張小俊，郭劍銳，郭 蓬，王夢丹

（1.河北工業(yè)大學(xué)，天津 300222；2.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

1 前言

V2X （車聯(lián)網(wǎng)），意為vehicle to everything，即車與外界一切交通參與者的信息交換。這里的X代表的是everything，在V2X的概念中，可將X看作是4大部分：車與車的通信（V2V）、車與路邊基礎(chǔ)設(shè)施的通信 （V2I）、車與人的通信（V2P）以及車與運營商網(wǎng)絡(luò)通信 （V2N），從本質(zhì)上看，V2X是一種無線信息交互技術(shù)，也是一個汽車通信系統(tǒng) （每輛車都可作為通信網(wǎng)絡(luò)的實體）［1］。

V2X最開始具備的是PC5口通信模式，即D2D （DevicetoDevice）直聯(lián)通信模式，D2D可以擺脫網(wǎng)絡(luò)的依賴，僅通過廣播本車經(jīng)緯度、速度、航向角等BSM（Basic Safety Message）信息告知周圍其他車輛，同時也接收來自周圍車輛的BSM信息，以此判斷出周圍路段的路況，但這種方式的通信范圍最多達到幾百米，且要求通信時延極低［2］。

而另一種稱為UU口通信模式，車載通信設(shè)備可通過基站與另一臺設(shè)備連接建立通信，即搭載4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)進行通信，其達到的效果便是通信距離大幅度增加了，其缺點是不僅需要低時延，還需要高吞吐量且高可靠性的通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。同時即將商用的5G通信技術(shù)擁有更高的吞吐量、更低的時延、更高的可靠性使V2X技術(shù)擁有更加靈活的體系結(jié)構(gòu)和新型的系統(tǒng)元素 （5G車載單元OBU、5G基站、5G移動終端、5G云服務(wù)器等）。

當(dāng)前V2X的推進過程是十分迅速的，但也正因此存在一個致命的缺陷，即是在相應(yīng)的測試領(lǐng)域沒有足夠地完善，對設(shè)備應(yīng)該測試的項目以及對應(yīng)的測試方法還沒有發(fā)展出一套規(guī)范的測試標準［3］。以至于在對V2X如何測試存在巨大的爭論點，主要聚焦在兩個方向：①對于汽車廠商，他們認為測試應(yīng)該以汽車為主要對象，關(guān)注的焦點是是否能發(fā)出相應(yīng)的預(yù)警信息；②而對于通信廠商，他們所關(guān)心的不是汽車是否發(fā)出預(yù)警信息，而是兩個終端設(shè)備是否能建立通信連接，是否完整地、準時地發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包［4］。所以如何建立一套完善的測試流程和測試標準是目前最為迫切的研究突破點。本文詳細研究了國內(nèi)外現(xiàn)有的測試方法，提出一套完整的測試流程方案。

2 V2X測試

V2X通信技術(shù)起源于歐美各國且逐漸應(yīng)用成熟，但在測試方面的研究仍然還是不太成熟，因為對于汽車來說V2X車載通信設(shè)備一開始的定位就是一個預(yù)警裝置，它不像自動駕駛，一旦出錯就會造成巨大的交通事故，如果V2X預(yù)警成功便可以提醒駕駛員，假設(shè)預(yù)警錯誤或者沒有預(yù)警，那也不會對駕駛員的操作造成影響［5］，因此還沒有重視在測試這方面的研究，大多數(shù)測試還是采用終端測試，DSRC測試如圖1所示。

測試是將一個終端放置在路口模擬RSU（Road Side U－nit），或者是在路邊的汽車上的OBU （On Board Unit），可以在通過提前寫入信息來控制這個終端所發(fā)的交互消息集，然后再將裝備了DUT（Device Under Test）的汽車駛過這個路口，通過接收消息集計算，得出相應(yīng)的預(yù)警提示，測試結(jié)果記錄了是否發(fā)生預(yù)警和預(yù)警的類型，這個測試方法沒有用一個量化的評價標準評判測試的通過與否，無法準確評估DUT的好壞。

