（交通運輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088）

0 引言

車路協(xié)同系統(tǒng)基于無線通信、傳感器檢測等技術(shù)進(jìn)行車路信息獲取，通過車車、車路信息交互和共享，實現(xiàn)車輛和基礎(chǔ)設(shè)施之間智能協(xié)同，達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)資源、提高道路交通安全性、緩解交通擁堵的目標(biāo)[1]。在車路協(xié)同環(huán)境下，可依靠Wi-Fi[2]、專用短程通信技術(shù)（Dedicated Short Range Communications,DSRC）[3]等無線通信技術(shù)進(jìn)行信息傳輸?？煽俊踩?、暢通的信息傳輸是整個車路協(xié)同系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)的必要條件，因此有必要對車路協(xié)同系統(tǒng)信息交互性能進(jìn)行測試，評價其在實際應(yīng)用中的可行性。

國內(nèi)外學(xué)者近年來不斷研究測試不同通信技術(shù)下車路協(xié)同系統(tǒng)信息交互的性能指標(biāo)及影響因素。國外對車路協(xié)同系統(tǒng)的研究開展較早且較為全面，多采用DSRC 通信方式進(jìn)行信息交互，實際路測也較多。Ahmad 等人[4]為了解基于LTE（Long Term Evolution）網(wǎng)絡(luò)的車路協(xié)同系統(tǒng)性能，主要研究室內(nèi)和室外等不同環(huán)境因素對往返時延和平均用戶吞吐量性能指標(biāo)的影響。Huang等人[5]主要研究了天氣、建筑物和車輛行駛方向等因素對DSRC 性能的影響。Carpenter 等人[6]采用DSRC技術(shù)交換安全消息數(shù)據(jù)包來研究車輛的高速移動和障礙物遮擋對丟包的影響。國內(nèi)車路協(xié)同系統(tǒng)采用多種通信方式，相關(guān)研究大多進(jìn)行仿真測試，實際道路測試較少，同時實際路測時選取的場景還不夠全面。Wang 等人[7]基于高速公路上的實測數(shù)據(jù)對車聯(lián)網(wǎng)通信可靠性進(jìn)行了評估，得出影響視距通信性能的主要環(huán)境因素為道路坡度和交通密度。楊良義等人[8]研究了以Wi-Fi 和4G 進(jìn)行信息傳輸?shù)能嚶穮f(xié)同系統(tǒng)，選取交叉口和路段作為車路協(xié)同系統(tǒng)測試場景，并設(shè)計系統(tǒng)功能測試方案。王潤民等人[9]研究了基于網(wǎng)絡(luò)仿真器的車聯(lián)網(wǎng)仿真平臺，提出了數(shù)據(jù)包投遞率等網(wǎng)絡(luò)測試指標(biāo)和速度等應(yīng)用指標(biāo)。但是文獻(xiàn)[7]～[9]都沒有進(jìn)行實車測試。杜曉琳[10]設(shè)計了Wi-Fi 等多模式通信下的路側(cè)單元測試平臺，對不同通信模塊分別進(jìn)行丟包率、通信延遲等性能指標(biāo)的評估和測試，但沒有構(gòu)建不同的測試場景來分析影響通信性能的主要因素。段宗濤等人[11]搭建網(wǎng)絡(luò)測試平臺在道路上實測基于Wi-Fi 的路側(cè)節(jié)點和車載節(jié)點的通信性能，主要研究車速對平均往返時延、丟包率和吞吐率的影響，缺乏對通信性能指標(biāo)其他影響因素的研究。張東亮等人[12]設(shè)計了一種基于DSRC 的車路協(xié)同車載自組網(wǎng)軟硬件系統(tǒng)，在實際道路的視距范圍內(nèi)研究距離對丟包率、吞吐量、延時抖動的影響，但是場景較為單一，對通信性能指標(biāo)的分析不夠全面。

