智能汽車網聯性能暗室測試方法研究

劉 杰，雷劍梅，，陳 旭，曾令秋，田 甜

（1.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122；2汽車噪聲振動和安全技術國家重點實驗室，重慶 401122；3.重慶大學 微電子與通信工程學院，重慶 400044；4.重慶理工大學 車輛工程學院，重慶 400054）

隨著汽車工業的發展，智能網聯汽車具有非常復雜精細的車載系統，包括ADAS、移動通信、無線局域網、GPS、ECALL、遙控鑰匙以及V2X（Vehicle to Everything）網聯系統等［1］。V2X網聯系統測試涉及汽車和通信2個領域，面臨嚴峻的測試理念融合問題。

V2X相關應用的性能是汽車廠商和消費者非常關心的問題，也是科研領域的研究熱點［2-5］，在過去的幾年里，研究人員和測試機構開發了道路外場測試方案，并修建了相應的道路測試場地，典型測試場如美國密歇根州的Mcity［6］、瑞典的AstaZero以及中國重慶的I-VISTA和上海的國家智能網聯汽車示范區等。外場測試一般包括2個層面的測試，即硬件在環仿真測試和實際道路測試，在環測試簡單、可重復性好，測試成本低，但測試結果可靠性存疑；實際道路測試能夠反映智能駕駛系統的實際工作表現，但測試周期長，場景有限，效率較低，且故障不可再現，可重復性差。以上種種使得各大汽車廠商對測試結果信心缺乏，但并無更好的解決方案。2019年3月美國的大規模外場測試出現成片通信失效現象，引起了業界和學術界的普遍關注。由于外場環境難以再現，難于追蹤問題原因，但業內人士認為通信失效應與電磁輻射以及信道特性有關，基于此，本研究團隊認為除硬件在環仿真測試和實際道路測試之外，還需增加V2X暗室測試環節，通過構建一個具備測試可重復性、電磁環境可控的室內測試環境，在某種設定的電磁條件下，通過添加各種通信性能參數，對V2X設備進行重復測試，確保相關應用的有效性和可靠性。

在過去的幾年中，本研究團隊一直致力于智能網聯汽車實驗室測試方法的研究，并提出了一種用于ICV（intelligent connected vehicle，智能聯網車輛）的半虛擬測試方法［7］；設計了一個通信性能預測試平臺，用于評價車輛多頻無線終端的抗擾性能［8-11］。在前期研究基礎上，本文重點分析了影響無線通信性能的多種因素，如電磁場環境、多徑傳播、多普勒頻移和雨霧衰減等，并以之為基礎研究道路場景參數模型，將其用于指導暗室內測試環境配置，最后通過整車測試驗證了方法的可行性和有效性。

1 測試條件分析

本文提出的測試方案主要考慮了3個影響網聯性能表現的因素，即電磁場環境特性、信道衰減特性和天氣條件，下面分別予以詳述。

1.1 電磁場環境特性

車輛在行駛中面臨的電磁場環境異常復雜，外場測試結果表明，電磁干擾對網聯性能影響較大，例如當車輛行駛經過短波電臺天線塔附近時曾發生動力丟失，高鐵經過時也曾出現網聯功能異常。本文重點考慮的車外電磁輻射源包括無線電廣播站、通信基站、變電站、電動車充電站、高鐵線路、高壓線、雷達等，車內電磁輻射源包括手機、對講機、充電器、平板電腦等，其頻率范圍從工頻到GHz，電磁場環境特性如表1所示。

表1 電磁場環境特性

1.2 信道衰減特性

1）環境因素

城市中的車輛相互通信性能很大程度上取決于街道建筑物的寬高比和對稱性，以及圍繞線源的街區的形狀和建筑高度分布。本文重點考慮街道建筑特征參數，包括建筑物墻體高度和反射系數，相應的特性如表2所示。

表2 建筑物高度和反射面特性

2）多普勒頻移

多普勒頻移可用式（1）表示，

式中：vA和vB分別是源車輛A和目標車輛B的速度；αA和αB是相應車輛的天線仰角；c0是無線電波的傳播速度。多普勒頻移和丟包率之間的關系如圖1所示。

本文設定兩車之間的相對速度為60和120 km／h，場景分別對應于市區和高速公路，由式（1）計算可得多普勒頻移分別等于300和600 Hz。由圖1可得相應的信噪比（signal to noise ratio，SNR）損耗為1和4 dB。

1.3 天氣條件

雨霧衰減也是影響無線通信質量的重要因素，根據參考文獻［9］ITU-R P.838-1定義的雨霧衰減的評估方法，可根據式（2）計算得出不同通信頻率的雨霧衰減值。

式中：YR為雨衰（dB／km）；R為降雨量（mm／h）；k和α為頻率相關系數。

計算可得5.9 GHz的頻率時，降雨量為5、30和150 mm／h條件下的雨衰值，如表3所示，此處假設傳播路徑為水平路徑，極化方式為圓極化。

表3 雨衰

2 暗室測試方案的設計

本文提出網聯性能暗室內的測試方案，其主要目的在于評估帶有V2X網聯部件車輛在復雜環境下的網聯性能表現。測試方案設計主要包括3個主要內容，即測試用例的定義（關鍵參數的設置）、測試設置和測試流程設計。

