基于封闭测试场的DSRC与LTE-V通信性能测试研究＊

张心睿 赵祥模 王润民 刘丁贝 徐志刚

（长安大学，西安 710064）

1 前言

车联网（Internet of Vehicles，IOVs）是以车内网、车际网和车载移动互联网为基础，按统一的通信协议和数据交互标准，在车与车（Vehicle to Vehicle，V2V）、车与基础设施（Vehicle to Infrastructure，V2I）、车与行人（Vehicle to Pedestrian，V2P）间进行信息交互的网络。基于车联网技术的自动驾驶/辅助驾驶应用能够有效减少交通事故、提高交通运行效率。目前，受业界重点关注的典型车联网通信技术主要有基于IEEE 802.11p协议的专用短程通信（Dedicated Short Range Communication，DSRC）技术[1]和基于3GPP R14 标准的LTE-V（Long Term Evolution-Vehicle）。测试评价是车联网应用推广的必要环节，是车联网基础设施及设备进行大规模部署，在智能汽车领域广泛应用的重要技术手段[2]。

目前，已有众多研究者进行了车联网测试评价研究，但较多的研究工作集中于模型构建与仿真测试，文献[3]～文献[8]通过搭建仿真测试场景进行了DSRC仿真测试，文献[9]和文献[10]进行了LTE-V通信性能仿真研究，虽然仿真测试较为方便，但仿真测试与实车场地测试之间仍有差异[11]，仿真测试结果不能充分反映交通系统的实际情况[12]。部分研究者进行了实车测试评价，但测试仅针对1种无线通信技术，测试场景十分单一，结果不能认定为车联网在实际交通环境下的真实性能。文献[13]利用实车进行了DSRC在交叉口与跟驰场景中的通信测试，场景单一，且只研究了DSRC技术。文献[14]进行了LTE-V与DSRC的实车对比测试，但仅在交叉口场景下测试，缺少其他场景条件。文献[15]进行了DSRC 与4G-LTE 的实车测试，但没有进行LTE-V 通信性能测试。目前，缺少针对DSRC与LTE-V的多场景多因素条件的实车测试研究。

在上述背景下，本文针对DSRC与LTE-V在多种应用场景下的实际通信性能进行实车测试评价，在长安大学车联网与智能汽车试验场搭建静态条件下的视距场景、建筑遮蔽交叉口场景和树木遮蔽交叉口场景以及动态条件下跟驰场景和会车场景，构建面向智能网联交通应用的模块化测试平台，并利用平台设计一种支持DSRC与LTE-V通信性能测试的系统及方法。最后，以数据包投递率和时延两种车联网通信典型评价指标在搭建的测试场景中开展重复性测试。

2 测试环境构建

测试场地选择长安大学车联网与智能汽车试验场，其布局如图1 所示。该试验场是国家交通运输部认定的自动驾驶封闭场地测试基地，布设了目前国内最齐全的异构车联网通信网络设施，包括DSRC系统、TD-LTE专网、LTE-V 网络、增强型超高吞吐（Enhanced Ultra-High Throughput，EUHT）通信系统、Wi-Fi，设有高速环道、直线道路（图1中ab段）、城市道路、乡村道路等真实交通场景道路条件，拥有建筑物、树木、绿化及道路护栏等多种道路环境设施，可进行车道保持、车辆跟驰、会车行驶、交叉口通行等20余项车联网与智能汽车测试。

2.1 测试场景构建

本文主要测试距离、遮蔽物以及速度对车联网通信性能产生的影响，对比DSRC与LTE-V在多种场景下的通信性能。为分析通信距离和遮蔽物对通信性能的影响，设计了静态条件下车车通信测试场景，包括视距（Line of Sight，LOS）场景和非视距（Non-Line of Sight，NLOS）场景，非视距场景包括建筑遮蔽交叉口场景和树木遮蔽交叉口场景；为分析车辆行驶速度对通信性能的影响，设计了动态条件下车车通信测试场景，包括跟驰场景和会车场景。

2.1.1 静态条件下车车通信测试场景

视距场景搭建在图1中ab段无遮蔽的直线道路，该道路全长1.1 km，设有双向2 车道，道路两旁设有路边基础设备，包括路灯、交通标志等。测试时，两测试车辆停放在同方向同车道测试要求位置。

建筑遮蔽交叉口场景如图2所示，测试道路为单车道，故发生碰撞可能的位置为交叉口中心点，即碰撞点。测试时，通过改变车辆与碰撞点的距离测试DSRC与LTE-V通信性能。车辆所在的两条道路围成的西南区域有大量建筑，包括一处金属活动棚和中小型建筑带。金属活动棚位于距离碰撞点约140 m处，建筑带内房屋间距约为8 m。

