LTE-V2X 協(xié)議棧開發(fā)及通信測試①

郭 星, 劉建蓓, 張志偉, 惠 飛, 杜繹如, 阮仕峰, 唐書宇

1(長安大學(xué) 信息工程學(xué)院, 西安 710064)

2(中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司, 西安 710065)

通信技術(shù)與智能交通系統(tǒng)的迅速發(fā)展使得車聯(lián)網(wǎng)(Internet of vehicles, IoV)成為目前的研究熱點(diǎn). 車聯(lián)網(wǎng)能夠借助新一代通信技術(shù), 使得車與車(vehicle to vehicle,V2V)、車與人(vehicle to pedestrian, V2P)、車與路邊設(shè)施(vehicle to infrastructure, V2I)能夠?qū)崿F(xiàn)全方位動(dòng)態(tài)信息實(shí)時(shí)交互, 即實(shí)現(xiàn)V2X 通信(vehicle to everything,V2X)[1], 進(jìn)一步提升汽車智能化水平, 實(shí)現(xiàn)智能、高效、安全的智能運(yùn)輸系統(tǒng). 車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下, 汽車在分享自身信息的同時(shí)也接收其他汽車的信息及路況信息, 從而增強(qiáng)自身的環(huán)境感知能力達(dá)到協(xié)同控制, 對(duì)駕駛員提前預(yù)警潛在的危險(xiǎn), 減少交通事故、交通堵塞的發(fā)生.

目前, 行業(yè)內(nèi)對(duì)于V2X 通信技術(shù)路線包括兩條,一條是基于IEEE1609 系列標(biāo)準(zhǔn)的車載環(huán)境無線接入(wireless access in vehicular environment, WAVE)技術(shù),是一種由IEEE 制定的專用于車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的無線接入技術(shù). WAVE 理論研究發(fā)展較早, 目前在歐美、日本積極開展了相關(guān)的技術(shù)研究以及測試工作. 另一條技術(shù)路線是由我國主導(dǎo)推動(dòng)的基于3GPP R14 的長期演進(jìn)車對(duì)外界信息交互技術(shù)LTE-V2X (long term evolutionvehicle to everything)[2,3]. 2017 年3 月, 3GPP完成了Release 14 版本的LTE-V2X 標(biāo)準(zhǔn)化[4], 其作為面向車路協(xié)同的通信綜合解決方案, 在高速移動(dòng)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)低時(shí)延、高可靠、高速率、安全的通信, 滿足車聯(lián)網(wǎng)的多種應(yīng)用. 而目前在國內(nèi), 正處于LTE-V2X 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定階段, 主要以大唐、華為、高通等通信產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)、車企和電信運(yùn)營商為主的產(chǎn)業(yè)陣營推進(jìn)發(fā)展[5].

LTE-V2X 對(duì)LTE 蜂窩網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的車輛主動(dòng)安全應(yīng)用進(jìn)行了通信優(yōu)化, 采用蜂窩方式與直通方式相結(jié)合的方式, 支持包括V2I、V2V、V2P 等各類場景應(yīng)用. 蜂窩式利用基站作為集中式的控制中心和數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)發(fā)中心, 來完成集中式調(diào)度、擁塞控制和干擾協(xié)調(diào)[6], 用戶設(shè)備通過上行鏈路(uplink, UL)向基站傳輸V2X 消息, 基站再通過下行鏈路(downlink, DL) 將V2X 消息傳輸給其他用戶設(shè)備, 用戶設(shè)備與基站之間通過Uu 接口通信. 直通式加入了副鏈路(sidelink,SL)的概念, 使得車輛消息不需要經(jīng)過基站的轉(zhuǎn)發(fā), 通過設(shè)備到設(shè)備通信接口PC5 完成車車之間的直接通信. LTE-V2X 中, 可以設(shè)置普通路側(cè)單元(road side unit, RSU)和基站類型的RSU, 兩種RSU 與用戶設(shè)備通信所使用的接口不同, 從而進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)各類V2X操作場景的支持. 如圖1 為LTE-V2X 的應(yīng)用場景, 在該場景中, 基站類型RSU 發(fā)揮中繼功能作用, 通過基站轉(zhuǎn)發(fā)無線蜂窩數(shù)據(jù), 在車輛間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換, 這種方式采用LTE-V2X-Cell 相關(guān)協(xié)議, 而當(dāng)需要車車直接進(jìn)行通信時(shí), 采用LTE-V2X-Direct 相關(guān)協(xié)議完成數(shù)據(jù)交換.

