基于ath5k网卡驱动实现的车载网IEEE802.11p协议的研究

全树强，杨剑锋，高　洵,2，郭成城

(1.武汉大学　电子信息学院，湖北　武汉　430072;2.武汉大学　苏州研究院，江苏　苏州　215123)



基于ath5k网卡驱动实现的车载网IEEE802.11p协议的研究

全树强1，杨剑锋1，高洵1,2，郭成城1

(1.武汉大学电子信息学院，湖北武汉430072;2.武汉大学苏州研究院，江苏苏州215123)

摘要:IEEE802.11p协议标准主要用于车载网络通信，有利于推动智能交通系统的实现，因此在实际交通环境下对IEEE802.11p协议进行研究具有重要意义。通过修改OpenWrt路由操作系统的ath5k网卡驱动实现了IEEE802.11p协议标准，并移植到Mikrotik RouterBoard433AH路由开发板上成功运行。在此基础上，对实际道路环境下IEEE802.11p协议和IEEE802.11a协议的发送速率、丢包率等网络性能参数进行了研究测量比较。实验数据显示在多障碍物、情况复杂的实际道路环境，IEEE802.11p协议更能满足通信可靠性和有效性的要求。

关键词:ath5k；OpenWrt；IEEE802.11p；IEEE802.11a；吞吐量；丢包率

随着汽车工业的发展和信息技术的进步，以及各种交通问题的出现，智能交通系统日益受到重视。2010年7月，IEEE工作组颁布了IEEE802.11p协议。该协议主要支持车载环境中的无线接入(WAVE)或车载自组织网络(VANETs)。IEEE802.11p协议由IEEE802.11标准扩展而来，工作在DSRC(专用短距离通信)频段，与传统IEEE802.11协议相比，其带宽由20 MHz降为10 MHz，以适应车辆在高速运动环境中的通信[1]。美国联邦通信委员会(FCC)规定，IEEE802.11p工作的DSRC频段范围是5.850～5.925 GHz，共75 MHz。这75 MHz的频谱以10 MHz为带宽，分为7个信道，而最低频段的5 MHz被用作空白的安全边界。这7个信道又被分为1个控制信道(CCH)和6个服务信道(SCH)。频谱中间的178信道作为控制信道，被要求严格地用于传输与安全有关的信息。其余的服务信道在与控制信道进行协商之后，可以进行优先级低一些的通信，例如位于两端的172和184信道可以分别用于避免交通事故的应用和高功率的公共安全[2]。IEEE802.11p协议与IEEE802.11a协议一样采用的是OFDM，调制方式和编码效率不变，但是信道带宽降为10 MHz，以减少在车载环境下多径效应的影响。减少频带宽度带来的后果则是IEEE802.11p协议物理层在时域上的所有参数与IEEE802.11a协议相比都扩大了一倍。这一方面通过使用较小的频带宽度减少了多普勒扩展带来的影响；另一方面又通过加倍保护间隔(GI)减少多径效应引起的码间串扰[3]。由于上述原因，IEEE802.11p协议物理层所有模式的发送速率与IEEE802.11a协议相比减半。此外，IEEE802.11p协议的另一个重要的特征是采用了与IEEE802.11e相似的EDCA(Enhanced Distributed Channel Access)机制来划分信道接入优先级，以支持不同级别的QoS(服务质量)[4]。

目前对IEEE802.11p协议的研究大多数是通过仿真进行的，并没有在实际的道路环境下采用实际的系统对该协议进行研究。罗志锋[5]等人对IEEE802.11p协议和IEEE802.11a协议的理论上的网络参数进行了对比，并阐述IEEE802.11p协议的接入优先级、使用频段等基本的特征，虽然设计了IEEE802.11p协议的仿真系统，但是并没有给出仿真的结果，因此对该协议的研究参考作用十分有限。许馨月[6]等人除了介绍IEEE802.11p协议的特征，还将其与其他短距离通信技术作了对比，但是仍然缺少实验结果的支持。而金纯[7]等人关于IEEE802.11p协议的初步实现则是在仿真环境下进行的，对协议的研究缺少实际的测量数据。陈娟[8]等人基于IEEE802.11p的车载无线通信原型系统的实现是通过FPGA仿真完成并进行了测试，并没有在实际系统上运行，具有局限性。马芸芸[9]等人虽然通过修改驱动来实现在PC上运行的IEEE802.11p协议，但是无法在实际的环境下进行测量数据，而且实验所得的结果说服力也十分有限。

