用于無(wú)人駕駛車輛的可靠無(wú)線數(shù)傳系統(tǒng)

摘要：

利用意法半導(dǎo)體公司的STM32微處理器和兩片射頻芯片設(shè)計(jì)了用于無(wú)人駕駛車輛的無(wú)線數(shù)傳系統(tǒng)。首先通過兩片工作在不同頻率的射頻芯片，以兩個(gè)不同的載波頻率實(shí)現(xiàn)信息的并行收發(fā)，大概率降低了信道干擾;其次每片芯片內(nèi)部再利用跳頻技術(shù)，進(jìn)一步降低了干擾的可能，進(jìn)一步提高通信的成功率;然后利用微處理器自帶的對(duì)稱加密算法實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)簽名系統(tǒng)，保證了數(shù)據(jù)的完整性和信息的安全性;最后，測(cè)試統(tǒng)計(jì)分析驗(yàn)證了數(shù)傳系統(tǒng)的可靠性和合理性。所設(shè)計(jì)的通信系統(tǒng)，易于實(shí)現(xiàn)，成本低而且可以實(shí)現(xiàn)安全可靠的通信。該方法也可以用于對(duì)通信可靠性要求較高的其它數(shù)傳系統(tǒng)中。

關(guān)鍵詞：

跳頻技術(shù); 高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn); 數(shù)傳系統(tǒng); 無(wú)人駕駛汽車

中圖分類號(hào)： TP919

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Reliable Wireless Data Transmission System for Driverless Vehicles

ZHANG Miao

（Research and Development Center of ZTE Co. Ltd.， Shanghai 201203， China）

Abstract：

In this paper， STM32 microprocessor and two radio frequency chips are used to build a wireless data transmission system for driverless vehicles. First of all， through two pieces of radio frequency chip operating at different frequencies， two different carrier frequencies can be used to achieve the parallel transmission and reception of information to reduce the channel interference. Secondly， the internal use of frequency hopping technology within each chip further reduces the frequency conflict， and further improves the success ratio of communication.Thirdly，the quasisignature system is realized by the symmetric encryption algorithm of microprocessor， which ensures the integrity of the data and the security of communication. Finally， the reliability and rationality of the data transmission system are verified by the statistical analysis. The communication system designed in this paper is easy to realize and low cost， and the communication is safe and reliable. The proposed method can also be used in other data transmission system which requires high communication reliability to improve the reliability of information transmission.

Key words：

frequency hopping technology; advanced encryption standard; data transmission systems; driverless vehicle

0引言

無(wú)人駕駛汽車依靠車內(nèi)的智能駕駛儀實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛。從上世紀(jì)70年代開始，西方國(guó)家就開始了無(wú)人駕駛汽車的研究。近年來(lái)國(guó)內(nèi)也有很多研究機(jī)構(gòu)參與其中，并取得長(zhǎng)足進(jìn)步[1]。自動(dòng)駕駛技術(shù)中，第五級(jí)是無(wú)人駕駛的終極目標(biāo)[2]。目前，各實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)在測(cè)試時(shí)，都會(huì)用真實(shí)汽車作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。由于測(cè)試車輛自重大（1.5噸左右），速度快（高到80 KM/H），所以實(shí)車測(cè)試非常危險(xiǎn)。為了保證測(cè)試人員的安全，在實(shí)驗(yàn)時(shí)車上可以不乘坐駕駛員。但該方式需要借助無(wú)線電實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)控，對(duì)信息傳輸?shù)目煽啃蕴岢隽藝?yán)苛的要求。

為了解決無(wú)線通信中的可靠性難題，數(shù)傳系統(tǒng)的研究主要分兩個(gè)方向，一是借助電信公司的蜂窩網(wǎng);二是應(yīng)用新的通信技術(shù)。目前我國(guó)公共無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)比較完善，文獻(xiàn)[3]提出利用2G和3G通信系統(tǒng)代替數(shù)傳電臺(tái)的可行性。但這種方式有諸多弊端，比如會(huì)產(chǎn)生通信費(fèi)用;每個(gè)地區(qū)蜂窩網(wǎng)的密度和通信質(zhì)量不一致，導(dǎo)致難以實(shí)現(xiàn)全地形的無(wú)人車測(cè)試。