圖1 LTE-V2X 車聯(lián)網(wǎng)場景

國內(nèi)對(duì)于車聯(lián)網(wǎng)研究起步相對(duì)較晚, 但發(fā)展勢頭迅猛. 為實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)通信, 行業(yè)內(nèi)一些相關(guān)的車企及終端設(shè)備廠商也紛紛推出各自支持國標(biāo)協(xié)議棧的V2X通信終端, 如萬集科技、東軟、星云互聯(lián)以及高新興等. 然而由于在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)規(guī)定較泛化, 導(dǎo)致不同企業(yè)在開發(fā)過程中對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的理解有偏差, 出現(xiàn)定位信息不準(zhǔn)確、通信設(shè)備底層硬件不兼容、消息幀結(jié)構(gòu)不一致、通信性能不穩(wěn)定等問題[7], 產(chǎn)品體系結(jié)構(gòu)間存在差異, 因此目前還不能實(shí)現(xiàn)全面互聯(lián)互通, V2X 通信產(chǎn)品的商業(yè)化規(guī)模應(yīng)用仍需努力推進(jìn). 國內(nèi)一些高校和科研機(jī)構(gòu)也在車聯(lián)網(wǎng)方面展開研究, 這些研究主要集中在理論分析與模型仿真中[8], 也有部分試驗(yàn)場內(nèi)部測試[9]與車聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)計(jì)[10,11], 但都缺少LTE-V2X 協(xié)議棧的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)以及針對(duì)協(xié)議棧的通信測試. 因此, 設(shè)計(jì)一款滿足協(xié)議要求、實(shí)現(xiàn)可靠通信的LTE-V2X 協(xié)議棧對(duì)于推進(jìn)車聯(lián)網(wǎng)設(shè)備成熟落地具有重要意義.

1 LTE-V2X 協(xié)議?？傮w設(shè)計(jì)

LTE-V2X 協(xié)議棧是實(shí)現(xiàn)V2X 通信的前提, 采集到的車輛狀態(tài)信息和位置信息由協(xié)議棧進(jìn)行編碼封裝,并通過不同的空中接口發(fā)送到其他車輛設(shè)備、路側(cè)設(shè)備或基站. 根據(jù)3GPP 發(fā)布的TS22.185[12]、TR 36.885[13]以及中國IMT-2020(5G)推進(jìn)組[14]對(duì)LTE-V2X 協(xié)議棧的性能要求, LTE-V2X 協(xié)議棧應(yīng)滿足的主要性能要求如表1 所示.

表1 LTE-V2X 協(xié)議棧性能要求

協(xié)議棧總體分層如圖2 所示, LTE-V2X 協(xié)議棧應(yīng)該包括應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層. 相比于WAVE 系統(tǒng)協(xié)議棧[15], LTE-V2X 協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)層有著明顯變化. 在WAVE 中無線資源按照信道劃分來分別提供不同的業(yè)務(wù), 而在LTE 系統(tǒng)中, 無線資源都在資源池中, 發(fā)送消息時(shí)選取空閑的資源塊進(jìn)行發(fā)送, 以此提高資源的利用率[16]. 因此LTE 系統(tǒng)沒有信道概念,即沒有WAVE 系統(tǒng)中信道切換相關(guān)內(nèi)容, 而是增添適配層對(duì)協(xié)議棧原語進(jìn)行適配.

圖2 協(xié)議?？傮w分層

其中, 協(xié)議棧各層的功能為:

1) 應(yīng)用層. 主要包括用戶應(yīng)用和消息層, 消息層即不同的應(yīng)用程序中所使用的短程無線接入專用通信消息的數(shù)據(jù)幀和數(shù)據(jù)元素的集合, 向上支持用戶應(yīng)用, 向下對(duì)接網(wǎng)絡(luò)層.

