一種基于WiFi Direct的車路信息交互方法

摘 要： 基于短程通信的車車、車路信息交互已經成為智能交通的一種發展趨勢，提出一種基于WiFi Direct的車路信息交互方法，通過運行于網絡中的路邊基站向車載終端發出連接并發布消息。針對目前用戶個性化信息服務的需求，提出一種基于過濾信息的WiFi Direct自動連接方法，在WiFi Direct技術上作出改進，在 Sendmessage數據幀中增加一幀過濾信息。該方法簡化了基站與終端之間的連接，提高了消息推送的準確性，而且實地測試得出，該改進方法比現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%。

關鍵詞： 短程通信； 車路信息交互； WiFi Direct； 基站； 車載終端

中圖分類號： TN916.51?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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

車路協同系統（Cooperative Vehicle?Infrastructure System，CVIS）[1]是基于先進的全時空動態交通信息采集、融合技術，通過全方位實施車車、車路動態實時信息交互，進行車輛主動安全控制和道路協同管理，形成人車路有效協同的安全、高效和環保的道路交通系統[2]。目前世界各國都積極發展車路協同技術的研究與實驗。

美國通過計劃IntelHDrive[3]研究項目大力推動了車路協同技術的發展，其中，IntelliDrive是VII[4]項目的演進，其研究方向的重點在于車輛主動安全方面。2006年起，美國交通部就開始協助汽車制造廠商對車載終端連接、服務中心平臺以及無線短距離通信（Dedicated Short Range Communications，DSRC）與車輛間的通信技術進行研發。

日本車路協同技術的最大特點是個性化行車安全與導航。2006年，日本由政府和23家知名企業共同啟動了 “SmartWay計劃”[5]，該計劃利用現有的智能交通技術[6?7]，例如即時交通信息系統VICS、電子不停車收費ETC[8]等技術以及信息與短程通信技術，建立車載集成平臺，將道路與車輛連接成為一個整體，形成車路協同感知整體環境。

和國外相比，我國的車路協同系統的研究起步較晚，2007年起通過863計劃《交通對象協同式安全控制技術》、自主科研計劃《基于車路協同的智能交通系統》等項目開始對車路協同技術進行系統研究，我國在“十五”科技攻關項目中，把發展基于短程通信的車路交互技術列為重大攻關項目。

不難看出，基于短程通信[9]的車路信息交互技術是目前智能交通領域發展的趨勢和熱點，短程通信是一種小范圍的無線通信系統[10?11]，主要用于車輛與路邊系統、車輛之間的通信。法國ESCOTA高速公路利用短程通信技術檢測車流平均速度和旅行時間等； 歐美國家利用短程通信技術實現交通導航系統， 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推行電子收費系統， 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路信息交互方面還存在一些問題：

（1） 傳輸距離有限。

（2） 傳輸速度不高。

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

（4） 信息推送混亂，無法滿足目前用戶個性化信息服務的需求，車載終端會同時接收到很多連接請求和消息推送，而有些信息是駕駛員當時環境下不需要的。

2010年10月，WiFi Alliance（WiFi聯盟）推出WiFi Direct技術，WiFi Direct標準是指允許無線網絡中的設備無需通過無線路由器即可相互連接，即點對點直連，WiFi Direct的傳輸距離高達200 m，最大傳輸速度是250 Mb/s，所以非常適合應用于車路信息交互，但是同樣存在連接復雜和信息推送混亂的缺點。

因此，本文提出一種基于WiFi Direct的車路信息交互方法，該方法充分發揮了WiFi Direct的技術優勢，并且在WiFi Direct技術上作出改進，提出一種基于過濾信息的WiFi Direct自動連接方法，當有路邊基站向車載終端發送連接申請信息時，車載終端通過對申請信息數據幀中的過濾信息進行判斷，有選擇性地完成連接，然后進行消息推送，該方法簡化了基站與終端之間的連接，避免了消息推送的混亂性。

