车联网专用短程通信技术

田大新

摘要：通过对车路通信系统的设计，车载、路侧通信单元的开发，车路通信系统测试平台的搭建及测试，指出车路通信系统是车联网系统的通信链路保障，而基于专用短程通信（DSRC）的车路通信系统可以大幅度降低通信延迟，保障了高速、网络拓扑结构频繁变化的车辆网络质量，为车车、车路间提供更为可靠、稳定、高效的通信服务。

关键词： 专用短程通信技术；车路通信系统；性能测试

随着中国人口数量、机动车保有量、路网结构、城市规模的不断增长与扩张，交通拥堵、交通安全、节能减排成为新时期交通发展聚焦的三大热点。近年来，世界范围内的智能交通研发热潮推动了交通行业的推陈革新，现代交通将逐渐向更加高效、安全、环保的方向发展。移动互联网技术的迅猛发展为交通技术的革新提供了机遇，智能交通已广泛利用无线通信技术实现数据共享，形成了以智能车辆、智能道路、智能终端为主流的发展方向。车联网作为引领未来的前沿技术，已经成为国际智能交通领域研究的新热点。

在车联网环境下，车与车、车与路之间通过无线通信手段，实现实时的信息交互融合。车与车之间通过位置信息的共享，可以相互感知；结合先进的传感器技术，车辆控制技术即可实现车车之间的协同避险，队列跟驰。在典型应用场景如十字交叉路口，车与交通信号灯系统信息交互融合，车辆可以获得信号灯的绿灯剩余时间，通过自身车速、位置信息即可判断能否正常通过交叉口，并可以帮助驾驶员合理地做出选择，避免车辆进入交通信号灯“两难区”，降低发生交通事故或引起交通拥堵的可能性；在高速公路或城市道路路侧，则提供了无线服务接入点，方便驾驶员实时获得天气、路况、限速等信息，同时可为乘车旅客提供优质的互联网娱乐服务；在出现应急事件如重大交通事故，由智能道路或其他手段感知事故点基本情况，将信息快速反馈到交通指挥中心，指挥中心根据事故情况做出合适的部署，妥善应对各种应急事件。

由此可见，车联网、车路协同技术是改善现存交通问题的有效途径，其中移动无线通信技术对保障车车、车路顺利进行信息交互融合，提升交通效率、安全等因素起到至关重要的作用。因此，为车车、车路建立一个低延迟、质量可靠、抗干扰能力强的无线通信环境就显得十分必要。由于专用短程通信（DSRC）技术在延迟、移动性、通信距离方面有着无可替代的优势，特别适用于车辆安全应用。目前全球范围内的大多车路协同项目的研究，均采用DSRC技术建立车辆网络。美国麻省理工学院Mythili Vutukuru等提出了一种基于传输误码率、信噪比自反馈的比特率自选择协议栈 SoftRate，吞吐量较传输控制协议（TCP）/IP提高近4倍[1]；Jakob Eriksson等研发了基于车车、车路通信的Carbernet网络协议栈，开发了QuickWifi客户端，降低行车中用户与Wi-Fi接入点的连接时间，其相应开发的Carbernet网络传输层协议（CTP），吞吐量[2]较TCP/IP增加近2倍；俄亥俄州立大学Eylem Ekici等研究了适合与车辆自组织网络（VANETs）的跨层协议栈，并提出一种网络协议栈PROMPT，该协议栈可选择最小延迟的数据传输路径，完成多跳通信[3]。文章则介绍了适用于车联网应用的专用短程通信系统。

1 通信系统及协议栈

1.1 通信系统

随着车辆中加装的传感器增多，数据采集量也相应增加，因此处理数据、融合数据对计算机性能需求不断提高。由于应用平台需要执行多种复杂的应用程序来完成大量复杂计算，因此选择一台独立的计算单元作为应用平台可以提高数据处理效率。