總體來說，我國基于Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行車路協(xié)同系統(tǒng)信息交互實際路測的研究較少，缺乏完善的測試場景和方案，導(dǎo)致對現(xiàn)有產(chǎn)品性能指標(biāo)的影響因素分析不夠全面。鑒于目前車路協(xié)同系統(tǒng)的復(fù)雜性以及產(chǎn)品的多樣性，需通過設(shè)計不同的應(yīng)用場景和測試方案，分析影響車路協(xié)同系統(tǒng)信息交互性能的主要因素，為車路協(xié)同系統(tǒng)在實際道路上的應(yīng)用提供測試和論證。本文針對基于廣播式Wi-Fi 的車路協(xié)同系統(tǒng)信息交互，選取丟包率和通信時延作為評價通信可靠性與實時性的性能指標(biāo)，通過控制車速將測試場景分為靜態(tài)場景和動態(tài)場景，同時在不同通信范圍內(nèi)和視距條件下設(shè)計4 種測試方案，在試驗場封閉道路中進(jìn)行實車測試，通過全面地比較車速、通信距離和遮蔽物（視距）對車路協(xié)同系統(tǒng)信息交互性能的影響，分析在實際道路應(yīng)用中影響車路協(xié)同系統(tǒng)信息交互的主要因素，進(jìn)而指導(dǎo)車路協(xié)同系統(tǒng)的改進(jìn)，提高其信息交互水平。

1 測試場景構(gòu)建

1.1 測試場地情況

封閉場地測試是開放道路測試前的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其依托封閉場地開展車路協(xié)同技術(shù)測試及評價，模擬盡可能多的交通場景，不斷積累測試數(shù)據(jù)，可為開放道路測試及系統(tǒng)的實際應(yīng)用提供有力支撐[13-14]。

本文選取的封閉測試場地位于交通運輸部公路科學(xué)研究院試驗場內(nèi)，可在保證安全的前提下完成車路協(xié)同信息交互的實車道路測試。該試驗場是交通運輸部認(rèn)定的第一批自動駕駛封閉場地測試基地，擁有3km 長的自動駕駛測試道路，涵蓋典型的城市道路類型和公路基礎(chǔ)設(shè)施，道路沿線布設(shè)協(xié)同交通信號、模擬城市街景、公交站臺等設(shè)施，可靈活搭建自動駕駛和車路協(xié)同封閉場地測試所需的場景，支持智能車路系統(tǒng)研發(fā)試驗與原型系統(tǒng)驗證。其中，車路協(xié)同試驗路包括總長度為5 505m 的低速瀝青路及低、中、高速水泥路4 條試驗道路，環(huán)道周邊布設(shè)車路通信系統(tǒng)，可用于封閉場地車路協(xié)同、自動駕駛編隊等測試。長直線試驗路直線段長2 330 m、寬9 m，為水泥混凝土路面，最大縱坡＜0.1%，直線路段配有測試門架和輔助電力通信系統(tǒng)，能開展路側(cè)通信設(shè)備的通信范圍測試、ETC 系統(tǒng)互操性測試等。試驗場整體道路場景如圖1所示。

1.2 設(shè)備參數(shù)選型及布設(shè)

在封閉測試場地選取普通車輛搭載車載單元（On-Board Unit,OBU），其與在路側(cè)布設(shè)的路側(cè)單元（Roadside Unit，RSU）可以相互發(fā)送消息。在車內(nèi)測試環(huán)境下，將車載設(shè)備放于車內(nèi)，將吸盤天線固定于車頂，車載設(shè)備提供的Wi-Fi、網(wǎng)口、USB 可連接電腦、平板、手機等終端設(shè)備，車載設(shè)備電源為兩相插頭，可提供220V 電源。在不影響車輛通過的前提下，將路側(cè)設(shè)備固定在道路上的龍門架或L 形交通桿橫臂上，且位于桿臂上的單向道路中間位置。路側(cè)設(shè)備安裝高度為距離地面3～6m，垂直于地面安裝，天線方向向下（見圖2）。同時，為路側(cè)設(shè)備提供220V 電源及從電源到設(shè)備長度的網(wǎng)線，用于連接有源以太網(wǎng)（Power Over Ethernet,POE）電源對路側(cè)設(shè)備進(jìn)行供電。

