劉 杰，雷劍梅，，陳 旭，曾令秋，田 甜

（1.中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122；2汽車噪聲振動(dòng)和安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401122；3.重慶大學(xué) 微電子與通信工程學(xué)院，重慶 400044；4.重慶理工大學(xué) 車輛工程學(xué)院，重慶 400054）

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，智能網(wǎng)聯(lián)汽車具有非常復(fù)雜精細(xì)的車載系統(tǒng)，包括ADAS、移動(dòng)通信、無(wú)線局域網(wǎng)、GPS、ECALL、遙控鑰匙以及V2X（Vehicle to Everything）網(wǎng)聯(lián)系統(tǒng)等［1］。V2X網(wǎng)聯(lián)系統(tǒng)測(cè)試涉及汽車和通信2個(gè)領(lǐng)域，面臨嚴(yán)峻的測(cè)試?yán)砟钊诤蠁?wèn)題。

V2X相關(guān)應(yīng)用的性能是汽車廠商和消費(fèi)者非常關(guān)心的問(wèn)題，也是科研領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)［2-5］，在過(guò)去的幾年里，研究人員和測(cè)試機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)了道路外場(chǎng)測(cè)試方案，并修建了相應(yīng)的道路測(cè)試場(chǎng)地，典型測(cè)試場(chǎng)如美國(guó)密歇根州的Mcity［6］、瑞典的AstaZero以及中國(guó)重慶的I-VISTA和上海的國(guó)家智能網(wǎng)聯(lián)汽車示范區(qū)等。外場(chǎng)測(cè)試一般包括2個(gè)層面的測(cè)試，即硬件在環(huán)仿真測(cè)試和實(shí)際道路測(cè)試，在環(huán)測(cè)試簡(jiǎn)單、可重復(fù)性好，測(cè)試成本低，但測(cè)試結(jié)果可靠性存疑；實(shí)際道路測(cè)試能夠反映智能駕駛系統(tǒng)的實(shí)際工作表現(xiàn)，但測(cè)試周期長(zhǎng)，場(chǎng)景有限，效率較低，且故障不可再現(xiàn)，可重復(fù)性差。以上種種使得各大汽車廠商對(duì)測(cè)試結(jié)果信心缺乏，但并無(wú)更好的解決方案。2019年3月美國(guó)的大規(guī)模外場(chǎng)測(cè)試出現(xiàn)成片通信失效現(xiàn)象，引起了業(yè)界和學(xué)術(shù)界的普遍關(guān)注。由于外場(chǎng)環(huán)境難以再現(xiàn)，難于追蹤問(wèn)題原因，但業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為通信失效應(yīng)與電磁輻射以及信道特性有關(guān)，基于此，本研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為除硬件在環(huán)仿真測(cè)試和實(shí)際道路測(cè)試之外，還需增加V2X暗室測(cè)試環(huán)節(jié)，通過(guò)構(gòu)建一個(gè)具備測(cè)試可重復(fù)性、電磁環(huán)境可控的室內(nèi)測(cè)試環(huán)境，在某種設(shè)定的電磁條件下，通過(guò)添加各種通信性能參數(shù)，對(duì)V2X設(shè)備進(jìn)行重復(fù)測(cè)試，確保相關(guān)應(yīng)用的有效性和可靠性。

在過(guò)去的幾年中，本研究團(tuán)隊(duì)一直致力于智能網(wǎng)聯(lián)汽車實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法的研究，并提出了一種用于ICV（intelligent connected vehicle，智能聯(lián)網(wǎng)車輛）的半虛擬測(cè)試方法［7］；設(shè)計(jì)了一個(gè)通信性能預(yù)測(cè)試平臺(tái)，用于評(píng)價(jià)車輛多頻無(wú)線終端的抗擾性能［8-11］。在前期研究基礎(chǔ)上，本文重點(diǎn)分析了影響無(wú)線通信性能的多種因素，如電磁場(chǎng)環(huán)境、多徑傳播、多普勒頻移和雨霧衰減等，并以之為基礎(chǔ)研究道路場(chǎng)景參數(shù)模型，將其用于指導(dǎo)暗室內(nèi)測(cè)試環(huán)境配置，最后通過(guò)整車測(cè)試驗(yàn)證了方法的可行性和有效性。

1 測(cè)試條件分析

本文提出的測(cè)試方案主要考慮了3個(gè)影響網(wǎng)聯(lián)性能表現(xiàn)的因素，即電磁場(chǎng)環(huán)境特性、信道衰減特性和天氣條件，下面分別予以詳述。