利用新的信息技術(shù)提高數(shù)傳的可靠性是更可行的方法。為了保證通信的可靠性，一種新的抗干擾通信體制——跳頻通信系統(tǒng)[4]便應(yīng)運(yùn)而生，它通過在短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)移通信頻點(diǎn)來(lái)達(dá)到規(guī)避干擾的目的，可以很大程度上提高通信的可靠性。移動(dòng)通信中GSM、BLUETOOTH中都應(yīng)用了該技術(shù)。跳頻通信技術(shù)具有很強(qiáng)的抗干擾、抗衰落、抗截獲能力以及可多址組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代軍事通信、民用移動(dòng)通信、雷達(dá)及聲納等電子系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用[5]。文獻(xiàn)[6]利用交織技術(shù)構(gòu)造最優(yōu)跳頻序列和最優(yōu)跳頻序列族。文獻(xiàn)[7]詳細(xì)的比較了碼分多址和跳頻技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，并給出軍事通信中的應(yīng)用案例。

文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了一款短距離無(wú)線通信控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用A7105無(wú)線傳輸模塊，通過STM8S控制塊發(fā)送端與SN8F接收端來(lái)實(shí)現(xiàn)控制芯片之間進(jìn)行2.4 GHz無(wú)線通信，并能夠一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的短距離無(wú)線通信。系統(tǒng)傳輸距離可達(dá)20米以上。文獻(xiàn)[9]從硬件設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)兩方面闡述了采用數(shù)字信號(hào)的無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)的開發(fā)方案，提出了基于dPMR（digital private mobile radio）標(biāo)準(zhǔn)數(shù)傳電臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)與實(shí)現(xiàn)、OS任務(wù)模塊設(shè)計(jì)以及相關(guān)通信協(xié)議制定等內(nèi)容。文獻(xiàn)[10]對(duì)跳頻序列進(jìn)行了深入的研究，給出了幾類具有優(yōu)良性能的跳頻序列（族）。并表明構(gòu)造三類跳頻序列族均具有（次）最優(yōu)的漢明相關(guān)特性。文獻(xiàn)[11]提出了一種基于演化DES（Data Encryption Standard）的安全跳頻序列設(shè)計(jì)方案，提高了抗差分攻擊和線性攻擊能力。通過對(duì)跳頻序列的多項(xiàng)性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明跳頻序列不僅通過了測(cè)試，而且在安全性、均勻性、相關(guān)性、線性復(fù)雜性和隨機(jī)性等方面獲得了較大的改善。文獻(xiàn)[12]對(duì)基于攻擊樹模型對(duì)數(shù)傳電臺(tái)傳輸?shù)陌踩赃M(jìn)行評(píng)估。

在前人研究工作的基礎(chǔ)上，本文構(gòu)造雙頻通信的數(shù)傳系統(tǒng)，并在每個(gè)主頻點(diǎn)附近利用跳頻技術(shù)，極大地提高通信成功的可能性。另外利用芯片自帶的對(duì)稱加密系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)數(shù)字簽名的驗(yàn)證，保證了信息的安全性。下面從硬件設(shè)計(jì)、通信協(xié)議和實(shí)驗(yàn)和總給三個(gè)方面分別介紹。系統(tǒng)整體架構(gòu)圖，如圖1所示。

1硬件設(shè)計(jì)

對(duì)于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)傳通信系統(tǒng)，好的設(shè)計(jì)方案，首先保證結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，其次硬件成本要低。復(fù)雜的碼分多址和多輸入輸出天線方法，因?yàn)榧夹g(shù)難度和成本太高，目前難以應(yīng)用到數(shù)傳系統(tǒng)中。跳頻通信因?yàn)槠淇菇孬@、抗干擾能力都很強(qiáng)，是數(shù)傳電臺(tái)主要借鑒的技術(shù)。

由于頻率資源有限，目前分配給數(shù)傳電臺(tái)的頻率為315 MHz/434 MHz/2.4 GHz。2.4 GHz只適合5米內(nèi)的短距離設(shè)備，不滿足本文設(shè)計(jì)要求。433 MHz的波長(zhǎng)短、方向性強(qiáng)些、穿透能力強(qiáng)。315 M的天線較長(zhǎng)，但繞性能力好。

