封閉道路條件下基于廣播式Wi-Fi的車路協同系統信息交互性能測試及評價

（交通運輸部公路科學研究院，北京 100088）

0 引言

車路協同系統基于無線通信、傳感器檢測等技術進行車路信息獲取，通過車車、車路信息交互和共享，實現車輛和基礎設施之間智能協同，達到優化系統資源、提高道路交通安全性、緩解交通擁堵的目標[1]。在車路協同環境下，可依靠Wi-Fi[2]、專用短程通信技術（Dedicated Short Range Communications,DSRC）[3]等無線通信技術進行信息傳輸。可靠、安全、暢通的信息傳輸是整個車路協同系統正常運轉的必要條件，因此有必要對車路協同系統信息交互性能進行測試，評價其在實際應用中的可行性。

國內外學者近年來不斷研究測試不同通信技術下車路協同系統信息交互的性能指標及影響因素。國外對車路協同系統的研究開展較早且較為全面，多采用DSRC 通信方式進行信息交互，實際路測也較多。Ahmad 等人[4]為了解基于LTE（Long Term Evolution）網絡的車路協同系統性能，主要研究室內和室外等不同環境因素對往返時延和平均用戶吞吐量性能指標的影響。Huang等人[5]主要研究了天氣、建筑物和車輛行駛方向等因素對DSRC 性能的影響。Carpenter 等人[6]采用DSRC技術交換安全消息數據包來研究車輛的高速移動和障礙物遮擋對丟包的影響。國內車路協同系統采用多種通信方式，相關研究大多進行仿真測試，實際道路測試較少，同時實際路測時選取的場景還不夠全面。Wang 等人[7]基于高速公路上的實測數據對車聯網通信可靠性進行了評估，得出影響視距通信性能的主要環境因素為道路坡度和交通密度。楊良義等人[8]研究了以Wi-Fi 和4G 進行信息傳輸的車路協同系統，選取交叉口和路段作為車路協同系統測試場景，并設計系統功能測試方案。王潤民等人[9]研究了基于網絡仿真器的車聯網仿真平臺，提出了數據包投遞率等網絡測試指標和速度等應用指標。但是文獻[7]～[9]都沒有進行實車測試。杜曉琳[10]設計了Wi-Fi 等多模式通信下的路側單元測試平臺，對不同通信模塊分別進行丟包率、通信延遲等性能指標的評估和測試，但沒有構建不同的測試場景來分析影響通信性能的主要因素。段宗濤等人[11]搭建網絡測試平臺在道路上實測基于Wi-Fi 的路側節點和車載節點的通信性能，主要研究車速對平均往返時延、丟包率和吞吐率的影響，缺乏對通信性能指標其他影響因素的研究。張東亮等人[12]設計了一種基于DSRC 的車路協同車載自組網軟硬件系統，在實際道路的視距范圍內研究距離對丟包率、吞吐量、延時抖動的影響，但是場景較為單一，對通信性能指標的分析不夠全面。

總體來說，我國基于Wi-Fi 網絡進行車路協同系統信息交互實際路測的研究較少，缺乏完善的測試場景和方案，導致對現有產品性能指標的影響因素分析不夠全面。鑒于目前車路協同系統的復雜性以及產品的多樣性，需通過設計不同的應用場景和測試方案，分析影響車路協同系統信息交互性能的主要因素，為車路協同系統在實際道路上的應用提供測試和論證。本文針對基于廣播式Wi-Fi 的車路協同系統信息交互，選取丟包率和通信時延作為評價通信可靠性與實時性的性能指標，通過控制車速將測試場景分為靜態場景和動態場景，同時在不同通信范圍內和視距條件下設計4 種測試方案，在試驗場封閉道路中進行實車測試，通過全面地比較車速、通信距離和遮蔽物（視距）對車路協同系統信息交互性能的影響，分析在實際道路應用中影響車路協同系統信息交互的主要因素，進而指導車路協同系統的改進，提高其信息交互水平。

1 測試場景構建

1.1 測試場地情況

封閉場地測試是開放道路測試前的關鍵環節，其依托封閉場地開展車路協同技術測試及評價，模擬盡可能多的交通場景，不斷積累測試數據，可為開放道路測試及系統的實際應用提供有力支撐[13-14]。

本文選取的封閉測試場地位于交通運輸部公路科學研究院試驗場內，可在保證安全的前提下完成車路協同信息交互的實車道路測試。該試驗場是交通運輸部認定的第一批自動駕駛封閉場地測試基地，擁有3km 長的自動駕駛測試道路，涵蓋典型的城市道路類型和公路基礎設施，道路沿線布設協同交通信號、模擬城市街景、公交站臺等設施，可靈活搭建自動駕駛和車路協同封閉場地測試所需的場景，支持智能車路系統研發試驗與原型系統驗證。其中，車路協同試驗路包括總長度為5 505m 的低速瀝青路及低、中、高速水泥路4 條試驗道路，環道周邊布設車路通信系統，可用于封閉場地車路協同、自動駕駛編隊等測試。長直線試驗路直線段長2 330 m、寬9 m，為水泥混凝土路面，最大縱坡＜0.1%，直線路段配有測試門架和輔助電力通信系統，能開展路側通信設備的通信范圍測試、ETC 系統互操性測試等。試驗場整體道路場景如圖1所示。

