基于ath5k網卡驅動實現的車載網IEEE802.11p協議的研究

全樹強，楊劍鋒，高　洵,2，郭成城

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

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基于ath5k網卡驅動實現的車載網IEEE802.11p協議的研究

全樹強1，楊劍鋒1，高洵1,2，郭成城1

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

摘要:IEEE802.11p協議標準主要用于車載網絡通信，有利于推動智能交通系統的實現，因此在實際交通環境下對IEEE802.11p協議進行研究具有重要意義。通過修改OpenWrt路由操作系統的ath5k網卡驅動實現了IEEE802.11p協議標準，并移植到Mikrotik RouterBoard433AH路由開發板上成功運行。在此基礎上，對實際道路環境下IEEE802.11p協議和IEEE802.11a協議的發送速率、丟包率等網絡性能參數進行了研究測量比較。實驗數據顯示在多障礙物、情況復雜的實際道路環境，IEEE802.11p協議更能滿足通信可靠性和有效性的要求。

關鍵詞:ath5k；OpenWrt；IEEE802.11p；IEEE802.11a；吞吐量；丟包率

隨著汽車工業的發展和信息技術的進步，以及各種交通問題的出現，智能交通系統日益受到重視。2010年7月，IEEE工作組頒布了IEEE802.11p協議。該協議主要支持車載環境中的無線接入(WAVE)或車載自組織網絡(VANETs)。IEEE802.11p協議由IEEE802.11標準擴展而來，工作在DSRC(專用短距離通信)頻段，與傳統IEEE802.11協議相比，其帶寬由20 MHz降為10 MHz，以適應車輛在高速運動環境中的通信[1]。美國聯邦通信委員會(FCC)規定，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個信道，而最低頻段的5 MHz被用作空白的安全邊界。這7個信道又被分為1個控制信道(CCH)和6個服務信道(SCH)。頻譜中間的178信道作為控制信道，被要求嚴格地用于傳輸與安全有關的信息。其余的服務信道在與控制信道進行協商之后，可以進行優先級低一些的通信，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用和高功率的公共安全[2]。IEEE802.11p協議與IEEE802.11a協議一樣采用的是OFDM，調制方式和編碼效率不變，但是信道帶寬降為10 MHz，以減少在車載環境下多徑效應的影響。減少頻帶寬度帶來的后果則是IEEE802.11p協議物理層在時域上的所有參數與IEEE802.11a協議相比都擴大了一倍。這一方面通過使用較小的頻帶寬度減少了多普勒擴展帶來的影響；另一方面又通過加倍保護間隔(GI)減少多徑效應引起的碼間串擾[3]。由于上述原因，IEEE802.11p協議物理層所有模式的發送速率與IEEE802.11a協議相比減半。此外，IEEE802.11p協議的另一個重要的特征是采用了與IEEE802.11e相似的EDCA(Enhanced Distributed Channel Access)機制來劃分信道接入優先級，以支持不同級別的QoS(服務質量)[4]。

目前對IEEE802.11p協議的研究大多數是通過仿真進行的，并沒有在實際的道路環境下采用實際的系統對該協議進行研究。羅志鋒[5]等人對IEEE802.11p協議和IEEE802.11a協議的理論上的網絡參數進行了對比，并闡述IEEE802.11p協議的接入優先級、使用頻段等基本的特征，雖然設計了IEEE802.11p協議的仿真系統，但是并沒有給出仿真的結果，因此對該協議的研究參考作用十分有限。許馨月[6]等人除了介紹IEEE802.11p協議的特征，還將其與其他短距離通信技術作了對比，但是仍然缺少實驗結果的支持。而金純[7]等人關于IEEE802.11p協議的初步實現則是在仿真環境下進行的，對協議的研究缺少實際的測量數據。陳娟[8]等人基于IEEE802.11p的車載無線通信原型系統的實現是通過FPGA仿真完成并進行了測試，并沒有在實際系統上運行，具有局限性。馬蕓蕓[9]等人雖然通過修改驅動來實現在PC上運行的IEEE802.11p協議，但是無法在實際的環境下進行測量數據，而且實驗所得的結果說服力也十分有限。

因此，針對上述關于IEEE802.11p協議的研究的局限性，沒有在實際的道路交通環境下對IEEE802.11p協議進行研究的問題，本文在OpenWrt路由操作系統中對ath5k網卡驅動源碼進行修改實現了IEEE802.11p協議，并移植到Mikrotik RouterBoard433AH路由開發板，在實際的場景下對系統進行測試，得到了IEEE802.11p協議的網絡性能參數，并與IEEE802.11a協議相關數據進行了對比。

