封閉測試場條件下多模式車聯(lián)網(wǎng)通信性能測試與驗(yàn)證

中圖分類號(hào)：U467.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.20104/j.cnki.1674-6546.20240266

【Abstract】Three types of IoV communication network test platforms of the 5th Generation mobile communication technology（5G），EnhancedUltraHigh Throughput （EUHT）andLong-TermEvolution-VehicletoEverything（LTE-V2X）are constructedbasedontheclosedtestfield.Andfour testscenariosaredesigned，includingthefull-fieldperformancetest， dynamicandstaticperformancetest，Vehicle-to-Infrastructure （V2I）communicationperformancetestandVehicle-to-Vehicle （V2V）communication performance test.Communicationdelay，datapacketdeliveryrateandthroughputareusedas evaluation metrics toverifyandcomparativelyanalyzetheperformanceof theabove threecommunicationnetworks intypicalapplication scenarios，suchasvaryingcommuicationdistancs，diferentvehiclespeeds，V2Icommunicationuplink，downlinkandhbrid transmissionandend-to-endV2Vcommunication inreal-vehicletests.Testresults indicatethatthethreeabovenetworks generally satisfytherequirementsof IoVapplications in dynamic traffc environment，among which 5G demonstrates the superiorperformance，followedbyEUHT，butintermsofdeploymentcostandcomplexity，LTE-V2Xhasasignificant advantage.

Key words： Internet of Vehicle （IoV），Closed proving ground， Communication testing，5th Generation mobile communication technology （5G），Enhanced UItra High Throughput （EUHT）， Long-Term Evolution-Vehicle to Everything （LTE-V2X）

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1前言

車聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)是利用現(xiàn)代無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)人、車、路、云之間的協(xié)同，基于車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的典型應(yīng)用，如自動(dòng)駕駛、輔助駕駛、多媒體信息服務(wù)等，可以有效提升交通效率、減少交通事故。車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)并非在蜂窩時(shí)代誕生，國際上較早前就能夠利用基于IEEE802.11p協(xié)議的專用短程通信（DedicatedShortRangeCommunication，DSRC）技術(shù)實(shí)現(xiàn)車輛間的信息交互，然而，基于DSRC技術(shù)研發(fā)的車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用受制于傳輸距離和基礎(chǔ)設(shè)施投入等因素，因此車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛苫诘谌献骰锇橛?jì)劃（3rd Generation PartnershipProject，3GPP）（R14、R16）協(xié)議的蜂窩車聯(lián)網(wǎng)（CellularVehicle-to-Everything，C-V2X）技術(shù)支持[l，包括基于長期演進(jìn)的車聯(lián)網(wǎng)（Long-Term Evolution-Vehicle toEverything，LTE-V2X）和基于第五代移動(dòng)通信技術(shù)的車聯(lián)網(wǎng)（5thGeneration mobilecommunicationtechnology-Vehicleto Everything，5G-V2X）。此外，基于IEEE802.11ac網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的增強(qiáng)型超高吞吐（Enhanced Ultra High Throughput，EUHT）技術(shù)因具備高可靠、低時(shí)延、大容量和高速移動(dòng)適應(yīng)性的特性，在我國軌道交通、機(jī)場沿線等場景中發(fā)揮著重要的通信支撐作用2。為了促進(jìn)基于車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)的基礎(chǔ)設(shè)施、裝備應(yīng)用在智能網(wǎng)聯(lián)汽車領(lǐng)域進(jìn)行大規(guī)模部署，以及保證智能網(wǎng)聯(lián)汽車在各種交通環(huán)境下均能安全、可靠、高效運(yùn)行，對車聯(lián)網(wǎng)通信性能進(jìn)行多模式測試與驗(yàn)證是不可或缺的重要環(huán)節(jié)[3]。

現(xiàn)有研究針對采用不同通信協(xié)議的車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的通信性能開展了仿真測試、實(shí)車測試、對比測試。王潤民[4、Abdulhamid[5]、 、Chen等采用Veins、NS-2、MATLAB等仿真軟件對DSRC技術(shù)的通信性能進(jìn)行了仿真測試。Murray等針對LTE-

