基于模型的車輛隊(duì)列專用短程通信系統(tǒng)關(guān)鍵性能指標(biāo)描述方法*

石 佳，羅禹貢，齊蘊(yùn)龍，李克強(qiáng)

(清華大學(xué)車輛與運(yùn)載學(xué)院，汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

前言

車輛網(wǎng)聯(lián)化旨在通過無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)車與車、車與路和車與人之間的信息交互，其不僅能提升車輛的感知和決策性能，還能有效地改善道路擁堵、降低污染排放、提升交通安全性[1]。 車輛隊(duì)列是網(wǎng)聯(lián)化的重要應(yīng)用場景之一，同一車道內(nèi)相鄰車輛組成一個(gè)隊(duì)列，通過調(diào)整車速保持期望的車距，從而降低燃油消耗率并提高交通效率[2-3]。 但是考慮到車輛的快速移動和行駛場景的復(fù)雜性，車與車通信節(jié)點(diǎn)形成的車載自組網(wǎng)(vehicular Ad-hoc network，VANET)[4]比節(jié)點(diǎn)相對靜止時(shí)建立的移動自組網(wǎng)(mobile Ad-hoc network，MANET)更為復(fù)雜，通信過程中存在不可避免的時(shí)延和丟包問題，這對于智能網(wǎng)聯(lián)車輛的控制有著重要的影響[5]。 要實(shí)現(xiàn)對車輛隊(duì)列的精確控制，就須針對隊(duì)列應(yīng)用場景對通信系統(tǒng)的性能進(jìn)行建模描述。

對于車輛網(wǎng)聯(lián)下無線接入技術(shù)的選擇，國際上主要形成了DSRC(專用短程通信)和LTE-V 兩條技術(shù)路線，二者各有優(yōu)劣[6]。 DSRC 主要基于IEEE802.11p 協(xié)議，采用了正交頻分復(fù)用技術(shù)，發(fā)展較為成熟；LTE-V 基于移動蜂窩技術(shù)，有集中式和分布式兩種工作場景，目前正在向5G-V2X 平滑過渡。 DSRC 與分布式的LTE-V 都是無線信號在通信節(jié)點(diǎn)間的“直連”，盡管二者在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的特點(diǎn)有所不同，但在車輛隊(duì)列應(yīng)用層中有諸多共性之處。

在目前的車輛隊(duì)列研究中，通信性能是車輛隊(duì)列控制必須考慮的因素。 秦曉輝等[7]針對通信時(shí)延的不確定性，提出了考慮時(shí)延下的車輛隊(duì)列分布式控制器；Lei 等[8]研究了丟包率、發(fā)包頻率和車頭時(shí)距對隊(duì)列弦穩(wěn)定性的影響，并在交通和網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合仿真軟件中進(jìn)行了探討；Zeng 等[9]針對時(shí)延和丟包率等通信性能指標(biāo)對隊(duì)列控制器進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化。此類研究大多從控制器設(shè)計(jì)出發(fā)，將時(shí)延和丟包率簡化為帶有邊界的隨機(jī)值[10-11]，研究其對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。 但這種簡化沒有考慮到實(shí)際通信特性，會對隊(duì)列的控制性能造成影響。

通信領(lǐng)域的學(xué)者也對這一問題進(jìn)行了研究，更多聚焦在信號能量、編碼策略、轉(zhuǎn)發(fā)特性等方面。 當(dāng)網(wǎng)聯(lián)車輛間進(jìn)行無線通信時(shí)，信號的能量隨著傳播距離增大不斷衰減，學(xué)者們考慮路徑損耗、反射、散射等因素提出了大尺度衰落模型[12]和小衰落模型[13-14]。 考慮到視距傳播內(nèi)障礙物的遮擋，Sommer等[15]還探討了障礙物遮擋特性與信號接收強(qiáng)度的關(guān)系。 但此類研究大多關(guān)注傳輸過程中信號能量的變化，沒有針對車輛隊(duì)列這一特定場景，探討時(shí)延和丟包率等性能參數(shù)的變化規(guī)律。 此外，還有學(xué)者結(jié)合交通和網(wǎng)絡(luò)仿真軟件[16-18]對車聯(lián)網(wǎng)相關(guān)場景下的通信性能進(jìn)行了探討，但大多都僅對仿真結(jié)果進(jìn)行解釋。

