摘 要： 基于短程通信的車(chē)車(chē)、車(chē)路信息交互已經(jīng)成為智能交通的一種發(fā)展趨勢(shì)，提出一種基于WiFi Direct的車(chē)路信息交互方法，通過(guò)運(yùn)行于網(wǎng)絡(luò)中的路邊基站向車(chē)載終端發(fā)出連接并發(fā)布消息。針對(duì)目前用戶個(gè)性化信息服務(wù)的需求，提出一種基于過(guò)濾信息的WiFi Direct自動(dòng)連接方法，在WiFi Direct技術(shù)上作出改進(jìn)，在 Sendmessage數(shù)據(jù)幀中增加一幀過(guò)濾信息。該方法簡(jiǎn)化了基站與終端之間的連接，提高了消息推送的準(zhǔn)確性，而且實(shí)地測(cè)試得出，該改進(jìn)方法比現(xiàn)有的方法在連接速度上平均提高35.01%，消息推送量平均提高8.65%。

關(guān)鍵詞： 短程通信； 車(chē)路信息交互； WiFi Direct； 基站； 車(chē)載終端

中圖分類(lèi)號(hào)： TN916.51?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）09?0154?05

Abstract： The vehicle， vehicle?road information interaction based on short?range communication becomes a development trend of intelligent transportation. The method of vehicle?road information interaction based on WiFi direct is proposed， which is sending connection and information to the vehicle terminal by the roadside base station running in the network. With the demands of the users personalized information service， the method of WiFi direct automatic connection based on filtering information is proposed， that is the improvements based on WiFi direct technology and adding a frame filtering information in send?message data frame. The proposed method simplifies the connection between the base station and vehicle terminal， and improves the accuracy of message push. The field test shows that the connection speed is increased by 35.01% and the quantity of push messages is increased by 8.65% by the improved method compared with the existing method.

Keywords： short?range communication； vehicle ?road information interaction； WiFi direct； base station； vehicular terminal

0 引 言

車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)（Cooperative Vehicle?Infrastructure System，CVIS）[1]是基于先進(jìn)的全時(shí)空動(dòng)態(tài)交通信息采集、融合技術(shù)，通過(guò)全方位實(shí)施車(chē)車(chē)、車(chē)路動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)信息交互，進(jìn)行車(chē)輛主動(dòng)安全控制和道路協(xié)同管理，形成人車(chē)路有效協(xié)同的安全、高效和環(huán)保的道路交通系統(tǒng)[2]。目前世界各國(guó)都積極發(fā)展車(chē)路協(xié)同技術(shù)的研究與實(shí)驗(yàn)。

美國(guó)通過(guò)計(jì)劃IntelHDrive[3]研究項(xiàng)目大力推動(dòng)了車(chē)路協(xié)同技術(shù)的發(fā)展，其中，IntelliDrive是VII[4]項(xiàng)目的演進(jìn)，其研究方向的重點(diǎn)在于車(chē)輛主動(dòng)安全方面。2006年起，美國(guó)交通部就開(kāi)始協(xié)助汽車(chē)制造廠商對(duì)車(chē)載終端連接、服務(wù)中心平臺(tái)以及無(wú)線短距離通信（Dedicated Short Range Communications，DSRC）與車(chē)輛間的通信技術(shù)進(jìn)行研發(fā)。

日本車(chē)路協(xié)同技術(shù)的最大特點(diǎn)是個(gè)性化行車(chē)安全與導(dǎo)航。2006年，日本由政府和23家知名企業(yè)共同啟動(dòng)了 “SmartWay計(jì)劃”[5]，該計(jì)劃利用現(xiàn)有的智能交通技術(shù)[6?7]，例如即時(shí)交通信息系統(tǒng)VICS、電子不停車(chē)收費(fèi)ETC[8]等技術(shù)以及信息與短程通信技術(shù)，建立車(chē)載集成平臺(tái)，將道路與車(chē)輛連接成為一個(gè)整體，形成車(chē)路協(xié)同感知整體環(huán)境。