2) 網(wǎng)絡(luò)層. 網(wǎng)絡(luò)層由數(shù)據(jù)子層和管理子層兩部分構(gòu)成. 數(shù)據(jù)子層傳輸應(yīng)用間的數(shù)據(jù)流, 以及不同管理實(shí)體間或管理實(shí)體與用戶應(yīng)用間的數(shù)據(jù)流. 管理子層主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)配置與維護(hù)功能.

2 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

通過對(duì)協(xié)議棧總體功能以及協(xié)議棧各層進(jìn)行分析,協(xié)議棧硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)應(yīng)包含兩部分: 搭載協(xié)議棧的主控平臺(tái)和通信模組. 其中, 網(wǎng)絡(luò)層以上的相關(guān)協(xié)議在主控平臺(tái)運(yùn)行, 網(wǎng)絡(luò)層以下的數(shù)據(jù)發(fā)送與傳輸由通信模組實(shí)現(xiàn).

考慮到車聯(lián)網(wǎng)主控平臺(tái)需要具備優(yōu)異處理能力以及低功耗低成本等特性, 本文采用恩智浦處理器平臺(tái)IMX6QP 搭建協(xié)議棧主控平臺(tái). 該處理器是基于Cortex A9 架構(gòu)的4 核ARM 芯片, 運(yùn)行頻率可達(dá)1.2 GHz, 性能優(yōu)越, 并且該平臺(tái)提供高清多媒體接口(high definition multimedia interface, HDMI)、全球定位系統(tǒng)(global positioning system, GPS)接口、千兆以太網(wǎng)接口及用于汽車應(yīng)用的車輛控制器局域網(wǎng)(controller area network,CAN)接口等, 滿足擴(kuò)展需求, 適合汽車應(yīng)用開發(fā).

通信模組采用中興通訊的ZM8350 通信模組, 該模組支持5.9 GHz 頻段的單PC5 接口, 可驅(qū)動(dòng)V2V,V2I 以及V2P 的信息交換, 并支持高精度定位. 定位模塊采用北斗接收機(jī), 可接收北斗系統(tǒng)和GPS 系統(tǒng)的定位數(shù)據(jù). 設(shè)備整體圖與具體硬件組成如圖3 所示, 其中通信模組與主控平臺(tái)固定置于設(shè)備內(nèi)部.

圖3 設(shè)備硬件組成

3 LTE-V2X 協(xié)議棧設(shè)計(jì)

V2X 消息構(gòu)造以及消息內(nèi)容填充是協(xié)議棧需要實(shí)現(xiàn)的主要功能. 上層應(yīng)用通過協(xié)議棧接口對(duì)協(xié)議棧進(jìn)行消息注入與傳出, 通過創(chuàng)建本地套接字方式進(jìn)行通信. 圖4 為協(xié)議棧數(shù)據(jù)流, 其中車聯(lián)網(wǎng)相關(guān)信息由傳感器采集, 在消息層創(chuàng)建消息幀并填充, 消息幀編碼后送入網(wǎng)絡(luò)層, 網(wǎng)絡(luò)層根據(jù)消息類型對(duì)消息幀進(jìn)行封裝并送入接入層, 接入層對(duì)數(shù)據(jù)包封裝后交給物理層由相應(yīng)的空中接口發(fā)送. 在接收端, 接入層在指定頻段接收到數(shù)據(jù)包后先進(jìn)行篩選, 拆封幀頭送入網(wǎng)絡(luò)層, 網(wǎng)絡(luò)層根據(jù)數(shù)據(jù)子層封裝的幀頭再次篩選, 剝離數(shù)據(jù)子層幀頭送入應(yīng)用層解碼, 最終將信息交給上層應(yīng)用.

圖4 協(xié)議棧數(shù)據(jù)流

協(xié)議棧各層之間均為模塊化設(shè)計(jì), 每一層開發(fā)完成后都進(jìn)行獨(dú)立封裝, 每層暴露相關(guān)接口與其他層進(jìn)行交互.