測試用的廣播式Wi-Fi 設(shè)備來自北京航空航天大學(xué)，設(shè)備的技術(shù)規(guī)格見表1和表2。

圖1 交通運輸部公路科學(xué)研究院試驗場整體道路場景

圖2 路側(cè)單元布設(shè)情況

表1 車載通信終端技術(shù)規(guī)格

表2 路側(cè)通信終端技術(shù)規(guī)格

2 確定測試評價指標(biāo)及方案

2.1 測試評價指標(biāo)的確定

由于車路協(xié)同信息交互基于車輛自組織網(wǎng)絡(luò)，在車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，通信性能指標(biāo)主要包括通信時延、丟包率及吞吐量，其均受車速、環(huán)境、距離或建筑物遮擋等因素的影響[15]。吞吐量是單位時間內(nèi)通過網(wǎng)絡(luò)的總數(shù)據(jù)量，可用傳輸數(shù)據(jù)時的實際帶寬值和通信數(shù)據(jù)的總傳輸速率表示。本文是在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量滿足車路協(xié)同系統(tǒng)信息交互測試評價及應(yīng)用的前提下進(jìn)行數(shù)據(jù)包投遞的，因此可不考慮吞吐量對車路協(xié)同系統(tǒng)信息交互性能的影響。丟包率主要表征能否收到消息，通信時延主要表征能否及時收到信息，兩者都具有可測性、獨立性和代表性。因此，選取丟包率和通信時延作為通信性能的主要評價指標(biāo)，判斷車路協(xié)同系統(tǒng)的信息交互是否滿足實際道路應(yīng)用要求。

2.1.1 丟包率

丟包率是指測試中丟失的數(shù)據(jù)包數(shù)量占所發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)量的比例，能體現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)的可靠性。在車路協(xié)同環(huán)境下，靜止或低速行駛情況下的丟包可由網(wǎng)絡(luò)鏈路擁塞引起，此時的丟包率與網(wǎng)絡(luò)流量有關(guān)[16]；當(dāng)車輛高速行駛時，通信距離和干擾、多徑衰落、建筑物遮擋等因素都可能造成丟包。不同的通信業(yè)務(wù)對丟包率的要求不同，對于車路協(xié)同系統(tǒng)信息交互，若傳輸安全性要求極高類消息應(yīng)滿足丟包率在5%以下，普通安全應(yīng)用類消息丟包率應(yīng)在20%以下，否則說明車路協(xié)同系統(tǒng)信息交互不可用[17]。丟包率的計算公式如下：

式（1）中：PLR 為丟包率（%）；Ps為路側(cè)單元發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量（個）；Pr為車載單元接收的數(shù)據(jù)包數(shù)量（個）。

2.1.2 通信時延

通信時延是指數(shù)據(jù)（1 個報文或分組，甚至比特）從網(wǎng)絡(luò)或鏈路的一端傳送到另一端所需要的時間，是衡量網(wǎng)絡(luò)性能的重要指標(biāo)之一[18]。通信時延主要分為單向時延（End-To-End Delay）和往返時延（Round-Trip Time,RTT）兩類。在實際測試場景下，可以通過測試同一節(jié)點發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包的往返時延來避免時鐘不同步的問題。車路協(xié)同系統(tǒng)信息交互對實時性有較高的要求，尤其是安全類信息的傳輸，通常傳輸安全性要求極高類消息應(yīng)滿足時延在20ms以內(nèi)，傳輸普通安全應(yīng)用類消息時延應(yīng)在100ms 以內(nèi)[19]。通信時延的計算公式如下：

式（2）中：DE 為通信時延（ms）；RTT 為往返時延（ms）；t1為數(shù)據(jù)包的發(fā)送時間（ms）；t2為數(shù)據(jù)包的接收時間（ms）。

2.2 測試目的及場景方案

2.2.1 測試目的

封閉道路下車路協(xié)同系統(tǒng)信息交互測試的基礎(chǔ)是場景構(gòu)建，無論是虛擬測試還是實際道路測試都需要根據(jù)測試指標(biāo)找到合適的測試場景進(jìn)行測試[20]?？紤]測試車速、通信距離和視距條件3個變量對通信性能指標(biāo)的影響，可根據(jù)車輛在測試時的狀態(tài)劃分不同的場景，采取不同的測試方法。無論改變視距還是通信距離，在靜態(tài)場景下，車輛都會以靜止的狀態(tài)接收信息；在動態(tài)場景下，車輛都會以不同的車速接近路側(cè)端來接收信息。因此依據(jù)車速首先將交通場景分為靜態(tài)場景和動態(tài)場景，再改變不同通信距離和視距條件在這兩種場景中進(jìn)行測試，共設(shè)計4 種測試方案。