和國(guó)外相比，我國(guó)的車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)的研究起步較晚，2007年起通過(guò)863計(jì)劃《交通對(duì)象協(xié)同式安全控制技術(shù)》、自主科研計(jì)劃《基于車(chē)路協(xié)同的智能交通系統(tǒng)》等項(xiàng)目開(kāi)始對(duì)車(chē)路協(xié)同技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究，我國(guó)在“十五”科技攻關(guān)項(xiàng)目中，把發(fā)展基于短程通信的車(chē)路交互技術(shù)列為重大攻關(guān)項(xiàng)目。

不難看出，基于短程通信[9]的車(chē)路信息交互技術(shù)是目前智能交通領(lǐng)域發(fā)展的趨勢(shì)和熱點(diǎn)，短程通信是一種小范圍的無(wú)線通信系統(tǒng)[10?11]，主要用于車(chē)輛與路邊系統(tǒng)、車(chē)輛之間的通信。法國(guó)ESCOTA高速公路利用短程通信技術(shù)檢測(cè)車(chē)流平均速度和旅行時(shí)間等； 歐美國(guó)家利用短程通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)交通導(dǎo)航系統(tǒng)， 幫助駕駛員選擇最佳路徑， 有效處理交通流量分布的不平衡性； 廣東利用短程通信技術(shù)推行電子收費(fèi)系統(tǒng)， 提高了道路的通行能力， 降低了空氣污染。

但是，目前基于短程通信的車(chē)路信息交互方面還存在一些問(wèn)題：

（1） 傳輸距離有限。

（2） 傳輸速度不高。

（3） 路邊基站與車(chē)載終端連接過(guò)程比較復(fù)雜，而車(chē)輛行駛中的駕駛員不便于頻繁操作終端。

（4） 信息推送混亂，無(wú)法滿足目前用戶個(gè)性化信息服務(wù)的需求，車(chē)載終端會(huì)同時(shí)接收到很多連接請(qǐng)求和消息推送，而有些信息是駕駛員當(dāng)時(shí)環(huán)境下不需要的。

2010年10月，WiFi Alliance（WiFi聯(lián)盟）推出WiFi Direct技術(shù)，WiFi Direct標(biāo)準(zhǔn)是指允許無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備無(wú)需通過(guò)無(wú)線路由器即可相互連接，即點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直連，WiFi Direct的傳輸距離高達(dá)200 m，最大傳輸速度是250 Mb/s，所以非常適合應(yīng)用于車(chē)路信息交互，但是同樣存在連接復(fù)雜和信息推送混亂的缺點(diǎn)。

因此，本文提出一種基于WiFi Direct的車(chē)路信息交互方法，該方法充分發(fā)揮了WiFi Direct的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并且在WiFi Direct技術(shù)上作出改進(jìn)，提出一種基于過(guò)濾信息的WiFi Direct自動(dòng)連接方法，當(dāng)有路邊基站向車(chē)載終端發(fā)送連接申請(qǐng)信息時(shí)，車(chē)載終端通過(guò)對(duì)申請(qǐng)信息數(shù)據(jù)幀中的過(guò)濾信息進(jìn)行判斷，有選擇性地完成連接，然后進(jìn)行消息推送，該方法簡(jiǎn)化了基站與終端之間的連接，避免了消息推送的混亂性。

1 系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)通過(guò)運(yùn)行于網(wǎng)絡(luò)中的路邊基站向車(chē)載終端申請(qǐng)連接并發(fā)布消息，實(shí)現(xiàn)道路交通基礎(chǔ)設(shè)施與車(chē)載終端的一體化協(xié)調(diào)合作。

1.1 車(chē)路交互模型

基于WiFi Direct的車(chē)路交互架構(gòu)圖如圖1所示。路邊設(shè)有WiFi Direct基站，這些基站通過(guò)高速局域網(wǎng)與服務(wù)器通信。車(chē)輛在經(jīng)過(guò)基站覆蓋范圍時(shí)，基站向車(chē)載終端發(fā)布最新路況、娛樂(lè)等消息。

