dá)到協(xié)調(diào)工作。不同的是，CAN總線是承載車(chē)輛內(nèi)部的信息交換，而V2X直連通信技術(shù)是承載本車(chē)與周?chē)?chē)輛及路邊設(shè)施之間的信息交換。雖然應(yīng)用范圍不同，但兩者都是信息傳遞的媒介，存在很大的共性。例如，V2X直連通信技術(shù)與CAN總線技術(shù)都是廣播式發(fā)送，會(huì)將需要發(fā)送的信息廣播給周?chē)乃泄?jié)點(diǎn)。

由于是廣播式發(fā)送，連接到CAN總線上的任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)不需要任何安全認(rèn)證均可以接收到其他ECU發(fā)送的數(shù)據(jù)。當(dāng)前車(chē)載ECU的CAN總線測(cè)試思路主要是基于仿真一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收被測(cè)ECU發(fā)送的CAN報(bào)文，再通過(guò)上位機(jī)軟件解析來(lái)展開(kāi)。圍繞這個(gè)思路就可以進(jìn)行CAN協(xié)議一致性及軟件邏輯的測(cè)試。如果干擾發(fā)送端或者干擾發(fā)送過(guò)程，就可以測(cè)試在不同環(huán)境下傳輸?shù)姆€(wěn)定性。通過(guò)仿真節(jié)點(diǎn)向被測(cè)端發(fā)送特定內(nèi)容的CAN報(bào)文后通過(guò)監(jiān)測(cè)被測(cè)端的數(shù)據(jù)變化來(lái)測(cè)試軟件邏輯的正確性。

基于兩者相同的消息傳播方式，我們完全可以參考CAN總線的測(cè)試方法。通過(guò)添加一個(gè)處于相同頻段的接收節(jié)點(diǎn)來(lái)接收發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后再通過(guò)電腦解析及監(jiān)測(cè)接收端接收到的數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)發(fā)送端進(jìn)行測(cè)試。

3 CAN總線測(cè)試思維帶來(lái)的啟發(fā)

直連通信的數(shù)據(jù)發(fā)送方式也是廣播式發(fā)送，借鑒車(chē)載ECU的測(cè)試思路，可以通過(guò)仿真單元來(lái)接收車(chē)載單元或者路側(cè)單元發(fā)送的消息，并搭配解析工具來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試。CAN總線的數(shù)據(jù)是通過(guò)物理媒介來(lái)傳輸?shù)模边B通信技術(shù)是通過(guò)空口來(lái)傳輸?shù)?，仍然有一些差異，所以在搭建測(cè)試環(huán)境時(shí)需要注意以下事項(xiàng)：

1)確保周?chē)鸁o(wú)其他設(shè)備在以5.9G頻段發(fā)送數(shù)據(jù)，避免由于存在多臺(tái)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)造成的數(shù)據(jù)干擾。

2)由于是空口傳輸，不同設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸會(huì)加入安全認(rèn)證，所以需要發(fā)送端設(shè)備與接收端設(shè)備能夠進(jìn)行安全認(rèn)證或者測(cè)試時(shí)關(guān)閉安全認(rèn)證。

3)發(fā)送端與接收端已鎖定了基于GNSS（Global Navigation Satellite System）的位置，并完成與GNSS時(shí)鐘同步。

基于此環(huán)境我們可以進(jìn)行如下方向的測(cè)試：

1)在發(fā)送端發(fā)送帶以GPS時(shí)間為基準(zhǔn)的時(shí)間戳的數(shù)據(jù)包，發(fā)送端通過(guò)直連通信技術(shù)發(fā)送給接收端即仿真接收單元，在接收端將數(shù)據(jù)包中內(nèi)容解析后，根據(jù)接收端與發(fā)送包中的時(shí)間戳的差值，測(cè)量端到端的傳輸時(shí)延。

2)通過(guò)配置發(fā)送端的DSM（Dedicated Short Message）消息中的DSMP（Dedicated Short Message Protocol）版本號(hào)信息、應(yīng)用標(biāo)識(shí)信息（AID）、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度信息、高層數(shù)據(jù)實(shí)體信息等內(nèi)容后，在接收端解析后判斷是否滿足GB/T31024.3-2019標(biāo)準(zhǔn)中的要求。

