張釗 張嵩 羅悅齊 陳惠珍 王震 汪元景

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司，上海 201804）

主題詞：V2X應(yīng)用場景 DSRC 通信性能 道路測試 遮蔽效應(yīng)模型

1 前言

V2X（Vehicle-to-Everything）技術(shù)是當(dāng)前車輛交通領(lǐng)域極具潛力的發(fā)展方向，其在安全、交通效率、駕駛者便利性等各方面都帶來了顯著的提升[1-5]。V2X以車內(nèi)網(wǎng)、車際網(wǎng)和車載移動互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，按照約定的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)，在車與車（Vehicle-to-Vehicle，V2V）、車與路（Vehicle-to-Rode，V2R）、車與行人（Vehicle-to-Pedestrian，V2P）之間進(jìn)行通信。

目前，應(yīng)用最廣泛的V2X通信標(biāo)準(zhǔn)是基于IEEE 802.11p協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)和IEEE 1609標(biāo)準(zhǔn)的車載專用短程通信（Dedicated Short Range Communication，DSRC）技術(shù)。DSRC是專門為汽車應(yīng)用而設(shè)計的單向或雙向短程到中程無線通信通道及相應(yīng)的一組協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)。它能以非常高的速率傳輸數(shù)據(jù)，這對在基于通信的主動安全應(yīng)用中防止事故發(fā)生來說至關(guān)重要。DSRC主要有車與車（V2V）和車與基礎(chǔ)設(shè)施（Vehicle-to-Infrastructure，V2I）兩種類型，兩者都要求低延時和極端天氣條件下保

證無線接口的穩(wěn)定性。因此，DSRC的通信性能是保障V2X安全應(yīng)用功能可靠性的關(guān)鍵基礎(chǔ)。DSRC的主要通信性能參數(shù)包括時延和丟包率：由于網(wǎng)絡(luò)普遍采用分層設(shè)計，且上層需要調(diào)用下層，每層承擔(dān)不同的功能，因此每一層的時延有所不同；丟包率與數(shù)據(jù)包的發(fā)送速率、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、通信環(huán)境、距離、車速等諸多因素都有關(guān)系。在V2X的安全應(yīng)用功能中，對時延的要求存在于運算、通信、報警等多個階段。另一方面，考慮到V2X報警的高效性，安全報警既應(yīng)保證覆蓋所有危險工況，又應(yīng)減少誤報警和多余報警信息對駕駛員的干擾。由此可見，在實際應(yīng)用中，留給報警信息產(chǎn)生和傳遞的時間窗口很窄，因此，這也進(jìn)一步要求DSRC數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延需控制在較小范圍內(nèi)，或者要求可以精確控制其時延。在現(xiàn)有的研究中，已有一些針對DSRC的通信性能的測試[6-16]，這些研究主要集中在理論分析[17]、模型仿真[18-20]、實驗室內(nèi)場測試[1,21-22]等方面，而缺少基于V2X實際應(yīng)用場景的道路測試研究。因此，本文篩選了V2X應(yīng)用場景中對DSRC通信性能可能造成影響的關(guān)鍵因素，并在專用的“智能網(wǎng)聯(lián)汽車測評基地”測試場中實車測試研究了這些關(guān)鍵因素對DSRC通信性能的影響。

2 系統(tǒng)測試平臺架構(gòu)

2.1 主機時間同步

如圖1所示是測試系統(tǒng)平臺軟、硬件架構(gòu)，本系統(tǒng)基于網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（Network Time Protocol，NTP）實現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)多臺測試主機間的時間同步，以保證多臺主機間通信時延測試的可靠性。本研究采用的時間同步工作方式是“客戶端/服務(wù)器”模式，客戶端周期性地向服務(wù)器發(fā)送NTP同步請求報文，服務(wù)器返回響應(yīng)，通過兩邊報文的發(fā)送和接收，可以獲取到4個時間戳，即客戶端向服務(wù)器發(fā)送報文的時間T1、服務(wù)器收到客戶端發(fā)送的報文的時間T2、服務(wù)器返回響應(yīng)報文的時間T3以及客戶端收到響應(yīng)報文的時間T4。根據(jù)4個時間戳便可計算出服務(wù)器與客戶端之間的時鐘偏差θ和NTP報文的往返路徑時延γ：

式中，α、β分別為報文從客戶端到服務(wù)器和從服務(wù)器到客戶端的時延。

圖1 測試系統(tǒng)平臺軟、硬件架構(gòu)