V在車輛協(xié)同服務(wù)類應(yīng)用上的表現(xiàn)開展了仿真測試研究。劉丁貝等基于封閉測試場構(gòu)建了豐富且典型的車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景，實(shí)車分析了速度、距離、遮蔽物等因素對DSRC技術(shù)通信性能的影響。Wang等基于封閉測試場設(shè)計(jì)了一種針對V2X功能性的測試系統(tǒng)及方法。張心睿等1開展了實(shí)車測試并對比分析了DSRC技術(shù)、LTE-V2X在多場景下的性能表現(xiàn)和對不同典型應(yīng)用的承載效果。由于DSRC技術(shù)開發(fā)較早，針對其開展的大量研究和測試都得到了非常成熟的結(jié)論，伴隨LTE向5G的平滑演進(jìn)，5G-V2X將隨著5G商業(yè)化而激發(fā)出更多場景價(jià)值2。但目前針對5G、EUHT、LTE-V2X的聯(lián)合多場景、實(shí)車對比測試研究較少。

在上述背景下，本文依托長安大學(xué)車聯(lián)網(wǎng)與智能汽車試驗(yàn)場完成5G、EUHT、LTE-V2X3種車聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)測試平臺(tái)的搭建，并設(shè)計(jì)全場性能測試、動(dòng)靜態(tài)性能測試、車路通信性能測試、車車通信性能測試，以時(shí)延、數(shù)據(jù)包投遞率、吞吐量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，基于封閉測試場，在典型交通應(yīng)用場景下對3種車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開展實(shí)車測試與比較。

2測試環(huán)境構(gòu)建

2.1 測試場地

本文測試均在如圖1所示的長安大學(xué)車聯(lián)網(wǎng)與智能汽車試驗(yàn)場進(jìn)行，該試驗(yàn)場具有安全性高、設(shè)備安裝方便、場景集成能力強(qiáng)等特點(diǎn)，涵蓋了高速環(huán)城道路、城鄉(xiāng)道路、隧道、建筑遮蔽、樹木遮蔽等絕大部分真實(shí)交通場景中的道路條件和道路環(huán)境設(shè)施，可以在保證安全性的前提下開展車道保持、車輛跟隨、會(huì)車場景、十字路口通信等20余項(xiàng)車聯(lián)網(wǎng)與智能汽車測試。

2.2 測試平臺(tái)搭建

前期在長安大學(xué)車聯(lián)網(wǎng)與智能汽車試驗(yàn)場建立了面向智能網(wǎng)聯(lián)交通應(yīng)用的模塊化測試平臺(tái)，如圖2所示。

完成，平臺(tái)分為V2X應(yīng)用層、數(shù)據(jù)傳輸層和測試管理層。其中V2X應(yīng)用層為測試互聯(lián)交通應(yīng)用提供天氣、道路、車輛運(yùn)動(dòng)關(guān)系等環(huán)境變量，且提供5G、EUHT和LTE-V2X3種車聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)以滿足不同距離、不同類型的通信需求。數(shù)據(jù)傳輸層上傳測試數(shù)據(jù)并接受來自測試管理層的任務(wù)，利用Wi-Fi和光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行高效的信息互換并記錄測試日志信息。測試管理層負(fù)責(zé)處理實(shí)時(shí)測試數(shù)據(jù)及測試場道路信息、測試車輛信息和測試設(shè)備信息的記錄與處理。

2.3測試裝備選型及其參數(shù)

本文選取的5G基站、EUHT基站和LTE-V2X車載設(shè)備的參數(shù)和規(guī)格如表1所示。

測試場中部署的5G和EUHT基站如圖3所示。需要說明的是，后文提到的5G客戶端設(shè)備（Customer Premise Equipment，CPE）和EUHTCPE是指對應(yīng)通信網(wǎng)絡(luò)的路由器設(shè)備。

LTE-V2X車載設(shè)備和CPE都需要部署在測試車輛上，如圖4所示，其中設(shè)備天線置于車輛頂部，測試計(jì)算機(jī)與設(shè)備連接并部署在測試車輛內(nèi)。

3評(píng)價(jià)指標(biāo)與測試方案

3.1評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

本文使用通信時(shí)延 、數(shù)據(jù)包投遞率 和吞吐量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)分析3種車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的通信性能。

在計(jì)算通信時(shí)延時(shí)，如果考慮單向傳輸時(shí)間，需要考慮時(shí)鐘同步問題，所以一般通過計(jì)算往返時(shí)間來解決時(shí)鐘同步不精確的問題。往返時(shí)間是指數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)到自的節(jié)點(diǎn)，再從自的節(jié)點(diǎn)返回源節(jié)點(diǎn)所需要的時(shí)間[13]。在測試中，記源節(jié)點(diǎn)發(fā)包時(shí)間為 、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)包的時(shí)間為 、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)包返回的時(shí)間為 源節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包的時(shí)間為 ，則往返時(shí)間 和通信時(shí)延 分別為：

數(shù)據(jù)包投遞率 是對成功傳輸數(shù)據(jù)包的統(tǒng)計(jì)度量，其計(jì)算方法為：

式中： 為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)量， 為源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)量。