1IEEE802.11p協議的實現

OpenWrt是一個開源的Linux路由操作系統，主要在嵌入式設備中使用。但是OpenWrt系統本身并不支持IEEE802.11p協議。因此需要對其進行修改。

1)ath5k發送數據包的過程分析。ath5k在初始化時調用ath5k_init()為4種AC建立4個隊列(queue)，這些隊列包含了AC的EDCA參數。在Linux內核中，無線網卡驅動ath5k處于物理層，其發送數據的過程要受到處于上層的MAC層的控制。首先，ath5k_tx()函數接收來自上層的mac80211的數據幀，并通過數據包skb中的參數獲取隊列號，之后調用ath5k_tx_queue()將數據幀放入相應的隊列中。決定使用的隊列之后，再調用ath5k_txbuf_setup()，添加發送信息以及將數據幀映射到硬件。ath5k_txbuf_setup()最后調用ath5k_hw_start_tx_dma()為指定的隊列開始DMA發送。之后再通過ath5k_tasklet_tx()、ath5k_tx_processq()、ath5k_tx_frame_completed()完成整個發送過程[10]。ath5k驅動發送數據的流程如圖1所示。

2)擴展定義11P模式。本文采用的Atheros5414A網卡的最高工作頻率是6.1 GHz，是為數不多的支持IEEE802.11p頻段的無線網卡。但是OpenWrt系統的源碼并不支持IEEE802.11p協議工作的DSRC頻段。為在ath5k驅動的基礎上實現IEEE802.11p，首先要在頭文件ath5k.h中增加模式AR5K_MODE_11P。之后在標準信道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模式建立相應的頻段。依次在ath5k目錄下的其他文件中參照11A模式添加擴展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，驅動還不能在DSRC頻段正常工作，還需要在ath目錄下的regd.c文件內添加允許的頻段ATH9K_DSRC_5850_5950。通過相關命令可以獲得Atheros5414A的regdomain值為0x66，在結構體ath_world_regdom_66_69內添加ATH9K_DSRC_5850_5950，允許使用該頻段[11]。

4)MAC層支持IEEE802.11p協議。在完成PHY層對IEEE802.11p協議的支持之后，還需要完成MAC層對該協議的支持[12]。在MAC層的相關文件內，在5 GHz頻段的源碼中，再擴展增加DSRC頻段。因此，基于網卡驅動實現的IEEE802.11p協議可以看成是在IEEE802.11a協議基礎上擴充完成的。

5)QoS保證。IEEE802.11p協議采用了與IEEE802.11e協議相類似的EDCA機制來保證QoS功能，該功能主要是通過WMM(WiFi Multimedia)實現的，WMM也被稱為WME(Wireless Multimedia Extentions)。在MAC層上，WMM主要調用ieee80211_select_queue_80211()、ieee80211_select_queue()、ieee80211_set_qos_hdr()這3個函數，來控制PHY層的發送隊列選擇，從而根據4種訪問類別(AC)對流量劃分優先級，保證高優先級的流量的傳輸實時性[13]。

2IEEE802.11p協議性能評估

本文采用Mikrotik RouterBoard 433AH路由開發板作為實驗節點，其CPU頻率為680 MHz，內存128 Mbyte，NAND 128 Mbyte，擁有3個mini-PCI接口。而采用的路由操作系統OpenWrt基于Linux內核3.3.8版本，性能穩定。而本文所采用的網卡Atheros5414A支持2.4 GHz和5 GHz兩個頻段，其中5 GHz頻段的最大頻率為6.1 GHz，可以滿足IEEE802.11p協議的頻率要求。在編譯過的OpenWrt系統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，所耗費的時間并不多，因此可以對整個系統進行編譯，然后移植到節點中。完成系統移植之后，進入系統通過iw list命令可以看到定義的DSRC頻段已經可用，如圖2所示。

為了更好地對IEEE802.11p協議的性能做出評估，本文的實驗在實際的車路環境下進行，實驗場景如圖3所示。

實驗中使用的路由開發板的輸入電壓為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協議中，174信道是用于公共安全的服務信道，因此節點之間的通信可以選擇174信道，模擬車輛單元(OBU)和路側單元(RSU)之間的通信。設置網卡的功率為30 dBm(1 W)，這與協議中允許的174信道的最大等效全向輻射功率值(EIRP)十分接近[14]，此時在該場景下兩個節點之間的最大通信范圍不超過200 m。實驗中在靜止和移動兩種狀態下，分別對運行IEEE802.11a協議和IEEE802.11p協議時的網絡性能參數進行了測量和對比。

