基于V2X应用场景的专用短程通信性能道路测试研究

张钊 张嵩 罗悦齐 陈惠珍 王震 汪元景

（上海汽车集团股份有限公司，上海 201804）

主题词：V2X应用场景 DSRC 通信性能 道路测试 遮蔽效应模型

1 前言

V2X（Vehicle-to-Everything）技术是当前车辆交通领域极具潜力的发展方向，其在安全、交通效率、驾驶者便利性等各方面都带来了显著的提升[1-5]。V2X以车内网、车际网和车载移动互联网为基础，按照约定的通信协议和数据交互标准，在车与车（Vehicle-to-Vehicle，V2V）、车与路（Vehicle-to-Rode，V2R）、车与行人（Vehicle-to-Pedestrian，V2P）之间进行通信。

目前，应用最广泛的V2X通信标准是基于IEEE 802.11p协议标准和IEEE 1609标准的车载专用短程通信（Dedicated Short Range Communication，DSRC）技术。DSRC是专门为汽车应用而设计的单向或双向短程到中程无线通信通道及相应的一组协议和标准。它能以非常高的速率传输数据，这对在基于通信的主动安全应用中防止事故发生来说至关重要。DSRC主要有车与车（V2V）和车与基础设施（Vehicle-to-Infrastructure，V2I）两种类型，两者都要求低延时和极端天气条件下保

证无线接口的稳定性。因此，DSRC的通信性能是保障V2X安全应用功能可靠性的关键基础。DSRC的主要通信性能参数包括时延和丢包率：由于网络普遍采用分层设计，且上层需要调用下层，每层承担不同的功能，因此每一层的时延有所不同；丢包率与数据包的发送速率、网络负载、通信环境、距离、车速等诸多因素都有关系。在V2X的安全应用功能中，对时延的要求存在于运算、通信、报警等多个阶段。另一方面，考虑到V2X报警的高效性，安全报警既应保证覆盖所有危险工况，又应减少误报警和多余报警信息对驾驶员的干扰。由此可见，在实际应用中，留给报警信息产生和传递的时间窗口很窄，因此，这也进一步要求DSRC数据传输的时延需控制在较小范围内，或者要求可以精确控制其时延。在现有的研究中，已有一些针对DSRC的通信性能的测试[6-16]，这些研究主要集中在理论分析[17]、模型仿真[18-20]、实验室内场测试[1,21-22]等方面，而缺少基于V2X实际应用场景的道路测试研究。因此，本文筛选了V2X应用场景中对DSRC通信性能可能造成影响的关键因素，并在专用的“智能网联汽车测评基地”测试场中实车测试研究了这些关键因素对DSRC通信性能的影响。

2 系统测试平台架构

2.1 主机时间同步

如图1所示是测试系统平台软、硬件架构，本系统基于网络时间协议（Network Time Protocol，NTP）实现局域网内多台测试主机间的时间同步，以保证多台主机间通信时延测试的可靠性。本研究采用的时间同步工作方式是“客户端/服务器”模式，客户端周期性地向服务器发送NTP同步请求报文，服务器返回响应，通过两边报文的发送和接收，可以获取到4个时间戳，即客户端向服务器发送报文的时间T1、服务器收到客户端发送的报文的时间T2、服务器返回响应报文的时间T3以及客户端收到响应报文的时间T4。根据4个时间戳便可计算出服务器与客户端之间的时钟偏差θ和NTP报文的往返路径时延γ：

式中，α、β分别为报文从客户端到服务器和从服务器到客户端的时延。

图1 测试系统平台软、硬件架构

NTP的同步精度主要受到操作系统协议栈引入的时延抖动、网络传播时延误差和时钟频率偏差引入的误差影响。

2.2 网络测试系统架构

本研究采用iPerf作为网络性能测试工具，用以测试用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）通信质量，包括时延和丢包率。配置的工作机制见图1，将其中一台主机设置为客户端，另一台设置为服务器。iPerf打开服务器进行监听，再打开客户端发送数据到服务器，解析环境变量或命令行参数，根据参数判断iPerf是服务器还是客户端，并进入相应的处理流程。iPerf测试UDP性能时，客户端可以指定UDP数据流的速率。客户端发送数据时，将根据客户端提供的速率计算数据报发送的时延。客户端还可以指定发送数据报的大小。发送的每个数据报包含1个ID号，作为报文的唯一标识，服务器端根据该ID号确定数据报是否存在丢失和乱序。当UDP报文大小设置为可以将整个报文放入IP层的包（packet）内时，UDP所测得的报文丢失数据即为IP层包的丢失数据，这提供了测试包丢失情况的一个有效方法。数据报传输时延的测试由服务器端完成，客户发送的报文数据包含发送时间戳，服务器根据该时间信息和接收到报文的时间戳计算传输时延。在本研究中，如果一个数据包在某层的内部发生重传，则重传的延时计入本层传输时延，测试程序本身无须关心发生于底层的重传。