本文提出的測試方案主要是從兩方面試驗驗證DUT：一是性能測試，主要是測試設(shè)備的射頻性能參數(shù)；二是功能測試，當(dāng)設(shè)備接收正確的信息并解析后，是否能根據(jù)這些信息判斷與之交互的汽車的所在方位，是否會發(fā)生碰撞、以及發(fā)生的碰撞類型是否能正確歸類，即是對V2X決策算法的功能驗證。

2.1 性能參數(shù)測試

不同于普通的電路測試，無線通信設(shè)備的射頻性能參數(shù)測試通常對測試環(huán)境要求非常嚴格，因為所有的通信裝置都是通過調(diào)制高頻電磁波搭載信息發(fā)送給其他設(shè)備［6］，其借助的媒介主要是射頻同軸電纜、波導(dǎo)、帶狀線等微波傳輸線，或者是輻射到自由空間中。這兩種媒介主要的區(qū)別是線纜一般是采用絕緣材料包裹導(dǎo)體的方式，既能高效地傳輸信號，又能防止電磁波泄露和減少能量損失，但它最大的缺點是線纜的長度限制了通信的距離，而自由空間傳播電磁波信號勢必效率遠遠低于線纜傳輸，因為自由空間是一個充滿各種信號的雜亂的、不可控的電波傳播環(huán)境，同時自由空間中還有各種障礙物可以反射、吸收電磁波信號，但其優(yōu)點是擺脫了線纜的束縛，可以更自由、更方便、更遠的傳播信號。射頻測試時為了防止因為空中不必要的信號影響到測試結(jié)果的正確性，所以采取有線傳導(dǎo)測試來獲取測試結(jié)果。

傳導(dǎo)測試過程中，為了保證測試數(shù)據(jù)的準確，采用了射頻同軸電纜作為被測物和相關(guān)儀表的連接媒介，待測物DUT選取北京某科技公司正在研發(fā)的一款LTE-V車載終端，此終端除了常規(guī)的電源、網(wǎng)口等接口外，主要有5個天線接口，車載終端天線接口如圖2所示。

車載終端接收到來自外界的信息主要是其他終端發(fā)送的BSM等5大信息集，同時還需要接收GNSS信號來確定自身所在的位置，因此測試主要用到TX／RX和GNSS兩個接口。準備一臺信號產(chǎn)生器根據(jù)需求模擬一個固定的或者是連續(xù)變化的經(jīng)緯度值通過終端的GNSS接口將經(jīng)緯度信息導(dǎo)入DUT（待測設(shè)備），之后再準備一臺信號分析儀，可以模擬一個虛擬的終端設(shè)備用來與DUT通信，測試系統(tǒng)搭建如圖3所示。

圖1 DSRC測試

圖2 車載終端天線接口

圖3 測試系統(tǒng)搭建

測試開始時用調(diào)試工具使終端發(fā)送特定信號以及調(diào)節(jié)發(fā)送信號功率使其工作在Power Class3最大輸出功率狀態(tài)下，同時需要調(diào)節(jié)信號分析儀補充電纜線損，將分析儀的中心頻率設(shè)置為DUT的工作頻率，發(fā)送信號后，雙方的通信建立連接完成，使用RMS檢波方式調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)腞BW （Resolution Band-width，分辨率帶寬）和VBW （Video Bandwidth，視頻帶寬）數(shù)值檢測DUT的參數(shù)。

發(fā)射功率測試結(jié)果如圖4所示。其中Total Channel Power是18.86dBm，根據(jù)3GPP TS 36.521 Release 15的標準要求發(fā)射功率必須是23dBm，Tolerance是3.3dB，即發(fā)射功率合格范圍應(yīng)該是19.7～26.3dBm，如果發(fā)射功率高于這個范圍，會對其他信道或系統(tǒng)造成干擾，發(fā)射功率低于這個范圍，會造成系統(tǒng)覆蓋范圍縮小，很明顯18.86dBm低于這個范圍內(nèi)，根據(jù)標準的要求，此DUT應(yīng)該是不合格產(chǎn)品，需要適當(dāng)提高發(fā)射功率。