因此，针对上述关于IEEE802.11p协议的研究的局限性，没有在实际的道路交通环境下对IEEE802.11p协议进行研究的问题，本文在OpenWrt路由操作系统中对ath5k网卡驱动源码进行修改实现了IEEE802.11p协议，并移植到Mikrotik RouterBoard433AH路由开发板，在实际的场景下对系统进行测试，得到了IEEE802.11p协议的网络性能参数，并与IEEE802.11a协议相关数据进行了对比。

1IEEE802.11p协议的实现

OpenWrt是一个开源的Linux路由操作系统，主要在嵌入式设备中使用。但是OpenWrt系统本身并不支持IEEE802.11p协议。因此需要对其进行修改。

1)ath5k发送数据包的过程分析。ath5k在初始化时调用ath5k_init()为4种AC建立4个队列(queue)，这些队列包含了AC的EDCA参数。在Linux内核中，无线网卡驱动ath5k处于物理层，其发送数据的过程要受到处于上层的MAC层的控制。首先，ath5k_tx()函数接收来自上层的mac80211的数据帧，并通过数据包skb中的参数获取队列号，之后调用ath5k_tx_queue()将数据帧放入相应的队列中。决定使用的队列之后，再调用ath5k_txbuf_setup()，添加发送信息以及将数据帧映射到硬件。ath5k_txbuf_setup()最后调用ath5k_hw_start_tx_dma()为指定的队列开始DMA发送。之后再通过ath5k_tasklet_tx()、ath5k_tx_processq()、ath5k_tx_frame_completed()完成整个发送过程[10]。ath5k驱动发送数据的流程如图1所示。

2)扩展定义11P模式。本文采用的Atheros5414A网卡的最高工作频率是6.1 GHz，是为数不多的支持IEEE802.11p频段的无线网卡。但是OpenWrt系统的源码并不支持IEEE802.11p协议工作的DSRC频段。为在ath5k驱动的基础上实现IEEE802.11p，首先要在头文件ath5k.h中增加模式AR5K_MODE_11P。之后在标准信道ath5k_is_standard_channel()中添加IEEE80211_BAND_DSRC频段，信道的编号从172到184。在接下来的建立信道的函数ath5k_setup_channels()中也要增加AR5K_MODE_11P模式，频段为IEEE80211_BAND_DSRC；在ath5k_setup_bands()为11P模式建立相应的频段。依次在ath5k目录下的其他文件中参照11A模式添加扩展11P模式。

3)使能DSRC频段。在ath5k目录下完成了11P模式的支持之后，驱动还不能在DSRC频段正常工作，还需要在ath目录下的regd.c文件内添加允许的频段ATH9K_DSRC_5850_5950。通过相关命令可以获得Atheros5414A的regdomain值为0x66，在结构体ath_world_regdom_66_69内添加ATH9K_DSRC_5850_5950，允许使用该频段[11]。

4)MAC层支持IEEE802.11p协议。在完成PHY层对IEEE802.11p协议的支持之后，还需要完成MAC层对该协议的支持[12]。在MAC层的相关文件内，在5 GHz频段的源码中，再扩展增加DSRC频段。因此，基于网卡驱动实现的IEEE802.11p协议可以看成是在IEEE802.11a协议基础上扩充完成的。

5)QoS保证。IEEE802.11p协议采用了与IEEE802.11e协议相类似的EDCA机制来保证QoS功能，该功能主要是通过WMM(WiFi Multimedia)实现的，WMM也被称为WME(Wireless Multimedia Extentions)。在MAC层上，WMM主要调用ieee80211_select_queue_80211()、ieee80211_select_queue()、ieee80211_set_qos_hdr()这3个函数，来控制PHY层的发送队列选择，从而根据4种访问类别(AC)对流量划分优先级，保证高优先级的流量的传输实时性[13]。

2IEEE802.11p协议性能评估

本文采用Mikrotik RouterBoard 433AH路由开发板作为实验节点，其CPU频率为680 MHz，内存128 Mbyte，NAND 128 Mbyte，拥有3个mini-PCI接口。而采用的路由操作系统OpenWrt基于Linux内核3.3.8版本，性能稳定。而本文所采用的网卡Atheros5414A支持2.4 GHz和5 GHz两个频段，其中5 GHz频段的最大频率为6.1 GHz，可以满足IEEE802.11p协议的频率要求。在编译过的OpenWrt系统上完成源码修改之后，再次编译只是对修改过的模块编译替换，所耗费的时间并不多，因此可以对整个系统进行编译，然后移植到节点中。完成系统移植之后，进入系统通过iw list命令可以看到定义的DSRC频段已经可用，如图2所示。

