用于无人驾驶车辆的可靠无线数传系统

摘要：

利用意法半导体公司的STM32微处理器和兩片射频芯片设计了用于无人驾驶车辆的无线数传系统。首先通过两片工作在不同频率的射频芯片，以两个不同的载波频率实现信息的并行收发，大概率降低了信道干扰;其次每片芯片内部再利用跳频技术，进一步降低了干扰的可能，进一步提高通信的成功率;然后利用微处理器自带的对称加密算法实现了准签名系统，保证了数据的完整性和信息的安全性;最后，测试统计分析验证了数传系统的可靠性和合理性。所设计的通信系统，易于实现，成本低而且可以实现安全可靠的通信。该方法也可以用于对通信可靠性要求较高的其它数传系统中。

关键词：

跳频技术; 高级加密标准; 数传系统; 无人驾驶汽车

中图分类号： TP919

文献标志码： A

Reliable Wireless Data Transmission System for Driverless Vehicles

ZHANG Miao

（Research and Development Center of ZTE Co. Ltd.， Shanghai 201203， China）

Abstract：

In this paper， STM32 microprocessor and two radio frequency chips are used to build a wireless data transmission system for driverless vehicles. First of all， through two pieces of radio frequency chip operating at different frequencies， two different carrier frequencies can be used to achieve the parallel transmission and reception of information to reduce the channel interference. Secondly， the internal use of frequency hopping technology within each chip further reduces the frequency conflict， and further improves the success ratio of communication.Thirdly，the quasisignature system is realized by the symmetric encryption algorithm of microprocessor， which ensures the integrity of the data and the security of communication. Finally， the reliability and rationality of the data transmission system are verified by the statistical analysis. The communication system designed in this paper is easy to realize and low cost， and the communication is safe and reliable. The proposed method can also be used in other data transmission system which requires high communication reliability to improve the reliability of information transmission.

Key words：

frequency hopping technology; advanced encryption standard; data transmission systems; driverless vehicle

0引言

无人驾驶汽车依靠车内的智能驾驶仪实现自动驾驶。从上世纪70年代开始，西方国家就开始了无人驾驶汽车的研究。近年来国内也有很多研究机构参与其中，并取得长足进步[1]。自动驾驶技术中，第五级是无人驾驶的终极目标[2]。目前，各实验机构在测试时，都会用真实汽车作为实验对象。由于测试车辆自重大（1.5吨左右），速度快（高到80 KM/H），所以实车测试非常危险。为了保证测试人员的安全，在实验时车上可以不乘坐驾驶员。但该方式需要借助无线电实现远距离监控，对信息传输的可靠性提出了严苛的要求。

为了解决无线通信中的可靠性难题，数传系统的研究主要分两个方向，一是借助电信公司的蜂窝网;二是应用新的通信技术。目前我国公共无线通信网络建设比较完善，文献[3]提出利用2G和3G通信系统代替数传电台的可行性。但这种方式有诸多弊端，比如会产生通信费用;每个地区蜂窝网的密度和通信质量不一致，导致难以实现全地形的无人车测试。

利用新的信息技术提高数传的可靠性是更可行的方法。为了保证通信的可靠性，一种新的抗干扰通信体制——跳频通信系统[4]便应运而生，它通过在短时间内转移通信频点来达到规避干扰的目的，可以很大程度上提高通信的可靠性。移动通信中GSM、BLUETOOTH中都应用了该技术。跳频通信技术具有很强的抗干扰、抗衰落、抗截获能力以及可多址组网等优点，在现代军事通信、民用移动通信、雷达及声纳等电子系统中获得了广泛的应用[5]。文献[6]利用交织技术构造最优跳频序列和最优跳频序列族。文献[7]详细的比较了码分多址和跳频技术的优缺点，并给出军事通信中的应用案例。

文献[8]设计了一款短距离无线通信控制系统。该系统采用A7105无线传输模块，通过STM8S控制块发送端与SN8F接收端来实现控制芯片之间进行2.4 GHz无线通信，并能够一点对多点的短距离无线通信。系统传输距离可达20米以上。文献[9]从硬件设计和软件开发两方面阐述了采用数字信号的无线数传电台的开发方案，提出了基于dPMR（digital private mobile radio）标准数传电台的系统架构与实现、OS任务模块设计以及相关通信协议制定等内容。文献[10]对跳频序列进行了深入的研究，给出了几类具有优良性能的跳频序列（族）。并表明构造三类跳频序列族均具有（次）最优的汉明相关特性。文献[11]提出了一种基于演化DES（Data Encryption Standard）的安全跳频序列设计方案，提高了抗差分攻击和线性攻击能力。通过对跳频序列的多项性能进行测试，测试结果表明跳频序列不仅通过了测试，而且在安全性、均匀性、相关性、线性复杂性和随机性等方面获得了较大的改善。文献[12]对基于攻击树模型对数传电台传输的安全性进行评估。