圖4 發(fā)射功率測試結(jié)果

圖4中信號分析儀掃描的掃寬 （SPAN）是15MHz，即圖中坐標系的橫坐標表示的頻率范圍是15MHz，又因為掃描的中心頻率是5.91GHz，所以整個橫坐標頻率是5902.5～5917.5MHz。當(dāng)DUT的發(fā)射機工作在Power Class3最大輸出功率狀態(tài)下，從圖3的坐標系中可得出最低工作頻率fL＞5905.5MHz，最高工作頻率fH<5914.5MHz，滿足3GPP TS 36.521 Release 15中規(guī)定的LTE-V2X終端設(shè)備的頻率范圍應(yīng)在5905～5925MHz。

為了合理使用頻譜資源，保證各種行業(yè)和業(yè)務(wù)使用頻譜資源時彼此之間不會干擾，因此每個通信裝置都需要檢測發(fā)射機的發(fā)射帶寬是否超出其正常工作的頻譜范圍，以避免對其他通信系統(tǒng)造成干擾。根據(jù)36.521標準規(guī)定，LTE-V2X終端設(shè)備的占用帶寬應(yīng)小于等于10MHz。如圖5所示，Occupied Bandwidth是8.9393MHz，是完全滿足標準規(guī)定的。

圖5 占用帶寬

LTE-V2X頻率設(shè)備的頻譜發(fā)射模板 （SEM：Spectrum emission mask）測量的是偏移載波中心頻率在2.5～12.75MHz范圍內(nèi)的頻譜雜散能量。表1是36.521標準規(guī)定的通信設(shè)備的頻譜雜散能量。

表1 通信設(shè)備的頻譜發(fā)射模板限值

根據(jù)表1，DUT的帶寬約是10MHz，所以其偏移載波中心頻率在±（2.5～2.8）、±（2.8～5）、±（5～6）的限值不能超過-10dBm，偏移載波中心頻率± （6～10）、± （10～15） 的限值不能超過-13dBm，偏移載波中心頻率的限值不能超過-13dBm，對照圖6中的測量值都沒超出限值，即此設(shè)備滿足標準要求。

圖6 頻譜發(fā)射模板SEM測量值

測試車載終端的射頻參數(shù)可以考察其射頻芯片的指標，更能對終端進行整機測試，考察整機的系統(tǒng)級性能。通過上述的測試結(jié)果可以得出，此DUT除了發(fā)射功率低于測試標準要求外，其他各項指標均為合格，后續(xù)對DUT的整改可適當(dāng)提高發(fā)射功率。

2.2 功能測試

在一系列的射頻指標測試之后，在保證DUT的各項性能參數(shù)是合格的前提下，可以開始驗證設(shè)備預(yù)警算法功能的場景測試，即驗證DUT接收到正確的消息幀并解析出來之后算法對兩車數(shù)據(jù)的處理，是否能判斷出來正確的場景歸類，并根據(jù)各個場景的預(yù)警閾值判斷是否要發(fā)出相應(yīng)的場景預(yù)警。

2.2.1 虛擬場景測試

V2X通信終端獲取本車HV的信息是來自汽車CAN總線數(shù)據(jù)，其中包括經(jīng)緯度、海拔、航向角、速度等車輛狀態(tài)信息。因此如果要模擬一個虛擬場景來測試V2X預(yù)警功能，可以用儀器設(shè)備來產(chǎn)生這些車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)輸入給DUT，同時再仿真一組數(shù)據(jù)模擬與本車交互的遠程車輛RV信息，這樣就可以在實驗室中進行場景復(fù)現(xiàn)測試。測試場景包括一輛本機車輛 （HV）和一輛遠程車輛 （RV），本機車輛是指在該場景中被測試的車輛，RV用于協(xié)助HV觸發(fā)應(yīng)用程序。

基于上述的思路構(gòu)建一個硬件在環(huán)的V2X通信終端功能測試系統(tǒng)如圖7所示，包括V2X仿真平臺、V2X通信模塊、V2X協(xié)議棧、GNSS模擬器、信道模擬器及場景編輯軟件等。搭建的測試平臺可實現(xiàn)應(yīng)用場景仿真、測試用例管理、測試結(jié)果分析等功能。