1.1 電磁場(chǎng)環(huán)境特性

車輛在行駛中面臨的電磁場(chǎng)環(huán)境異常復(fù)雜，外場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，電磁干擾對(duì)網(wǎng)聯(lián)性能影響較大，例如當(dāng)車輛行駛經(jīng)過(guò)短波電臺(tái)天線塔附近時(shí)曾發(fā)生動(dòng)力丟失，高鐵經(jīng)過(guò)時(shí)也曾出現(xiàn)網(wǎng)聯(lián)功能異常。本文重點(diǎn)考慮的車外電磁輻射源包括無(wú)線電廣播站、通信基站、變電站、電動(dòng)車充電站、高鐵線路、高壓線、雷達(dá)等，車內(nèi)電磁輻射源包括手機(jī)、對(duì)講機(jī)、充電器、平板電腦等，其頻率范圍從工頻到GHz，電磁場(chǎng)環(huán)境特性如表1所示。

表1 電磁場(chǎng)環(huán)境特性

1.2 信道衰減特性

1）環(huán)境因素

城市中的車輛相互通信性能很大程度上取決于街道建筑物的寬高比和對(duì)稱性，以及圍繞線源的街區(qū)的形狀和建筑高度分布。本文重點(diǎn)考慮街道建筑特征參數(shù)，包括建筑物墻體高度和反射系數(shù)，相應(yīng)的特性如表2所示。

表2 建筑物高度和反射面特性

2）多普勒頻移

多普勒頻移可用式（1）表示，

式中：vA和vB分別是源車輛A和目標(biāo)車輛B的速度；αA和αB是相應(yīng)車輛的天線仰角；c0是無(wú)線電波的傳播速度。多普勒頻移和丟包率之間的關(guān)系如圖1所示。

本文設(shè)定兩車之間的相對(duì)速度為60和120 km／h，場(chǎng)景分別對(duì)應(yīng)于市區(qū)和高速公路，由式（1）計(jì)算可得多普勒頻移分別等于300和600 Hz。由圖1可得相應(yīng)的信噪比（signal to noise ratio，SNR）損耗為1和4 dB。

1.3 天氣條件

雨霧衰減也是影響無(wú)線通信質(zhì)量的重要因素，根據(jù)參考文獻(xiàn)［9］ITU-R P.838-1定義的雨霧衰減的評(píng)估方法，可根據(jù)式（2）計(jì)算得出不同通信頻率的雨霧衰減值。

式中：YR為雨衰（dB／km）；R為降雨量（mm／h）；k和α為頻率相關(guān)系數(shù)。

計(jì)算可得5.9 GHz的頻率時(shí)，降雨量為5、30和150 mm／h條件下的雨衰值，如表3所示，此處假設(shè)傳播路徑為水平路徑，極化方式為圓極化。

表3 雨衰

2 暗室測(cè)試方案的設(shè)計(jì)

本文提出網(wǎng)聯(lián)性能暗室內(nèi)的測(cè)試方案，其主要目的在于評(píng)估帶有V2X網(wǎng)聯(lián)部件車輛在復(fù)雜環(huán)境下的網(wǎng)聯(lián)性能表現(xiàn)。測(cè)試方案設(shè)計(jì)主要包括3個(gè)主要內(nèi)容，即測(cè)試用例的定義（關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置）、測(cè)試設(shè)置和測(cè)試流程設(shè)計(jì)。

2.1 測(cè)試用例定義

測(cè)試用例定義的關(guān)鍵是定義測(cè)試場(chǎng)景，測(cè)試場(chǎng)景包括道路場(chǎng)景和環(huán)境場(chǎng)景，本文考慮的道路場(chǎng)景包括城市道路、高速公路和鄉(xiāng)村公路3類，重點(diǎn)考量散射環(huán)境影響，進(jìn)一步對(duì)3種道路場(chǎng)景進(jìn)行細(xì)分，可分為4類場(chǎng)景，即城市直道、城市交叉道路、高速直道、鄉(xiāng)村直道，在這4種道路場(chǎng)景基礎(chǔ)上，再考慮環(huán)境因素，本文考慮4種環(huán)境因素，即電磁場(chǎng)環(huán)境、建筑物散射、多普勒頻移和雨衰，4種道路場(chǎng)景對(duì)應(yīng)的環(huán)境因素影響特性如表4所示。

表4 測(cè)試場(chǎng)景考慮的因素

根據(jù)表4參數(shù)可計(jì)算得到不同道路場(chǎng)景條件下因多普勒頻移導(dǎo)致的信號(hào)衰落，信道衰減特性可根據(jù)不同建筑物高度條件下的衰落特性計(jì)算。