3 测试方法

3.1 测试场地

为了模拟真实道路条件下的V2X安全应用功能所面对的场景，同时保障道路试验的安全性，本研究在智能网联汽车测评基地的封闭试车场中进行。如图2所示，该基地涵盖了模拟的高速路、城市道路、乡村道路和开阔地等道路条件，交通环境涵盖建筑物、树木、城市绿化带、道路护栏等多种道路环境设施。在封闭的专用测试场中进行测试既可以模拟真实道路环境中的各种关键场景，又可以最大限度地排除其它干扰因素，保障测试结果的可重复性和可对比性。

图2 上汽-同济智能网联汽车测评基地

3.2 测试方案

本研究测试了车-车通信，即车载单元（On Board Unit，OBU）之间的通信，以及车-路通信，即OBU与路边单元（Road Side Unit，RSU）之间的通信性能。OBU分别搭载在2辆测试车辆上，RSU安装在路侧灯杆上，相对地面高度为5 m。为了分析V2X不同应用场景下的性能，选取了车辆运动状态、车辆距离和障碍物类型3个方面的因素，研究这些场景因素对DSRC通信性能的影响。为了便于参数化分析，将运动状态用“动态系数”表征，如表1所示，动态系数从0到1变化，0表示2个被测对象处于静止状态，1表示2个被测对象具有较高的相对速度，并受到障碍物的阻碍。表中低速、中速、高速分别定义为相对速度20 km/h、40 km/h和60 km/h，障碍物为建筑。对于表1中的6个不同动态系数，各在100 m、200 m、300 m、400 m等4个不同距离下进行了测试。在研究障碍物类型的影响时，选取了建筑、绿化带、金属护栏。对于每种障碍物类型，也各在100 m、200 m、300 m、400 m等4个距离条件下进行了测试。

表1 动态系数定义

在测试中，发包率设置为每分钟500个包，发送固定字节数据包100个，每个工况均经过5次重复测试，选取测试结果的平均值作为丢包率最终结果。多次连续发送固定字节，测出时延，取其平均值作为时延的结果。传输时延的计算只考虑了成功接受的数据包，因此丢失的数据包不计入传输时延的计算。

4 试验结果分析

4.1 V2V通信距离与动态系数对通信性能的影响

V2V通信场景下，距离和车辆动态系数对时延和丢包率的影响如图3所示。

图3 V2V场景下车辆距离与动态系数对通信性能的影响

两车动态系数较小时，在400 m的范围内，距离的增加几乎不会导致时延的显著增长，时延均稳定在5.1～5.6 ms。测量到的最大时延为7.2 ms，出现在动态系数和距离都很大的情况下。这表明，对于V2V通信，距离过远并且受到障碍物阻隔是造成时延显著增加的主要原因。

相对于时延，丢包率对车辆距离更加敏感，即使在动态系数为0的情况下，丢包率随距离的变化也非常显著。另一方面，丢包率随动态系数的增长也较为明显，尤其是在当动态系数达到1时（有障碍物），丢包率突然显著增大，从图中可以看出，当距离为100 m时，动态系数从0变化到0.8的状态下，丢包率几乎没有变化，均在0.5%左右波动，而当动态系数达到1时，丢包率显著增长到4.8%，这表明，相对于运动状态的影响，丢包率受障碍物阻碍的影响更明显。

4.2 V2I通信距离与动态系数对通信性能的影响

V2I通信场景下距离和车辆动态系数对时延和丢包率的影响如图4所示。

图4 V2I场景下车辆距离与动态系数对通信性能的影响

OBU与RSU之间通信的效果与V2V通信的规律相似，但测到的时延总体上更大，达到了5～6.5 ms。在动态系数小的情况下，时延受到通信距离的影响也比较明显。同样，随着障碍物的出现，时延也较高。

相对于对时延的影响，距离因素对V2I通信丢包率的影响更为显著。通过对比不同的动态系数对丢包率的影响，可以看到，车辆运动状态对丢包率的影响相对较小，在同样的距离下，不同动态系数对应的丢包率相近。在有障碍物阻碍的情况下，距离较近时，丢包率受障碍物的影响较小，而在距离较大时，障碍物的存在会导致丢包率的显著提高。

