基于V2X應用場景的專用短程通信性能道路測試研究

張釗 張嵩 羅悅齊 陳惠珍 王震 汪元景

（上海汽車集團股份有限公司，上海 201804）

主題詞：V2X應用場景 DSRC 通信性能 道路測試 遮蔽效應模型

1 前言

V2X（Vehicle-to-Everything）技術是當前車輛交通領域極具潛力的發展方向，其在安全、交通效率、駕駛者便利性等各方面都帶來了顯著的提升[1-5]。V2X以車內網、車際網和車載移動互聯網為基礎，按照約定的通信協議和數據交互標準，在車與車（Vehicle-to-Vehicle，V2V）、車與路（Vehicle-to-Rode，V2R）、車與行人（Vehicle-to-Pedestrian，V2P）之間進行通信。

目前，應用最廣泛的V2X通信標準是基于IEEE 802.11p協議標準和IEEE 1609標準的車載專用短程通信（Dedicated Short Range Communication，DSRC）技術。DSRC是專門為汽車應用而設計的單向或雙向短程到中程無線通信通道及相應的一組協議和標準。它能以非常高的速率傳輸數據，這對在基于通信的主動安全應用中防止事故發生來說至關重要。DSRC主要有車與車（V2V）和車與基礎設施（Vehicle-to-Infrastructure，V2I）兩種類型，兩者都要求低延時和極端天氣條件下保

證無線接口的穩定性。因此，DSRC的通信性能是保障V2X安全應用功能可靠性的關鍵基礎。DSRC的主要通信性能參數包括時延和丟包率：由于網絡普遍采用分層設計，且上層需要調用下層，每層承擔不同的功能，因此每一層的時延有所不同；丟包率與數據包的發送速率、網絡負載、通信環境、距離、車速等諸多因素都有關系。在V2X的安全應用功能中，對時延的要求存在于運算、通信、報警等多個階段。另一方面，考慮到V2X報警的高效性，安全報警既應保證覆蓋所有危險工況，又應減少誤報警和多余報警信息對駕駛員的干擾。由此可見，在實際應用中，留給報警信息產生和傳遞的時間窗口很窄，因此，這也進一步要求DSRC數據傳輸的時延需控制在較小范圍內，或者要求可以精確控制其時延。在現有的研究中，已有一些針對DSRC的通信性能的測試[6-16]，這些研究主要集中在理論分析[17]、模型仿真[18-20]、實驗室內場測試[1,21-22]等方面，而缺少基于V2X實際應用場景的道路測試研究。因此，本文篩選了V2X應用場景中對DSRC通信性能可能造成影響的關鍵因素，并在專用的“智能網聯汽車測評基地”測試場中實車測試研究了這些關鍵因素對DSRC通信性能的影響。

2 系統測試平臺架構

2.1 主機時間同步

如圖1所示是測試系統平臺軟、硬件架構，本系統基于網絡時間協議（Network Time Protocol，NTP）實現局域網內多臺測試主機間的時間同步，以保證多臺主機間通信時延測試的可靠性。本研究采用的時間同步工作方式是“客戶端/服務器”模式，客戶端周期性地向服務器發送NTP同步請求報文，服務器返回響應，通過兩邊報文的發送和接收，可以獲取到4個時間戳，即客戶端向服務器發送報文的時間T1、服務器收到客戶端發送的報文的時間T2、服務器返回響應報文的時間T3以及客戶端收到響應報文的時間T4。根據4個時間戳便可計算出服務器與客戶端之間的時鐘偏差θ和NTP報文的往返路徑時延γ：

式中，α、β分別為報文從客戶端到服務器和從服務器到客戶端的時延。

圖1 測試系統平臺軟、硬件架構

NTP的同步精度主要受到操作系統協議棧引入的時延抖動、網絡傳播時延誤差和時鐘頻率偏差引入的誤差影響。

2.2 網絡測試系統架構

本研究采用iPerf作為網絡性能測試工具，用以測試用戶數據報協議（User Datagram Protocol，UDP）通信質量，包括時延和丟包率。配置的工作機制見圖1，將其中一臺主機設置為客戶端，另一臺設置為服務器。iPerf打開服務器進行監聽，再打開客戶端發送數據到服務器，解析環境變量或命令行參數，根據參數判斷iPerf是服務器還是客戶端，并進入相應的處理流程。iPerf測試UDP性能時，客戶端可以指定UDP數據流的速率。客戶端發送數據時，將根據客戶端提供的速率計算數據報發送的時延。客戶端還可以指定發送數據報的大小。發送的每個數據報包含1個ID號，作為報文的唯一標識，服務器端根據該ID號確定數據報是否存在丟失和亂序。當UDP報文大小設置為可以將整個報文放入IP層的包（packet）內時，UDP所測得的報文丟失數據即為IP層包的丟失數據，這提供了測試包丟失情況的一個有效方法。數據報傳輸時延的測試由服務器端完成，客戶發送的報文數據包含發送時間戳，服務器根據該時間信息和接收到報文的時間戳計算傳輸時延。在本研究中，如果一個數據包在某層的內部發生重傳，則重傳的延時計入本層傳輸時延，測試程序本身無須關心發生于底層的重傳。