吞吐量用于衡量單位時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)成功傳輸?shù)乃俾剩譃樯闲袀鬏斖掏铝俊⑾滦袀鬏斖掏铝亢突旌蟼鬏斖掏铝浚荷闲袀鬏斖掏铝恐笍目蛻舳嗽O(shè)備上傳數(shù)據(jù)到基站或云端時(shí)的速率；下行傳輸吞吐量指客戶端設(shè)備從基站或云端下載數(shù)據(jù)時(shí)的速率；混合傳輸吞吐量指客戶端設(shè)備與基站或云服務(wù)器同時(shí)進(jìn)行雙向傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的速率。

3.2 測試方案設(shè)計(jì)

3.2.1 全場性能測試

選取圖1中整個(gè)測試場外環(huán)進(jìn)行全場性能測試，測試步驟如下：

a.5G全場時(shí)延測試。將搭載5GCPE的測試車輛停放在圖1中 A 點(diǎn)處，測試開始后，測試車輛以 的頻率向5G核心網(wǎng)服務(wù)器發(fā)送基本安全信息（BasicSafetyMessage，BSM）數(shù)據(jù)包，同時(shí)以 3 0 k m / h 的速度行駛于測試場外環(huán)，核心網(wǎng)服務(wù)器在收到數(shù)據(jù)包后將其回傳給測試車輛，部署在車輛上的高精度GPS設(shè)備以 的頻率記錄車輛位置信息。待測試車輛行駛一周后，結(jié)束數(shù)據(jù)包收發(fā)程序，保存數(shù)據(jù)包傳輸日志，確保完成3次有效測試后結(jié)束本輪測試。

b.5G下行傳輸吞吐量測試。測試車輛以 的速度繞測試場外環(huán)行駛，核心網(wǎng)服務(wù)器同時(shí)以 1 0 H z 的頻率對測試車輛進(jìn)行傳輸控制協(xié)議（TransmissionControlProtocol，TCP）文件傳輸，待測試車輛行駛一周后結(jié)束文件傳輸程序，保存文件傳輸日志，確保完成3次有效測試后結(jié)束本輪測試。

c.將5GCPE更換為EUHTCPE，5G核心網(wǎng)服務(wù)器更換為EUHT核心網(wǎng)服務(wù)器，以相同的測試方案完成EUHT全場時(shí)延、下行傳輸吞吐量測試。由于LTE-V2X可以采取PC5直連通信模式，故不對LTE-V2X進(jìn)行全場性能測試。

3.2.2 動(dòng)靜態(tài)性能測試

在進(jìn)行全場性能測試時(shí)由于開啟了場內(nèi)所有5G、EUHT基站，信號(hào)能夠基本覆蓋到測試場地，后續(xù)測試為避免基站覆蓋范圍產(chǎn)生的影響，只開啟1個(gè)5G基站和1個(gè)EUHT基站。

靜態(tài)性能測試：在圖1中測試場北側(cè)直車道、中間直車道、南側(cè)直車道上分別對5G、LTE-V2X、EUHT進(jìn)行靜態(tài)性能測試，圖1中 B ， C ， D 點(diǎn)分別為5G基站、LTE-V2X路端設(shè)備和EUHT基站位置。首先將搭載5GCPE的測試車輛停放在距基站1 0 0 m 處，測試車輛以 1 0 H z 的頻率向核心網(wǎng)服務(wù)器發(fā)送200個(gè)BSM數(shù)據(jù)包，核心網(wǎng)服務(wù)器在收到數(shù)據(jù)包后將數(shù)據(jù)包回傳給測試車輛，待測試車輛完成發(fā)送后結(jié)束測試程序，保存數(shù)據(jù)包傳輸日志，確保完成3次有效測試后結(jié)束本輪測試。然后將測試車輛分別停放在距基站 2 0 0 m ， 3 0 0 m ， 4 0 0 m 處，重復(fù)上述測試流程。針對LTE-V2X與EUHT的測試只需使用相同的測試方法，更改測試位置與對應(yīng)車載設(shè)備即可。