4.3 V2V应用场景中不同类型障碍物对通信性能的影响

如图5所示，对比了3种不同障碍物对V2V通信时延和丢包率的影响，分别是建筑、绿化带和金属护栏。

图5 3种不同障碍物对V2V通信性能的影响

从图5a可以看出，在通信距离较近的情况下，3种障碍物对时延的影响差异较小。随着通信距离的增大，3种障碍物造成的时延差异也更加明显。受建筑物阻挡，时延随着距离的增加而显著增大，绿化带造成的时延增加略高于金属护栏。

如图5b所示，3种障碍物对V2V通信的丢包率影响有显著的差异。首先，建筑物造成的丢包率在100～400 m的通信范围内，总体上高于绿化带和金属护栏造成的丢包率。另一方面，随着距离的增长，建筑物导致的丢包率增长最为明显，绿化带次之，金属护栏阻碍条件下，丢包率随距离的增长率相对较小，在400 m时，丢包率约为4%。

4.4 障碍物及距离对通信性能影响的机理分析

基于路径损耗理论，无线电传输过程中随着传输距离的增加而逐渐衰减[23]；另一方面，无线通道产生的遮蔽效应阐释了当障碍物出现在信号传输路径上时，将发生显著的衰减[23]。现有研究中，从机理出发分析障碍物和距离对通信性能影响的研究方法主要有3类建模仿真方法：Ray-tracing方法[24-27]，是自下而上的建模方法，理论上最真实地模拟了信号传输和衰减过程，但其对计算需求量很大；Stochastic方法[28-30]，是一种基于概率的宏观建模方法；经验模型方法[31-34]，其优势是计算量小，常用试验数据拟合模型参数。

根据路径损耗理论，无线电传输中的接收信号强度可由幂律模型表达：

式中，R为信号强度；d为通信距离；ε为表征维度的参数，根据文献[35]，在V2V场景下，可取ε=2.2；λ为波长。

波长的计算公式为：

式中，c为光速；f为无线电波频率。

为了在模型中表达障碍物对信号衰减的影响，对上述幂律模型取对数推导，并加入遮蔽效应项：

式中，P为信号传输功率；P0为参考距离下的功率；Xσ表示基于遮蔽效应，信号衰减项符合以σ为标准差的正态分布。

根据文献[35]的研究，可以将式（5）参数化表达为障碍物内部特性、厚度及数量的影响：

式中，κ为障碍物每层墙体造成的信号衰减量，nob为障碍物墙体层数，κ·nob表征了障碍物内部结构的影响；η为障碍物的单位厚度造成的信号衰减量，表征了障碍物材料特性的影响。

基于上述理论模型，计算出的不同频率无线信号强度随距离的变化如图6所示。随着距离的增大，接收信号强度（RSS）减小，在400 m范围内，信号衰减显著。对于DSRC，因基于5.9 GHz频段，频率较高，信号衰减相对更大。而接收信号衰减度则与DSRC的丢包率正相关，该理论解释了测试结果所显示的丢包率随着距离的增大而显著升高的机理。

图6 基于路径损耗理论计算的不同频率无线信号强度随距离的变化

如图7所示，是障碍物特性系数及距离对5.9 GHz无线信号强度衰减的影响。随着特性系数κ和η的增大，在相同的距离下，接收信号强度显著降低，表明障碍物的材料类型、内部结构以及厚度对信号衰减有显著影响。针对本文的V2X场景分析，建筑物总体厚度较大，并且内部通常存在多层墙壁，因此模型中的特性参数η和κ·nob都较大，根据图7所示，其信号衰减最强，因此解释了图5b中所示的建筑物造成的丢包率最高。

5 结束语

本研究基于试验测试了不同V2X应用场景下DSRC的时延和丢包率。并且基于路径损耗理论和遮蔽效应理论建立了数学模型，针对试验场景所涉及的通信距离、车辆运动状态、障碍物类型3个方面的因素计算并阐释了试验结果的内在机理。

本研究所发现的DSRC通信性能在不同应用场景下的衰减，揭示了基于DSRC的V2X功能的局限性。特别是在城市道路工况中应用时，大量的建筑物等复杂遮蔽环境，将导致V2X功能的可靠性下降。因此，对未来的V2X功能应用，应该考虑在通信性能上予以加强，例如采用基于5G标准的蜂窝通信技术。

致谢

本研究的试验工作获得了同济大学电信学院王平教授及其研究团队的支持，本文的理论分析得到了密歇根大学机械工程学院黄夏南博士的指导，特此表示感谢。