NTP的同步精度主要受到操作系統(tǒng)協(xié)議棧引入的時延抖動、網(wǎng)絡(luò)傳播時延誤差和時鐘頻率偏差引入的誤差影響。

2.2 網(wǎng)絡(luò)測試系統(tǒng)架構(gòu)

本研究采用iPerf作為網(wǎng)絡(luò)性能測試工具，用以測試用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）通信質(zhì)量，包括時延和丟包率。配置的工作機制見圖1，將其中一臺主機設(shè)置為客戶端，另一臺設(shè)置為服務(wù)器。iPerf打開服務(wù)器進(jìn)行監(jiān)聽，再打開客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)到服務(wù)器，解析環(huán)境變量或命令行參數(shù)，根據(jù)參數(shù)判斷iPerf是服務(wù)器還是客戶端，并進(jìn)入相應(yīng)的處理流程。iPerf測試UDP性能時，客戶端可以指定UDP數(shù)據(jù)流的速率?？蛻舳税l(fā)送數(shù)據(jù)時，將根據(jù)客戶端提供的速率計算數(shù)據(jù)報發(fā)送的時延?？蛻舳诉€可以指定發(fā)送數(shù)據(jù)報的大小。發(fā)送的每個數(shù)據(jù)報包含1個ID號，作為報文的唯一標(biāo)識，服務(wù)器端根據(jù)該ID號確定數(shù)據(jù)報是否存在丟失和亂序。當(dāng)UDP報文大小設(shè)置為可以將整個報文放入IP層的包（packet）內(nèi)時，UDP所測得的報文丟失數(shù)據(jù)即為IP層包的丟失數(shù)據(jù)，這提供了測試包丟失情況的一個有效方法。數(shù)據(jù)報傳輸時延的測試由服務(wù)器端完成，客戶發(fā)送的報文數(shù)據(jù)包含發(fā)送時間戳，服務(wù)器根據(jù)該時間信息和接收到報文的時間戳計算傳輸時延。在本研究中，如果一個數(shù)據(jù)包在某層的內(nèi)部發(fā)生重傳，則重傳的延時計入本層傳輸時延，測試程序本身無須關(guān)心發(fā)生于底層的重傳。

3 測試方法

3.1 測試場地

為了模擬真實道路條件下的V2X安全應(yīng)用功能所面對的場景，同時保障道路試驗的安全性，本研究在智能網(wǎng)聯(lián)汽車測評基地的封閉試車場中進(jìn)行。如圖2所示，該基地涵蓋了模擬的高速路、城市道路、鄉(xiāng)村道路和開闊地等道路條件，交通環(huán)境涵蓋建筑物、樹木、城市綠化帶、道路護(hù)欄等多種道路環(huán)境設(shè)施。在封閉的專用測試場中進(jìn)行測試既可以模擬真實道路環(huán)境中的各種關(guān)鍵場景，又可以最大限度地排除其它干擾因素，保障測試結(jié)果的可重復(fù)性和可對比性。

圖2 上汽-同濟智能網(wǎng)聯(lián)汽車測評基地

3.2 測試方案

本研究測試了車-車通信，即車載單元（On Board Unit，OBU）之間的通信，以及車-路通信，即OBU與路邊單元（Road Side Unit，RSU）之間的通信性能。OBU分別搭載在2輛測試車輛上，RSU安裝在路側(cè)燈桿上，相對地面高度為5 m。為了分析V2X不同應(yīng)用場景下的性能，選取了車輛運動狀態(tài)、車輛距離和障礙物類型3個方面的因素，研究這些場景因素對DSRC通信性能的影響。為了便于參數(shù)化分析，將運動狀態(tài)用“動態(tài)系數(shù)”表征，如表1所示，動態(tài)系數(shù)從0到1變化，0表示2個被測對象處于靜止?fàn)顟B(tài)，1表示2個被測對象具有較高的相對速度，并受到障礙物的阻礙。表中低速、中速、高速分別定義為相對速度20 km/h、40 km/h和60 km/h，障礙物為建筑。對于表1中的6個不同動態(tài)系數(shù)，各在100 m、200 m、300 m、400 m等4個不同距離下進(jìn)行了測試。在研究障礙物類型的影響時，選取了建筑、綠化帶、金屬護(hù)欄。對于每種障礙物類型，也各在100 m、200 m、300 m、400 m等4個距離條件下進(jìn)行了測試。