動(dòng)態(tài)性能測試：為避免通信距離對測試結(jié)果產(chǎn)生影響，動(dòng)態(tài)性能測試中的測試車輛均在距基站4 0 0 m 范圍內(nèi)進(jìn)行，測試位置與靜態(tài)測試時(shí)相同，首先對5G進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能測試。測試開始后，測試車輛在對應(yīng)測試道路上首先以相對于基站 的速度行駛，同時(shí)以 1 0 H z 的頻率向核心網(wǎng)服務(wù)器發(fā)送50個(gè)BSM數(shù)據(jù)包，核心網(wǎng)服務(wù)器在收到數(shù)據(jù)包后將數(shù)據(jù)包回傳給測試車輛，待50個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送完畢后結(jié)束測試程序，保存數(shù)據(jù)包傳輸日志，確保完成5次有效測試后結(jié)束本輪測試。然后分別將測試車輛相對于基站的速度提升至 ，重復(fù)上述測試步驟。同理，對EUHT和LTE-V2X的動(dòng)態(tài)性能測試只需更改測試位置并更換車載設(shè)備后按照相同的測試方法開展即可。

3.2.3 車路通信性能測試

車路通信性能測試的目的是探索3種車聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)在信號(hào)正常覆蓋情況下的上行、下行及上下行混合傳輸吞吐量，從而了解其未來對不同網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)類應(yīng)用的承載效果。為了避免通信距離、車輛速度對測試結(jié)果的影響，車路通信測試均在信號(hào)覆蓋良好的環(huán)境下展開。

將搭載5GCPE的測試車輛停放在圖1中 E 點(diǎn)處，該位置5G信號(hào)覆蓋良好，測試開始后核心網(wǎng)服務(wù)器以 的頻率向測試車輛進(jìn)行TCP文件下行傳輸，以30s為周期，待周期結(jié)束并傳輸完畢后結(jié)束測試程序，保存文件傳輸日志，確保完成5次有效測試后結(jié)束本輪測試。然后以相同步驟與核心網(wǎng)服務(wù)器進(jìn)行TCP文件上行傳輸。結(jié)束上、下行吞吐量測試后，在測試車輛上搭載車載攝像頭，將視頻信息實(shí)時(shí)上傳到核心網(wǎng)服務(wù)器，同時(shí)核心網(wǎng)服務(wù)器以30s為周期、 1 0 H z 的頻率對測試車輛進(jìn)行TCP文件下行傳輸，保存文件傳輸日志，確保完成5次有效測試后，結(jié)束本輪測試。針對EUHT和LTE-V2X采用相同的測試方法，在圖1中 A ， F 點(diǎn)處分別開展車路通信上、下行、混合傳輸吞吐量測試。

3.2.4車車通信性能測試

考慮到5GCPE與EUHTCPE無法同與其有直接物理關(guān)系的車載終端進(jìn)行端到端通信，信息需要通過基站轉(zhuǎn)發(fā)，所以車車通信測試的目的是探索5G、EUHT能否在對時(shí)效性、可靠性要求均較高的交通安全類應(yīng)用上發(fā)揮作用，并將測試結(jié)果與可以進(jìn)行直連通信的LTE-V2X進(jìn)行對比。本次測試均在信號(hào)正常覆蓋范圍內(nèi)進(jìn)行測試。

首先對5G開展車車通信測試，將2臺(tái)搭載5GCPE的測試車輛停放在圖1中北側(cè)同方向同車道的A ， G 點(diǎn)處，兩車間隔 1 0 0 m ，測試開始后，A點(diǎn)處的測試車輛以 1 0 H z 的頻率向 G 點(diǎn)處的測試車輛發(fā)送200個(gè)BSM數(shù)據(jù)包，待完成200個(gè)數(shù)據(jù)包的往返后，結(jié)束測試程序，保存數(shù)據(jù)包傳輸日志，確保完成5次有效測試后結(jié)束本輪測試。以相同的測試方法，在圖1中 I ， H 點(diǎn)處對EUHT進(jìn)行車車通信測試，在 F ， J 點(diǎn)處對LTE-V2X進(jìn)行車車通信測試。

4測試結(jié)果分析

4.1全場性能測試結(jié)果

選取連續(xù)有效的整圈測試數(shù)據(jù)，根據(jù)測試數(shù)據(jù)結(jié)合GPS信息構(gòu)建獲得的性能測試結(jié)果如圖5所示。

5G和EUHT全場測試結(jié)果表明，在正常信號(hào)覆蓋情況下，5G下行傳輸吞吐量為 2 0 0～6 0 0 M b i t / s 左右，EUHT的下行傳輸吞吐量為20＼～60Mbit/s左右。5G和EUHT的單向通信時(shí)延基本穩(wěn)定在 ，5G通信時(shí)延最優(yōu)可達(dá)到 4 m s ，所以本文基于封閉測試場構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)測試平臺(tái)能夠滿足典型交通應(yīng)用及測試的需求。