2.2.2 靜態(tài)交通場景測試方案

（1）視距條件下測試方案

如圖3 所示，在試驗場封閉道路的十字路口一側(cè)放置路側(cè)單元，向停在長直道路上的車輛搭載的車載單元發(fā)送消息。先將車輛停放在距路側(cè)單元50m處，路側(cè)單元以10Hz的頻率不斷發(fā)送信息，數(shù)據(jù)包內(nèi)包含數(shù)據(jù)包序號和發(fā)送時間等相關(guān)信息，5min 后停止數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。再將搭載車載單元的車輛停在長直道路上分別距離路側(cè)單元100m,150m,200m,250m 處重復(fù)上述試驗。導(dǎo)出收集到的測試數(shù)據(jù)后，通過式（1）計算不同距離下的丟包率；通過式（2）計算不同距離下各消息的通信時延，并且將所有消息通信時延的平均值作為該距離下的通信時延。

圖3 靜態(tài)視距條件下交通場景

（2）非視距條件下測試方案

如圖4 所示，在試驗場封閉道路的十字路口旁房屋的一側(cè)放置路側(cè)單元，向停在房屋另一側(cè)長直道路上的車輛搭載的車載單元發(fā)送消息。先將車輛停放在距路側(cè)單元50m 處，路側(cè)單元以10Hz的頻率不斷發(fā)送信息，數(shù)據(jù)包內(nèi)包含數(shù)據(jù)包序號和發(fā)送時間等相關(guān)信息，5min 后停止數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。再將搭載車載單元的車輛停在長直道路上分別距離路側(cè)單元100m,150m,200m,250m 處重復(fù)上述試驗。導(dǎo)出收集到的測試數(shù)據(jù)后，通過式（1）計算不同距離下的丟包率，通過式（2）計算不同距離下各消息的通信時延，并且將所有消息通信時延的平均值作為該距離下的通信時延。

圖4 靜態(tài)非視距條件下交通場景

2.2.3 動態(tài)交通場景測試方案

（1）視距條件下測試方案

如圖5 所示，在試驗場封閉道路的十字路口一側(cè)放置路側(cè)單元，向長直道路上的車輛搭載的車載單元發(fā)送消息。先將車輛停在距路側(cè)單元50m 處，再以20km/h 的速度駛向路側(cè)單元，路側(cè)單元在該過程中以10Hz的頻率不斷發(fā)送信息，數(shù)據(jù)包內(nèi)包含數(shù)據(jù)包序號和發(fā)送時間等相關(guān)信息，車輛到達(dá)并停在路側(cè)單元所在的路口時停止發(fā)送。然后將搭載車載單元的車輛停在長直道路上距離路側(cè)單元100m,150 m,200m,250m處重復(fù)上述試驗，再將車速提升至30km/h后分別從50m,100m,150m,200m,250m處駛向路側(cè)單元重復(fù)上述試驗。最后導(dǎo)出收集到的測試數(shù)據(jù)，通過式（1）計算不同距離下的丟包率，通過式（2）計算所有消息通信時延的平均值作為該距離下的通信時延。