图2 建筑遮蔽条件下非视距交叉口

树木遮蔽交叉口场景如图3所示，东西道路为单车道，南北道路共2 车道，碰撞点为A、B 两车所在车道中心线交点处。A、B 两车所在的两条道路围成的东北区域的茂密树木形成遮蔽。

图3 树木遮蔽条件下非视距交叉口

2.1.2 动态条件下车车通信测试场景

在车辆运动关系中，最常见的是跟驰和会车场景，而跟驰、会车一般发生在直道或曲率较小的弯道，因此，设计快直道上跟驰场景与会车场景，进行通信性能测试。

跟驰和会车场景搭建在图1 中ab段直线道路。跟驰场景如图4所示，测试车辆A与车辆B同车道自西向东行驶，两车跟驰距离根据Gipps 最小安全距离模型[16]控制，根据测试车速变化调整车距。会车场景如图5所示，两测试车辆位于相邻两车道相向行驶，测试道路中间位置车道线上放置锥桶，表示会车点，测试时，两车尽可能保证在会车点会车。

图4 跟驰场景

图5 会车场景

2.2 测试平台搭建

为开展车联网与智能汽车功能及性能测试，研究团队前期在长安大学车联网与智能汽车试验场构建了面向智能网联交通应用的模块化测试平台。本文开展的所有测试工作均在该平台基础上完成。测试平台分成V2X应用层、数据传输层和测试管理层，如图6所示。

图6 面向智能网联交通应用的模块化测试平台

2.2.1 V2X应用层

V2X 应用层提供天气场景、道路场景、车辆运动关系场景等面向智能网联交通应用测试的环境变量，模拟多种交通环境，并提供多种典型车联网无线通信技术，包括DSRC、LTE-V、TD-LTE、5G，组建异构网络系统，以满足不同尺度、不同类型的通信需求[17]。

2.2.2 数据传输层

数据传输层将测试数据上传至测试管理层，将测试管理层发布的任务下发至应用测试层，提供EUHT、Wi-Fi和光纤网络，负责测试过程中所有节点日志信息、数据信息的快速传输。

2.2.3 测试管理层

测试管理层对收集到的测试数据进行高速处理、海量存储和实时交互，负责试验场道路信息、测试车辆信息的处理和存储，以及试验场所有测试设备的集中统一管理。该层提供测试任务发布和测试系统配置服务，提供测试数据管理模块，负责测试结果分析。

2.3 测试系统及方法

DSRC与LTE-V与全IP网络相比，无法利用ping命令进行网络性能测试，并且在计算时延时，难以做到时钟完全同步。因此，本文利用面向智能网联交通应用的模块化测试平台设计了一种支持DSRC 与LTE-V 通信性能测试的系统及方法，测试系统架构如图7所示。

图7 测试系统架构

系统包括DSRC 设备（含天线）、LTE-V 设备（含天线）、测试车辆以及测试计算机。选用的DSRC 设备工作于5.8～5.9 GHz 微波频段，支持IEEE 802.11p、IEEE 1609.x 及SAE-J2735 等标准协议栈，发射功率23 dBm，全向天线增益3 dBi；LTE-V 设备选用国内某公司研发的车载单元，支持直连式（LTE-V-Direct）和蜂窝式（LTE-V-Cell）通信方式，发射功率23 dBm，全向天线增益3 dBi。测试车辆如图8 所示，设备天线置于车辆顶部，包括GPS天线和DSRC、LTE-V收发天线。

图8 测试车辆

测试计算机上搭载有测试软件，测试计算机通过以太网和WiFi，分别与LTE-V 和DSRC 设备连接，测试人员通过EUHT网络获取测试指令进行测试，测试数据及相关日志文件通过数据传输专网上传至测试管理服务器，供后台人员远程实时处理。根据初步处理结果判定试验有效性，决定是否增加试验次数和试验时间。

3 测试方案设计

3.1 评价指标选取

针对DSRC 与LTEV 通信性能测试的需求，本文选用车联网性能经典评价指标[18]数据包投递率（Packet Delivery Ratio，PDR）与通信时延（Delay，DE）作为本文的评价指标。

数据包投递率Pdr为：

式中，Pr为目标节点接收的数据包数量；Ps为源节点发送的数据包数量。

时延指数据（一个报文或分组）从网络的一端传送到另一端所需的时间，其平均值为平均时延。测试时延时，由于难以做到时钟完全同步，故通过计算往返时间（Round-Trip Time，RTT），即数据从源节点到目的节点间往返所需的时间间隔，避开时间同步的问题。每次进行数据包发送时，在数据包前加时间戳，从而实现往返时间计算。发包时间记为T1，接收方收到数据包的时间记为T2，接收方将数据包返回的时间为T3，发送方收到数据包的时间记为T4。则往返时间TRTT和通信时延TDE为：