1.2 設備參數選型及布設

在封閉測試場地選取普通車輛搭載車載單元（On-Board Unit,OBU），其與在路側布設的路側單元（Roadside Unit，RSU）可以相互發送消息。在車內測試環境下，將車載設備放于車內，將吸盤天線固定于車頂，車載設備提供的Wi-Fi、網口、USB 可連接電腦、平板、手機等終端設備，車載設備電源為兩相插頭，可提供220V 電源。在不影響車輛通過的前提下，將路側設備固定在道路上的龍門架或L 形交通桿橫臂上，且位于桿臂上的單向道路中間位置。路側設備安裝高度為距離地面3～6m，垂直于地面安裝，天線方向向下（見圖2）。同時，為路側設備提供220V 電源及從電源到設備長度的網線，用于連接有源以太網（Power Over Ethernet,POE）電源對路側設備進行供電。

測試用的廣播式Wi-Fi 設備來自北京航空航天大學，設備的技術規格見表1和表2。

圖1 交通運輸部公路科學研究院試驗場整體道路場景

圖2 路側單元布設情況

表1 車載通信終端技術規格

表2 路側通信終端技術規格

2 確定測試評價指標及方案

2.1 測試評價指標的確定

由于車路協同信息交互基于車輛自組織網絡，在車聯網環境下，通信性能指標主要包括通信時延、丟包率及吞吐量，其均受車速、環境、距離或建筑物遮擋等因素的影響[15]。吞吐量是單位時間內通過網絡的總數據量，可用傳輸數據時的實際帶寬值和通信數據的總傳輸速率表示。本文是在傳輸的數據量滿足車路協同系統信息交互測試評價及應用的前提下進行數據包投遞的，因此可不考慮吞吐量對車路協同系統信息交互性能的影響。丟包率主要表征能否收到消息，通信時延主要表征能否及時收到信息，兩者都具有可測性、獨立性和代表性。因此，選取丟包率和通信時延作為通信性能的主要評價指標，判斷車路協同系統的信息交互是否滿足實際道路應用要求。

2.1.1 丟包率

丟包率是指測試中丟失的數據包數量占所發送數據包數量的比例，能體現出網絡的可靠性。在車路協同環境下，靜止或低速行駛情況下的丟包可由網絡鏈路擁塞引起，此時的丟包率與網絡流量有關[16]；當車輛高速行駛時，通信距離和干擾、多徑衰落、建筑物遮擋等因素都可能造成丟包。不同的通信業務對丟包率的要求不同，對于車路協同系統信息交互，若傳輸安全性要求極高類消息應滿足丟包率在5%以下，普通安全應用類消息丟包率應在20%以下，否則說明車路協同系統信息交互不可用[17]。丟包率的計算公式如下：

式（1）中：PLR 為丟包率（%）；Ps為路側單元發送的數據包數量（個）；Pr為車載單元接收的數據包數量（個）。

2.1.2 通信時延

通信時延是指數據（1 個報文或分組，甚至比特）從網絡或鏈路的一端傳送到另一端所需要的時間，是衡量網絡性能的重要指標之一[18]。通信時延主要分為單向時延（End-To-End Delay）和往返時延（Round-Trip Time,RTT）兩類。在實際測試場景下，可以通過測試同一節點發送和接收數據包的往返時延來避免時鐘不同步的問題。車路協同系統信息交互對實時性有較高的要求，尤其是安全類信息的傳輸，通常傳輸安全性要求極高類消息應滿足時延在20ms以內，傳輸普通安全應用類消息時延應在100ms 以內[19]。通信時延的計算公式如下：

式（2）中：DE 為通信時延（ms）；RTT 為往返時延（ms）；t1為數據包的發送時間（ms）；t2為數據包的接收時間（ms）。

2.2 測試目的及場景方案

2.2.1 測試目的

封閉道路下車路協同系統信息交互測試的基礎是場景構建，無論是虛擬測試還是實際道路測試都需要根據測試指標找到合適的測試場景進行測試[20]。考慮測試車速、通信距離和視距條件3個變量對通信性能指標的影響，可根據車輛在測試時的狀態劃分不同的場景，采取不同的測試方法。無論改變視距還是通信距離，在靜態場景下，車輛都會以靜止的狀態接收信息；在動態場景下，車輛都會以不同的車速接近路側端來接收信息。因此依據車速首先將交通場景分為靜態場景和動態場景，再改變不同通信距離和視距條件在這兩種場景中進行測試，共設計4 種測試方案。