圖5 動態(tài)視距條件下交通場景

（2）非視距條件下測試方案

如圖6所示，在試驗場封閉道路的十字路口旁房屋的一側(cè)放置路側(cè)單元，向在房屋另一側(cè)長直道路上的車輛搭載的車載單元發(fā)送消息。先將車輛停在距路側(cè)單元50m 處，再以20km/h的速度駛向路側(cè)單元，路側(cè)單元在該過程中以10Hz的頻率不斷發(fā)送信息，數(shù)據(jù)包內(nèi)包含數(shù)據(jù)包序號和發(fā)送時間等相關(guān)信息，車輛到達(dá)并停在路側(cè)單元所在的路口時停止發(fā)送。然后將搭載車載單元的車輛分別停在長直道路上距離路側(cè)單元100m,150m,200m,250m 處重復(fù)上述試驗，再將車速提升至30km/h后，分別從長直道路上距離路側(cè)單元50m,100m,150m,200m,250m 處駛向路側(cè)單元重復(fù)上述試驗。最后導(dǎo)出收集到的測試數(shù)據(jù)，通過式（1）計算在不同距離下的丟包率，通過式（2）計算所有消息通信時延的平均值作為該距離下的通信時延。

圖6 動態(tài)非視距條件下交通場景

3 系統(tǒng)測試結(jié)果分析

為了測試該基于廣播式Wi-Fi 的車路協(xié)同系統(tǒng)設(shè)備的通信性能，并分析相關(guān)影響因素，判斷其是否能滿足在實際道路上應(yīng)用的條件，選擇封閉道路進(jìn)行測試驗證。測試當(dāng)天為晴天，溫度適中，可見度正常。按照靜態(tài)和動態(tài)場景下的測試方案，在不同視距條件下的不同通信距離重復(fù)測試，以提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。試驗中，統(tǒng)計所有發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)包個數(shù)、發(fā)送時間和接收時間，分別按照式（1）、式（2）計算丟包率和通信時延。

3.1 丟包率測試結(jié)果分析

通過處理測試數(shù)據(jù)，分別得到靜態(tài)場景和動態(tài)場景下丟包率隨通信距離的變化情況（見圖7和圖8）。

圖7 靜態(tài)場景下丟包率

圖8 動態(tài)場景下丟包率

通過選取不同的通信距離、車速和視距條件進(jìn)行丟包率測試，分析丟包率的主要影響因素。結(jié)果表明，不論在何種情況下，隨著通信距離的增加，丟包率也隨之增加。在靜態(tài)和動態(tài)條件下，100m 以內(nèi)丟包率普遍低于10%，說明通信性能較好；當(dāng)距離超過200m，丟包率平均高達(dá)20%以上，基本不能滿足車路協(xié)同系統(tǒng)信息交互的基本要求，因此該設(shè)備的主要通信范圍為100m。

在通信距離相同時，車速和視距的變化也會對丟包率產(chǎn)生影響。在同一視距、相同通信距離的交通場景中，隨著車速的增加，丟包率呈略微增長的趨勢，低車速情況下車速的變化對丟包率影響不大。在同距離范圍內(nèi)、同車速的交通場景下，視距條件下的丟包率遠(yuǎn)小于非視距條件下的丟包率。并且在視距條件下，通信范圍小于200m時能滿足丟包率在20%以內(nèi)的要求；非視距條件下，通信范圍小于150m 時基本滿足丟包率在20%以內(nèi)的要求。

綜上，通過比較不同車速、視距和通信距離對丟包率的影響可看出，通信距離和視距是丟包率最為明顯的影響因素，該車路協(xié)同系統(tǒng)信息交互的丟包率在一定范圍內(nèi)滿足實際應(yīng)用的通信要求。由此可知，車路協(xié)同系統(tǒng)信息交互需在滿足性能指標(biāo)要求的通信距離和視距范圍內(nèi)進(jìn)行。

3.2 通信時延測試結(jié)果分析

通過處理測試數(shù)據(jù)，分別得到靜態(tài)場景和動態(tài)場景下通信時延隨通信距離的變化情況（見圖9和圖10）。

圖9 靜態(tài)場景下通信時延

圖10 動態(tài)場景下通信時延

通過選取不同的通信距離、車速和視距條件進(jìn)行通信時延測試，分析通信時延的主要影響因素。結(jié)果表明，無論是在靜態(tài)還是動態(tài)的交通場景中，通信距離對平均通信時延的影響都不大，隨著通信距離的增加，平均通信時延仍保持一定的穩(wěn)定性。同時，在同一視距、相同通信距離的交通場景中，隨著車速的增加，平均通信時延沒有明顯的變化；在同一通信距離、同車速的交通場景中，視距條件下與非視距條件下的通信時延基本保持在8～10ms 范圍內(nèi)。但是，通過分析具體數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)通信距離增加至100m 以上，有個別信息在傳輸過程中的通信時延達(dá)到了100ms及200ms以上。