3)《合作式智能運(yùn)輸系統(tǒng)-車(chē)用通信系統(tǒng)應(yīng)用層及應(yīng)用數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)》中定義了5種最基本的應(yīng)用層交互數(shù)據(jù)集，分別為BSM（Basic Safety Message）、MAP（Map Data）、 RSI（Road Side Information）、RSM（Road Side Safety Message）、SPAT（Signal Phase and Timing Message）。不同交通參與者通過(guò)這5種不同數(shù)據(jù)集的收發(fā)構(gòu)建起了整個(gè)智能交通系統(tǒng)，對(duì)這些數(shù)據(jù)集的驗(yàn)證非常重要。通過(guò)在接收端解析收到的數(shù)據(jù)集來(lái)驗(yàn)證應(yīng)用層軟件開(kāi)發(fā)是否滿足數(shù)據(jù)集格式要求。

4)虛擬節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)到待測(cè)設(shè)備，通過(guò)對(duì)待測(cè)設(shè)備中周期發(fā)送的消息集的檢測(cè)和解析來(lái)判斷處理策略的準(zhǔn)確性。

5)由于是空口傳輸，我們更應(yīng)該關(guān)注受到外界電磁干擾時(shí)的抗干擾性。在外界施加不同程度的電磁干擾，當(dāng)發(fā)送端在穩(wěn)定發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)監(jiān)測(cè)虛擬節(jié)點(diǎn)的接收情況來(lái)測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

無(wú)論是CAN總線測(cè)試還是V2X直連通信技術(shù)測(cè)試，作為對(duì)發(fā)送端數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)及解析的仿真節(jié)點(diǎn)是測(cè)試環(huán)境中重要的環(huán)節(jié)。對(duì)于CAN總線測(cè)試，目前有大量的工具可以作為仿真節(jié)點(diǎn)進(jìn)行CAN報(bào)文的收發(fā)，而且還有很成熟的PC（Personal Computer）軟件來(lái)進(jìn)行解析及仿真。目前，由于V2X的前沿性及專業(yè)性，測(cè)試工作還處于探索當(dāng)中，可以用作仿真節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)的工具比較少。在此推薦兩種可以作為仿真節(jié)點(diǎn)的方法。首先，使用標(biāo)準(zhǔn)的OBU設(shè)備來(lái)作為接收端，將標(biāo)準(zhǔn)OBU設(shè)備與電腦連接，通過(guò)監(jiān)測(cè)接收到的消息包并進(jìn)行手動(dòng)解析來(lái)對(duì)發(fā)送端進(jìn)行測(cè)試。此種方法成本較低、易于操作，但是僅可以測(cè)試網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)用層的功能，而且對(duì)于作為接收端的OBU要求較高，作為檢驗(yàn)工具必須通過(guò)更深層次測(cè)試確保接收端完全符合標(biāo)準(zhǔn)。另一種方法，可以使用CMW500等支持V2X測(cè)試的儀表作為仿真節(jié)點(diǎn)，以儀表作為仿真節(jié)點(diǎn)是最優(yōu)的方案，也是目前業(yè)界最專業(yè)的方案，可以進(jìn)行從物理層到應(yīng)用層的完整測(cè)試，但是此方案成本較大。

4 總結(jié)

綜上，在5G技術(shù)的背景下V2X業(yè)務(wù)將來(lái)必然會(huì)在智能交通領(lǐng)域發(fā)揮強(qiáng)大的影響力。隨著V2X技術(shù)的逐漸成熟，V2X業(yè)務(wù)的測(cè)試能力則對(duì)加速V2X落地至關(guān)重要。雖然CAN總線的通訊方式與V2X直連通信技術(shù)在傳輸媒介及遵循的協(xié)議方面有差異，但是基于兩者的相似點(diǎn)我們?nèi)匀豢梢越梃b傳統(tǒng)CAN總線的測(cè)試思路，來(lái)規(guī)劃V2X直連通信技術(shù)的測(cè)試方案。