本文中直道和交叉路口衰落特性根據(jù)3GPP TR36.885的Annex A計(jì)算，直道計(jì)算公式為：

直道場(chǎng)景如圖2所示。

交叉路口采用曼哈頓模型計(jì)算NLOS（無(wú)視野）損耗，它與散射特性的影響有關(guān)，NLOS計(jì)算公式為：

式中，

PLLOS（dk）代表直射路徑損耗，其計(jì)算方法見(jiàn)式（3），d1和d2所代表的含義如圖3（a）所示，兩車的相對(duì)位置關(guān)系如圖3（b）所示。

本文以直道場(chǎng)景為例設(shè)計(jì)測(cè)試流程，由于城市道路散射特性相對(duì)復(fù)雜，根據(jù)式（3）和（4）計(jì)算得到的衰落特性往往與實(shí)際情況存在較大偏差，因此項(xiàng)目組選擇采用外場(chǎng)測(cè)試獲取參數(shù)，經(jīng)過(guò)實(shí)際勘探后，項(xiàng)目組選擇中等高度的建筑物區(qū)域直道進(jìn)行測(cè)量，道路其中一邊為強(qiáng)反射面玻璃幕墻，測(cè)試系統(tǒng)如圖4（a）所示，測(cè)試地點(diǎn)如圖4（b）所示，被測(cè)車輛向同一方向分別以V1和V2的速度行駛。測(cè)量時(shí)，信號(hào)源頻率為5 915.000 MHz，輸出功率為-30.0 dBm，天線高度為2 m，天線增益為-11.4 dBi，功放增益為43.6 dB，天線口徑面發(fā)射功率為25.0 dBm，線纜損耗為0.8 dB，測(cè)量參數(shù)及測(cè)試結(jié)果如表5所示。

表5 測(cè)量參數(shù)及測(cè)試結(jié)果

2.2 測(cè)試設(shè)置

交通管理部門(mén)和汽車行業(yè)都希望在不久的將來(lái)可以在所有公路車輛上安裝支持各種信息交換模式的新一代車載終端，例如衛(wèi)星、蜂窩電話、V2X和藍(lán)牙等。在本文中，我們使用基于專用DSRC（dedicated short range communications，短程通信技術(shù)）的V2X組件作為DUT（device under test，DUT被測(cè)設(shè)備）來(lái)驗(yàn)證所提出的測(cè)試方案的有效性。

暗室中的測(cè)試布置如圖5所示，通信測(cè)試儀CMW500與暗室內(nèi)的通信天線相連，用于建立DUT的通信鏈路并監(jiān)視通信性能參數(shù)。另一個(gè)V2X組件用作測(cè)試模塊，其BSM（basic safety message）信息，如GSP位置和速度，由控制器B設(shè)置。V-Box是一個(gè)數(shù)據(jù)采集器，用于采集DUT的輸出數(shù)據(jù)包，通過(guò)硬連線連接到筆記本電腦以太網(wǎng)。筆記本電腦用于收集數(shù)據(jù)，并將其保存為數(shù)據(jù)包捕獲文件，這些數(shù)據(jù)文件在后期處理過(guò)程中被解析。解析的數(shù)據(jù)包含位置、速度、加速度、航向、跟蹤和應(yīng)用響應(yīng)數(shù)據(jù)等。

2.3 測(cè)試流程設(shè)計(jì)

本文提出的測(cè)試方案目的是驗(yàn)證DUT的性能是否受外部環(huán)境的影響而導(dǎo)致功能失效。導(dǎo)致V2X應(yīng)用功能失效的原因有二，其一為通信功能失效，其二為響應(yīng)功能失效，本文提出的測(cè)試方法包括通信性能測(cè)試和應(yīng)用響應(yīng)測(cè)試兩個(gè)步驟；由于V2X應(yīng)用需在確保通信性能的基礎(chǔ)上才能正常響應(yīng)，因此首先測(cè)試通信性能，并選擇通信性能正常的測(cè)試設(shè)置場(chǎng)景再進(jìn)行應(yīng)用響應(yīng)測(cè)試，即先檢測(cè)通信相關(guān)故障，再檢測(cè)應(yīng)用相關(guān)故障。

如圖5所示，RV（remote vehicle，遠(yuǎn)端車輛）信號(hào)由放置在室外的V2X組件產(chǎn)生，控制器B用于設(shè)置相應(yīng)的傳輸參數(shù)，這些參數(shù)由測(cè)試環(huán)境和應(yīng)用的特性決定。通信綜測(cè)儀接收來(lái)自DUT的信號(hào)，并用于測(cè)試通信性能參數(shù)。放置在室外的控制器A用于設(shè)定DUT的發(fā)射參數(shù)。V-box和相應(yīng)的數(shù)據(jù)收集器用于收集應(yīng)用程序響應(yīng)狀態(tài)。測(cè)試前，需要首先校準(zhǔn)測(cè)試天線和通信天線的覆蓋范圍，以確保DUT能夠與它們通信。