在前人研究工作的基础上，本文构造双频通信的数传系统，并在每个主频点附近利用跳频技术，极大地提高通信成功的可能性。另外利用芯片自带的对称加密系统实现了准数字签名的验证，保证了信息的安全性。下面从硬件设计、通信协议和实验和总给三个方面分别介绍。系统整体架构图，如图1所示。

1硬件设计

对于点对点的数传通信系统，好的设计方案，首先保证结构简单易于实现，其次硬件成本要低。复杂的码分多址和多输入输出天线方法，因为技术难度和成本太高，目前难以应用到数传系统中。跳频通信因为其抗截获、抗干扰能力都很强，是数传电台主要借鉴的技术。

由于频率资源有限，目前分配给数传电台的频率为315 MHz/434 MHz/2.4 GHz。2.4 GHz只适合5米内的短距离设备，不满足本文设计要求。433 MHz的波长短、方向性强些、穿透能力强。315 M的天线较长，但绕性能力好。

本文选用Silicon Laboratories的SI4463芯片，该芯片具有低功耗、远距离、高传输速率等特点。芯片主要参数为：频率：1191 050 MHz;發射功率：+20 dBm，100 mW;接收灵敏度：-126 dBm;通讯速率：123 0001 Mbps。基于此芯片的模块SI4463TR4GC，可以实现空旷地带1 Km范围内的通信。但该产品要么工作在315 MHz（305～425），要么在433 MHz （423～433）附近，才能保证有效增益。系统所用微处理器为意法半导体公司的STM32F100RC，其有64脚、3路SPI、工作频率为72 MHz。

最理想的方式是利用每个频率的优点，实现广谱可靠通信。事实上，设计大频率范围，且每个频率都有理想增益的系统，几乎不可能。为了保证通信的可靠性，本文采用两片支持跳频的模组SI4463TR4GC，一个工作在315 MHz附近，另一个工作在433 MHz附近。接收方和发送方的结构完全一样。要发送的数据通过两个独立且不干扰的信道同时发出，接收方的两个信道也同时接收，任何一个信道收到正确的信息，标志通信成功，该方法通过两个并行信道的收发，最大限度地保证通信的可靠性。

所设计系统的部分原理图，如图2所示。

图2中UA为微处理器STM32F100RC;UB和UC是两片SI4463TR4GC;系统通过USB供电并实现和主机的通信;S为常开开关，实现急停功能模拟。其他GPIO口完全开放。

2通信协议

2.1频率跟踪策略

跳频器是跳频系统的关键部件，而跳频同步则是跳频系统的核心技术。随机跳频可以提高安全性和抗干扰能力，但接收端跟踪频率需要大量的计算和尝试。为了降低计算量，本文通过软件方法实现频率的快速跟踪。文中设计了信道权重更新列表，并定期的把该列表下发到接收端，接收端根据此列表中的有效信道指示依次尝试，从而实现频率的快速跟踪。

系统启动时，所有子信道的权重为初始值。如果某次通信中，所用信道不能成功收发数据，系统会给当前子信道的权重减1。系统每五分钟为一个统计周期，统计所有子信道的权重，如果某信道的权重小于一定阈值，则更新列表中，对应的值设为0，否则是1。接收端收到该列表后，自动跳过值为0的信道。该方法降低了频率跟踪的复杂度，使接收方可以尽快锁定发送频率，保证了通信的实时性。

2.2通信加密方法

为了确保信息的正确接收，正常的做法是明文加上摘要一起发送。如果消息被篡改，接收方会发现计算出的摘要不同，从而保证了消息的完整性。如果用STM32实现MD5（MessageDigest Algorithm）摘要算法，需要较长时间，无法保证通信的实时性。STM32芯片内部实现了AES（Advanced Encryption Standard）加、解密算法，计算速度非常快。如果用对称加密作为摘要，当接收方发生抵赖行为时，无法判定此种纠纷。但在点对点的数传系统中，接收方不可能主动发出数据而发生抵赖行为。所以可以用MCU自带的对称加密算法得到摘要，保证消息的完整性。