3.1 協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)

協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)層是協(xié)議棧核心內(nèi)容, 包括數(shù)據(jù)子層和管理子層兩部分, 圖5 為管理子層與數(shù)據(jù)子層主要操作流程. 管理子層實(shí)現(xiàn)對(duì)消息訂閱者以及提供者的管理, 并對(duì)消息訂閱者及提供者發(fā)出的請求進(jìn)行處理,生成專用業(yè)務(wù)公告(dedicated service advertisement,DSA)消息. 數(shù)據(jù)子層是協(xié)議棧的關(guān)鍵協(xié)議, 負(fù)責(zé)對(duì)應(yīng)用層傳輸?shù)南⑦M(jìn)行封裝, 并對(duì)MAC 層的消息進(jìn)行解封, 再按照消息中幀頭規(guī)定的參數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳遞, 最終形成專用短消息(dedicated short message, DSM). 數(shù)據(jù)子層的設(shè)計(jì)中, 有關(guān)接入層的相關(guān)接口由通信模組提供. 管理子層和數(shù)據(jù)子層處于并列狀態(tài), 管理子層和數(shù)據(jù)子層的具體設(shè)計(jì)需根據(jù)各自功能來完成.

圖5 管理子層與數(shù)據(jù)子層相關(guān)操作

3.1.1 管理子層設(shè)計(jì)

管理子層說明如何獲取消息傳輸時(shí)需要的參數(shù),其中專用管理實(shí)體(dedicated management entity,DME)負(fù)責(zé)不同通信實(shí)體之間的調(diào)度, 包含4 項(xiàng)功能:應(yīng)用注冊、根據(jù)應(yīng)用要求發(fā)送或接收DSA、管理信息庫(management information base, MIB)配置與維護(hù), 各項(xiàng)功能的具體設(shè)計(jì)如下.

1) 應(yīng)用注冊

上層應(yīng)用需先在DME 處注冊成為一個(gè)用戶應(yīng)用后, 才可以使得DME 管理DSM.

2) 短消息服務(wù)管理

車聯(lián)網(wǎng)通信中, 上層應(yīng)用需要發(fā)送DSM 到其他設(shè)備, DME 接受請求后, 在管理信息庫中生成對(duì)應(yīng)的服務(wù)請求條目, 上層應(yīng)用將相關(guān)數(shù)據(jù)傳入數(shù)據(jù)子層, 由專用短消息協(xié)議(dedicated short message protocol, DSMP)創(chuàng)建DSM 幀頭, 適配層創(chuàng)建適配層幀頭. 在接收端接收到DSM 時(shí), DME 識(shí)別DSM 中的應(yīng)用標(biāo)識(shí), 篩選收到的DSM 是否為上層應(yīng)用所感興趣的, 從而決定是否采用該DSM 幀.

3) 業(yè)務(wù)公告服務(wù)管理

DSA 用于向車輛用戶廣播可選服務(wù)信息, 發(fā)送端上層應(yīng)用向DME 發(fā)起服務(wù)請求, DME 在管理信息庫生成請求條目. 由于DME 不具備直接向接入層傳遞數(shù)據(jù)幀的能力, DME 根據(jù)請求生成DSA 并向DSMP 發(fā)起請求, 之后在數(shù)據(jù)子層由DSMP 進(jìn)行下一步封裝,DSA 幀構(gòu)建流程如圖6, DSA 幀頭定義為struct DME_DSA_Hdr, 包含DSA 幀頭定義及DSA 擴(kuò)展域定義. DSA消息的幀包含幀頭和應(yīng)用信息兩部分, 這些內(nèi)容都應(yīng)封裝在DSM 的data 部分, 與設(shè)置好的DSM 幀頭一同打包, 通過套接字發(fā)送. 在接收端想要接收感興趣的消息時(shí), 同樣向DME 發(fā)起服務(wù)請求, 由DME 判斷該公告是否有感興趣的內(nèi)容從而選擇是否采用.

圖6 DSA 幀構(gòu)建流程

4) MIB 配置與維護(hù)

MIB 負(fù)責(zé)對(duì)協(xié)議棧的應(yīng)用配置信息及狀態(tài)信息進(jìn)行存儲(chǔ)與維護(hù), DME 可通過發(fā)起查詢或設(shè)置請求對(duì)MIB進(jìn)行操作. MIB 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)體定義為struct tDMEMIB,聲明數(shù)據(jù)庫中各項(xiàng)數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)臨時(shí)MIB 數(shù)據(jù). DME_MIB_Set()與DME_MIB_Get()函數(shù)分別用于將管理數(shù)據(jù)庫信息保存到MIB 文件或讀取MIB 文件, 業(yè)務(wù)的應(yīng)用標(biāo)識(shí)對(duì)應(yīng)一個(gè)MIB 信息表.