本文設(shè)計(jì)了2種測(cè)試流程，即通信性能測(cè)試流程和應(yīng)用性能測(cè)試流程。

2.3.1 通信性能測(cè)試

通信性能測(cè)試旨在獲得設(shè)定運(yùn)行條件下的通信性能參數(shù)。詳細(xì)測(cè)試步驟設(shè)置如下。

步驟1：建立通信鏈路

在此步驟中，通信綜測(cè)儀用于與配備V2X模型的車輛建立通信鏈路。綜測(cè)儀向DUT發(fā)送命令，相應(yīng)的通信天線收集DUT發(fā)送的信號(hào)，然后發(fā)送解調(diào)數(shù)據(jù)包回綜測(cè)儀?？刂破鰽通過(guò)以太網(wǎng)連接到DUT以設(shè)置傳輸參數(shù)，傳輸參數(shù)應(yīng)根據(jù)外場(chǎng)測(cè)試結(jié)果確定，此處主要考慮市區(qū)、高速公路和農(nóng)村地區(qū)。

步驟2：設(shè)置電磁場(chǎng)環(huán)境

通信鏈路建立后，就可以在暗室內(nèi)施加電磁場(chǎng)來(lái)模擬外界電磁場(chǎng)環(huán)境。電磁場(chǎng)的參數(shù)設(shè)置可以參照電磁抗擾測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)ISO11451-2：2015——道路車輛對(duì)窄帶輻射電磁能的抗擾性試驗(yàn)方法［10］和SAE J1551-17-2015［11］。

步驟3：通信性能分析

在步驟3中主要是監(jiān)控和驗(yàn)證通信性能是否會(huì)在外部電磁場(chǎng)下受損。在此步驟中，通信綜測(cè)儀用于監(jiān)視通信性能參數(shù)，例如數(shù)據(jù)包丟率和吞吐量。注意，在正式測(cè)試之前，為了確定暗室內(nèi)無(wú)線信號(hào)全覆蓋，即應(yīng)首先進(jìn)行信號(hào)覆蓋特性測(cè)試。

2.3.2 應(yīng)用性能測(cè)試

該測(cè)試旨在評(píng)估在設(shè)定操作條件下的應(yīng)用性能。詳細(xì)測(cè)試步驟設(shè)置如下。

步驟1：通信鏈路建立

在該步驟中，室外V2X組件用于與DUT車輛建立通信鏈路，室外V2X組件將BSM 發(fā)送到DUT，相應(yīng)的通信天線收集DUT發(fā)送的信號(hào)，然后將其發(fā)送回綜測(cè)儀解調(diào)數(shù)據(jù)包?？刂破鰾通過(guò)以太網(wǎng)連接到外部V2X組件，用于設(shè)置傳輸參數(shù)，傳輸參數(shù)應(yīng)根據(jù)外場(chǎng)實(shí)際測(cè)試值確定。

步驟2：設(shè)置電磁場(chǎng)環(huán)境

該步驟同2.3.1節(jié)步驟2。

步驟3：應(yīng)用性能分析

在外部電磁場(chǎng)和固定場(chǎng)景下，應(yīng)用程序響應(yīng)是否正常將進(jìn)行監(jiān)視和驗(yàn)證。在此步驟中，V-box和數(shù)據(jù)收集器用于監(jiān)視應(yīng)用程序性能和輸出測(cè)試結(jié)果。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

3.1 通信性能測(cè)試

面向通信性能的測(cè)試包括2種參數(shù)設(shè)置，一種是電磁場(chǎng)強(qiáng)度等級(jí)的設(shè)置；另一種是對(duì)應(yīng)于信道衰減的SNR設(shè)置。

電磁場(chǎng)的參數(shù)設(shè)置可參照電磁抗擾測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)ISO11451-2和SAE J1551-17，根據(jù)表1設(shè)置頻率和強(qiáng)度值，磁場(chǎng)抗擾測(cè)試、電場(chǎng)抗擾測(cè)試分別如圖6、7所示。

