全樹強(qiáng)，楊劍鋒，高　洵,2，郭成城

(1.武漢大學(xué)　電子信息學(xué)院，湖北　武漢　430072;2.武漢大學(xué)　蘇州研究院，江蘇　蘇州　215123)

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基于ath5k網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的車載網(wǎng)IEEE802.11p協(xié)議的研究

全樹強(qiáng)1，楊劍鋒1，高洵1,2，郭成城1

(1.武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北武漢430072;2.武漢大學(xué)蘇州研究院，江蘇蘇州215123)

摘要:IEEE802.11p協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)主要用于車載網(wǎng)絡(luò)通信，有利于推動(dòng)智能交通系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，因此在實(shí)際交通環(huán)境下對IEEE802.11p協(xié)議進(jìn)行研究具有重要意義。通過修改OpenWrt路由操作系統(tǒng)的ath5k網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了IEEE802.11p協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，并移植到Mikrotik RouterBoard433AH路由開發(fā)板上成功運(yùn)行。在此基礎(chǔ)上，對實(shí)際道路環(huán)境下IEEE802.11p協(xié)議和IEEE802.11a協(xié)議的發(fā)送速率、丟包率等網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)進(jìn)行了研究測量比較。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示在多障礙物、情況復(fù)雜的實(shí)際道路環(huán)境，IEEE802.11p協(xié)議更能滿足通信可靠性和有效性的要求。

關(guān)鍵詞:ath5k；OpenWrt；IEEE802.11p；IEEE802.11a；吞吐量；丟包率

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和信息技術(shù)的進(jìn)步，以及各種交通問題的出現(xiàn)，智能交通系統(tǒng)日益受到重視。2010年7月，IEEE工作組頒布了IEEE802.11p協(xié)議。該協(xié)議主要支持車載環(huán)境中的無線接入(WAVE)或車載自組織網(wǎng)絡(luò)(VANETs)。IEEE802.11p協(xié)議由IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展而來，工作在DSRC(專用短距離通信)頻段，與傳統(tǒng)IEEE802.11協(xié)議相比，其帶寬由20 MHz降為10 MHz，以適應(yīng)車輛在高速運(yùn)動(dòng)環(huán)境中的通信[1]。美國聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)規(guī)定，IEEE802.11p工作的DSRC頻段范圍是5.850～5.925 GHz，共75 MHz。這75 MHz的頻譜以10 MHz為帶寬，分為7個(gè)信道，而最低頻段的5 MHz被用作空白的安全邊界。這7個(gè)信道又被分為1個(gè)控制信道(CCH)和6個(gè)服務(wù)信道(SCH)。頻譜中間的178信道作為控制信道，被要求嚴(yán)格地用于傳輸與安全有關(guān)的信息。其余的服務(wù)信道在與控制信道進(jìn)行協(xié)商之后，可以進(jìn)行優(yōu)先級低一些的通信，例如位于兩端的172和184信道可以分別用于避免交通事故的應(yīng)用和高功率的公共安全[2]。IEEE802.11p協(xié)議與IEEE802.11a協(xié)議一樣采用的是OFDM，調(diào)制方式和編碼效率不變，但是信道帶寬降為10 MHz，以減少在車載環(huán)境下多徑效應(yīng)的影響。減少頻帶寬度帶來的后果則是IEEE802.11p協(xié)議物理層在時(shí)域上的所有參數(shù)與IEEE802.11a協(xié)議相比都擴(kuò)大了一倍。這一方面通過使用較小的頻帶寬度減少了多普勒擴(kuò)展帶來的影響；另一方面又通過加倍保護(hù)間隔(GI)減少多徑效應(yīng)引起的碼間串?dāng)_[3]。由于上述原因，IEEE802.11p協(xié)議物理層所有模式的發(fā)送速率與IEEE802.11a協(xié)議相比減半。此外，IEEE802.11p協(xié)議的另一個(gè)重要的特征是采用了與IEEE802.11e相似的EDCA(Enhanced Distributed Channel Access)機(jī)制來劃分信道接入優(yōu)先級，以支持不同級別的QoS(服務(wù)質(zhì)量)[4]。