3.1.2 數(shù)據(jù)子層設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)子層包括DSMP 和適配層. DSMP 主要功能是在不同通信實(shí)體間傳輸數(shù)據(jù). 數(shù)據(jù)從一個(gè)通信實(shí)體發(fā)送, 通過請求原語request, 分別經(jīng)過應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層逐層完成數(shù)據(jù)的傳遞, 數(shù)據(jù)在底層通過空中接口發(fā)送, 到達(dá)接收端的接入層, 在接收端實(shí)體再經(jīng)過逐層傳遞, 最終將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇邮斩说膽?yīng)用層, 交付給各個(gè)應(yīng)用.

當(dāng)數(shù)據(jù)從上層應(yīng)用層接入之后, 首先封裝DSM 幀頭, DSM 幀頭用來標(biāo)定數(shù)據(jù)在向上層以及下層傳輸?shù)牟糠謪?shù), 包括DSMP 版本、可選域指示、預(yù)留、擴(kuò)展域、應(yīng)用標(biāo)識(shí)、數(shù)據(jù)長度以及數(shù)據(jù), DSM 幀頭定義為struct DSMP_Hdr, 并嵌套DSMP 擴(kuò)展域結(jié)構(gòu)體struct DSMP_Ext, DSM 消息幀結(jié)構(gòu)如圖7. 其中數(shù)據(jù)部分以及數(shù)據(jù)長度都是由應(yīng)用層處理, 并進(jìn)行數(shù)據(jù)的填充和封裝. 本文中DSMP 版本取值為0, DSMP 可選域指示取值為1 表示后面的擴(kuò)展域出現(xiàn), 取值為0 表示后面的擴(kuò)展域不出現(xiàn). 其中, 預(yù)留域的預(yù)留比特取值0,擴(kuò)展域預(yù)留可用于其他信息, 包含其他信息標(biāo)識(shí)、其他信息長度和其他信息內(nèi)容3 部分, 應(yīng)用標(biāo)識(shí)AID 用于區(qū)分應(yīng)用服務(wù)商的各種不同應(yīng)用. 數(shù)據(jù)長度表示應(yīng)用層數(shù)據(jù)實(shí)體的字節(jié)長度, 數(shù)據(jù)即為數(shù)據(jù)實(shí)體. 構(gòu)建不同DSM 幀頭接口的定義見表2.

圖7 DSM 消息幀結(jié)構(gòu)

表2 DSMP 幀頭創(chuàng)建相關(guān)接口

適配層的功能是提供底層接入技術(shù)與上層之間的傳輸適配, 接收由上層發(fā)來的DME 數(shù)據(jù)包或DSMP數(shù)據(jù)包, 根據(jù)待發(fā)送數(shù)據(jù)包所使用底層接口的不同, 將數(shù)據(jù)包傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的底層接入接口并傳輸數(shù)據(jù)包, 或根據(jù)底層接入的數(shù)據(jù)包區(qū)分其相應(yīng)的上層協(xié)議類型, 將數(shù)據(jù)包遞交給上層協(xié)議棧. 如果適配層無法區(qū)分接受到的數(shù)據(jù)包相應(yīng)的上層協(xié)議類型, 則丟棄該數(shù)據(jù)包. 適配層幀包含適配層幀頭及適配層有效載荷, 適配層幀頭為協(xié)議類型, 用于指示上層數(shù)據(jù)包所使用的協(xié)議類型,適配層幀頭定義為struct ADA_Hdr, 適配層有效載荷封裝上層數(shù)據(jù)包, 創(chuàng)建適配層幀頭接口為CreatAdaHdr().

適配層幀頭、DSM 幀頭、DSM 消息體初始化完成后, 將以上內(nèi)容放到同一緩沖區(qū), 即形成一個(gè)完整的DSM 消息.