2.1節點靜止時的IEEE802.11p協議性能評估

在圖3中的0 m處放置一個節點作為AP(無線接入點)，另一個節點作為Station(無線站點)依次放置在50 m，100 m，150 m和200 m處。IEEE802.11a協議的最大速率54 Mbit/s，IEEE802.11p協議的最大速率為27 Mbit/s，因此為了方便對運行不同協議時的網絡吞吐量進行比較，將節點的傳輸速率設置為運行協議支持的最大速率。節點之間的發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，運行IEEE802.11p協議時的單位時間吞吐量在50 m和100 m兩點處都要低于IEEE802.11a協議。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節點和Station節點通信的方向上，容易形成陰影衰落和多徑衰落[15]，導致了IEEE802.11a的單位時間吞吐量下降十分嚴重，反觀IEEE802.11p受到的影響則要小，使得其單位時間吞吐量最終超過了IEEE802.11p。在最遠的200 m處，二者的單位時間吞吐量都變為0。整個過程中IEEE802.11p協議的單位時間吞吐量的變化要比IEEE802.11a平滑得多。從圖5可以看到，整個過程中IEEE802.11p的丟包率都要比IEEE802.11a的丟包率低。這兩個圖說明，在實際的環境下，存在各種各樣的障礙物的復雜地形，隨著距離的增加更容易形成多路徑效應等干擾，此時使用IEEE802.11p協議通信相對于IEEE802.11a協議更可靠。

2.2節點移動時的IEEE802.11p協議性能評估

在圖3中的0 m處固定放置一個節點作為AP，另一個節點作為Station在道路上運動，節點的移動方向如圖中所示，節點的移動速度約為20 km/h。同時將兩個節點運行IEEE802.11a協議節點時的傳輸速率設置為最大值54 Mbit/s，運行IEEE802.11p協議時的傳輸速率為最大值27 Mbit/s。測量節點移動過程中單位時間吞吐量和丟包率的變化，如圖6、圖7所示。

為了更詳細地分析比較IEEE802.11a協議和IEEE802.11p協議在節點運動時的丟包率，AP節點向Station節點發送ICMP ping包，統計Station節點從0 m移動到200 m整個過程的丟包率，結果如圖8所示。

從圖6和圖7可以看到，在Station節點移動的情況下，分別運行IEEE802.11a和IEEE802.11p兩種協議，所得到的節點的單位時間吞吐量和丟包率的變化都十分接近。這是因為，與靜止時的情況不同，當Station節點在寬闊的道路上移動時，AP節點和Station節點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節點的移動速度較小，多普勒頻移不太明顯[16]。但是，在整個過程中IEEE802.11p協議的丟包率都要比IEEE802.11a協議的低。

3結束語

本文為了對實際道路交通環境下的IEEE802.11p協議進行研究，通過修改網卡驅動實現了車載通信使用的IEEE802.11p協議，并移植到Mikrotik RouterBoard 433AH路由開發板上運行。在實際的道路場景中，在節點靜止和運動兩種情況下，對兩種協議的單位時間吞吐量和丟包率進行了測量。結果顯示了IEEE802.11p協議在室外實際的道路環境下具有的性能優勢。而且，隨著障礙物的增多，路況變得復雜時，IEEE802.11p協議在數據傳輸速率和丟包率方面都要比IEEE802.11a具有的優勢更加明顯，即有效性和可靠性更高，能夠更好地保證車輛高速行駛時的通信需求。實際的測量數據也表明了本文通過修改網卡ath5k驅動實現的IEEE802.11p協議達到了預期的性能，能夠滿足實際車路環境下的通信要求。

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全樹強(1989— )，碩士生，主研車載自組織網絡；

楊劍鋒(1976— )，副教授，主要研究方向為無線網絡與嵌入式系統，為本文通信作者；

高洵(1981— )，博士，講師，主研調度算法；

郭成城(1961— )，教授，博導，主研無線網絡和無線工業控制網絡。

責任編輯：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

文獻標識碼:A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.01.016

基金項目：國家“863”計劃項目(2012AA010904)；江蘇省自然科學基金項目(BK2011345)；四川省科技計劃項目(2014SZ0107；2015GZ0333)；成都大學項目(20804)

作者簡介：

收稿日期：2015-10-10

文獻引用格式：全樹強，楊劍鋒，高洵，等.基于ath5k網卡驅動實現的車載網IEEE802.11p協議的研究[J].電視技術，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.