綜上，該車路協(xié)同系統(tǒng)信息交互的平均通信時延總體穩(wěn)定在10ms內(nèi)，受通信距離、視距條件和車速的影響很小，個別傳輸不穩(wěn)定的信息的通信時延也在200ms 以內(nèi)，并不影響系統(tǒng)整體的通信性能，可忽略不計。由此可知，該車路協(xié)同系統(tǒng)信息交互的通信時延基本滿足通信要求，受車速、距離和視距影響不大。

3.3 通信性能評價指標(biāo)分析總結(jié)

通信性能評價指標(biāo)中的丟包率和通信時延均為定量指標(biāo)，是普遍適用于評價車路協(xié)同系統(tǒng)實用性的代表指標(biāo)。根據(jù)不同的通信距離、車速和視距條件構(gòu)建實際車路協(xié)同應(yīng)用場景后，相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)可通過實車測試直接或間接獲取，用于全面分析通信性能的主要影響因素。測試結(jié)果表明：①通信距離越遠(yuǎn)，車路協(xié)同信息交互性能越差，丟包率越高，并且視距條件下的丟包率比非視距條件下低，而車速對丟包率無較大影響，通過測試可找到不同技術(shù)設(shè)備滿足車路協(xié)同系統(tǒng)信息交互丟包率要求的視距條件和通信距離范圍；②車速、通信距離和視距對通信時延的影響不大，通信時延能在一定數(shù)值范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，通過測試可確定通信時延是否滿足車路協(xié)同系統(tǒng)信息交互的要求。由此可得出，在測試場景中，通信距離增加和對車輛的遮擋是造成基于廣播式Wi-Fi的車路協(xié)同系統(tǒng)信息交互性能下降的重要因素。

車路協(xié)同系統(tǒng)信息交互要求：傳輸安全性要求極高類消息應(yīng)滿足時延在20ms以內(nèi)、丟包率在5%以下，傳輸普通安全應(yīng)用類消息應(yīng)滿足時延在100ms 以內(nèi)、丟包率在20%以下，當(dāng)丟包率和時延中的某一項不能達(dá)到此要求時，說明此車路協(xié)同系統(tǒng)不滿足在實際道路中應(yīng)用的條件。在車路協(xié)同系統(tǒng)實際應(yīng)用前應(yīng)測試不同交通場景下滿足通信要求的視距與通信距離范圍，合理布設(shè)車載端和路側(cè)端。

4 結(jié)語

通信性能是車路協(xié)同系統(tǒng)信息交互效果的主要影響因素，在傳輸數(shù)據(jù)總量一定的情況下，數(shù)據(jù)包的傳送質(zhì)量是無線通信網(wǎng)絡(luò)評價的核心。本文選擇丟包率和通信時延作為主要的測試評價指標(biāo)，搭建實際道路交通場景，通過控制車速將其分為靜態(tài)和動態(tài)場景兩種類型，同時在不同通信范圍和視距條件下設(shè)計了4 種測試方案，在封閉道路中進(jìn)行實車測試，比較分析通信距離、車速、遮擋情況（視距）對通信性能的影響。測試結(jié)果表明，通信距離和視距條件對丟包率有一定影響，車速、通信距離和視距對通信時延的影響不大。因此，設(shè)置車載和路側(cè)設(shè)備時，應(yīng)在仔細(xì)分析環(huán)境情況后，將廣播式Wi-Fi 的丟包率和通信時延控制在一定范圍內(nèi)，以滿足車路協(xié)同系統(tǒng)信息交互的需要。在實際交通場景中，可能會出現(xiàn)其他影響通信性能的因素，如：周邊電磁環(huán)境干擾、車輛天線安裝方式等。在未來研究中，可選取更貼近實際道路條件的多種場景進(jìn)行測試，對通信性能及影響因素進(jìn)行更深入的分析，為車路協(xié)同技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用打好基礎(chǔ)。