目前對IEEE802.11p協(xié)議的研究大多數(shù)是通過仿真進(jìn)行的，并沒有在實(shí)際的道路環(huán)境下采用實(shí)際的系統(tǒng)對該協(xié)議進(jìn)行研究。羅志鋒[5]等人對IEEE802.11p協(xié)議和IEEE802.11a協(xié)議的理論上的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行了對比，并闡述IEEE802.11p協(xié)議的接入優(yōu)先級、使用頻段等基本的特征，雖然設(shè)計(jì)了IEEE802.11p協(xié)議的仿真系統(tǒng)，但是并沒有給出仿真的結(jié)果，因此對該協(xié)議的研究參考作用十分有限。許馨月[6]等人除了介紹IEEE802.11p協(xié)議的特征，還將其與其他短距離通信技術(shù)作了對比，但是仍然缺少實(shí)驗(yàn)結(jié)果的支持。而金純[7]等人關(guān)于IEEE802.11p協(xié)議的初步實(shí)現(xiàn)則是在仿真環(huán)境下進(jìn)行的，對協(xié)議的研究缺少實(shí)際的測量數(shù)據(jù)。陳娟[8]等人基于IEEE802.11p的車載無線通信原型系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是通過FPGA仿真完成并進(jìn)行了測試，并沒有在實(shí)際系統(tǒng)上運(yùn)行，具有局限性。馬蕓蕓[9]等人雖然通過修改驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)在PC上運(yùn)行的IEEE802.11p協(xié)議，但是無法在實(shí)際的環(huán)境下進(jìn)行測量數(shù)據(jù)，而且實(shí)驗(yàn)所得的結(jié)果說服力也十分有限。

因此，針對上述關(guān)于IEEE802.11p協(xié)議的研究的局限性，沒有在實(shí)際的道路交通環(huán)境下對IEEE802.11p協(xié)議進(jìn)行研究的問題，本文在OpenWrt路由操作系統(tǒng)中對ath5k網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)源碼進(jìn)行修改實(shí)現(xiàn)了IEEE802.11p協(xié)議，并移植到Mikrotik RouterBoard433AH路由開發(fā)板，在實(shí)際的場景下對系統(tǒng)進(jìn)行測試，得到了IEEE802.11p協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)，并與IEEE802.11a協(xié)議相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。

1IEEE802.11p協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

OpenWrt是一個(gè)開源的Linux路由操作系統(tǒng)，主要在嵌入式設(shè)備中使用。但是OpenWrt系統(tǒng)本身并不支持IEEE802.11p協(xié)議。因此需要對其進(jìn)行修改。

1)ath5k發(fā)送數(shù)據(jù)包的過程分析。ath5k在初始化時(shí)調(diào)用ath5k_init()為4種AC建立4個(gè)隊(duì)列(queue)，這些隊(duì)列包含了AC的EDCA參數(shù)。在Linux內(nèi)核中，無線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)ath5k處于物理層，其發(fā)送數(shù)據(jù)的過程要受到處于上層的MAC層的控制。首先，ath5k_tx()函數(shù)接收來自上層的mac80211的數(shù)據(jù)幀，并通過數(shù)據(jù)包skb中的參數(shù)獲取隊(duì)列號，之后調(diào)用ath5k_tx_queue()將數(shù)據(jù)幀放入相應(yīng)的隊(duì)列中。決定使用的隊(duì)列之后，再調(diào)用ath5k_txbuf_setup()，添加發(fā)送信息以及將數(shù)據(jù)幀映射到硬件。ath5k_txbuf_setup()最后調(diào)用ath5k_hw_start_tx_dma()為指定的隊(duì)列開始DMA發(fā)送。之后再通過ath5k_tasklet_tx()、ath5k_tx_processq()、ath5k_tx_frame_completed()完成整個(gè)發(fā)送過程[10]。ath5k驅(qū)動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)的流程如圖1所示。

2)擴(kuò)展定義11P模式。本文采用的Atheros5414A網(wǎng)卡的最高工作頻率是6.1 GHz，是為數(shù)不多的支持IEEE802.11p頻段的無線網(wǎng)卡。但是OpenWrt系統(tǒng)的源碼并不支持IEEE802.11p協(xié)議工作的DSRC頻段。為在ath5k驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)IEEE802.11p，首先要在頭文件ath5k.h中增加模式AR5K_MODE_11P。之后在標(biāo)準(zhǔn)信道ath5k_is_standard_channel()中添加IEEE80211_BAND_DSRC頻段，信道的編號從172到184。在接下來的建立信道的函數(shù)ath5k_setup_channels()中也要增加AR5K_MODE_11P模式，頻段為IEEE80211_BAND_DSRC；在ath5k_setup_bands()為11P模式建立相應(yīng)的頻段。依次在ath5k目錄下的其他文件中參照11A模式添加擴(kuò)展11P模式。

3)使能DSRC頻段。在ath5k目錄下完成了11P模式的支持之后，驅(qū)動(dòng)還不能在DSRC頻段正常工作，還需要在ath目錄下的regd.c文件內(nèi)添加允許的頻段ATH9K_DSRC_5850_5950。通過相關(guān)命令可以獲得Atheros5414A的regdomain值為0x66，在結(jié)構(gòu)體ath_world_regdom_66_69內(nèi)添加ATH9K_DSRC_5850_5950，允許使用該頻段[11]。