4.2動(dòng)靜態(tài)性能測試結(jié)果

本文以 達(dá)到 9 5 % 以上為有效通信距離。靜態(tài)測試結(jié)果如圖6所示：5G、EUHT和LTE-V2X的有效通信距離分別為 9 0 0 m . 6 0 0 m 和 5 0 0 m， 3 種通信網(wǎng)絡(luò)的 隨距離變化不明顯；5G和EUHT的時(shí)延隨著距離的增加變化不大，而LTE-V2X的時(shí)延隨著距離的增加變化明顯，在有效通信距離內(nèi)，5G、EUHT和LTE-V2X的平均時(shí)延分別為 5 . 2 m s， 5 . 8 m s 和 1 4 . 5 m s ○動(dòng)態(tài)測試結(jié)果如圖7所示，在不同車輛行駛速度下，3種網(wǎng)絡(luò)的 隨車速變化趨勢不明顯，說明車速對3種網(wǎng)絡(luò)的性能影響不大。需要注意的是，由于3種網(wǎng)絡(luò)的基站部署高度差異較大，部署高度也可能對有效通信距離產(chǎn)生影響，其影響程度有待進(jìn)一步測試研究。

4.3車路通信測試結(jié)果

車路通信測試結(jié)果如圖8、圖9所示，可以看出：5G、EUHT和LTE-V2X的上行傳輸吞吐量可分別達(dá)到270Mbit/s、23Mbit/s和 1 0 M b i t / s ，平均可分別達(dá)到240Mbit/s、20Mbit/s和7Mbit/s;下行傳輸吞吐量可分別達(dá)到480Mbit/s、48Mbit/s和 1 4 M b i t / s ，平均可分別達(dá)到452Mbit/s、44Mbit/s和 1 1 . 5 M b i t / s ；混合傳輸吞吐量可分別達(dá)到350Mbit/s、37Mbit/s和 3 . 8 M b i t / s ，平均可分別達(dá)到270Mbit/s、31Mbit/s和2Mbit/s。與EUHT和LTE-V2X相比，5G在吞吐量方面具有很大的優(yōu)勢。

4.4車車通信測試結(jié)果

車車通信測試結(jié)果如圖10所示，可以看出：在網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)良好的情況下，5G、EUHT、LTE-V2X的車車通信端到端時(shí)延分別約為 1 1 m s? 1 2 m s? 1 5 m s， 5 G 具有最低的端到端延遲。5G和EUHT雖然需要通過基站實(shí)現(xiàn)端到端互聯(lián)，但仍具有良好的時(shí)延傳輸優(yōu)勢。

5 結(jié)束語

本文基于封閉測試場，在典型交通場景下對5G、EUHT、LTE-V3種車聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)進(jìn)行了實(shí)車測試與比較，主要結(jié)論包括：

a.在本文構(gòu)建的測試條件下，與EUHT和LTE-V2X相比，5G在典型的交通環(huán)境下具有更好的性能，特別是在吞吐量方面。5G上行、下行和混合傳輸?shù)耐掏铝糠謩e是EUHT的11倍、10倍和9倍，是LTE-V2X的27倍、34倍和135倍。然而，5G吞吐量性能隨著時(shí)間的推移存在較大起伏。

b.在無信號(hào)遮蔽的情況下，5G、EUHT和LTE-V2X的有效通信距離分別約為 9 0 0 m . 6 0 0 m 和 5 0 0 m ，3種網(wǎng)絡(luò)的端到端時(shí)延差距較小，分別為 1 1 m s. 1 2 m s 和 1 5 m s 左右，車速對3種網(wǎng)絡(luò)的性能影響不大。因此，可以認(rèn)為3種網(wǎng)絡(luò)均可滿足一般動(dòng)態(tài)流量環(huán)境下的應(yīng)用需求，5G表現(xiàn)出較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢。

c.在設(shè)備部署難度方面，由于5G和EUHT都需要搭建基站實(shí)現(xiàn)端到端通信，而LTE-V2X可以采用直連技術(shù)實(shí)現(xiàn)端到端通信，所以LTE-V在成本和部署難度上均有很大的優(yōu)勢。

需要注意的是，本文測試結(jié)果與設(shè)備制造商提供的設(shè)備性能說明存在性能差距，這可能是由于設(shè)備部署方法和部署位置的影響造成的。因此，研究不同的網(wǎng)絡(luò)部署方式對網(wǎng)絡(luò)性能的影響是下一步的重點(diǎn)工作。此外，在特定的交通應(yīng)用環(huán)境如高密度、有遮擋的情況下，上述無線通信網(wǎng)絡(luò)的性能是否存在較大差異，同樣有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

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（責(zé)任編輯斛畔）

修改稿收到日期為2024年9月10日。