1 系統概述

本系統通過運行于網絡中的路邊基站向車載終端申請連接并發布消息，實現道路交通基礎設施與車載終端的一體化協調合作。

1.1 車路交互模型

基于WiFi Direct的車路交互架構圖如圖1所示。路邊設有WiFi Direct基站，這些基站通過高速局域網與服務器通信。車輛在經過基站覆蓋范圍時，基站向車載終端發布最新路況、娛樂等消息。

1.2 車路交互過程

如圖1所示，基站會不斷地搜索附近車載設備。當車輛行駛至A位置時就進入了WiFi Direct基站的無線覆蓋范圍，此時基站會搜索到該車輛內的WiFi Direct車載終端設備，并且向車載終端發送連接申請，該連接申請信息包括過濾信息，車載終端通過對過濾信息判斷決定是否連接。例如，車載終端設定只接收緊急路況消息，基站會發送緊急路況消息連接申請、街邊飲食消息連接申請、街邊娛樂消息連接申請等，終端會對基站發送來的申請連接信息進行標題判斷，如果“過濾信息”等于“緊急路況消息”，就同意連接，否則就拒絕，連接完成后，基站會向車載終端傳輸緊急路況消息，當車輛行駛至B位置就會駛離基站覆蓋范圍斷開連接。如此，駕駛員可以權衡多個路況信息，選擇通往目的地最快捷的路線，還可以獲得街邊服務信息。

2 基于過濾信息的WiFi Direct自動連接方法

根據圖1的車路交互架構可知，車輛在經過一個WiFi Direct基站覆蓋范圍時有：

[T總=T連接+T傳輸]

式中：[T總]為車輛從駛入基站范圍到駛離基站范圍（約400 m）的時間，與車速有關；[T連接]為基站與該車輛連接成功時間；[T傳輸]為基站向車輛推送消息的時間。

由上式可知，[T連接]過大，那么[T傳輸]則越少，這樣會降低消息傳輸量，本文的連接方法可以通過減小[T連接，]從而增大[T傳輸。]

2.1 現有的WiFi Direct連接方法

現有的WiFi Direct連接過程如圖2所示。由圖2可知，現有的WiFi Direct技術在連接時，首先需要在設備1上開啟WiFi網卡，搜索附近設備，當發現有可連接的WiFi Direct設備（例如設備2）時，手動觸發connect按鈕來向設備2申請連接，設備2上會出現一個對話框，提示是否要連接，然后接收方再觸發設備2連接按鈕同意連接，連接完成后推送消息，這些消息只有個別是接收方需求的，因而接收方需要一個一個排除無用的連接，浪費大量時間，增加了連接時間從而縮短了消息推送時間。而且，每一步的申請與應答都需要手動，駕駛員在駕駛過程中頻繁的操作終端不方便也不安全。

2.2 改進后的WiFi Direct連接方法

本節主要介紹基于過濾信息的WiFi Direct自動連接方法，這個方法用于基站與車載終端的自動連接。現有方法在2.1小節中已經講過，首先，每一步的申請與應答都需要手動，這就不適合基站與車載終端的連接情況。對于基站來說，不可能總要人手動來觸發和發出申請連接，對于車載終端來說，駕駛員在駕駛過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據信息，這樣就存在一個問題，就是接收方要先確認連接，再獲取申請方再次傳輸的消息才得知申請方的意圖，那么申請方發出的連接意圖也許對于接收方沒有用，就會造成目的不清，信息推送混亂的情況。所以，本文提出的自動連接方法是基站定時向周圍車載終端發送連接申請，而且車載終端根據申請信息中的過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確性和快速性，為消息傳輸創造了更多的時間。

2.2.1 改進后的WiFi Direct連接方法流程

如圖3所示，路邊的基站會在通電后立即打開WiFi網卡，開啟WiFi Direct功能，然后進行如下步驟：

（1） 車載終端設定好要接收的消息標題，例如設定“緊急路況消息”標題，可選的標題有：“緊急路況消息”、“街邊飲食消息”、“街邊娛樂消息等。

（2） 基站在后臺線程每隔1秒觸發一次自動搜索功能，羅列并更新出附近200 m內所有WiFi Direct車載終端設備，例如設備2。

（3） 基站循環觸發connect函數，將申請連接信息即Sendmessage數據發送至每一個搜索到的WiFi Direct設備（如設備2）申請點對點直連。本方法對已有的Sendmessage數據幀格式做了改進，其中添加了過濾信息“基站服務”。具體的Sendmessage數據幀格式修改方法在2.2.2節中詳細介紹。