本文中從信號傳輸特性出發(fā)，基于無線信號傳輸過程中的通信延遲概率和功率強(qiáng)度分布特點(diǎn)，同時(shí)考慮道路環(huán)境、障礙物遮擋等因素的影響，建立了基于模型的車輛隊(duì)列通信系統(tǒng)的通信性能指標(biāo)描述方法，并設(shè)計(jì)了基于專用短程通信技術(shù)的多車通信試驗(yàn)，進(jìn)行了模型參數(shù)標(biāo)定與驗(yàn)證。 該模型考慮了隊(duì)列場景的特點(diǎn)和車輛自身特性，可用于車輛隊(duì)列控制中。

1 通信性能指標(biāo)模型描述

車輛隊(duì)列通常由頭車與多輛跟隨車組成，通過車車通信共享信息，從而實(shí)現(xiàn)隊(duì)列協(xié)同行駛。 通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)反映了信息在車輛隊(duì)列間的傳輸關(guān)系，通常有“前車跟隨式”“雙向跟隨式”“前車-頭車跟隨式”和“雙向-頭車跟隨式”等多種形式。 受通信技術(shù)特性的限制，信息在車間傳輸?shù)倪^程中存在時(shí)延和數(shù)據(jù)包丟失現(xiàn)象，這將影響網(wǎng)聯(lián)車輛控制器性能，進(jìn)而造成隊(duì)列行駛過程中的安全性隱患。

本文中研究的車輛隊(duì)列通信拓?fù)潢P(guān)系如圖1 所示，其中節(jié)點(diǎn)A 為頭車，其余節(jié)點(diǎn)為跟隨車，所有節(jié)點(diǎn)車輛均為網(wǎng)聯(lián)車輛。 對于節(jié)點(diǎn)A 發(fā)送信號被節(jié)點(diǎn)F 接收的過程，信號可以通過“單跳”的方式從節(jié)點(diǎn)A 直接傳播到節(jié)點(diǎn)F；也可以先傳播到中繼節(jié)點(diǎn)B，再由節(jié)點(diǎn)B 進(jìn)行“雙跳”轉(zhuǎn)發(fā)到節(jié)點(diǎn)F；還可通過多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的“多跳”轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)。 不同信號在源節(jié)點(diǎn)A 和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)F 之間傳播所選擇的路徑相互獨(dú)立，選擇每條路徑的概率也互不相同。 本文中將選取端到端時(shí)延和丟包率兩個(gè)主要通信性能指標(biāo)，對隊(duì)列通信系統(tǒng)性能進(jìn)行建模描述。

圖1 車輛隊(duì)列通信拓?fù)潢P(guān)系圖

1.1 端到端時(shí)延模型

端到端時(shí)延(end-to-end delay)是指信號從源節(jié)點(diǎn)發(fā)出到被目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收所需要的時(shí)間。 對于A 到B 單跳過程，單跳總時(shí)延t1，tot由兩部分組成，其一為源節(jié)點(diǎn)申請并獲得訪問信道媒介資格所需要的時(shí)間，記為τa，另一為信號從源節(jié)點(diǎn)發(fā)出后，在信道空間中傳播到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)所需要的時(shí)間，記為τab，則總時(shí)延可表示為

對于一個(gè)隨機(jī)的無線通信過程，假設(shè)每一次通信過程隨機(jī)且獨(dú)立，單跳總時(shí)延的概率密度函數(shù)f1，tot(t1，tot)為

式中fa(τa)、fab(τab)分別為隨機(jī)變量τa、τab的概率密度函數(shù)，f1，tot(t1，tot)為二者的卷積，表示t1，tot的概率密度函數(shù)。 根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)通信延遲概率分布特點(diǎn)，可將τab近似為一常數(shù)[19]。 引入δ(Dirac)函數(shù)對卷積進(jìn)行化簡:

這意味著對于概率密度與δ函數(shù)的卷積計(jì)算只須將概率密度沿橫軸移動一常數(shù)即可，根據(jù)δ函數(shù)的性質(zhì)，t1，tot的概率密度函數(shù)可表示為

fa，pat(·)與fa(τa)有相同的形式，其含義為單跳總時(shí)延的概率分布。 對于節(jié)點(diǎn)A 通過多個(gè)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到達(dá)節(jié)點(diǎn)F 的“k跳”過程，記信號在第i個(gè)節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行處理的時(shí)間為τi、信號從第i個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)出在信號空間中傳播并達(dá)到第j個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間為τij，則“k跳”過程總時(shí)延tk，tot為

根據(jù)式(3)和式(4)可知，“k跳”過程總時(shí)延tk，tot的概率密度函數(shù)為

本文中采用三參數(shù)Burr 分布來描述“k跳”過程總時(shí)延的概率分布，其概率密度函數(shù)為

式中:α為尺度參數(shù)；β、γ為形狀參數(shù)。 對于從節(jié)點(diǎn)A 到節(jié)點(diǎn)F 的通信過程，記通過第i跳路徑到達(dá)的信息占總體信息的比例為ai，則端到端總時(shí)延的概率分布可表示為

1.2 丟包率模型

丟包率(packet error ratio， PER)是指通信過程中丟失數(shù)據(jù)包數(shù)量與發(fā)送數(shù)據(jù)包總數(shù)量的比值，反映了通信過程的質(zhì)量和可靠程度。 造成數(shù)據(jù)包丟失的原因很多，包括設(shè)備故障、物理線路故障、信道衰落、路由錯(cuò)誤和網(wǎng)絡(luò)堵塞等，其也會受到信號收發(fā)特性的影響。

對于無線通信而言，造成丟包最主要的因素為信號在信道空間傳播過程中功率強(qiáng)度的降低，當(dāng)其低于功率強(qiáng)度閾值時(shí)，就無法被目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收。 因?yàn)槎鄰叫?yīng)的存在，某一位置處接收到的信號其實(shí)是大量直射信號、反射信號等的疊加，其功率強(qiáng)度滿足一定的概率分布規(guī)律。 Taliwal 等[20]的研究表明，Nakagami-m 分布能很好地描述無干擾情況下信號在空間信道中傳播的功率強(qiáng)度概率分布規(guī)律。 根據(jù)Nakagami-m 分布，在通信距離為d處的接收信號功率強(qiáng)度的概率密度函數(shù)(PDF)fd(x；m，Ω)為

式中:m為信道衰落參數(shù)，m越大表示信號衰減越慢、信道質(zhì)量越好，當(dāng)m趨近于正無窮時(shí)表示信道無衰落；Ω為平均功率強(qiáng)度，Ω越大表示信號傳播距離越遠(yuǎn)；Γ(m) 為伽馬函數(shù)。 通信距離為d處的接收信號功率強(qiáng)度的累積密度函數(shù)(CDF)Fd(x；m，Ω) 為

結(jié)合Gamma 分布Γ(b，p) 的累計(jì)密度函數(shù)公式和 Erlang 分布規(guī)律，并令b ＝m/Ω，p ＝m，可將式(10)化為

假設(shè)接收功率強(qiáng)度閾值為Rthre，高于該功率強(qiáng)度閾值的信號能被接收，則收包率可表示為

信號在不同的信道空間中傳播對應(yīng)了不同的信道衰落系數(shù)。 在本文的推導(dǎo)中，取m ＝3，則收包率可表示為

根據(jù)Ferris 自由空間路徑損耗模型，可以得到接收功率強(qiáng)度閾值Rthre和平均接收功率Ω(d) 的表達(dá)式為

式中:TP為所選擇的傳輸功率；ψ為傳輸特性參數(shù)；Gt、Gr分別為發(fā)送天線增益、接收天線增益；λ為傳播波長；L為路徑損耗系數(shù)。 將式(14)和式(15)代入式(13)，得

式(16)為僅考慮沿途路徑損耗推導(dǎo)出的收包率模型，其中收包率只與通信距離和傳輸特性參數(shù)有關(guān)，并且具有相似的變化規(guī)律。 傳輸特性參數(shù)ψ綜合反映了通信信道的質(zhì)量，不同傳輸特性參數(shù)下的丟包率變化如圖2 所示。