2.3通信协议设计

发送方通过两个信道发送两份相同的数据，接收方中的任何信道正确接收收据后，用原来信道把数据原封不动的返回，这样减少了接收方的计算量。

对接收方而言，需要验证收到的信息是否被完整。如果收到信息的目的地址和自己的地址相同，则调用AES解密通信内容中的后16个字节，如果解密内容和消息的前16个字节相同，则认证通过表示信息没有被篡改或者被伪造。任何一个信道收到合法的信息，只要对比正确消息的密文和另一通道的密文就能判断另外一个通道是否也接收正确，这种方式使得接收方只需要解密一次，便可实现两个通道消息的验证。任意一个信道接收的消息正确完整，则用接收的信道发回收到的消息。如果主站收到的信息和发出相同，表明信息发送正确，如果接收超时，则给该信道的权重减1。

通信协议包括信息的广播，接收端的应答以及信道权重更新三个方面。所有协议格式的定义，如表1所示。

3总结

单个射频模组的市面售价不到10元人民币，本系统通过使用两个射频模组，成本增加可以接受。

经测试，系统所用的MCU调用AES128加密算法，加密16字节数据需要53.2微秒，解密16字节密文需要54.8微秒。每个模块可以工作在中心频率正负10 MHz的有效范围，设每个子信道的宽度为500 kHz，则每个模块各设置40个子频道。本文中有效数据帧长度为32字节（256比特），设定的空中数据速率为500 K比特每秒，则发送延时为0.512 ms。MCU的中断响应时间为1 us，加密/解密16字节约用55微秒，算上程序的处理时间，正常情况下，主站发出信息到接收到信息的总延迟小于1.5 ms。因此设接收超时时间为2 ms，意味着如果信道被干扰，系统2 ms后切换新的信道重新發出数据。

当通讯距离小于1 Km时，在不同的地域测试50次。实验表明，本文设计系统通信的平均延时为3 ms，最大延时6 ms。当无人驾驶汽车时速为120 KM/H时，最坏情况下发出的通信数据，在车运动约0.2 m后收到，满足无人车运行的实时性和安全性需求。

本文系统的可靠性主要通过如下几个方面得以保障，首先通过每片工作在不同的频率实现信号冗余传输，极大提高了通信成功的概率;其次通过信息加密和验证，保证数据的可靠传输。此外，文中设计的协议在增加通讯模块增加时，并没有增加额外的计算量;文中的有效频率列表广播设计也减小了频道搜索的延时。综上所述，本文设计方法所构造的系统以很小的计算量实现了双频率的冗余工作，所设计系统也可以用于其他可靠性要求高的通讯场合。

参考文献

[1]端木庆玲，阮界望，马钧.无人驾驶汽车的先进技术与发展[J].农业装备与车辆工程，2014，52（3）：3033.

[2]崔爱民. 无人驾驶汽车交通事故责任承担制度研究[D].北京：北京交通大学，2019.

[3]范广林，施伟年.GPRS及CDMA替代数传电台的可行性探讨[J].电力系统通信，2005（10）：5557.

[4]R E Ziemer， R L Peterson. Digital  Communications and Spread Spectrum Systems[M]. New York：Macmillan Publishing Company，1985.

[5]H Shao， N C Beaulieu. Direct sequence and timehopping sequence designs for narrowband interference  mitigation  in  impulse  radio  UWB  systems[J].  IEEE  Trans. Commun.，  2011，  59（7）： 19571965.

[6]J H Chung， Y K Han， K Yang. New classes of optimal frequencyhopping sequences by interleaving techniques[J]. IEEE Trans. Inf. Theory， 2009， 55（12）： 57835791.

[7]吕久明.CDMA与跳频技术在军事通信中的比较分析[J].战术导弹控制技术，2007，15（1）：1922.

[8]梁昕.2.4 GHz无线一对多收发控制系统[J].微型电脑应用，2019，35（8）：2325.

[9]郭衡泽，汪镭.基于dPMR标准的数传电台设计[J].微型电脑应用，2014，30（8）：17.

[10]徐善顶. 扩频通信中的最优跳频序列设计[D].南京：南京航空航天大学，2018.

[11]王克达，刘瑞，胡风，等.基于演化密码的安全跳频序列研究[J].微型电脑应用，2015，31（10）：15.

[12]李慧. SCADA系统中数传电台传输的安全性研究[D].北京：北京邮电大学，2015.

（收稿日期： 2019.12.10）

作者简介：张苗（1983），女，硕士，工程师，研究方向：无线通讯技术。

文章编号：1007757X（2020）08010803