表1 動態(tài)系數(shù)定義

在測試中，發(fā)包率設(shè)置為每分鐘500個包，發(fā)送固定字節(jié)數(shù)據(jù)包100個，每個工況均經(jīng)過5次重復(fù)測試，選取測試結(jié)果的平均值作為丟包率最終結(jié)果。多次連續(xù)發(fā)送固定字節(jié)，測出時延，取其平均值作為時延的結(jié)果。傳輸時延的計算只考慮了成功接受的數(shù)據(jù)包，因此丟失的數(shù)據(jù)包不計入傳輸時延的計算。

4 試驗結(jié)果分析

4.1 V2V通信距離與動態(tài)系數(shù)對通信性能的影響

V2V通信場景下，距離和車輛動態(tài)系數(shù)對時延和丟包率的影響如圖3所示。

圖3 V2V場景下車輛距離與動態(tài)系數(shù)對通信性能的影響

兩車動態(tài)系數(shù)較小時，在400 m的范圍內(nèi)，距離的增加幾乎不會導(dǎo)致時延的顯著增長，時延均穩(wěn)定在5.1～5.6 ms。測量到的最大時延為7.2 ms，出現(xiàn)在動態(tài)系數(shù)和距離都很大的情況下。這表明，對于V2V通信，距離過遠(yuǎn)并且受到障礙物阻隔是造成時延顯著增加的主要原因。

相對于時延，丟包率對車輛距離更加敏感，即使在動態(tài)系數(shù)為0的情況下，丟包率隨距離的變化也非常顯著。另一方面，丟包率隨動態(tài)系數(shù)的增長也較為明顯，尤其是在當(dāng)動態(tài)系數(shù)達(dá)到1時（有障礙物），丟包率突然顯著增大，從圖中可以看出，當(dāng)距離為100 m時，動態(tài)系數(shù)從0變化到0.8的狀態(tài)下，丟包率幾乎沒有變化，均在0.5%左右波動，而當(dāng)動態(tài)系數(shù)達(dá)到1時，丟包率顯著增長到4.8%，這表明，相對于運動狀態(tài)的影響，丟包率受障礙物阻礙的影響更明顯。

4.2 V2I通信距離與動態(tài)系數(shù)對通信性能的影響

V2I通信場景下距離和車輛動態(tài)系數(shù)對時延和丟包率的影響如圖4所示。

圖4 V2I場景下車輛距離與動態(tài)系數(shù)對通信性能的影響

OBU與RSU之間通信的效果與V2V通信的規(guī)律相似，但測到的時延總體上更大，達(dá)到了5～6.5 ms。在動態(tài)系數(shù)小的情況下，時延受到通信距離的影響也比較明顯。同樣，隨著障礙物的出現(xiàn)，時延也較高。

相對于對時延的影響，距離因素對V2I通信丟包率的影響更為顯著。通過對比不同的動態(tài)系數(shù)對丟包率的影響，可以看到，車輛運動狀態(tài)對丟包率的影響相對較小，在同樣的距離下，不同動態(tài)系數(shù)對應(yīng)的丟包率相近。在有障礙物阻礙的情況下，距離較近時，丟包率受障礙物的影響較小，而在距離較大時，障礙物的存在會導(dǎo)致丟包率的顯著提高。

4.3 V2V應(yīng)用場景中不同類型障礙物對通信性能的影響

如圖5所示，對比了3種不同障礙物對V2V通信時延和丟包率的影響，分別是建筑、綠化帶和金屬護(hù)欄。

圖5 3種不同障礙物對V2V通信性能的影響

從圖5a可以看出，在通信距離較近的情況下，3種障礙物對時延的影響差異較小。隨著通信距離的增大，3種障礙物造成的時延差異也更加明顯。受建筑物阻擋，時延隨著距離的增加而顯著增大，綠化帶造成的時延增加略高于金屬護(hù)欄。

如圖5b所示，3種障礙物對V2V通信的丟包率影響有顯著的差異。首先，建筑物造成的丟包率在100～400 m的通信范圍內(nèi)，總體上高于綠化帶和金屬護(hù)欄造成的丟包率。另一方面，隨著距離的增長，建筑物導(dǎo)致的丟包率增長最為明顯，綠化帶次之，金屬護(hù)欄阻礙條件下，丟包率隨距離的增長率相對較小，在400 m時，丟包率約為4%。

