車聯網環境下的打車軟件通信系統優化設計與實現

彭燦華　韋曉敏

摘 要： 在車聯網環境下對打車軟件通信系統進行優化設計，改善用戶體驗，提高通信實時性和吞吐性能。提出一種基于通信信號收發轉換動態增益控制的車聯網環境下打車軟件通信系統優化設計方法。首先進行通信系統的總體設計構架和模塊化集成設計的功能分析，針對車聯網通信信道受到的碼間干擾較強的問題，采用動態增益編碼方法進行碼間干擾控制，進行信道均衡設計；然后對打車軟件通信系統進行硬件電路設計；最后進行系統的調試分析。實驗表明，采用該系統進行車聯網打車軟件通信的傳輸時延較低、吞吐量較大。

關鍵詞： 車聯網； 打車軟件； 通信系統； 信道均衡

中圖分類號： TN92?34； TN911 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）10?0035?04

Abstract： The design of a taxi software communication system in the vehicle networking environment was optimized to improve the user experience， communication real?time performance and throughput performance. An optimization design method of the taxi software communication system in the vehicle networking environment based on dynamic gain control of communication signal transceiver is proposed. The function analysis of overall design framework and module integrated design of the communication system is carried out. In order to solve the problem of intersymbol strong interference to vehicle network communication channel， the dynamic gain encoding method is used to for intersymbol interference control and channel equalization design. The hardware circuit design and debugging analysis of the taxi software communication system are also conducted. The experiment result shows that the system can shorten the transmission delay and enlarge the throughput of the vehicle networking software communication.

Keywords： vehicle networking； taxi software； communication system； channel equalization

0 引 言

通過車載自組網方式構建車聯網通信系統，實現了智能交通系統（ITS）設計。車聯網是保障智能交通控制和智慧交通網絡的重要基礎，采用車載自組網（Vehicle Ad Hoc Networks，VANET） 構建的車聯網通信系統實現了車和車、車和路邊設備直接通信[1?2]。隨著當前滴滴打車等專車運營的興起，在車聯網環境下對打車軟件通信系統進行優化設計，克服用戶在打車過程中通信繁忙和擁塞的問題，提高車聯網通信的實時準確性，從而在避免交通擁塞、提高用戶體驗等方面都具有較強的實踐價值，研究車聯網環境下的打車軟件通信系統優化設計方法具有重要意義。

1 打車軟件通信系統總體設計構架

在車聯網環境下，進行打車軟件通信系統的優化設計，首先構建車聯網的網絡結構模型如圖1所示。

在車聯網中，車輛裝載有GPS和導航系統。車輛的位置信息通過專用短程通信（Dedicated Short Range Communication，DSRC）標準進行信息發布[3]；車輛有相關傳感器測量裝置測量車輛的速度和加速度，采用VANET線狀網絡結構測試路面的擁堵情況。以上述信息為參考輸入參量，作為車聯網打車軟件通信系統的信息輸入端，在通信系統中進行信息調制和節點，實現多功能多通道的打車用戶信息和車輛信息的數據傳輸和控制[4?5]。為了提高數據并行傳輸和收發的能力，進行了車聯網環境下打車軟件通信系統優化設計。

首先進行打車軟件通信系統的總體設計和功能指標分析。在車聯網環境下打車軟件通信系統設計中，數據采集與處理系統設計是通信系統設計的核心，采用數據信號處理芯片，進行車輛位置、速度以及道路交通信息的實時采集和信息共享。采用收發轉換模塊對打車軟件的通信數據的產生、發射、傳輸和接收過程進行AD轉換和校準換能處理；采用調制解調模塊實現對通信信號輸入/輸出的調制和解調。綜上分析，本文設計的打車軟件通信系統主要包括了數據傳感器采集模塊、收發轉換模塊、功率放大模塊和信號處理模塊等，在車聯網環境下打車軟件通信系統的總體設計結構框圖如圖2所示。

根據圖2所示的總體設計構建，進行打車軟件通信系統的優化設計，主要包括了通信系統的抗干擾和信道均衡優化設計、系統的硬件設計和軟件開發三大部分。

2 通信系統的干擾抑制優化設計

根據上述對打車軟件通信系統的總體設計構架描述，進行通信系統的算法設計。針對車聯網通信信道受到的碼間干擾較強的問題，采用動態增益編碼方法進行碼間干擾控制。提出一種基于通信信號收發轉換動態增益控制的車聯網環境下打車軟件通信系統優化設計方法，建立一個車聯網通信的信道分析模型，對于一個通用的車聯網中打車軟件接收節點，接收功率[Pr]的計算公式為：

式中：[CPFr（k）]表示信道切換中信道k的性能因子值；[CPFs（k）]表示信道切換性能因子值；[β]是加權系數，0<[β]<1。通過[β]可以控制發射機與接收機之間的功率增益所占的比重，一般取[β]=0.5，通過自適應均衡調制實現通信系統的信道優化設計和干擾抑制。