2.1 測試用例定義

測試用例定義的關鍵是定義測試場景，測試場景包括道路場景和環境場景，本文考慮的道路場景包括城市道路、高速公路和鄉村公路3類，重點考量散射環境影響，進一步對3種道路場景進行細分，可分為4類場景，即城市直道、城市交叉道路、高速直道、鄉村直道，在這4種道路場景基礎上，再考慮環境因素，本文考慮4種環境因素，即電磁場環境、建筑物散射、多普勒頻移和雨衰，4種道路場景對應的環境因素影響特性如表4所示。

表4 測試場景考慮的因素

根據表4參數可計算得到不同道路場景條件下因多普勒頻移導致的信號衰落，信道衰減特性可根據不同建筑物高度條件下的衰落特性計算。

本文中直道和交叉路口衰落特性根據3GPP TR36.885的Annex A計算，直道計算公式為：

直道場景如圖2所示。

交叉路口采用曼哈頓模型計算NLOS（無視野）損耗，它與散射特性的影響有關，NLOS計算公式為：

式中，

PLLOS（dk）代表直射路徑損耗，其計算方法見式（3），d1和d2所代表的含義如圖3（a）所示，兩車的相對位置關系如圖3（b）所示。

本文以直道場景為例設計測試流程，由于城市道路散射特性相對復雜，根據式（3）和（4）計算得到的衰落特性往往與實際情況存在較大偏差，因此項目組選擇采用外場測試獲取參數，經過實際勘探后，項目組選擇中等高度的建筑物區域直道進行測量，道路其中一邊為強反射面玻璃幕墻，測試系統如圖4（a）所示，測試地點如圖4（b）所示，被測車輛向同一方向分別以V1和V2的速度行駛。測量時，信號源頻率為5 915.000 MHz，輸出功率為-30.0 dBm，天線高度為2 m，天線增益為-11.4 dBi，功放增益為43.6 dB，天線口徑面發射功率為25.0 dBm，線纜損耗為0.8 dB，測量參數及測試結果如表5所示。

表5 測量參數及測試結果

2.2 測試設置

交通管理部門和汽車行業都希望在不久的將來可以在所有公路車輛上安裝支持各種信息交換模式的新一代車載終端，例如衛星、蜂窩電話、V2X和藍牙等。在本文中，我們使用基于專用DSRC（dedicated short range communications，短程通信技術）的V2X組件作為DUT（device under test，DUT被測設備）來驗證所提出的測試方案的有效性。

暗室中的測試布置如圖5所示，通信測試儀CMW500與暗室內的通信天線相連，用于建立DUT的通信鏈路并監視通信性能參數。另一個V2X組件用作測試模塊，其BSM（basic safety message）信息，如GSP位置和速度，由控制器B設置。V-Box是一個數據采集器，用于采集DUT的輸出數據包，通過硬連線連接到筆記本電腦以太網。筆記本電腦用于收集數據，并將其保存為數據包捕獲文件，這些數據文件在后期處理過程中被解析。解析的數據包含位置、速度、加速度、航向、跟蹤和應用響應數據等。

2.3 測試流程設計

本文提出的測試方案目的是驗證DUT的性能是否受外部環境的影響而導致功能失效。導致V2X應用功能失效的原因有二，其一為通信功能失效，其二為響應功能失效，本文提出的測試方法包括通信性能測試和應用響應測試兩個步驟；由于V2X應用需在確保通信性能的基礎上才能正常響應，因此首先測試通信性能，并選擇通信性能正常的測試設置場景再進行應用響應測試，即先檢測通信相關故障，再檢測應用相關故障。

如圖5所示，RV（remote vehicle，遠端車輛）信號由放置在室外的V2X組件產生，控制器B用于設置相應的傳輸參數，這些參數由測試環境和應用的特性決定。通信綜測儀接收來自DUT的信號，并用于測試通信性能參數。放置在室外的控制器A用于設定DUT的發射參數。V-box和相應的數據收集器用于收集應用程序響應狀態。測試前，需要首先校準測試天線和通信天線的覆蓋范圍，以確保DUT能夠與它們通信。

本文設計了2種測試流程，即通信性能測試流程和應用性能測試流程。

2.3.1 通信性能測試

通信性能測試旨在獲得設定運行條件下的通信性能參數。詳細測試步驟設置如下。

步驟1：建立通信鏈路

在此步驟中，通信綜測儀用于與配備V2X模型的車輛建立通信鏈路。綜測儀向DUT發送命令，相應的通信天線收集DUT發送的信號，然后發送解調數據包回綜測儀。控制器A通過以太網連接到DUT以設置傳輸參數，傳輸參數應根據外場測試結果確定，此處主要考慮市區、高速公路和農村地區。