3.2 協(xié)議棧應(yīng)用層開發(fā)

應(yīng)用層處于協(xié)議棧的上層, 負(fù)責(zé)對(duì)頂級(jí)應(yīng)用層和下層網(wǎng)絡(luò)層傳輸?shù)南⒎謩e進(jìn)行封裝和解封, 按照其他幀頭規(guī)定的參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞, 并在不同的通信實(shí)體間進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā).

按照國標(biāo)規(guī)定, 協(xié)議棧應(yīng)用層分為用戶應(yīng)用和消息層, 消息層需要完成5 類基本消息體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義, 包括車輛基本安全信息(basic safety message, BSM),地圖消息(map message, MAP), 信號(hào)相位與時(shí)序消息(signal phase and timing message, SPAT), 路側(cè)單元信息(roadside information, RSI)路側(cè)安全信息(roadside safety message, RSM). 5 個(gè)消息體由專用于數(shù)據(jù)表示的抽象語法標(biāo)記(abstract syntax notation one, ASN.1)語言進(jìn)行描述, 適用于結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)傳輸[17], 遵循“消息集–數(shù)據(jù)幀–數(shù)據(jù)元素”的邏輯, 數(shù)據(jù)集編解碼采用非對(duì)齊壓縮編碼規(guī)則(unaligned packet encoding rules, UPER).

3.2.1 BSM 消息體設(shè)計(jì)

根據(jù)ASN.1 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于BSM 消息定義以及消息體數(shù)據(jù)集之間的嵌套關(guān)系, 結(jié)構(gòu)體BSM 定義包含兩個(gè)部分: 結(jié)構(gòu)體BSMRequired 和結(jié)構(gòu)體BSMOptional.BSMRequired 包含位置、速度、高度、經(jīng)緯度、航向角等車輛基本信息, BSMOptional 包含方向盤角度置信度、位置綜合精度、防抱死制動(dòng)狀態(tài)、制動(dòng)踏板狀態(tài)等. 這些信息由CAN 總線以及GPS 定位模塊獲取,CAN 總線信息及定位數(shù)據(jù)通過同步信號(hào)對(duì)齊, 存儲(chǔ)在消息層, 通過BSMCreate()函數(shù)創(chuàng)建BSM 并填充相關(guān)信息.

在完成BSM 消息的構(gòu)造后形成.asn 文件, 使用編解碼編輯器asnlc, 在BSMEncode_To_()函數(shù)中選擇UPER 編碼方式對(duì).asn 文件進(jìn)行編譯, 生成應(yīng)用層設(shè)計(jì)所需要的消息體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu), 最終將BSM 填充到DSM中并發(fā)送.

3.2.2 其他消息體設(shè)計(jì)

其余4 類消息體(MAP、SPAT、RSI、RSM)構(gòu)造與BSM 消息相同, 但消息傳輸機(jī)制不同. 這四類消息是通過RSU 廣播給車輛, 之后在車輛之間進(jìn)行消息的傳輸. 車輛接收消息的過程為: RSU 填充消息報(bào)頭(信道號(hào)、優(yōu)先級(jí)等), RSU 結(jié)合MAP 數(shù)據(jù)部分進(jìn)行套接字傳輸, 對(duì)消息進(jìn)行廣播. 消息的發(fā)送過程為: 車輛設(shè)置消息報(bào)頭, 車輛對(duì)消息進(jìn)行套接字傳輸, 發(fā)送預(yù)定義的DSM 并進(jìn)行廣播.

4 LTE-V2X 通信性能測試

LTE-V2X 協(xié)議棧開發(fā)完成后需要進(jìn)行實(shí)際場景下的通信測試, 包括消息收發(fā)測試及通信性能測試. 測試需兩套協(xié)議棧分別作為發(fā)送端和接收端, 測試中使用Putty 軟件通過串口連接兩套設(shè)備進(jìn)行操作.

4.1 消息收發(fā)測試

測試內(nèi)容主要包括5 類消息集在協(xié)議棧上的發(fā)送與接收, 即協(xié)議棧支持發(fā)送端設(shè)置BSM、MAP、SPAT、RSM、RSI 五類消息類型. 測試主要面向車車通信, 因此在消息收發(fā)測試中使用BSM 消息進(jìn)行測試, 發(fā)送端程序運(yùn)行結(jié)果如圖8(a). 接收端運(yùn)行接收消息程序, 監(jiān)聽空中接口發(fā)來的消息, 結(jié)果如圖8(b).