圖7 測試系統(tǒng)配置框圖

GNSS模擬器是與V2X仿真平臺通過串口進行互聯(lián)，將GNSS仿真數(shù)據(jù)發(fā)送到V2X通信模塊和被測設(shè)備DUT。信道模擬器模擬自由空間中的通信環(huán)境，如信號衰減、干擾等。V2X仿真平臺根據(jù)GNSS模擬器和CAN總線模擬器的仿真數(shù)據(jù)生成應(yīng)用消息，DUT用于在虛擬交通場景中模擬本車HV，并依靠仿真數(shù)據(jù)運行V2X應(yīng)用。如果應(yīng)用被觸發(fā)，DUT將生成控制動作或警告信息，這些信息將通過CAN總線模擬器反饋給V2X仿真平臺，同時，HV將在虛擬交通場景中執(zhí)行制動和發(fā)出警告等操作。V2X通信模塊用于在虛擬交通場景中模擬RV，生成基本安全消息 （BSM）等應(yīng)用程序消息，然后通過信道模擬器將其發(fā)送到被測設(shè)備，同時，V2X通信模塊還可以接收被測設(shè)備發(fā)送的應(yīng)用程序消息。場景編輯軟件用于生成車輛的車速、位置、車輛之間的距離、障礙物、交通場景等動態(tài)仿真數(shù)據(jù)，并對整個測試活動進行管理。測試系統(tǒng)的搭建如圖8所示。

圖8 功能測試系統(tǒng)搭建

測試開始時要先選定實驗需要模擬的交通場景及地點，用信道模擬器的路采裝置收集其環(huán)境信道模型導(dǎo)入信道模擬器，便可以在實驗室內(nèi)構(gòu)建與實際道路相似的通信環(huán)境。再通過GNSS模擬器模擬連續(xù)變化的一系列GPS數(shù)據(jù)，發(fā)送給DUT，DUT通過接收這串GPS數(shù)據(jù)就會“相信”本機車輛HV正在道路上行駛，如圖9上的紅色方塊，其速度與航向角也是根據(jù)GPS數(shù)據(jù)的變化計算得到的。然后再應(yīng)用場景編輯器在HV行駛的道路上創(chuàng)建一個遠程車輛RV，如圖9上的綠色方塊，賦予經(jīng)緯度點、速度、航向角等所需的BSM信息，因為HV判斷周圍是否有其他車輛都是通過接收其他車輛的BSM信息，因此只要模擬一個BSM信息集便能使HV判斷出周圍哪個方位有RV存在。場景編輯器完成創(chuàng)建得到的RV車輛模型信息通過導(dǎo)入V2X通信模塊便可模擬一輛RV在HV的道路上行駛。圖9上正在模擬的工況是RV在道路前方緊急制動，而HV通過接收RV的BSM信息判斷出其所在方位是正前方，且RV緊急制動，因此發(fā)出預(yù)警Hard Braking。

圖9 緊急制動預(yù)警

虛擬場景測試，不僅可以在室內(nèi)模擬實際交通道路的環(huán)境，同時最重要的一點是可以重復(fù)地進行同一場景的測試，也可以根據(jù)實驗需求改變交通狀態(tài)，如增加限速標牌、發(fā)布道路施工消息、增加交通參與車輛等，道路場景模擬如圖10所示，進行定量地驗證場景的觸發(fā)條件。

圖10 道路場景模擬

測試預(yù)警結(jié)果信息集包括應(yīng)用類型、警告類型、警告優(yōu)先級、警告等級、碰撞時間TTC（time to collision）、車距、相對方位等。我們將每個測試用例執(zhí)行10遍，將首次發(fā)出預(yù)警時的預(yù)警結(jié)果消息集記錄下來，測試結(jié)果見表2。

表2 測試結(jié)果

根據(jù)10次的測試得到的結(jié)果取平均值可得到在10次的測試過程中的預(yù)警成功率以及平均碰撞時間TTC。場景顯示器不僅能將兩車的運動狀態(tài)實時顯示出來，同時顯示器內(nèi)部嵌入了程序，根據(jù)測試需求修改每個測試用例的測試次數(shù)，修改預(yù)警閾值的大小。