本文選用Silicon Laboratories的SI4463芯片，該芯片具有低功耗、遠(yuǎn)距離、高傳輸速率等特點(diǎn)。芯片主要參數(shù)為：頻率：1191 050 MHz;發(fā)射功率：+20 dBm，100 mW;接收靈敏度：-126 dBm;通訊速率：123 0001 Mbps。基于此芯片的模塊SI4463TR4GC，可以實(shí)現(xiàn)空曠地帶1 Km范圍內(nèi)的通信。但該產(chǎn)品要么工作在315 MHz（305～425），要么在433 MHz （423～433）附近，才能保證有效增益。系統(tǒng)所用微處理器為意法半導(dǎo)體公司的STM32F100RC，其有64腳、3路SPI、工作頻率為72 MHz。

最理想的方式是利用每個(gè)頻率的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)廣譜可靠通信。事實(shí)上，設(shè)計(jì)大頻率范圍，且每個(gè)頻率都有理想增益的系統(tǒng)，幾乎不可能。為了保證通信的可靠性，本文采用兩片支持跳頻的模組SI4463TR4GC，一個(gè)工作在315 MHz附近，另一個(gè)工作在433 MHz附近。接收方和發(fā)送方的結(jié)構(gòu)完全一樣。要發(fā)送的數(shù)據(jù)通過兩個(gè)獨(dú)立且不干擾的信道同時(shí)發(fā)出，接收方的兩個(gè)信道也同時(shí)接收，任何一個(gè)信道收到正確的信息，標(biāo)志通信成功，該方法通過兩個(gè)并行信道的收發(fā)，最大限度地保證通信的可靠性。

所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的部分原理圖，如圖2所示。

圖2中UA為微處理器STM32F100RC;UB和UC是兩片SI4463TR4GC;系統(tǒng)通過USB供電并實(shí)現(xiàn)和主機(jī)的通信;S為常開開關(guān)，實(shí)現(xiàn)急停功能模擬。其他GPIO口完全開放。

2通信協(xié)議

2.1頻率跟蹤策略

跳頻器是跳頻系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，而跳頻同步則是跳頻系統(tǒng)的核心技術(shù)。隨機(jī)跳頻可以提高安全性和抗干擾能力，但接收端跟蹤頻率需要大量的計(jì)算和嘗試。為了降低計(jì)算量，本文通過軟件方法實(shí)現(xiàn)頻率的快速跟蹤。文中設(shè)計(jì)了信道權(quán)重更新列表，并定期的把該列表下發(fā)到接收端，接收端根據(jù)此列表中的有效信道指示依次嘗試，從而實(shí)現(xiàn)頻率的快速跟蹤。

系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，所有子信道的權(quán)重為初始值。如果某次通信中，所用信道不能成功收發(fā)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會(huì)給當(dāng)前子信道的權(quán)重減1。系統(tǒng)每五分鐘為一個(gè)統(tǒng)計(jì)周期，統(tǒng)計(jì)所有子信道的權(quán)重，如果某信道的權(quán)重小于一定閾值，則更新列表中，對(duì)應(yīng)的值設(shè)為0，否則是1。接收端收到該列表后，自動(dòng)跳過值為0的信道。該方法降低了頻率跟蹤的復(fù)雜度，使接收方可以盡快鎖定發(fā)送頻率，保證了通信的實(shí)時(shí)性。

2.2通信加密方法

為了確保信息的正確接收，正常的做法是明文加上摘要一起發(fā)送。如果消息被篡改，接收方會(huì)發(fā)現(xiàn)計(jì)算出的摘要不同，從而保證了消息的完整性。如果用STM32實(shí)現(xiàn)MD5（MessageDigest Algorithm）摘要算法，需要較長(zhǎng)時(shí)間，無(wú)法保證通信的實(shí)時(shí)性。STM32芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了AES（Advanced Encryption Standard）加、解密算法，計(jì)算速度非常快。如果用對(duì)稱加密作為摘要，當(dāng)接收方發(fā)生抵賴行為時(shí)，無(wú)法判定此種糾紛。但在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)傳系統(tǒng)中，接收方不可能主動(dòng)發(fā)出數(shù)據(jù)而發(fā)生抵賴行為。所以可以用MCU自帶的對(duì)稱加密算法得到摘要，保證消息的完整性。