圖8 消息收發(fā)測試

發(fā)送端構(gòu)造BSM 消息后對(duì)消息體進(jìn)行打印輸出,BSM 消息體具體內(nèi)容見圖9, 主要包括用戶標(biāo)識(shí)、當(dāng)前車輛位置信息、車輛各類加速度信息、車輛檔位、剎車等狀態(tài)信息、車輛尺寸信息、劃分的車輛類型以及其他擴(kuò)展信息. 消息填充完成之后調(diào)用底層接口發(fā)送消息, 接收端接收到BSM 消息后提取數(shù)據(jù)包中的消息體, 對(duì)消息體進(jìn)行分割并打印消息體內(nèi)容. 由測試結(jié)果可以看出發(fā)送端和接收端消息內(nèi)容打印一致, 協(xié)議棧收發(fā)消息運(yùn)行正常, 能夠?qū)崿F(xiàn)基本消息的收發(fā).

圖9 BSM 消息體具體內(nèi)容

4.2 通信性能測試

為測試協(xié)議棧在不同真實(shí)場景下的通信能力, 本文選取靜止與直行兩種典型交通場景, 使用2 輛搭載協(xié)議棧的車輛開展通信測試. 在實(shí)際場景中車輛通信100 m 范圍以內(nèi)的通信較為關(guān)鍵, 因此測試著重關(guān)注車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下100 m (半徑)范圍內(nèi)的設(shè)備通信情況.

4.2.1 測試指標(biāo)選取

本文選取時(shí)延(Delay)和丟包率(PER)兩個(gè)指標(biāo)測試協(xié)議棧的通信能力. 其中時(shí)延是指從數(shù)據(jù)分組(或報(bào)文)從發(fā)送端應(yīng)用層服務(wù)數(shù)據(jù)單元開始到達(dá)接收端應(yīng)用層服務(wù)數(shù)據(jù)單元所需的單向傳輸時(shí)間. 一般情況下, LTE-V2X 的端到端時(shí)延與接入層參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)擁塞狀況等相關(guān), 最終影響時(shí)延、分組丟失率等一系列指標(biāo). 對(duì)于LTE-V2X 現(xiàn)階段的應(yīng)用需求, 為了滿足實(shí)際車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用, 端到端時(shí)延應(yīng)保持在100 ms以內(nèi)[18]. 丟包率是指在一定覆蓋范圍和信道質(zhì)量條件下, 接收端丟失應(yīng)當(dāng)收到數(shù)據(jù)包的概率. 按照要求在規(guī)定覆蓋范圍內(nèi), 對(duì)于普通安全應(yīng)用最大時(shí)延100 ms 的要求下接收可靠性不得低于80%.

4.2.2 測試場景及結(jié)果分析

1) 靜止場景下通信測試

如圖10 所示兩輛測試車分別靜止停在直行道路上不同的位置, 其中一方為發(fā)送端另一方為接收端. 測試過程中發(fā)送端以10 Hz 頻率發(fā)送數(shù)據(jù)包大小為300 字節(jié)的BSM 消息, 每次發(fā)送200 個(gè)數(shù)據(jù)包共發(fā)送10 次, 消息發(fā)送方式為半靜態(tài)調(diào)度. 查詢并記錄發(fā)送端與接收端的日志, 分別計(jì)算每次實(shí)驗(yàn)的時(shí)延與丟包率,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11 所示. 最后將兩輛測試車分別靜止停在直行道路相距200 m 的位置上, 測試過程中發(fā)送端以10 Hz 頻率分別發(fā)送數(shù)據(jù)包大小為150 字節(jié)、300 字節(jié)、600 字節(jié)的BSM 消息, 每次發(fā)送200 個(gè)數(shù)據(jù)包共發(fā)送10 次, 計(jì)算不同數(shù)據(jù)包長度下的通信時(shí)延和丟包率, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12 所示.