1.2 車(chē)路交互過(guò)程

如圖1所示，基站會(huì)不斷地搜索附近車(chē)載設(shè)備。當(dāng)車(chē)輛行駛至A位置時(shí)就進(jìn)入了WiFi Direct基站的無(wú)線覆蓋范圍，此時(shí)基站會(huì)搜索到該車(chē)輛內(nèi)的WiFi Direct車(chē)載終端設(shè)備，并且向車(chē)載終端發(fā)送連接申請(qǐng)，該連接申請(qǐng)信息包括過(guò)濾信息，車(chē)載終端通過(guò)對(duì)過(guò)濾信息判斷決定是否連接。例如，車(chē)載終端設(shè)定只接收緊急路況消息，基站會(huì)發(fā)送緊急路況消息連接申請(qǐng)、街邊飲食消息連接申請(qǐng)、街邊娛樂(lè)消息連接申請(qǐng)等，終端會(huì)對(duì)基站發(fā)送來(lái)的申請(qǐng)連接信息進(jìn)行標(biāo)題判斷，如果“過(guò)濾信息”等于“緊急路況消息”，就同意連接，否則就拒絕，連接完成后，基站會(huì)向車(chē)載終端傳輸緊急路況消息，當(dāng)車(chē)輛行駛至B位置就會(huì)駛離基站覆蓋范圍斷開(kāi)連接。如此，駕駛員可以權(quán)衡多個(gè)路況信息，選擇通往目的地最快捷的路線，還可以獲得街邊服務(wù)信息。

2 基于過(guò)濾信息的WiFi Direct自動(dòng)連接方法

根據(jù)圖1的車(chē)路交互架構(gòu)可知，車(chē)輛在經(jīng)過(guò)一個(gè)WiFi Direct基站覆蓋范圍時(shí)有：

[T總=T連接+T傳輸]

式中：[T總]為車(chē)輛從駛?cè)牖痉秶今傠x基站范圍（約400 m）的時(shí)間，與車(chē)速有關(guān)；[T連接]為基站與該車(chē)輛連接成功時(shí)間；[T傳輸]為基站向車(chē)輛推送消息的時(shí)間。

由上式可知，[T連接]過(guò)大，那么[T傳輸]則越少，這樣會(huì)降低消息傳輸量，本文的連接方法可以通過(guò)減小[T連接，]從而增大[T傳輸。]

2.1 現(xiàn)有的WiFi Direct連接方法

現(xiàn)有的WiFi Direct連接過(guò)程如圖2所示。由圖2可知，現(xiàn)有的WiFi Direct技術(shù)在連接時(shí)，首先需要在設(shè)備1上開(kāi)啟WiFi網(wǎng)卡，搜索附近設(shè)備，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有可連接的WiFi Direct設(shè)備（例如設(shè)備2）時(shí)，手動(dòng)觸發(fā)connect按鈕來(lái)向設(shè)備2申請(qǐng)連接，設(shè)備2上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)對(duì)話框，提示是否要連接，然后接收方再觸發(fā)設(shè)備2連接按鈕同意連接，連接完成后推送消息，這些消息只有個(gè)別是接收方需求的，因而接收方需要一個(gè)一個(gè)排除無(wú)用的連接，浪費(fèi)大量時(shí)間，增加了連接時(shí)間從而縮短了消息推送時(shí)間。而且，每一步的申請(qǐng)與應(yīng)答都需要手動(dòng)，駕駛員在駕駛過(guò)程中頻繁的操作終端不方便也不安全。