步驟2：設置電磁場環境

通信鏈路建立后，就可以在暗室內施加電磁場來模擬外界電磁場環境。電磁場的參數設置可以參照電磁抗擾測試標準ISO11451-2：2015——道路車輛對窄帶輻射電磁能的抗擾性試驗方法［10］和SAE J1551-17-2015［11］。

步驟3：通信性能分析

在步驟3中主要是監控和驗證通信性能是否會在外部電磁場下受損。在此步驟中，通信綜測儀用于監視通信性能參數，例如數據包丟率和吞吐量。注意，在正式測試之前，為了確定暗室內無線信號全覆蓋，即應首先進行信號覆蓋特性測試。

2.3.2 應用性能測試

該測試旨在評估在設定操作條件下的應用性能。詳細測試步驟設置如下。

步驟1：通信鏈路建立

在該步驟中，室外V2X組件用于與DUT車輛建立通信鏈路，室外V2X組件將BSM 發送到DUT，相應的通信天線收集DUT發送的信號，然后將其發送回綜測儀解調數據包。控制器B通過以太網連接到外部V2X組件，用于設置傳輸參數，傳輸參數應根據外場實際測試值確定。

步驟2：設置電磁場環境

該步驟同2.3.1節步驟2。

步驟3：應用性能分析

在外部電磁場和固定場景下，應用程序響應是否正常將進行監視和驗證。在此步驟中，V-box和數據收集器用于監視應用程序性能和輸出測試結果。

3 實驗與結果

3.1 通信性能測試

面向通信性能的測試包括2種參數設置，一種是電磁場強度等級的設置；另一種是對應于信道衰減的SNR設置。

電磁場的參數設置可參照電磁抗擾測試標準ISO11451-2和SAE J1551-17，根據表1設置頻率和強度值，磁場抗擾測試、電場抗擾測試分別如圖6、7所示。

在考慮中型城市城區直路的情景，并假設RV和HV（Host Vehicle，主車輛）之間的初始距離是200 m，RV的速度為0 km／h，HV的速度為60 km／h。RV位于HV同一車道的正前方。根據V2X組件供應商的建議，初始SNR分別設置為-4、0、4、8、12、16、20、24、28 dB。請注意，V2X組件供應商承諾，產品在所有上述SNR值下都能正常工作。根據表5中列出的測試結果，可將路徑衰落值設為94.5 dBm。將多普勒頻移SNR衰減設置為1 dB，假設最壞情況下的降雨量為150 mm／h，水平路徑為200 m，可計算出雨衰值，即1 dB，綜上所述，最后設定信噪比為-6.094、-2.094、1.906、5.906、9.906、13.906、17.906、21.906、25.906，相應的測試參數設置如表6所示。

表6 測試參數設置

通信性能測試結果如圖8所示，結果表明：環境電磁場強度和信噪比都會影響通信性能。待測設備DUT廠家提供的應用響應PDR閾值為60%，即PDR值高于60%的測試被認為通信性能正常，否則視為異常，因此本測試選擇PDR 閾值等于60%。

3.2 應用性能測試

以前向碰撞預警（forward collision warning，FCW）應用進行測試。在測試場景中，HV的速度設定為60 km／h，即17 m／s，RV和HV之間的初始距離設定為200 m。此處假設在RV和HV接近過程中僅發生縱向坐標變化。如果DUT的位置坐標設置為（x，y），則室外的初始位置坐標V2X組件應設置為（x，y+200 m）。根據DSRC標準，BSM每0.1 s發送1次，然后，控制器B控制室外V2X組件的縱向坐標以1.7 m／0.1 s做相應改變。根據前述的測試結果，有6組設置的通信功能正常。應用性能測試必須在通信功能正常的前提下進行，因此以通信功能正常的6組參數測試應用程序性能。每個參數組測試FCW 響應10次。注意，由于路徑衰減值隨著HV接近RV而減小，因此相應的SNR值也將隨之增加。控制器B應根據RV和HV之間的距離調整實時SNR設置。相應的測試參數見表7。

表7 應用測試參數

50μT磁場抗擾和30 V／m電場抗擾情況下的測試結果如圖9所示，所有距離碰撞時間（time to collision，TTC）值都高于FCW TTC閾值（2.1 s），輸出TTC值范圍6.97～7.14 s。每個設置組的TTC變換范圍為0.03～0.04 s，短于BSM傳輸時間間隔。由此可知測試輸出是穩定的，即可驗證本文提出測試方案的有效性。另外，測試結果表明：凡通信性能表現滿足要求的測試場景均能獲得正常的應用響應輸出，因此可證明DUT廠商提供的指標是可信的。

4 結束語

本文提出了裝備有V2X組件的車輛在暗室內的場景試驗方案。在該方案中，考慮了面向通信的測試和面向應用的測試。在測試方案設計中考慮了電磁場特征、信道衰落特征和天氣條件。為了驗證所提方案的有效性，在中國汽車工程研究院EMC實驗室進行了FCW 場景測試。測試結果表明：測試輸出穩定、測試重復性好。本文僅進行了FCW 實驗。在未來的工作中，將重新構建表4中列出的所有測試場景并完成相應的測試。