圖10 靜止場景

圖11 靜止場景下不同距離協(xié)議棧通信性能測試

從測試結(jié)果可以看出, 在600 m 通信范圍內(nèi)通信距離對(duì)通信時(shí)延影響不大, 每處平均值約為16 ms, 時(shí)延在5 ms 左右上下浮動(dòng), 上分位數(shù)值均在20 ms 以內(nèi).當(dāng)通信距離增加至800 m 時(shí), 通信時(shí)延較之前有所增大但變化不明顯, 平均值和上分位數(shù)分別在20 ms 和22 ms 左右. 丟包率在600 m 通信范圍內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定, 平均值在3%左右, 總體值在4%以內(nèi). 隨著通信距離增至800 m, 丟包率較之前有明顯的增加, 平均值接近6%且數(shù)據(jù)上下浮動(dòng)較大. 由靜止場景下通信性能測試結(jié)果可以看出, 通信距離為800 m 時(shí)通信時(shí)延與丟包率相對(duì)較大, 原因是LTE-V2X 其本身存在有效通信距離的限制. 而在數(shù)據(jù)包長度變化條件下, 由圖12 可以看出隨著數(shù)據(jù)包長度的增加, 通信時(shí)延略有增加且小于5 ms, 丟包率仍保持在3%左右, 由此可見數(shù)據(jù)包長度對(duì)于時(shí)延及丟包率的影響并不明顯.

圖12 靜止場景下不同數(shù)據(jù)包長度協(xié)議棧通信性能測試

2) 直行道路下通信測試

如圖13 所示, 兩輛測試車輛在直行道路上以相同的速度勻速行駛(跟馳), 車輛間距保持在50 m 左右,分別測試車速為20 km/h、40 km/h、60 km/h 的時(shí)延與丟包率. 其中, 前方車輛作為發(fā)送端, 后方跟馳車輛為接收端, 其他相關(guān)參數(shù)設(shè)置同靜止場景實(shí)驗(yàn), 跟馳場景下實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖14.

圖13 跟馳場景

圖14 跟馳場景下協(xié)議棧通信性能測試

跟馳場景下, 通信時(shí)延隨速度增大而增大, 而丟包率受速度影響較小, 數(shù)據(jù)相對(duì)穩(wěn)定, 平均丟包率均小于3%. 相較于靜止場景下, 動(dòng)態(tài)場景下時(shí)延異常值增多,但總體數(shù)據(jù)特征相似, 平均值均小于20 ms.

上述兩種場景下的協(xié)議棧通信性能測試結(jié)果表明車輛距離對(duì)于時(shí)延與丟包率均有影響. 其中靜止場景測試中隨著車輛相距距離增大, 時(shí)延與丟包率都有所增加. 跟馳場景測試中隨著車速逐漸增加時(shí)延變化較為明顯, 而丟包率與速度呈弱相關(guān). 除此之外, 在兩種不同場景下通信時(shí)延與丟包率雖有所波動(dòng), 但仍符合車聯(lián)網(wǎng)普通安全相關(guān)應(yīng)用的需求, 說明協(xié)議棧總體通信性能良好.

5 結(jié)論與展望

本文針對(duì)目前車聯(lián)網(wǎng)通信需求以及標(biāo)準(zhǔn)要求, 為LTE-V2X 協(xié)議棧提供一套切實(shí)可行的系統(tǒng)硬件平臺(tái)和軟件解決方案, 并對(duì)設(shè)計(jì)的協(xié)議棧進(jìn)行不同場景下的通信測試. 測試結(jié)果表明該協(xié)議棧能夠?qū)崿F(xiàn)V2X 消息收發(fā), 滿足實(shí)際車聯(lián)網(wǎng)場景的應(yīng)用, 為車聯(lián)網(wǎng)通信終端落地提供現(xiàn)實(shí)借鑒意義. 然而, 本文協(xié)議棧設(shè)計(jì)中沒有考慮通信安全問題, 且測試指標(biāo)選取與測試場景設(shè)置相對(duì)單一, 未能模擬真實(shí)道路路況或多車信號(hào)耦合干擾下系統(tǒng)的通信性能. 未來應(yīng)進(jìn)一步完善通信安全機(jī)制, 設(shè)計(jì)高速移動(dòng)場景與包含遮蔽物場景下的多指標(biāo)通信測試, 并考慮多車環(huán)境下的通信擁塞等問題.