2.2.2 靜態交通場景測試方案

（1）視距條件下測試方案

如圖3 所示，在試驗場封閉道路的十字路口一側放置路側單元，向停在長直道路上的車輛搭載的車載單元發送消息。先將車輛停放在距路側單元50m處，路側單元以10Hz的頻率不斷發送信息，數據包內包含數據包序號和發送時間等相關信息，5min 后停止數據的發送和接收。再將搭載車載單元的車輛停在長直道路上分別距離路側單元100m,150m,200m,250m 處重復上述試驗。導出收集到的測試數據后，通過式（1）計算不同距離下的丟包率；通過式（2）計算不同距離下各消息的通信時延，并且將所有消息通信時延的平均值作為該距離下的通信時延。

圖3 靜態視距條件下交通場景

（2）非視距條件下測試方案

如圖4 所示，在試驗場封閉道路的十字路口旁房屋的一側放置路側單元，向停在房屋另一側長直道路上的車輛搭載的車載單元發送消息。先將車輛停放在距路側單元50m 處，路側單元以10Hz的頻率不斷發送信息，數據包內包含數據包序號和發送時間等相關信息，5min 后停止數據的發送和接收。再將搭載車載單元的車輛停在長直道路上分別距離路側單元100m,150m,200m,250m 處重復上述試驗。導出收集到的測試數據后，通過式（1）計算不同距離下的丟包率，通過式（2）計算不同距離下各消息的通信時延，并且將所有消息通信時延的平均值作為該距離下的通信時延。

圖4 靜態非視距條件下交通場景

2.2.3 動態交通場景測試方案

（1）視距條件下測試方案

如圖5 所示，在試驗場封閉道路的十字路口一側放置路側單元，向長直道路上的車輛搭載的車載單元發送消息。先將車輛停在距路側單元50m 處，再以20km/h 的速度駛向路側單元，路側單元在該過程中以10Hz的頻率不斷發送信息，數據包內包含數據包序號和發送時間等相關信息，車輛到達并停在路側單元所在的路口時停止發送。然后將搭載車載單元的車輛停在長直道路上距離路側單元100m,150 m,200m,250m處重復上述試驗，再將車速提升至30km/h后分別從50m,100m,150m,200m,250m處駛向路側單元重復上述試驗。最后導出收集到的測試數據，通過式（1）計算不同距離下的丟包率，通過式（2）計算所有消息通信時延的平均值作為該距離下的通信時延。

圖5 動態視距條件下交通場景

（2）非視距條件下測試方案

如圖6所示，在試驗場封閉道路的十字路口旁房屋的一側放置路側單元，向在房屋另一側長直道路上的車輛搭載的車載單元發送消息。先將車輛停在距路側單元50m 處，再以20km/h的速度駛向路側單元，路側單元在該過程中以10Hz的頻率不斷發送信息，數據包內包含數據包序號和發送時間等相關信息，車輛到達并停在路側單元所在的路口時停止發送。然后將搭載車載單元的車輛分別停在長直道路上距離路側單元100m,150m,200m,250m 處重復上述試驗，再將車速提升至30km/h后，分別從長直道路上距離路側單元50m,100m,150m,200m,250m 處駛向路側單元重復上述試驗。最后導出收集到的測試數據，通過式（1）計算在不同距離下的丟包率，通過式（2）計算所有消息通信時延的平均值作為該距離下的通信時延。

圖6 動態非視距條件下交通場景

3 系統測試結果分析

為了測試該基于廣播式Wi-Fi 的車路協同系統設備的通信性能，并分析相關影響因素，判斷其是否能滿足在實際道路上應用的條件，選擇封閉道路進行測試驗證。測試當天為晴天，溫度適中，可見度正常。按照靜態和動態場景下的測試方案，在不同視距條件下的不同通信距離重復測試，以提高數據的準確性和科學性。試驗中，統計所有發送和接收的數據包個數、發送時間和接收時間，分別按照式（1）、式（2）計算丟包率和通信時延。

3.1 丟包率測試結果分析

通過處理測試數據，分別得到靜態場景和動態場景下丟包率隨通信距離的變化情況（見圖7和圖8）。

圖7 靜態場景下丟包率

圖8 動態場景下丟包率

通過選取不同的通信距離、車速和視距條件進行丟包率測試，分析丟包率的主要影響因素。結果表明，不論在何種情況下，隨著通信距離的增加，丟包率也隨之增加。在靜態和動態條件下，100m 以內丟包率普遍低于10%，說明通信性能較好；當距離超過200m，丟包率平均高達20%以上，基本不能滿足車路協同系統信息交互的基本要求，因此該設備的主要通信范圍為100m。