2.2.2 實車道路測試

實車測試是完成虛擬場景測試之后所必須進行的驗證測試，因為搭建再好的虛擬場景終究是無法和現(xiàn)實道路相一致的，現(xiàn)實道路環(huán)境充滿各種信號干擾和損耗，還有各種天氣對信號的影響，所以需要最后一步的實車路測來驗證最終的測試結(jié)果是否和虛擬場景的結(jié)果相同或者是相差不多，同時也可以根據(jù)實際路測的結(jié)果來修改合適的預(yù)警閾值。以交叉路口碰撞預(yù)警場景為例開展實驗。

交叉路口車輛碰撞預(yù)警 ICW （intersection collision warning）算法中設(shè)定 DCPA和 TCPA為預(yù)警判定指標。DCPA（distance of close point approaching）表示按照當(dāng)前狀態(tài)繼續(xù)行駛，兩車的最近車距。TCPA（time of close point approaching）表示按照當(dāng)前狀態(tài)繼續(xù)行駛，兩車達到最近距離所需要的時間。如果兩者同時小于設(shè)定閾值時，即表示有發(fā)生碰撞的危險，需要提前預(yù)警。DCPA閾值需要考慮定位誤差和車身尺寸。TCPA閾值需要考慮駕駛員反應(yīng)時間、數(shù)據(jù)傳輸延時、車輛制動時間。

圖11為該場景為某十字交叉口 （假設(shè)無交通指示燈），自車HV由南向北行駛，目標車輛RV由東向西行駛，兩車分別距離預(yù)想碰撞點36m時的情況。

圖11 十字交叉口兩車交匯

實驗開展時兩車當(dāng)時分別以 0～60km／h的時速向前行駛，根據(jù)測試得到的 DCPA和TCPA，測試結(jié)果分別如表3、表4所示。

表3 DCPA測試結(jié)果

根據(jù)測試結(jié)果分析可以得出以下結(jié)論。

1）兩車按相同的時速行駛肯定會發(fā)生碰撞，但不同的速度留給駕駛員制動的時間不同。

2）兩車按不同的時速行駛，相對速度越大最近距離DCPA越大，即使很快到達最近點也不會碰撞。

3）車速越快到達最近點的時間越短，如果DCPA太小，會在駕駛員來不及反應(yīng)的情況下發(fā)生碰撞。

表4 TCPA測試結(jié)果

4）實車測試的預(yù)警率低于虛擬測試，主要是因為外在環(huán)境對信號的干擾，以至于影響預(yù)警應(yīng)用計算DCPA與TCPA的結(jié)果。

因此根據(jù)實車路測的結(jié)果分析，可以設(shè)定合理的DCPA和TCPA閾值，通過提前向駕駛員發(fā)出安全預(yù)警可以有效避免碰撞發(fā)生。

3 結(jié)論

V2X是未來汽車發(fā)展的方向之一，發(fā)展好V2X技術(shù)也將有利于實現(xiàn)汽車無人駕駛。將V2X通信終端應(yīng)用到汽車上涉及到車輛及行人等各種安全問題，必須要具備一套完善的測試流程嚴格驗證V2X裝置各方面的性能和功能是否合格。由于中國選擇的是發(fā)展LTE-V2X技術(shù)，此項技術(shù)是由3GPP在2015年才提出的，因此還沒有具備完善的測試流程，本文依據(jù)通信行業(yè)測試設(shè)備流程，設(shè)計了一套從射頻性能、通信性能、算法功能實現(xiàn)等各個方面考察V2X車載終端的測試流程和測試項目，希望能暫時填補這個空白。特別LTE-V2X技術(shù)將在2020年開始應(yīng)用的5G技術(shù)中繼續(xù)演進，針對5G技術(shù)的應(yīng)用還需要更完善的測試方法。

與此同時，對于汽車V2X測試，無論是國外還是國內(nèi)都是只有企業(yè)標準，還沒有制定相關(guān)的國標，而標準的制定離不開大量的實驗數(shù)據(jù)的支撐，因此希望通過本文介紹的測試流程可以積累大量的測試數(shù)據(jù)可以有效地推動國家標準的制定。