4.4 障礙物及距離對通信性能影響的機理分析

基于路徑損耗理論，無線電傳輸過程中隨著傳輸距離的增加而逐漸衰減[23]；另一方面，無線通道產(chǎn)生的遮蔽效應(yīng)闡釋了當(dāng)障礙物出現(xiàn)在信號傳輸路徑上時，將發(fā)生顯著的衰減[23]?，F(xiàn)有研究中，從機理出發(fā)分析障礙物和距離對通信性能影響的研究方法主要有3類建模仿真方法：Ray-tracing方法[24-27]，是自下而上的建模方法，理論上最真實地模擬了信號傳輸和衰減過程，但其對計算需求量很大；Stochastic方法[28-30]，是一種基于概率的宏觀建模方法；經(jīng)驗?zāi)Ｐ头椒╗31-34]，其優(yōu)勢是計算量小，常用試驗數(shù)據(jù)擬合模型參數(shù)。

根據(jù)路徑損耗理論，無線電傳輸中的接收信號強度可由冪律模型表達(dá)：

式中，R為信號強度；d為通信距離；ε為表征維度的參數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[35]，在V2V場景下，可取ε=2.2；λ為波長。

波長的計算公式為：

式中，c為光速；f為無線電波頻率。

為了在模型中表達(dá)障礙物對信號衰減的影響，對上述冪律模型取對數(shù)推導(dǎo)，并加入遮蔽效應(yīng)項：

式中，P為信號傳輸功率；P0為參考距離下的功率；Xσ表示基于遮蔽效應(yīng)，信號衰減項符合以σ為標(biāo)準(zhǔn)差的正態(tài)分布。

根據(jù)文獻(xiàn)[35]的研究，可以將式（5）參數(shù)化表達(dá)為障礙物內(nèi)部特性、厚度及數(shù)量的影響：

式中，κ為障礙物每層墻體造成的信號衰減量，nob為障礙物墻體層數(shù)，κ·nob表征了障礙物內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響；η為障礙物的單位厚度造成的信號衰減量，表征了障礙物材料特性的影響。

基于上述理論模型，計算出的不同頻率無線信號強度隨距離的變化如圖6所示。隨著距離的增大，接收信號強度（RSS）減小，在400 m范圍內(nèi)，信號衰減顯著。對于DSRC，因基于5.9 GHz頻段，頻率較高，信號衰減相對更大。而接收信號衰減度則與DSRC的丟包率正相關(guān)，該理論解釋了測試結(jié)果所顯示的丟包率隨著距離的增大而顯著升高的機理。

圖6 基于路徑損耗理論計算的不同頻率無線信號強度隨距離的變化

如圖7所示，是障礙物特性系數(shù)及距離對5.9 GHz無線信號強度衰減的影響。隨著特性系數(shù)κ和η的增大，在相同的距離下，接收信號強度顯著降低，表明障礙物的材料類型、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及厚度對信號衰減有顯著影響。針對本文的V2X場景分析，建筑物總體厚度較大，并且內(nèi)部通常存在多層墻壁，因此模型中的特性參數(shù)η和κ·nob都較大，根據(jù)圖7所示，其信號衰減最強，因此解釋了圖5b中所示的建筑物造成的丟包率最高。

5 結(jié)束語

本研究基于試驗測試了不同V2X應(yīng)用場景下DSRC的時延和丟包率。并且基于路徑損耗理論和遮蔽效應(yīng)理論建立了數(shù)學(xué)模型，針對試驗場景所涉及的通信距離、車輛運動狀態(tài)、障礙物類型3個方面的因素計算并闡釋了試驗結(jié)果的內(nèi)在機理。

本研究所發(fā)現(xiàn)的DSRC通信性能在不同應(yīng)用場景下的衰減，揭示了基于DSRC的V2X功能的局限性。特別是在城市道路工況中應(yīng)用時，大量的建筑物等復(fù)雜遮蔽環(huán)境，將導(dǎo)致V2X功能的可靠性下降。因此，對未來的V2X功能應(yīng)用，應(yīng)該考慮在通信性能上予以加強，例如采用基于5G標(biāo)準(zhǔn)的蜂窩通信技術(shù)。

致謝

本研究的試驗工作獲得了同濟大學(xué)電信學(xué)院王平教授及其研究團(tuán)隊的支持，本文的理論分析得到了密歇根大學(xué)機械工程學(xué)院黃夏南博士的指導(dǎo)，特此表示感謝。