在通信距離相同時，車速和視距的變化也會對丟包率產生影響。在同一視距、相同通信距離的交通場景中，隨著車速的增加，丟包率呈略微增長的趨勢，低車速情況下車速的變化對丟包率影響不大。在同距離范圍內、同車速的交通場景下，視距條件下的丟包率遠小于非視距條件下的丟包率。并且在視距條件下，通信范圍小于200m時能滿足丟包率在20%以內的要求；非視距條件下，通信范圍小于150m 時基本滿足丟包率在20%以內的要求。

綜上，通過比較不同車速、視距和通信距離對丟包率的影響可看出，通信距離和視距是丟包率最為明顯的影響因素，該車路協同系統信息交互的丟包率在一定范圍內滿足實際應用的通信要求。由此可知，車路協同系統信息交互需在滿足性能指標要求的通信距離和視距范圍內進行。

3.2 通信時延測試結果分析

通過處理測試數據，分別得到靜態場景和動態場景下通信時延隨通信距離的變化情況（見圖9和圖10）。

圖9 靜態場景下通信時延

圖10 動態場景下通信時延

通過選取不同的通信距離、車速和視距條件進行通信時延測試，分析通信時延的主要影響因素。結果表明，無論是在靜態還是動態的交通場景中，通信距離對平均通信時延的影響都不大，隨著通信距離的增加，平均通信時延仍保持一定的穩定性。同時，在同一視距、相同通信距離的交通場景中，隨著車速的增加，平均通信時延沒有明顯的變化；在同一通信距離、同車速的交通場景中，視距條件下與非視距條件下的通信時延基本保持在8～10ms 范圍內。但是，通過分析具體數據發現，當通信距離增加至100m 以上，有個別信息在傳輸過程中的通信時延達到了100ms及200ms以上。

綜上，該車路協同系統信息交互的平均通信時延總體穩定在10ms內，受通信距離、視距條件和車速的影響很小，個別傳輸不穩定的信息的通信時延也在200ms 以內，并不影響系統整體的通信性能，可忽略不計。由此可知，該車路協同系統信息交互的通信時延基本滿足通信要求，受車速、距離和視距影響不大。

3.3 通信性能評價指標分析總結

通信性能評價指標中的丟包率和通信時延均為定量指標，是普遍適用于評價車路協同系統實用性的代表指標。根據不同的通信距離、車速和視距條件構建實際車路協同應用場景后，相關指標數據可通過實車測試直接或間接獲取，用于全面分析通信性能的主要影響因素。測試結果表明：①通信距離越遠，車路協同信息交互性能越差，丟包率越高，并且視距條件下的丟包率比非視距條件下低，而車速對丟包率無較大影響，通過測試可找到不同技術設備滿足車路協同系統信息交互丟包率要求的視距條件和通信距離范圍；②車速、通信距離和視距對通信時延的影響不大，通信時延能在一定數值范圍內保持穩定，通過測試可確定通信時延是否滿足車路協同系統信息交互的要求。由此可得出，在測試場景中，通信距離增加和對車輛的遮擋是造成基于廣播式Wi-Fi的車路協同系統信息交互性能下降的重要因素。

車路協同系統信息交互要求：傳輸安全性要求極高類消息應滿足時延在20ms以內、丟包率在5%以下，傳輸普通安全應用類消息應滿足時延在100ms 以內、丟包率在20%以下，當丟包率和時延中的某一項不能達到此要求時，說明此車路協同系統不滿足在實際道路中應用的條件。在車路協同系統實際應用前應測試不同交通場景下滿足通信要求的視距與通信距離范圍，合理布設車載端和路側端。

4 結語

通信性能是車路協同系統信息交互效果的主要影響因素，在傳輸數據總量一定的情況下，數據包的傳送質量是無線通信網絡評價的核心。本文選擇丟包率和通信時延作為主要的測試評價指標，搭建實際道路交通場景，通過控制車速將其分為靜態和動態場景兩種類型，同時在不同通信范圍和視距條件下設計了4 種測試方案，在封閉道路中進行實車測試，比較分析通信距離、車速、遮擋情況（視距）對通信性能的影響。測試結果表明，通信距離和視距條件對丟包率有一定影響，車速、通信距離和視距對通信時延的影響不大。因此，設置車載和路側設備時，應在仔細分析環境情況后，將廣播式Wi-Fi 的丟包率和通信時延控制在一定范圍內，以滿足車路協同系統信息交互的需要。在實際交通場景中，可能會出現其他影響通信性能的因素，如：周邊電磁環境干擾、車輛天線安裝方式等。在未來研究中，可選取更貼近實際道路條件的多種場景進行測試，對通信性能及影響因素進行更深入的分析，為車路協同技術的發展和應用打好基礎。