为了更好地对IEEE802.11p协议的性能做出评估，本文的实验在实际的车路环境下进行，实验场景如图3所示。

实验中使用的路由开发板的输入电压为12 V，输入电流为2 A，其中电压与一般的汽车电源的电压相同，因此可以十分方便地找到电源供电。在IEEE802.11p协议中，174信道是用于公共安全的服务信道，因此节点之间的通信可以选择174信道，模拟车辆单元(OBU)和路侧单元(RSU)之间的通信。设置网卡的功率为30 dBm(1 W)，这与协议中允许的174信道的最大等效全向辐射功率值(EIRP)十分接近[14]，此时在该场景下两个节点之间的最大通信范围不超过200 m。实验中在静止和移动两种状态下，分别对运行IEEE802.11a协议和IEEE802.11p协议时的网络性能参数进行了测量和对比。

2.1节点静止时的IEEE802.11p协议性能评估

在图3中的0 m处放置一个节点作为AP(无线接入点)，另一个节点作为Station(无线站点)依次放置在50 m，100 m，150 m和200 m处。IEEE802.11a协议的最大速率54 Mbit/s，IEEE802.11p协议的最大速率为27 Mbit/s，因此为了方便对运行不同协议时的网络吞吐量进行比较，将节点的传输速率设置为运行协议支持的最大速率。节点之间的发送速率和丢包率随距离的变化情况如图4、图5所示。

从图4中，运行IEEE802.11p协议时的单位时间吞吐量在50 m和100 m两点处都要低于IEEE802.11a协议。但是如图3所示，在100 m和150 m之间的障碍物十分密集，而这些障碍物处在AP节点和Station节点通信的方向上，容易形成阴影衰落和多径衰落[15]，导致了IEEE802.11a的单位时间吞吐量下降十分严重，反观IEEE802.11p受到的影响则要小，使得其单位时间吞吐量最终超过了IEEE802.11p。在最远的200 m处，二者的单位时间吞吐量都变为0。整个过程中IEEE802.11p协议的单位时间吞吐量的变化要比IEEE802.11a平滑得多。从图5可以看到，整个过程中IEEE802.11p的丢包率都要比IEEE802.11a的丢包率低。这两个图说明，在实际的环境下，存在各种各样的障碍物的复杂地形，随着距离的增加更容易形成多路径效应等干扰，此时使用IEEE802.11p协议通信相对于IEEE802.11a协议更可靠。

2.2节点移动时的IEEE802.11p协议性能评估

在图3中的0 m处固定放置一个节点作为AP，另一个节点作为Station在道路上运动，节点的移动方向如图中所示，节点的移动速度约为20 km/h。同时将两个节点运行IEEE802.11a协议节点时的传输速率设置为最大值54 Mbit/s，运行IEEE802.11p协议时的传输速率为最大值27 Mbit/s。测量节点移动过程中单位时间吞吐量和丢包率的变化，如图6、图7所示。

为了更详细地分析比较IEEE802.11a协议和IEEE802.11p协议在节点运动时的丢包率，AP节点向Station节点发送ICMP ping包，统计Station节点从0 m移动到200 m整个过程的丢包率，结果如图8所示。

从图6和图7可以看到，在Station节点移动的情况下，分别运行IEEE802.11a和IEEE802.11p两种协议，所得到的节点的单位时间吞吐量和丢包率的变化都十分接近。这是因为，与静止时的情况不同，当Station节点在宽阔的道路上移动时，AP节点和Station节点通信的方向上障碍物要少得多，阴影衰落和多径衰落要小得多。而且，由于Station节点的移动速度较小，多普勒频移不太明显[16]。但是，在整个过程中IEEE802.11p协议的丢包率都要比IEEE802.11a协议的低。

3结束语

本文为了对实际道路交通环境下的IEEE802.11p协议进行研究，通过修改网卡驱动实现了车载通信使用的IEEE802.11p协议，并移植到Mikrotik RouterBoard 433AH路由开发板上运行。在实际的道路场景中，在节点静止和运动两种情况下，对两种协议的单位时间吞吐量和丢包率进行了测量。结果显示了IEEE802.11p协议在室外实际的道路环境下具有的性能优势。而且，随着障碍物的增多，路况变得复杂时，IEEE802.11p协议在数据传输速率和丢包率方面都要比IEEE802.11a具有的优势更加明显，即有效性和可靠性更高，能够更好地保证车辆高速行驶时的通信需求。实际的测量数据也表明了本文通过修改网卡ath5k驱动实现的IEEE802.11p协议达到了预期的性能，能够满足实际车路环境下的通信要求。

参考文献：

[1]曹颖荣，林小玲.IEEE802.11p无线车载自组网络协议的性能分析与模拟[J].仪表技术，2011(2)：19-22.

[2]张和生，张明洋，孙伟.基于IEEE802.11p高速车路通信环境研究[J].仪器仪表学报，2013，34(5)：1181-1187.