图1为平台通信模式，其中主机端执行应用程序，路由端负责数据传输，主机端与路由端共同组成一个车载通信单元。图1中还展示了两辆不同车辆中通信单元1与单元2间的通信：主机端负责处理数据，并通过用户数据包协议传递数据到路由端，路由端采用基于非IP的通信协议栈，车载通信单元间通过802.11p物理层无线传输数据，实现信息交互融合。

1.2 通信协议栈

参考开放式系统互联（OSI）模型，并根据相关工作需求，我们设计了如图2的通信协议栈，其中网络层/传输层能够兼容非IP与IP协议[4-12]。

2软硬件架构

2.1 软件平台

车路通信系统中车载通信单元的开发平台可以分为两部分：应用平台和通信平台。应用平台执行应用程序，如处理各式传感器采集车路状态信息，提供管理配置图形化操作界面等功能；而通信平台，由无线传输硬件设备和通信协议栈组成，可由应用程序调用，实现车车、车路信息交互融合。通信平台包含软件部分与硬件部分。

2.2 硬件平台

应用平台、通信平台分别在独立单元中实现。其中通信平台在MIPS架构嵌入式设备实现，并以独立终端方式出现，最终实现车路通信功能。硬件组成结构如图3所示。

3 实验测试

3.1 测试方案

测试采用2台DSRC车载通信终端（OBU），1台DSRC路侧通信终端（RSU），3台计算单元，2台实验车，所有终端均通过网线与计算机单元相连，其中OBU终端与计算机单元组成的设备布设在实验车中，RSU终端与计算机单元组成的设备布设在路侧，计算单元运行测试程序，将测试消息发送到终端，再由终端将其广播；OBU终端的天线需放置在实验车车顶，RSU终端的天线需放置较高位置，3个天线之间始终保持无遮挡状态。测试场景如图4所示，道路两侧存在树木和建筑物等DSRC信号干扰源。确定实验环境后，首先测定车载通信单元在该环境下的最远通信距离，其后进行实验测试。

3.1.1 单跳通信距离

如图5所示，节点A包含OBU，并处于静止状态；节点B包含OBU，以速度0～120 km/h从A旁行驶，保证通信链路始终保持连接，数据包持续收发。当节点B行驶至不能收到数据包时刻，节点 A与节点B间距距离即为最远通信距离。

实测最远通信距离的结果约为256 m，因此限定节点A与B的最远相对距离为200 m，进行后续实验。

3.1.2 通信延迟

如图6所示，节点A包含RSU，并处于静止状态；而节点 B包含OBU，以速度0～120 km/h行驶。在-150～150 m范围内，节点B起点与终点间中点视为0点，测试程序输出车路通信延迟。

3.2性能测试结果

实验结果如图7所示，车路通信单元之间的距离对组网延迟几乎没有影响。文中提出的非IP协议组网延迟约为46 ms，而基于IP方式组网延迟约为92 ms，相较非IP方式组网延迟高出约1倍。

实验结果如图8所示，车路通信单元之间的距离对通信延迟几乎没有影响，文章提出的非IP协议通信延迟约为49 ms，而基于IP方式的互联网控制报文协议（ICMP）通信延迟约为144 ms，相较非IP方式通信延迟高出约2倍。

实验结果如图9显示车路通信单元之间的距离、车辆的行驶速度对传输延迟几乎没有影响，本文提出的非IP协议传输延迟约为0.2 ms。

4 结束语

文章研究的车联网专用短程通信单元的单跳通信距离约256 m，通信延迟约为50 ms，对速度、距离等干扰因素具有一定适应能力，通信延迟短，因此该终端完全满足车车、车路通信链路的两项重要指标，可以为车路协同系统提供低延迟、稳定可靠的通信服务。

参考文献

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[2] ERIKSSON J， BALAKRISHNAN H， and MADDEN S. Cabernet： Vehicular Content Delivery Using WiFi[C]// MobiCom'08 Proceedings of the 14th ACM International Conference on Mobile Computing and Networking， San Francisco， USA， 2008：199-210

[3] JARUPAN B and EKICI E. A Survey of Cross-layer Design for VANETs [J]. Ad Hoc Networks， 2011， 9（5）： 966-983

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