2.2 改進(jìn)后的WiFi Direct連接方法

本節(jié)主要介紹基于過(guò)濾信息的WiFi Direct自動(dòng)連接方法，這個(gè)方法用于基站與車(chē)載終端的自動(dòng)連接?，F(xiàn)有方法在2.1小節(jié)中已經(jīng)講過(guò)，首先，每一步的申請(qǐng)與應(yīng)答都需要手動(dòng)，這就不適合基站與車(chē)載終端的連接情況。對(duì)于基站來(lái)說(shuō)，不可能總要人手動(dòng)來(lái)觸發(fā)和發(fā)出申請(qǐng)連接，對(duì)于車(chē)載終端來(lái)說(shuō)，駕駛員在駕駛過(guò)程中頻繁地操作終端很不方便也不安全。其次，要先完成連接才能再傳輸各種數(shù)據(jù)信息，這樣就存在一個(gè)問(wèn)題，就是接收方要先確認(rèn)連接，再獲取申請(qǐng)方再次傳輸?shù)南⒉诺弥暾?qǐng)方的意圖，那么申請(qǐng)方發(fā)出的連接意圖也許對(duì)于接收方?jīng)]有用，就會(huì)造成目的不清，信息推送混亂的情況。所以，本文提出的自動(dòng)連接方法是基站定時(shí)向周?chē)?chē)載終端發(fā)送連接申請(qǐng)，而且車(chē)載終端根據(jù)申請(qǐng)信息中的過(guò)濾信息判斷是否完成連接，避免不必要的連接，這樣就大大提高了連接的準(zhǔn)確性和快速性，為消息傳輸創(chuàng)造了更多的時(shí)間。

2.2.1 改進(jìn)后的WiFi Direct連接方法流程

如圖3所示，路邊的基站會(huì)在通電后立即打開(kāi)WiFi網(wǎng)卡，開(kāi)啟WiFi Direct功能，然后進(jìn)行如下步驟：

（1） 車(chē)載終端設(shè)定好要接收的消息標(biāo)題，例如設(shè)定“緊急路況消息”標(biāo)題，可選的標(biāo)題有：“緊急路況消息”、“街邊飲食消息”、“街邊娛樂(lè)消息等。

（2） 基站在后臺(tái)線程每隔1秒觸發(fā)一次自動(dòng)搜索功能，羅列并更新出附近200 m內(nèi)所有WiFi Direct車(chē)載終端設(shè)備，例如設(shè)備2。

（3） 基站循環(huán)觸發(fā)connect函數(shù)，將申請(qǐng)連接信息即Sendmessage數(shù)據(jù)發(fā)送至每一個(gè)搜索到的WiFi Direct設(shè)備（如設(shè)備2）申請(qǐng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直連。本方法對(duì)已有的Sendmessage數(shù)據(jù)幀格式做了改進(jìn)，其中添加了過(guò)濾信息“基站服務(wù)”。具體的Sendmessage數(shù)據(jù)幀格式修改方法在2.2.2節(jié)中詳細(xì)介紹。

（4） 車(chē)載終端接收到連接請(qǐng)求時(shí)，獲取Sendmessage數(shù)據(jù)幀中過(guò)濾信息“緊急路況消息”。終端對(duì)Sendmessage的過(guò)濾信息進(jìn)行判斷，判斷請(qǐng)求設(shè)備是否是基站設(shè)備，從而得知終端是否要完成連接。判斷方法如下：

如果：“過(guò)濾信息”不等于“緊急路況消息”，則車(chē)載終端拒絕連接。

如果：“過(guò)濾信息”等于“緊急路況消息”，則車(chē)載終端立刻調(diào)用自動(dòng)連接函數(shù)完成連接。

（5） 連接完成后，基站將在后臺(tái)線程中啟用server服務(wù)即FileTransferService，向車(chē)載終端發(fā)送相應(yīng)消息，如路況視頻消息。

2.2.2 改進(jìn)后的Sendmessage數(shù)據(jù)幀格式

WiFi Direct基站設(shè)備在申請(qǐng)連接時(shí)，發(fā)出的連接申請(qǐng)信息即為Sendmessage數(shù)據(jù)，本文對(duì)Sendmessage數(shù)據(jù)幀格式做如下修改，提高連接的準(zhǔn)確性，更便于車(chē)路進(jìn)行信息交互。