目前，根据车联网应用需求[19]，判定有效通信的要求为数据包投递率不小于90%，允许最大时延100 ms。

3.2 测试方案设计

3.2.1 静态条件下车车通信测试方案

3.2.1.1 视距场景测试方案

两台搭设好DSRC 与LTE-V 设备的测试车辆停放在同方向同车道相距200 m 处。测试时，A 车以10 Hz的频率发送数据包，B车在收到数据包后将数据回送给A 车，待完成200 个数据包的往返后，结束测试程序。确保8次有效试验后，结束本轮测试。然后将两车距离分别增加至400 m、600 m、700 m、800 m、900 m、1 000 m，并重复上述测试工作。

3.2.1.2 非视距场景测试方案

建筑遮蔽交叉口场景和树木遮蔽交叉口场景中，将两测试车辆分别停放在距离碰撞点50 m 处（见图2、图3），测试时，A 车以10 Hz 的频率发送数据包，B 车在收到数据包后将数据回送给A 车，待A 车发送完200个数据包后，结束测试程序。确保8 次有效试验后，结束本轮测试。建筑遮蔽交叉口场景中，受到金属活动棚和建筑位置影响，测试位置需进行调整，以提高测试有效性，因此，将A、B两车分别停放在距离碰撞点100 m、130 m、140 m、160 m、180 m、200 m 处，重复上述测试工作。树木遮蔽交叉口场景中，将A、B两车分别停放在距离碰撞点100 m、150 m、200 m处，重复上述测试工作。

3.2.2 动态条件下车车通信测试方案

3.2.2.1 跟驰场景

两测试车辆以20 km/h 速度自西向东行驶，保持安全车距（见图4）。测试时，A 车以10 Hz 频率发送数据包，B 车在收到数据包后将数据回送给A 车，待行驶到道路尽头时，结束测试程序。确保8 次有效试验后，结束本轮测试。然后将两车速度分别提高至40 km/h、60 km/h、80 km/h，重复上述测试工作。

3.2.2.2 会车场景

两测试车辆分别位于相邻两车道以20 km/h速度相向行驶（见图5）。测试时，为避免距离对通信的影响，当两车相距400 m 时启动测试程序，A 车以10 Hz 频率发送数据包，B 车在收到数据包后将数据回送给A 车，待两车相遇后，结束测试程序。确保8 次有效试验后，结束本轮测试。然后将两车速度分别提高至40 km/h、60 km/h、80 km/h，重复上述测试工作。

4 结果与分析

4.1 静态条件下车车通信测试结果

视距场景通信距离对通信性能的影响结果如图9所示。由图9 可知：DSRC 与LTE-V 的数据包投递率随通信距离增大呈下降趋势，在400 m 通信距离范围内，两种通信技术的数据包投递率随距离增大下降缓慢，且保持在95%以上；两种通信技术时延随通信距离的增加而增大，但变化不明显，在有效通信距离内，DSRC 和LTE-V的平均时延分别约为5 ms和16 ms。

图9 视距场景距离对通信性能的影响

根据3.1 节中有效通信距离指标判定，在静态视距场景下，DSRC有效通信距离约700 m，LTE-V有效通信距离约900 m，且通信距离是影响DSRC 与LTE-V 通信性能的重要因素，为避免通信距离对后续测试的影响，后续测试通信距离不超过400 m。

建筑遮蔽交叉口场景通信距离对通信性能的影响结果如图10 所示。由图10 可知：DSRC 与LTE-V 的数据包投递率随通信距离增大呈下降趋势，两车位于距离碰撞点140 m处时，两种通信技术数据包投递率明显下降，DSRC在车辆距离碰撞点160 m后，数据包投递率下降至0；两种通信技术时延随通信距离增加而增大，但变化不明显。与视距场景测试结果相比，建筑遮蔽对DSRC与LTE-V通信性能会产生极大影响，建筑遮蔽使得二者有效通信距离大幅减小。在140 m处，LTE-V时延出现突增现象，出现时延超过50 ms 的数据包，平均时延达到20 ms，DSRC 时延在该处也有明显增加，说明金属遮蔽物会对两种通信技术通信性能造成严重影响，使数据包投递率下降，时延增加。

树木遮蔽交叉口场景通信距离对通信性能的影响结果如图11所示，DSRC与LTE-V的数据包投递率随通信距离增大呈下降趋势，两种通信技术的时延随通信距离增加而增大，但增幅较小。

通过静态条件下车车通信测试发现：距离和遮蔽物是影响DSRC与LTE-V数据包投递率的重要因素，金属及建筑对通信的影响比树木遮蔽影响更为严重；两种通信技术相比，视距场景下，DSRC 有着低时延的优势，LTE-V 有着远距离条件下保持高数据包投递率的优势，在非视距场景下，LTE-V 较DSRC 可在相同距离下保持更高的数据包投递率。