圖2 不同傳輸特性參數(shù)ψ 下的丟包率變化

除沿途路徑損耗之外，視距傳播內(nèi)的障礙物遮擋(如其它車輛、行人以及道路不平度)也會影響通信性能。 假設(shè)位于源節(jié)點(diǎn)前方di處的第i個(gè)障礙物對于di ～(di ＋Δdi) 范圍內(nèi)的通信性能有影響，其對丟包率的影響峰值為kdikbiC，其中kdi為第i個(gè)障礙物與源節(jié)點(diǎn)之間的距離影響因子，kbi為第i個(gè)障礙物形狀、大小影響因子，Δdi也受障礙物形狀大小的影響，則由于第i個(gè)障礙物造成的額外收包率損失Ploss，i為

考慮視距傳播內(nèi)所有障礙物的遮擋，則修正后的收包率PR，modi為

多跳過程的收包率PR，multi近似等效為多個(gè)單跳過程收包率PR，i的乘積，如式(19) 所示。 其中，PR，i表示第i個(gè)過程的收包率。

2 隊(duì)列通信系統(tǒng)搭建

2.1 隊(duì)列通信系統(tǒng)硬件平臺

隊(duì)列通信系統(tǒng)由頭車、跟隨車1、跟隨車2 組成，如圖3 所示，其中頭車由人駕駛，并負(fù)責(zé)發(fā)出組隊(duì)和避障信號，跟隨車為自動駕駛車輛。

圖3 隊(duì)列通信系統(tǒng)

網(wǎng)聯(lián)車輛以長安CS55 為基礎(chǔ)進(jìn)行改裝，其平臺架構(gòu)如圖4 所示。 車輛的轉(zhuǎn)向、油門和制動均已改為線控方式。 定位系統(tǒng)采用聯(lián)適差分GPS 設(shè)備，車輛能夠獲取厘米級的高精度定位信息，該系統(tǒng)也能實(shí)時(shí)提供車輛的速度、加速度、航向角等狀態(tài)信息。 車輛隊(duì)列間采用星云互聯(lián)OMI 設(shè)備作為無線通信設(shè)備，其可同時(shí)支持DSRC 和LTE-V 兩種方式。 輪速傳感器采集到的車速信號、定位系統(tǒng)獲取的定位信號、車輛控制器發(fā)出控制和反饋信號都先發(fā)送到CAN 總線，通信設(shè)備從CAN 總線獲取信號進(jìn)行廣播，并將接收到的可用信號寫入CAN總線。 采用dSPACE 作為整車控制器，在上位機(jī)中使用ControlDesk 可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化顯示及實(shí)時(shí)調(diào)試。

圖4 網(wǎng)聯(lián)車輛平臺架構(gòu)

2.2 隊(duì)列通信協(xié)議

在車輛隊(duì)列應(yīng)用中，每輛網(wǎng)聯(lián)車都將周期性廣播通過自身傳感器獲得的位置、速度和加速度等信息。 頭車還須額外廣播控制指令，以實(shí)現(xiàn)組隊(duì)、避障等功能，跟隨車在收到前車控制指令后須反饋?zhàn)陨頎顟B(tài)信號，本研究中制定的通信協(xié)議如表1所示。

表1 通信協(xié)議

隊(duì)列中采用“前車-頭車跟隨模式”，對于每一輛跟隨車，都可接收到來自前車與頭車的信號，以實(shí)現(xiàn)自車的軌跡規(guī)劃和運(yùn)動決策。 當(dāng)頭車與跟隨車的距離較遠(yuǎn)時(shí)，頭車控制信號可能無法直接傳到跟隨車輛，此時(shí)需要其余車輛作為中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。信息來源的識別通過判別數(shù)據(jù)包中的設(shè)備號和車輛類型確定。

2.3 隊(duì)列通信系統(tǒng)軟件平臺

通信系統(tǒng)軟件平臺基于C＋＋開發(fā)，其架構(gòu)如圖5 所示，主要包括預(yù)配置和3 個(gè)核心線程。

圖5 通信系統(tǒng)軟件架構(gòu)