[3]沈佳伟，罗涛，黄丽娜.基于802.11p的车辆通信系统频率同步研究与实现[J].新型工业化，2014，4(10)：31-37.

[4]SUN W，ZHANG H S，PAN C，et al.Analytical study of the IEEE 802.11p EDCA mechanism[C]//Proc.2013 IEEE Intelligent Vehicles Symposium(IV).[S.l.]：IEEE Press，2013：1428-1433.

[5]罗志峰，徐洪刚，何山.车路互联网的底层协议-802.11p标准[J].电子质量，2011(11)：45-50.

[6]许馨月，叶雪梅，陈柏松.车载网络IEEE802.11p协议的特性研究[J].现代电子技术，2014，35(10)：86-88.

[7]金纯，徐洪刚，魏星，等.基于IEEE802.11p/1069标准的路车互联网的初步实现[J].计算机应用研究，2011，28(11)：4219-4221.

[8]陈娟，蔡孙增，朱正航，等.基于IEEE802.11p的车载无线通信原型系统的实现[J].电信科学，2014(3)：72-79.

[9]马芸芸，张惠民.基于IEEE802.11p的网卡驱动实现[EB/OL].[2015-02-04].http://www.doc88.com/p-9817337093743.html.

[10]LE H P.Atheros ath5k wireless driver[D].Hanoi：Vietnam National University，2012.

[11]GAST M S.802.11 OReilly 802.11 wireless networks the definitive guide(2ededition)[M].Nanjing：Southeast University Press，2007.

[12]NGUYEN M S，LE T Q.Integration of atheros ath5k device driver in wireless ad-hoc router[C]//Proc.International Conference on Advanced Technologies for Communications.[S.l.]：IEEE Press，2013：609-613.

[13]GE Y，HOU J C，CHOI S.An analytic study of tuning systems parameters in IEEE802.11e enhanced distributed channel access[J].Computer networks，2007，51(8)：1955-1980.

[14]FERNANDEZ J A，BORRIES K，CHENG L.Performance of the 802.11p physical layer in vehicle-to-vehicle environment[J].IEEE transactions on vehicular technology，2012，61(1)：3-14.

[15]GOZALVEZ J，SEPULCRE M，BAUZA R.IEEE802.11p vehicle to infrastructure communications in urban environments[J].IEEE communications magazine，2012，50(5)：176-183.

[16]袁华兵.移动无线通信关键技术研究[D].西安：西安电子科技大学，2011.

全树强(1989— )，硕士生，主研车载自组织网络；

杨剑锋(1976— )，副教授，主要研究方向为无线网络与嵌入式系统，为本文通信作者；

高洵(1981— )，博士，讲师，主研调度算法；

郭成城(1961— )，教授，博导，主研无线网络和无线工业控制网络。

责任编辑：许盈

Study of vehicular network IEEE802.11p protocol based on ath5k network card driver

QUAN Shuqiang1,YANG Jianfeng1,GAO Xun1,2,GUO Chengcheng1

(1.ElectronicInformationSchoolofWuhanUniversity,Wuhan430072,China;2.SuzhouInstituteofWuhanUniversity,JiangsuSuzhou215123,China)

Key words:ath5k; OpenWrt; IEEE802.11p; IEEE802.11a; throughput; packet loss rate

Abstract:IEEE802.11p protocol standard is mainly used in the communication of vehicular network, and would be helpful to construct intelligent transportation system, then it has great significance to study IEEE802.11p protocol in real transportation environment. By modifying ath5k network card driver of OpenWrt router operating system to realize the standard of IEEE802.11p protocol, and transplant it to Mikrotik RouterBoard 433AH to run successfully. On the base of this, measuring and comparing the network performance parameters such as transmitting rate and packet loss rate of IEEE802.11p protocol and IEEE802.11a protocol in real road environment. The experiment data demonstrates that IEEE802.11p protocol has much more reliability and effectiveness in real road environment with many obstacles and complex conditions.

中图分类号：TP393

文献标识码:A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.01.016

基金项目：国家“863”计划项目(2012AA010904)；江苏省自然科学基金项目(BK2011345)；四川省科技计划项目(2014SZ0107；2015GZ0333)；成都大学项目(20804)

作者简介：

收稿日期：2015-10-10

文献引用格式：全树强，杨剑锋，高洵，等.基于ath5k网卡驱动实现的车载网IEEE802.11p协议的研究[J].电视技术，2016，40(1)：82-86.

QUAN S Q,YANG J F,GAO X,et al.Study of vehicular network IEEE802.11p protocol based on ath5k network card driver[J].Video engineering，2016，40(1)：82-86.