图10 建筑遮蔽场景距离对通信性能的影响

图11 树木遮蔽场景距离对通信性能的影响

造成DSRC 与LTE-V 数据包投递率差异的原因在于，一方面，信道编码不同，DSRC 采用卷积码，LTE-V采用Turbo码，Turbo码有更好的编码增益，另一方面，资源选择机制不同，DSRC采用载波侦听多路访问/冲突避免（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA），LTE-V采用感知（Sensing）+预约的半持续调度（Semi-Persistent Scheduling，SPS），充分利用业务的周期性特点，提高了无线资源的利用率，提升了无线数据通信成功率[4]。

造成DSRC 与LTE-V 时延上差异的主要原因是DSRC采用短符号周期，LTE-V采用长符号周期。DSRC的循环前缀（Cyclic Prefix，CP）时长为1.6 μs，LTE-V 的循环前缀长达4.69 μs。DSRC 的符号周期（包含CP）仅为8 μs，LTE-V的符号周期（包含CP）为71 μs[20]。

视距场景和非视距场景产生差异的主要原因是无线电波在传输过程中能量随距离的增加而发生衰落，产生路径损耗。另一方面，当遮蔽物出现在无线电波的传输路径时，会发生多径效应，从而导致损耗。根据文献[21]的研究，无线信号传输功率会受到距离和遮蔽物的影响，DSRC与LTE-V都属于工作在5.9 GHz的高频信号，所以信号损耗更大，引起时延扩展，产生衰落。

4.2 动态条件下车车通信测试结果

跟驰场景、会车场景下速度对通信性能的影响结果如图12、图13 所示，两种场景中，DSRC 与LTE-V 的数据包投递率随速度增大略有减小，时延随速度增大而增大，但跟驰场景下DSRC时延随速度增大的幅度较小。

图12 跟驰场景速度对通信性能的影响

通过动态条件下车车通信测试发现，DSRC与LTE-V的数据包投递率与行驶速度呈弱相关关系，时延受速度影响较小。对于目前车联网安全相关应用，二者时延均满足需求，但在即将会车、两车距离较近时，LTE-V 连续出现时延超过50 ms的数据包。

会车时时延增大主要是由于多普勒频移（Doppler Shift），车速越高，多普勒频移越大，致使接收方频率与发送方发送时频率偏差较大，使得通信性能明显下降。由于LTE-V 的符号周期比DSRC 长10 倍，限制了最大可检测的多普勒频移，在3GPP仿真测试中发现，当速度超过140 km/h 时，就不能可靠地检测消息[22]。DSRC 由于采用短符号周期和采用“中同步码”方式，同步码频率与信号大部分频率一致，使得在高速环境下时延不会出现大幅变化，仍能保持良好性能。

图13 会车场景速度对通信性能的影响

4.3 结论

通信距离和遮蔽物是影响DSRC 与LTE-V 通信性能的重要因素，车速对DSRC与LTE-V通信性能影响较小。通信距离对于DSRC 通信性能影响较LTE-V 更为明显，无遮蔽条件下，DSRC、LTE-V 有效通信距离分别为约700 m 和约900 m；遮蔽对两种通信技术数据包投递率造成影响，且对DSRC 影响更大，不同遮蔽物造成的影响也不相同，金属及建筑对通信性能的影响较树木更严重；车速对DSRC 与LTE-V 通信性能影响较小，但在高速即将会车场景，LTE-V 出现超过50 ms 的数据包，DSRC时延未出现大幅变化，能够保持良好性能。

因此，在视距场景对时延要求更高的情况下，可采用DSRC 开发车联网应用，可使其低时延、高可靠性优势发挥更为明显；在对通信距离要求高或遮蔽存在的场景下，可采用LTE-V 开发车联网应用，LTE-V 较DSRC有更广的通信范围或在同一范围内有更可靠的性能；在高速场景下，DSRC 在对抗多普勒频移方面有更佳的性能，可保持良好通信性能，较LTE-V性能等级更高。

5 结束语

本文针对DSRC 与LTE-V 技术的对比测试需求，搭建了静态条件下的视距场景、建筑遮蔽交叉口场景和树木遮蔽交叉口场景以及动态条件下跟驰场景和会车场景，构建了面向智能网联交通应用的模块化测试平台，并设计了一种支持DSRC 与LTE-V 通信性能的测试系统及方法，测试分析了通信距离、遮蔽物、行车速度等因素对DSRC和LTE-V通信性能的影响。

在实际道路条件下，面对通信拥塞等情况，如何保证车联网的通行性能是不可忽视的。限于试验条件，本文仅开展了2个车辆节点通信性能测试，下一步将考虑多车环境下，以车路通信和车车通信性能测试为主的车联网通信性能测试研究。