在預(yù)配置環(huán)節(jié)開啟3 個(gè)核心線程，并將發(fā)送頻率、發(fā)送模式、車輛類型等參數(shù)從配置文件中讀取到共享內(nèi)存，便于程序調(diào)用。 線程1 的功能主要是根據(jù)DBC 協(xié)議對CAN 總線中的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，獲取需要傳輸?shù)哪繕?biāo)參數(shù)值。 線程 2 主要負(fù)責(zé)創(chuàng)建UDP，建立多臺通信設(shè)備間的聯(lián)系，并根據(jù)通信協(xié)議按周期發(fā)送數(shù)據(jù)。 DSRC 為廣播模式，在信道空間通暢的情況下，DSRC 設(shè)備可以接受到空間中所有的數(shù)據(jù)包。 線程3 會根據(jù)數(shù)據(jù)包ID 值判斷其來源并決定是否對其進(jìn)行解析，之后按照解析格式往CAN 線寫入數(shù)據(jù)。

2.4 通信性能指標(biāo)

通信系統(tǒng)主要考慮通信距離、端到端時(shí)延、丟包率3 個(gè)性能指標(biāo)，它們都可在上位機(jī)和終端交互APP 中實(shí)時(shí)顯示。 通信距離根據(jù)兩節(jié)點(diǎn)間的GPS坐標(biāo)計(jì)算求得，假設(shè)A、B兩節(jié)點(diǎn)的GPS 坐標(biāo)分別為A(lonA，latA) 、B(lonB，latB) ，則兩節(jié)點(diǎn)之間的距離dAB為

式中:R為地球半徑，取6 371.004 km；C為變量。

端到端時(shí)延可通過信號被接收的時(shí)間戳和信號發(fā)送的時(shí)間戳作差計(jì)算得到，但由于兩通信設(shè)備內(nèi)部時(shí)鐘存在固有時(shí)間差，所以需要對設(shè)備時(shí)間進(jìn)行同步。 記A 設(shè)備向B 設(shè)備發(fā)送信號的時(shí)間戳為T1，B 設(shè)備接收到信號的時(shí)間戳為T2；同時(shí)記B 設(shè)備向A 設(shè)備發(fā)送信號的時(shí)間戳為T3，A 設(shè)備收到信號的時(shí)間戳為T4。 假設(shè)兩個(gè)過程的時(shí)延相同，則兩設(shè)備之間的固有時(shí)間差Δt為

源設(shè)備發(fā)出的每個(gè)數(shù)據(jù)包都有唯一的ID 號，目標(biāo)設(shè)備在接收端通過檢測ID 號判斷數(shù)據(jù)包是否丟失或者順序錯(cuò)亂。 對于通信過程s，丟包率的計(jì)算公式為

式中:max(s)、min(s) 分別為s過程消息的最大、最小序列號；length(s) 為s過程接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)量總和。

3 通信性能測試試驗(yàn)與模型驗(yàn)證

3.1 通信性能測試試驗(yàn)

車輛隊(duì)列主要應(yīng)用場景為高速公路工況，但同樣可適用于交通場景較為復(fù)雜的城市工況中。 基于隊(duì)列通信系統(tǒng)，進(jìn)行了通信性能測試實(shí)現(xiàn)，并通過測試試驗(yàn)結(jié)果對通信模型進(jìn)行驗(yàn)證。 測試試驗(yàn)主要包括直線道路、十字路口和復(fù)雜城市道路3 種場景，試驗(yàn)在清華大學(xué)和重慶西部汽車試驗(yàn)場中開展，在前者中進(jìn)行城市道路直線、十字路口、復(fù)雜道路工況試驗(yàn)，在后者中進(jìn)行高速道路直線工況試驗(yàn)，測試場地如圖6 所示。

圖6 通信性能測試場地

在不同工況的直線道路場景中，跟隨車以一定速度從超出通信范圍(800 m)外接近頭車。 該測試主要探究在不同沿途路徑損耗系數(shù)對應(yīng)的工況下，隊(duì)列間丟包率與相對通信距離之間的關(guān)系，以及丟包率受視距傳播范圍內(nèi)障礙物遮擋的影響。