在考慮中型城市城區(qū)直路的情景，并假設(shè)RV和HV（Host Vehicle，主車輛）之間的初始距離是200 m，RV的速度為0 km／h，HV的速度為60 km／h。RV位于HV同一車道的正前方。根據(jù)V2X組件供應(yīng)商的建議，初始SNR分別設(shè)置為-4、0、4、8、12、16、20、24、28 dB。請(qǐng)注意，V2X組件供應(yīng)商承諾，產(chǎn)品在所有上述SNR值下都能正常工作。根據(jù)表5中列出的測(cè)試結(jié)果，可將路徑衰落值設(shè)為94.5 dBm。將多普勒頻移SNR衰減設(shè)置為1 dB，假設(shè)最壞情況下的降雨量為150 mm／h，水平路徑為200 m，可計(jì)算出雨衰值，即1 dB，綜上所述，最后設(shè)定信噪比為-6.094、-2.094、1.906、5.906、9.906、13.906、17.906、21.906、25.906，相應(yīng)的測(cè)試參數(shù)設(shè)置如表6所示。

表6 測(cè)試參數(shù)設(shè)置

通信性能測(cè)試結(jié)果如圖8所示，結(jié)果表明：環(huán)境電磁場(chǎng)強(qiáng)度和信噪比都會(huì)影響通信性能。待測(cè)設(shè)備DUT廠家提供的應(yīng)用響應(yīng)PDR閾值為60%，即PDR值高于60%的測(cè)試被認(rèn)為通信性能正常，否則視為異常，因此本測(cè)試選擇PDR 閾值等于60%。

3.2 應(yīng)用性能測(cè)試

以前向碰撞預(yù)警（forward collision warning，F(xiàn)CW）應(yīng)用進(jìn)行測(cè)試。在測(cè)試場(chǎng)景中，HV的速度設(shè)定為60 km／h，即17 m／s，RV和HV之間的初始距離設(shè)定為200 m。此處假設(shè)在RV和HV接近過(guò)程中僅發(fā)生縱向坐標(biāo)變化。如果DUT的位置坐標(biāo)設(shè)置為（x，y），則室外的初始位置坐標(biāo)V2X組件應(yīng)設(shè)置為（x，y+200 m）。根據(jù)DSRC標(biāo)準(zhǔn)，BSM每0.1 s發(fā)送1次，然后，控制器B控制室外V2X組件的縱向坐標(biāo)以1.7 m／0.1 s做相應(yīng)改變。根據(jù)前述的測(cè)試結(jié)果，有6組設(shè)置的通信功能正常。應(yīng)用性能測(cè)試必須在通信功能正常的前提下進(jìn)行，因此以通信功能正常的6組參數(shù)測(cè)試應(yīng)用程序性能。每個(gè)參數(shù)組測(cè)試FCW 響應(yīng)10次。注意，由于路徑衰減值隨著HV接近RV而減小，因此相應(yīng)的SNR值也將隨之增加?？刂破鰾應(yīng)根據(jù)RV和HV之間的距離調(diào)整實(shí)時(shí)SNR設(shè)置。相應(yīng)的測(cè)試參數(shù)見(jiàn)表7。

表7 應(yīng)用測(cè)試參數(shù)

50μT磁場(chǎng)抗擾和30 V／m電場(chǎng)抗擾情況下的測(cè)試結(jié)果如圖9所示，所有距離碰撞時(shí)間（time to collision，TTC）值都高于FCW TTC閾值（2.1 s），輸出TTC值范圍6.97～7.14 s。每個(gè)設(shè)置組的TTC變換范圍為0.03～0.04 s，短于BSM傳輸時(shí)間間隔。由此可知測(cè)試輸出是穩(wěn)定的，即可驗(yàn)證本文提出測(cè)試方案的有效性。另外，測(cè)試結(jié)果表明：凡通信性能表現(xiàn)滿足要求的測(cè)試場(chǎng)景均能獲得正常的應(yīng)用響應(yīng)輸出，因此可證明DUT廠商提供的指標(biāo)是可信的。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了裝備有V2X組件的車輛在暗室內(nèi)的場(chǎng)景試驗(yàn)方案。在該方案中，考慮了面向通信的測(cè)試和面向應(yīng)用的測(cè)試。在測(cè)試方案設(shè)計(jì)中考慮了電磁場(chǎng)特征、信道衰落特征和天氣條件。為了驗(yàn)證所提方案的有效性，在中國(guó)汽車工程研究院EMC實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了FCW 場(chǎng)景測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：測(cè)試輸出穩(wěn)定、測(cè)試重復(fù)性好。本文僅進(jìn)行了FCW 實(shí)驗(yàn)。在未來(lái)的工作中，將重新構(gòu)建表4中列出的所有測(cè)試場(chǎng)景并完成相應(yīng)的測(cè)試。