（4） 車載終端接收到連接請求時，獲取Sendmessage數據幀中過濾信息“緊急路況消息”。終端對Sendmessage的過濾信息進行判斷，判斷請求設備是否是基站設備，從而得知終端是否要完成連接。判斷方法如下：

如果：“過濾信息”不等于“緊急路況消息”，則車載終端拒絕連接。

如果：“過濾信息”等于“緊急路況消息”，則車載終端立刻調用自動連接函數完成連接。

（5） 連接完成后，基站將在后臺線程中啟用server服務即FileTransferService，向車載終端發送相應消息，如路況視頻消息。

2.2.2 改進后的Sendmessage數據幀格式

WiFi Direct基站設備在申請連接時，發出的連接申請信息即為Sendmessage數據，本文對Sendmessage數據幀格式做如下修改，提高連接的準確性，更便于車路進行信息交互。

如圖4所示，Sendmessage數據幀格式中數據主要存儲在最后一幀config配置數據中，所以本方法在config數據幀中的組所有者（groupOnwerIntent）后添加了一幀過濾信息，該過濾信息可為“緊急路況消息”、“地理位置消息”、“街邊飲食消息”等標題，并跟隨Sendmessage數據發送至每一個搜索到的WiFi Direct車載終端設備。

3 實驗結果和驗證

為了驗證本文提出的交互方法，試選取長安大學信息學院門前東西方向為測試路段，如圖5所示，該路段長約700 m，大于WiFi Direct的覆蓋范圍，論文選擇兩個三星Note3手機作為測試工具，分別安裝本文的車路交互軟件，一個作為WiFi Direct基站，另一個作為WiFi Direct車載終端。

3.1 連接時間對比驗證

考慮到實際應用場景中的無線連接距離受各種干擾和設備的影響，實際的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處測試連接時間。測試時設置兩個時間戳[t1]和[t2，][t1]為發出連接時刻，[t2]為連接成功時刻，測得連接時間為[t連接]=[t2]-[t1。]

首先使用現有的WiFi Direct連接方法，在200 m處，使用基站的三星Note3設備搜索終端Note3設備并點擊“連接”按鈕，終端Note3設備出現對話框時點擊“完成”連接，測得200 m處連接時間。內置終端Note3的車輛由東向西行駛10 m，測試190 m處的連接時間，如此反復測得所有結果。

再采用本文中的基于過濾信息的WiFi Direct自動連接方法測試，如圖6所示，打開終端Note3車路交互軟件，設置只接收“緊急路況信息”，在200 m處，打開基站Note3車路交互軟件向終端發出“緊急路況信息”推送連接申請，同樣測得所有連接時間。結果見表1。

3.2 消息推送量對比驗證

WiFi Direct基站與WiFi Direct車載終端在圖5測試環境下連接距離為165 m，車輛行駛距離為一個直徑是330 m的圓，如圖5所示。測試時分別設定車速為20 km/h，30 km/h，40 km/h，50 km/h，60 km/h，70 km/h，分別計算出消息推送整個過程的時間，此段時間內基站Note3向終端Note3推送視頻消息，先采用現有方法推送消息，手動傳送一段視頻，第二次采用本文方法開啟基于WiFi Direct的車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。結果見表2。

4 結 語

本文提出一種基于WiFi Direct的車路信息交互方法，通過對現有WiFi Direct技術作出改進，在基站發出連接的Sendmessage數據幀中增加一幀過濾信息，WiFi Direct終端通過判斷過濾信息進行確認連接，從而快速推送各種消息。通過實地驗證和分析，該方法可有效地縮短連接時間、提高消息推送量，具有消息推送準確的特點。

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