如圖4所示，Sendmessage數(shù)據(jù)幀格式中數(shù)據(jù)主要存儲(chǔ)在最后一幀config配置數(shù)據(jù)中，所以本方法在config數(shù)據(jù)幀中的組所有者（groupOnwerIntent）后添加了一幀過(guò)濾信息，該過(guò)濾信息可為“緊急路況消息”、“地理位置消息”、“街邊飲食消息”等標(biāo)題，并跟隨Sendmessage數(shù)據(jù)發(fā)送至每一個(gè)搜索到的WiFi Direct車(chē)載終端設(shè)備。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文提出的交互方法，試選取長(zhǎng)安大學(xué)信息學(xué)院門(mén)前東西方向?yàn)闇y(cè)試路段，如圖5所示，該路段長(zhǎng)約700 m，大于WiFi Direct的覆蓋范圍，論文選擇兩個(gè)三星Note3手機(jī)作為測(cè)試工具，分別安裝本文的車(chē)路交互軟件，一個(gè)作為WiFi Direct基站，另一個(gè)作為WiFi Direct車(chē)載終端。

3.1 連接時(shí)間對(duì)比驗(yàn)證

考慮到實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中的無(wú)線連接距離受各種干擾和設(shè)備的影響，實(shí)際的WiFi Direct連接距離不一定有200 m，論文分別在距離基站150 m，160 m，170 m，180 m，190 m，200 m處測(cè)試連接時(shí)間。測(cè)試時(shí)設(shè)置兩個(gè)時(shí)間戳[t1]和[t2，][t1]為發(fā)出連接時(shí)刻，[t2]為連接成功時(shí)刻，測(cè)得連接時(shí)間為[t連接]=[t2]-[t1。]

首先使用現(xiàn)有的WiFi Direct連接方法，在200 m處，使用基站的三星Note3設(shè)備搜索終端Note3設(shè)備并點(diǎn)擊“連接”按鈕，終端Note3設(shè)備出現(xiàn)對(duì)話框時(shí)點(diǎn)擊“完成”連接，測(cè)得200 m處連接時(shí)間。內(nèi)置終端Note3的車(chē)輛由東向西行駛10 m，測(cè)試190 m處的連接時(shí)間，如此反復(fù)測(cè)得所有結(jié)果。

再采用本文中的基于過(guò)濾信息的WiFi Direct自動(dòng)連接方法測(cè)試，如圖6所示，打開(kāi)終端Note3車(chē)路交互軟件，設(shè)置只接收“緊急路況信息”，在200 m處，打開(kāi)基站Note3車(chē)路交互軟件向終端發(fā)出“緊急路況信息”推送連接申請(qǐng)，同樣測(cè)得所有連接時(shí)間。結(jié)果見(jiàn)表1。

3.2 消息推送量對(duì)比驗(yàn)證

WiFi Direct基站與WiFi Direct車(chē)載終端在圖5測(cè)試環(huán)境下連接距離為165 m，車(chē)輛行駛距離為一個(gè)直徑是330 m的圓，如圖5所示。測(cè)試時(shí)分別設(shè)定車(chē)速為20 km/h，30 km/h，40 km/h，50 km/h，60 km/h，70 km/h，分別計(jì)算出消息推送整個(gè)過(guò)程的時(shí)間，此段時(shí)間內(nèi)基站Note3向終端Note3推送視頻消息，先采用現(xiàn)有方法推送消息，手動(dòng)傳送一段視頻，第二次采用本文方法開(kāi)啟基于WiFi Direct的車(chē)路信息交互軟件推送視頻消息，在終端Note3查看兩種方法接收視頻的大小。結(jié)果見(jiàn)表2。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出一種基于WiFi Direct的車(chē)路信息交互方法，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有WiFi Direct技術(shù)作出改進(jìn)，在基站發(fā)出連接的Sendmessage數(shù)據(jù)幀中增加一幀過(guò)濾信息，WiFi Direct終端通過(guò)判斷過(guò)濾信息進(jìn)行確認(rèn)連接，從而快速推送各種消息。通過(guò)實(shí)地驗(yàn)證和分析，該方法可有效地縮短連接時(shí)間、提高消息推送量，具有消息推送準(zhǔn)確的特點(diǎn)。

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