在十字路口場景中，頭車與跟隨車分別在十字路口兩條直角邊行駛，設(shè)置十字路口有無中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)兩個(gè)工況進(jìn)行對照。 該測試主要探究在有無中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)條件下，單跳和多跳過程對于隊(duì)列間丟包率的影響，同時(shí)探究單跳和多跳過程端到端時(shí)延的分布規(guī)律。

在復(fù)雜城市道路場景中，頭車和跟隨車以10 ～30 km/h 的速度行駛，并保證兩車間距在20 ～250 m之間，該測試主要探究在十字路口、直角彎道、沿途障礙物遮擋、視距傳播障礙物遮擋的綜合道路下的隊(duì)列通信性能特點(diǎn)。

3.2 通信模型驗(yàn)證

根據(jù)端到端時(shí)延模型，多跳過程時(shí)延呈現(xiàn)多峰分布，每個(gè)峰所占的比例與通信環(huán)境有關(guān)；并且每個(gè)單峰服從Burr 分布。 圖7 為端到端時(shí)延模型驗(yàn)證結(jié)果，其中柱狀圖為實(shí)際統(tǒng)計(jì)量，曲線為根據(jù)時(shí)延模型標(biāo)定后的概率分布，標(biāo)定結(jié)果如表2 所示。 對于圖7(b)和圖7(c)兩個(gè)雙跳過程，在圖7(b)中隊(duì)列間頭車與跟隨車間距離較小，通過單跳過程進(jìn)行通信的概率更大，在圖7(c)中隊(duì)列間頭車與跟隨車間距離較大，更多的節(jié)點(diǎn)通過兩跳的方式實(shí)現(xiàn)通信。在所有通信過程中，單峰都能很好地服從Burr分布。

表2 端到端時(shí)延模型

圖7 端到端時(shí)延模型驗(yàn)證

根據(jù)丟包率模型，在無等效障礙物遮擋情況下，丟包率與通信距離間呈正相關(guān)關(guān)系，受視距范圍內(nèi)等效障礙物的影響。 圖8 為丟包率模型驗(yàn)證結(jié)果，其中虛線為實(shí)際測量值，實(shí)線為根據(jù)丟包率模型標(biāo)定后的變化趨勢，標(biāo)定結(jié)果如表3 所示。 圖8(a)和圖8(b)為只有沿途路徑衰落且無視距傳播內(nèi)等效障礙物遮擋的場景，對應(yīng)丟包率曲線光滑；圖8(c)和圖8(d)為視距傳播內(nèi)有一個(gè)等效障礙物遮擋的場景，對應(yīng)丟包率曲線有一個(gè)凸峰；圖8(e)和圖8(f)為視距傳播內(nèi)有兩個(gè)等效障礙物遮擋的場景，對應(yīng)丟包率曲線有兩個(gè)凸峰。 結(jié)合場景特點(diǎn)和標(biāo)定結(jié)果可以說明:通信場景的復(fù)雜程度直接影響了傳輸特性參數(shù)，在樹木、建筑物較少的開闊場景中，傳輸特性參數(shù)較大，因此通信性能較好；而在樹木、建筑物較為密集的復(fù)雜場景中，傳輸特性參數(shù)較小，通信性能相對較差；同時(shí)，等效障礙物造成了局部收包率的損失，不同等效障礙物導(dǎo)致的影響范圍和影響幅度有所不同。

圖8 丟包率模型驗(yàn)證

表3 丟包率模型參數(shù)標(biāo)定

3.3 通信性能測試試驗(yàn)結(jié)果分析

圖9 為直線道路場景中不同工況下隊(duì)列間丟包率與通信距離的關(guān)系，圖中的點(diǎn)為一段時(shí)間內(nèi)平均通信距離對應(yīng)的平均丟包率，曲線為丟包率擬合的結(jié)果。 工況1～工況3 為城市道路，道路兩側(cè)有較高建筑物和樹木，道路中存在其它車輛和交通參與者，ψ值較小；工況4 和工況5 為高速道路，道路兩側(cè)障礙物較少，空間比較開闊，ψ值較大。 試驗(yàn)結(jié)果表明，所有工況都能在一定距離內(nèi)保持較低的丟包率，且丟包率在宏觀上呈現(xiàn)出與通信距離正相關(guān)關(guān)系。在傳輸特性參數(shù)ψ較小的城市道路中，通信距離較短，丟包率在通信距離超過200 m 后迅速增加；在ψ較大的高速道路中，系統(tǒng)可在500 m 內(nèi)維持較好的通信性能，丟包率在500 m 后隨通信距離增加。 此外，受視距傳播范圍內(nèi)障礙物和道路不平度的遮擋，會在局部距離區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生較高的丟包率，丟包率影響呈現(xiàn)凸峰特性，這對通信性能的影響較為嚴(yán)重。