3 通信系統的硬件設計部分

在上述系統的干擾抑制的優化設計的基礎上，進行通信系統的優化設計，對打車軟件通信系統進行硬件電路設計。其主要對車聯網下打車軟件通信系統的數據傳感器采集模塊、收發轉換模塊、功率放大模塊和信號處理模塊進行模塊化硬件設計：

（1） 數據傳感器采集模塊。采用數據傳感器采集模塊進行車輛定位和速度等信息的采樣和處理，采用IEC61375協議進行車聯網中的GPS定位信息的傳輸[6?7]，基于MVB總線控制進行數據傳感信息采樣，使用FPGA和ARM處理器進行整個MVB總線控制器。VME與上位機的通信的接口設計如圖3所示。把采集的信號數據通過PCI總線傳至PC進行資源鎖定和數據監控，車聯網環境下打車軟件通信系統的數據傳感電路如圖4所示。

圖4中，使用由Mux101提供的多路ADC進行程控放大，采用A/D電路進行數/模轉化，數據傳感電路提供4個輸入通道，通過定時器能準確地控制A/D轉換的速率，從而提高了打車過程中的信息傳輸的實時性。

（2） 收發轉換模塊。采用AD7655作為收發轉換模塊的主控芯片，進行車聯網環境下打車軟件通信系統的數據信息收發和轉換設計，通過DSP的定時器TOUT0來啟動A/D轉換，采用5階開關電容匹配濾波器實現對DSP的高低電平控制，SEL1電平為“1”，表示放大100倍，“0”表示放大10倍。在進行通信數據的收發轉換中，在數據區存滿后，DSP發出中斷通知數據區滿，每個通道的傳輸可以由4個標準端口（port）與DARAM，SARAM觸發，主機接口（HPI）和存儲器之間通過外部存儲器和芯片上外設進行中斷控制，得到通信系統的收發轉換電路設計如圖5所示。

（3） 功率放大模塊。功率放大模塊是實現通信信號的放大功能，在主機接口（HPI）和存儲器之間的數據傳送過程中，通過功率放大，提高接收機對通信信號的處理增益。功率放大模塊采用I2C加載模式，芯片為CAT24WC256，打車軟件通信數據傳輸的最大傳輸速率為400 kHz，在進行功率放大設計中，存儲器必須和Philips的I2C總線標準相兼容[8?10]，采用4片AD8582引導加載的I2C E2PROM，功率放大模塊接口電路設計見圖6。

（4） 信號調制解調處理模塊。信號調制和解調是實現通信系統信號傳輸和控制的核心模塊，采用4片AD8582結合CPLD編程進行信號調制，產生最多8路同步采樣數/模轉換信息輸出。DSP的數據線與AD7864的數據線依次相連，設計一個計數器模塊，進行車聯網環境下打車軟件通信系統的傳輸信息時鐘控制和位置統計。設置了隔直通交的RC濾波電路來逐級濾波進行干擾抑制。得到信號調制解調處理模塊的電路集成設計如圖7所示。

根據上述進行了車聯網環境下打車軟件通信系統的硬件集成設計方法，采用PCB板制作系統的樣機，結合軟件開發模板進行系統的調試和性能測試分析。

4 系統的調試測試分析

在進行車聯網環境下打車軟件通信系統的調試之前，需要進行軟件開發和程序加載設計。通信系統的抗干擾和信道均衡設計程序是在C++仿真平臺上開發設計，打車軟件通信的調試信號為CW調頻波，測試信號的脈寬為10 ms，采樣輸出峰峰電壓為0.45 V。系統PCI總線采用的是3組板電源[±12 V，]5 V和3.3 V供電。AD9850分辨率為32位，數據線依次與5409A數據總線連接，A#[B]由DSP的地址線A0控制，得到通信系統的傳輸數據的輸入/輸出關系見表1。

最后測試不同的打車軟件通信系統進行數據傳輸通信的時延和車聯網通信的吞吐量對比結果如圖8和圖9所示。

分析上述仿真結果得知，源車輛節點發包的頻次速率的增大，平均端到端時延增大，通信的實時性受到影響。采用本文設計系統，能有效降低端到端時延，從而提高了通信的實時性；另外，本文設計的系統進行打車軟件通信應用，其吞吐量均優于其他方法，可知本文設計系統能有效提高網絡傳輸的吞吐量，避免網絡擁堵，降低通信傳輸的誤碼，改善通信質量。

5 結 語

為了改善物聯網下的打車軟件的通信性能，本文提出一種基于通信信號收發轉換動態增益控制的車聯網環境下打車軟件通信系統優化設計方法。首先進行通信系統的總體設計構架和模塊化集成設計的功能分析，采用動態增益編碼方法進行碼間干擾控制，進行信道均衡設計。對打車軟件通信系統進行硬件電路設計，最后進行系統的調試分析。實驗表明，采用該系統進行車聯網打車軟件通信的傳輸時延較低、吞吐性能較好，從而提高了通信的實時性和準確性。

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