3 測試方法

3.1 測試場地

為了模擬真實道路條件下的V2X安全應用功能所面對的場景，同時保障道路試驗的安全性，本研究在智能網聯汽車測評基地的封閉試車場中進行。如圖2所示，該基地涵蓋了模擬的高速路、城市道路、鄉村道路和開闊地等道路條件，交通環境涵蓋建筑物、樹木、城市綠化帶、道路護欄等多種道路環境設施。在封閉的專用測試場中進行測試既可以模擬真實道路環境中的各種關鍵場景，又可以最大限度地排除其它干擾因素，保障測試結果的可重復性和可對比性。

圖2 上汽-同濟智能網聯汽車測評基地

3.2 測試方案

本研究測試了車-車通信，即車載單元（On Board Unit，OBU）之間的通信，以及車-路通信，即OBU與路邊單元（Road Side Unit，RSU）之間的通信性能。OBU分別搭載在2輛測試車輛上，RSU安裝在路側燈桿上，相對地面高度為5 m。為了分析V2X不同應用場景下的性能，選取了車輛運動狀態、車輛距離和障礙物類型3個方面的因素，研究這些場景因素對DSRC通信性能的影響。為了便于參數化分析，將運動狀態用“動態系數”表征，如表1所示，動態系數從0到1變化，0表示2個被測對象處于靜止狀態，1表示2個被測對象具有較高的相對速度，并受到障礙物的阻礙。表中低速、中速、高速分別定義為相對速度20 km/h、40 km/h和60 km/h，障礙物為建筑。對于表1中的6個不同動態系數，各在100 m、200 m、300 m、400 m等4個不同距離下進行了測試。在研究障礙物類型的影響時，選取了建筑、綠化帶、金屬護欄。對于每種障礙物類型，也各在100 m、200 m、300 m、400 m等4個距離條件下進行了測試。

表1 動態系數定義

在測試中，發包率設置為每分鐘500個包，發送固定字節數據包100個，每個工況均經過5次重復測試，選取測試結果的平均值作為丟包率最終結果。多次連續發送固定字節，測出時延，取其平均值作為時延的結果。傳輸時延的計算只考慮了成功接受的數據包，因此丟失的數據包不計入傳輸時延的計算。

4 試驗結果分析

4.1 V2V通信距離與動態系數對通信性能的影響

V2V通信場景下，距離和車輛動態系數對時延和丟包率的影響如圖3所示。

圖3 V2V場景下車輛距離與動態系數對通信性能的影響

兩車動態系數較小時，在400 m的范圍內，距離的增加幾乎不會導致時延的顯著增長，時延均穩定在5.1～5.6 ms。測量到的最大時延為7.2 ms，出現在動態系數和距離都很大的情況下。這表明，對于V2V通信，距離過遠并且受到障礙物阻隔是造成時延顯著增加的主要原因。

相對于時延，丟包率對車輛距離更加敏感，即使在動態系數為0的情況下，丟包率隨距離的變化也非常顯著。另一方面，丟包率隨動態系數的增長也較為明顯，尤其是在當動態系數達到1時（有障礙物），丟包率突然顯著增大，從圖中可以看出，當距離為100 m時，動態系數從0變化到0.8的狀態下，丟包率幾乎沒有變化，均在0.5%左右波動，而當動態系數達到1時，丟包率顯著增長到4.8%，這表明，相對于運動狀態的影響，丟包率受障礙物阻礙的影響更明顯。

4.2 V2I通信距離與動態系數對通信性能的影響

V2I通信場景下距離和車輛動態系數對時延和丟包率的影響如圖4所示。

圖4 V2I場景下車輛距離與動態系數對通信性能的影響

OBU與RSU之間通信的效果與V2V通信的規律相似，但測到的時延總體上更大，達到了5～6.5 ms。在動態系數小的情況下，時延受到通信距離的影響也比較明顯。同樣，隨著障礙物的出現，時延也較高。

相對于對時延的影響，距離因素對V2I通信丟包率的影響更為顯著。通過對比不同的動態系數對丟包率的影響，可以看到，車輛運動狀態對丟包率的影響相對較小，在同樣的距離下，不同動態系數對應的丟包率相近。在有障礙物阻礙的情況下，距離較近時，丟包率受障礙物的影響較小，而在距離較大時，障礙物的存在會導致丟包率的顯著提高。