4)MAC層支持IEEE802.11p協(xié)議。在完成PHY層對IEEE802.11p協(xié)議的支持之后，還需要完成MAC層對該協(xié)議的支持[12]。在MAC層的相關(guān)文件內(nèi)，在5 GHz頻段的源碼中，再擴(kuò)展增加DSRC頻段。因此，基于網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的IEEE802.11p協(xié)議可以看成是在IEEE802.11a協(xié)議基礎(chǔ)上擴(kuò)充完成的。

5)QoS保證。IEEE802.11p協(xié)議采用了與IEEE802.11e協(xié)議相類似的EDCA機(jī)制來保證QoS功能，該功能主要是通過WMM(WiFi Multimedia)實(shí)現(xiàn)的，WMM也被稱為WME(Wireless Multimedia Extentions)。在MAC層上，WMM主要調(diào)用ieee80211_select_queue_80211()、ieee80211_select_queue()、ieee80211_set_qos_hdr()這3個(gè)函數(shù)，來控制PHY層的發(fā)送隊(duì)列選擇，從而根據(jù)4種訪問類別(AC)對流量劃分優(yōu)先級，保證高優(yōu)先級的流量的傳輸實(shí)時(shí)性[13]。

2IEEE802.11p協(xié)議性能評估

本文采用Mikrotik RouterBoard 433AH路由開發(fā)板作為實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)，其CPU頻率為680 MHz，內(nèi)存128 Mbyte，NAND 128 Mbyte，擁有3個(gè)mini-PCI接口。而采用的路由操作系統(tǒng)OpenWrt基于Linux內(nèi)核3.3.8版本，性能穩(wěn)定。而本文所采用的網(wǎng)卡Atheros5414A支持2.4 GHz和5 GHz兩個(gè)頻段，其中5 GHz頻段的最大頻率為6.1 GHz，可以滿足IEEE802.11p協(xié)議的頻率要求。在編譯過的OpenWrt系統(tǒng)上完成源碼修改之后，再次編譯只是對修改過的模塊編譯替換，所耗費(fèi)的時(shí)間并不多，因此可以對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行編譯，然后移植到節(jié)點(diǎn)中。完成系統(tǒng)移植之后，進(jìn)入系統(tǒng)通過iw list命令可以看到定義的DSRC頻段已經(jīng)可用，如圖2所示。

為了更好地對IEEE802.11p協(xié)議的性能做出評估，本文的實(shí)驗(yàn)在實(shí)際的車路環(huán)境下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)場景如圖3所示。

實(shí)驗(yàn)中使用的路由開發(fā)板的輸入電壓為12 V，輸入電流為2 A，其中電壓與一般的汽車電源的電壓相同，因此可以十分方便地找到電源供電。在IEEE802.11p協(xié)議中，174信道是用于公共安全的服務(wù)信道，因此節(jié)點(diǎn)之間的通信可以選擇174信道，模擬車輛單元(OBU)和路側(cè)單元(RSU)之間的通信。設(shè)置網(wǎng)卡的功率為30 dBm(1 W)，這與協(xié)議中允許的174信道的最大等效全向輻射功率值(EIRP)十分接近[14]，此時(shí)在該場景下兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的最大通信范圍不超過200 m。實(shí)驗(yàn)中在靜止和移動(dòng)兩種狀態(tài)下，分別對運(yùn)行IEEE802.11a協(xié)議和IEEE802.11p協(xié)議時(shí)的網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)進(jìn)行了測量和對比。

2.1節(jié)點(diǎn)靜止時(shí)的IEEE802.11p協(xié)議性能評估

在圖3中的0 m處放置一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為AP(無線接入點(diǎn))，另一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為Station(無線站點(diǎn))依次放置在50 m，100 m，150 m和200 m處。IEEE802.11a協(xié)議的最大速率54 Mbit/s，IEEE802.11p協(xié)議的最大速率為27 Mbit/s，因此為了方便對運(yùn)行不同協(xié)議時(shí)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量進(jìn)行比較，將節(jié)點(diǎn)的傳輸速率設(shè)置為運(yùn)行協(xié)議支持的最大速率。節(jié)點(diǎn)之間的發(fā)送速率和丟包率隨距離的變化情況如圖4、圖5所示。

從圖4中，運(yùn)行IEEE802.11p協(xié)議時(shí)的單位時(shí)間吞吐量在50 m和100 m兩點(diǎn)處都要低于IEEE802.11a協(xié)議。但是如圖3所示，在100 m和150 m之間的障礙物十分密集，而這些障礙物處在AP節(jié)點(diǎn)和Station節(jié)點(diǎn)通信的方向上，容易形成陰影衰落和多徑衰落[15]，導(dǎo)致了IEEE802.11a的單位時(shí)間吞吐量下降十分嚴(yán)重，反觀IEEE802.11p受到的影響則要小，使得其單位時(shí)間吞吐量最終超過了IEEE802.11p。在最遠(yuǎn)的200 m處，二者的單位時(shí)間吞吐量都變?yōu)?。整個(gè)過程中IEEE802.11p協(xié)議的單位時(shí)間吞吐量的變化要比IEEE802.11a平滑得多。從圖5可以看到，整個(gè)過程中IEEE802.11p的丟包率都要比IEEE802.11a的丟包率低。這兩個(gè)圖說明，在實(shí)際的環(huán)境下，存在各種各樣的障礙物的復(fù)雜地形，隨著距離的增加更容易形成多路徑效應(yīng)等干擾，此時(shí)使用IEEE802.11p協(xié)議通信相對于IEEE802.11a協(xié)議更可靠。