2.3通信協(xié)議設(shè)計(jì)

發(fā)送方通過兩個(gè)信道發(fā)送兩份相同的數(shù)據(jù)，接收方中的任何信道正確接收收據(jù)后，用原來(lái)信道把數(shù)據(jù)原封不動(dòng)的返回，這樣減少了接收方的計(jì)算量。

對(duì)接收方而言，需要驗(yàn)證收到的信息是否被完整。如果收到信息的目的地址和自己的地址相同，則調(diào)用AES解密通信內(nèi)容中的后16個(gè)字節(jié)，如果解密內(nèi)容和消息的前16個(gè)字節(jié)相同，則認(rèn)證通過表示信息沒有被篡改或者被偽造。任何一個(gè)信道收到合法的信息，只要對(duì)比正確消息的密文和另一通道的密文就能判斷另外一個(gè)通道是否也接收正確，這種方式使得接收方只需要解密一次，便可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)通道消息的驗(yàn)證。任意一個(gè)信道接收的消息正確完整，則用接收的信道發(fā)回收到的消息。如果主站收到的信息和發(fā)出相同，表明信息發(fā)送正確，如果接收超時(shí)，則給該信道的權(quán)重減1。

通信協(xié)議包括信息的廣播，接收端的應(yīng)答以及信道權(quán)重更新三個(gè)方面。所有協(xié)議格式的定義，如表1所示。

3總結(jié)

單個(gè)射頻模組的市面售價(jià)不到10元人民幣，本系統(tǒng)通過使用兩個(gè)射頻模組，成本增加可以接受。

經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)所用的MCU調(diào)用AES128加密算法，加密16字節(jié)數(shù)據(jù)需要53.2微秒，解密16字節(jié)密文需要54.8微秒。每個(gè)模塊可以工作在中心頻率正負(fù)10 MHz的有效范圍，設(shè)每個(gè)子信道的寬度為500 kHz，則每個(gè)模塊各設(shè)置40個(gè)子頻道。本文中有效數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度為32字節(jié)（256比特），設(shè)定的空中數(shù)據(jù)速率為500 K比特每秒，則發(fā)送延時(shí)為0.512 ms。MCU的中斷響應(yīng)時(shí)間為1 us，加密/解密16字節(jié)約用55微秒，算上程序的處理時(shí)間，正常情況下，主站發(fā)出信息到接收到信息的總延遲小于1.5 ms。因此設(shè)接收超時(shí)時(shí)間為2 ms，意味著如果信道被干擾，系統(tǒng)2 ms后切換新的信道重新發(fā)出數(shù)據(jù)。

當(dāng)通訊距離小于1 Km時(shí)，在不同的地域測(cè)試50次。實(shí)驗(yàn)表明，本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)通信的平均延時(shí)為3 ms，最大延時(shí)6 ms。當(dāng)無(wú)人駕駛汽車時(shí)速為120 KM/H時(shí)，最壞情況下發(fā)出的通信數(shù)據(jù)，在車運(yùn)動(dòng)約0.2 m后收到，滿足無(wú)人車運(yùn)行的實(shí)時(shí)性和安全性需求。

本文系統(tǒng)的可靠性主要通過如下幾個(gè)方面得以保障，首先通過每片工作在不同的頻率實(shí)現(xiàn)信號(hào)冗余傳輸，極大提高了通信成功的概率;其次通過信息加密和驗(yàn)證，保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。此外，文中設(shè)計(jì)的協(xié)議在增加通訊模塊增加時(shí)，并沒有增加額外的計(jì)算量;文中的有效頻率列表廣播設(shè)計(jì)也減小了頻道搜索的延時(shí)。綜上所述，本文設(shè)計(jì)方法所構(gòu)造的系統(tǒng)以很小的計(jì)算量實(shí)現(xiàn)了雙頻率的冗余工作，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)也可以用于其他可靠性要求高的通訊場(chǎng)合。

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（收稿日期： 2019.12.10）

作者簡(jiǎn)介：張苗（1983），女，碩士，工程師，研究方向：無(wú)線通訊技術(shù)。

文章編號(hào)：1007757X（2020）08010803