圖9 直線道路丟包率測試結(jié)果

圖10(a)和圖10(b)分別為無、有中繼節(jié)點(diǎn)下十字路口場景中隊(duì)列間丟包率的測試結(jié)果。 試驗(yàn)結(jié)果表明，對于無中繼節(jié)點(diǎn)的單跳過程，車輛的通信距離不會超過30 m；而當(dāng)有中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，跟隨車可與150 m 外的頭車通信，這極大地提升了隊(duì)列的可通信長度，擴(kuò)展了應(yīng)用范圍。

圖10 十字路口丟包率測試結(jié)果

圖11 綜合反映了復(fù)雜城市道路場景中的隊(duì)列間丟包率特點(diǎn)，經(jīng)緯度確定了頭車的運(yùn)動軌跡。 在空間開闊且只有少量車輛、行人遮擋的直線道路中，丟包率能保持較低的值；在交通狀況比較復(fù)雜的十字路口，最大丟包率可達(dá)到40%；在較高樹木遮擋且通信距離大于200 m 時(shí)，最大丟包率超過60%；在無中繼節(jié)點(diǎn)的直角轉(zhuǎn)彎處，由于大型建筑物的遮擋，甚至?xí)霈F(xiàn)信號完全丟失，不能通信的現(xiàn)象。

圖11 復(fù)雜城市道路丟包率測試結(jié)果

表4 給出了不同場景中端到端時(shí)延的測試結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)端到端時(shí)延的平均值在低速的城市道路中稍高于其在速度較高的高速道路的平均值，但是二者相差不會很大，雙跳時(shí)延的平均值為單跳時(shí)延平均值的兩倍多。 結(jié)合圖12 和圖13 進(jìn)一步說明，時(shí)延并不為一個(gè)定值，而是呈現(xiàn)出一定概率分布的規(guī)律。

表4 端到端時(shí)延測試結(jié)果

圖12 單跳過程端到端時(shí)延測試結(jié)果

4 結(jié)論

本文中根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)通信延遲和無線信號功率強(qiáng)度的概率分布特點(diǎn)，并考慮到車輛隊(duì)列中障礙物遮擋的特點(diǎn)，建立以丟包率和端到端時(shí)延為指標(biāo)的可用于隊(duì)列通信系統(tǒng)的基于模型的通信性能描述方法。 基于所搭建的多車通信平臺，進(jìn)行典型工況下的實(shí)車試驗(yàn)，驗(yàn)證了所提出模型的正確性，主要結(jié)論如下。

圖13 雙跳過程端到端時(shí)延測試結(jié)果

(1)丟包率與通信距離呈正相關(guān)關(guān)系，傳輸特性參數(shù)反映了環(huán)境特點(diǎn)，決定了丟包率的變化速率，視距傳播內(nèi)障礙物遮擋對局部丟包率有嚴(yán)重的影響。

(2)有中繼節(jié)點(diǎn)的多跳過程能降低丟包率，擴(kuò)大隊(duì)列的通信范圍。 當(dāng)隊(duì)列長度較大或者隊(duì)列經(jīng)過有障礙物遮擋的十字路口時(shí)，可將中間車輛或路側(cè)單元作為中繼節(jié)點(diǎn)，從而大幅度提高通信性能。

(3)多跳過程的時(shí)延呈現(xiàn)多峰分布的特征，每個(gè)峰所占的比例取決于通信環(huán)境，當(dāng)通信距離較遠(yuǎn)時(shí)，多跳部分所占比例比單跳部分更高，每個(gè)單峰都可用Burr 分布進(jìn)行刻畫。