2.2節(jié)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)的IEEE802.11p協(xié)議性能評估

在圖3中的0 m處固定放置一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為AP，另一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為Station在道路上運(yùn)動(dòng)，節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)方向如圖中所示，節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度約為20 km/h。同時(shí)將兩個(gè)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行IEEE802.11a協(xié)議節(jié)點(diǎn)時(shí)的傳輸速率設(shè)置為最大值54 Mbit/s，運(yùn)行IEEE802.11p協(xié)議時(shí)的傳輸速率為最大值27 Mbit/s。測量節(jié)點(diǎn)移動(dòng)過程中單位時(shí)間吞吐量和丟包率的變化，如圖6、圖7所示。

為了更詳細(xì)地分析比較IEEE802.11a協(xié)議和IEEE802.11p協(xié)議在節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的丟包率，AP節(jié)點(diǎn)向Station節(jié)點(diǎn)發(fā)送ICMP ping包，統(tǒng)計(jì)Station節(jié)點(diǎn)從0 m移動(dòng)到200 m整個(gè)過程的丟包率，結(jié)果如圖8所示。

從圖6和圖7可以看到，在Station節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的情況下，分別運(yùn)行IEEE802.11a和IEEE802.11p兩種協(xié)議，所得到的節(jié)點(diǎn)的單位時(shí)間吞吐量和丟包率的變化都十分接近。這是因?yàn)?，與靜止時(shí)的情況不同，當(dāng)Station節(jié)點(diǎn)在寬闊的道路上移動(dòng)時(shí)，AP節(jié)點(diǎn)和Station節(jié)點(diǎn)通信的方向上障礙物要少得多，陰影衰落和多徑衰落要小得多。而且，由于Station節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度較小，多普勒頻移不太明顯[16]。但是，在整個(gè)過程中IEEE802.11p協(xié)議的丟包率都要比IEEE802.11a協(xié)議的低。

3結(jié)束語

本文為了對實(shí)際道路交通環(huán)境下的IEEE802.11p協(xié)議進(jìn)行研究，通過修改網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了車載通信使用的IEEE802.11p協(xié)議，并移植到Mikrotik RouterBoard 433AH路由開發(fā)板上運(yùn)行。在實(shí)際的道路場景中，在節(jié)點(diǎn)靜止和運(yùn)動(dòng)兩種情況下，對兩種協(xié)議的單位時(shí)間吞吐量和丟包率進(jìn)行了測量。結(jié)果顯示了IEEE802.11p協(xié)議在室外實(shí)際的道路環(huán)境下具有的性能優(yōu)勢。而且，隨著障礙物的增多，路況變得復(fù)雜時(shí)，IEEE802.11p協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸速率和丟包率方面都要比IEEE802.11a具有的優(yōu)勢更加明顯，即有效性和可靠性更高，能夠更好地保證車輛高速行駛時(shí)的通信需求。實(shí)際的測量數(shù)據(jù)也表明了本文通過修改網(wǎng)卡ath5k驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的IEEE802.11p協(xié)議達(dá)到了預(yù)期的性能，能夠滿足實(shí)際車路環(huán)境下的通信要求。

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全樹強(qiáng)(1989— )，碩士生，主研車載自組織網(wǎng)絡(luò)；

楊劍鋒(1976— )，副教授，主要研究方向?yàn)闊o線網(wǎng)絡(luò)與嵌入式系統(tǒng)，為本文通信作者；

高洵(1981— )，博士，講師，主研調(diào)度算法；

郭成城(1961— )，教授，博導(dǎo)，主研無線網(wǎng)絡(luò)和無線工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。

責(zé)任編輯：許盈

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.

中圖分類號：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.01.016

基金項(xiàng)目：國家“863”計(jì)劃項(xiàng)目(2012AA010904)；江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK2011345)；四川省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014SZ0107；2015GZ0333)；成都大學(xué)項(xiàng)目(20804)

作者簡介：

收稿日期：2015-10-10

文獻(xiàn)引用格式：全樹強(qiáng)，楊劍鋒，高洵，等.基于ath5k網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的車載網(wǎng)IEEE802.11p協(xié)議的研究[J].電視技術(shù)，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.