4.3 V2V應用場景中不同類型障礙物對通信性能的影響

如圖5所示，對比了3種不同障礙物對V2V通信時延和丟包率的影響，分別是建筑、綠化帶和金屬護欄。

圖5 3種不同障礙物對V2V通信性能的影響

從圖5a可以看出，在通信距離較近的情況下，3種障礙物對時延的影響差異較小。隨著通信距離的增大，3種障礙物造成的時延差異也更加明顯。受建筑物阻擋，時延隨著距離的增加而顯著增大，綠化帶造成的時延增加略高于金屬護欄。

如圖5b所示，3種障礙物對V2V通信的丟包率影響有顯著的差異。首先，建筑物造成的丟包率在100～400 m的通信范圍內，總體上高于綠化帶和金屬護欄造成的丟包率。另一方面，隨著距離的增長，建筑物導致的丟包率增長最為明顯，綠化帶次之，金屬護欄阻礙條件下，丟包率隨距離的增長率相對較小，在400 m時，丟包率約為4%。

4.4 障礙物及距離對通信性能影響的機理分析

基于路徑損耗理論，無線電傳輸過程中隨著傳輸距離的增加而逐漸衰減[23]；另一方面，無線通道產生的遮蔽效應闡釋了當障礙物出現在信號傳輸路徑上時，將發生顯著的衰減[23]。現有研究中，從機理出發分析障礙物和距離對通信性能影響的研究方法主要有3類建模仿真方法：Ray-tracing方法[24-27]，是自下而上的建模方法，理論上最真實地模擬了信號傳輸和衰減過程，但其對計算需求量很大；Stochastic方法[28-30]，是一種基于概率的宏觀建模方法；經驗模型方法[31-34]，其優勢是計算量小，常用試驗數據擬合模型參數。

根據路徑損耗理論，無線電傳輸中的接收信號強度可由冪律模型表達：

式中，R為信號強度；d為通信距離；ε為表征維度的參數，根據文獻[35]，在V2V場景下，可取ε=2.2；λ為波長。

波長的計算公式為：

式中，c為光速；f為無線電波頻率。

為了在模型中表達障礙物對信號衰減的影響，對上述冪律模型取對數推導，并加入遮蔽效應項：

式中，P為信號傳輸功率；P0為參考距離下的功率；Xσ表示基于遮蔽效應，信號衰減項符合以σ為標準差的正態分布。

根據文獻[35]的研究，可以將式（5）參數化表達為障礙物內部特性、厚度及數量的影響：

式中，κ為障礙物每層墻體造成的信號衰減量，nob為障礙物墻體層數，κ·nob表征了障礙物內部結構的影響；η為障礙物的單位厚度造成的信號衰減量，表征了障礙物材料特性的影響。

基于上述理論模型，計算出的不同頻率無線信號強度隨距離的變化如圖6所示。隨著距離的增大，接收信號強度（RSS）減小，在400 m范圍內，信號衰減顯著。對于DSRC，因基于5.9 GHz頻段，頻率較高，信號衰減相對更大。而接收信號衰減度則與DSRC的丟包率正相關，該理論解釋了測試結果所顯示的丟包率隨著距離的增大而顯著升高的機理。

圖6 基于路徑損耗理論計算的不同頻率無線信號強度隨距離的變化

如圖7所示，是障礙物特性系數及距離對5.9 GHz無線信號強度衰減的影響。隨著特性系數κ和η的增大，在相同的距離下，接收信號強度顯著降低，表明障礙物的材料類型、內部結構以及厚度對信號衰減有顯著影響。針對本文的V2X場景分析，建筑物總體厚度較大，并且內部通常存在多層墻壁，因此模型中的特性參數η和κ·nob都較大，根據圖7所示，其信號衰減最強，因此解釋了圖5b中所示的建筑物造成的丟包率最高。

5 結束語

本研究基于試驗測試了不同V2X應用場景下DSRC的時延和丟包率。并且基于路徑損耗理論和遮蔽效應理論建立了數學模型，針對試驗場景所涉及的通信距離、車輛運動狀態、障礙物類型3個方面的因素計算并闡釋了試驗結果的內在機理。

本研究所發現的DSRC通信性能在不同應用場景下的衰減，揭示了基于DSRC的V2X功能的局限性。特別是在城市道路工況中應用時，大量的建筑物等復雜遮蔽環境，將導致V2X功能的可靠性下降。因此，對未來的V2X功能應用，應該考慮在通信性能上予以加強，例如采用基于5G標準的蜂窩通信技術。

致謝

本研究的試驗工作獲得了同濟大學電信學院王平教授及其研究團隊的支持，本文的理論分析得到了密歇根大學機械工程學院黃夏南博士的指導，特此表示感謝。