劉丁貝，張心睿，王潤民，李驍馳，徐志剛

（1. 長安大學(xué) 交通運(yùn)輸部認(rèn)定自動(dòng)駕駛封閉場(chǎng)地測(cè)試基地 車聯(lián)網(wǎng)與智能汽車測(cè)試技術(shù)工程研究中心，西安 710064；2.河南交通投資集團(tuán)有限公司，鄭州 450016）

車聯(lián)網(wǎng)（Vehicle to Everything，V2X）是車載互聯(lián)技術(shù) （Vehicle to Vehicle，V2V），車與基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)技術(shù)（Vehicle to Infrastructure，V2I）， 車與行人互聯(lián)技術(shù)（Vehicle to Pedestrian，V2P），以及車與其它相關(guān)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)的統(tǒng)稱，其作為智能網(wǎng)聯(lián)汽車和新一代智能交通系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，近年來受到越來越多的關(guān)注。基于IEEE 802.11p 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)和IEEE 1609 協(xié)議族的DSRC，是為車聯(lián)網(wǎng)通信專門設(shè)計(jì)的短程無線通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)[1]，也是目前應(yīng)用最廣泛的V2X 通信標(biāo)準(zhǔn)[2]。目前，V2X 基礎(chǔ)應(yīng)用主要分為安全、效率、信息服務(wù)三大部分，其中對(duì)于安全類應(yīng)用，V2X 通信性能至關(guān)重要，尤其在緊急狀況下，通信性能降低會(huì)造成非常嚴(yán)重的后果。如果可以對(duì)V2X 通信性能在多個(gè)常見場(chǎng)景中進(jìn)行相關(guān)的測(cè)試，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行安全類應(yīng)用的開發(fā)，就能提升安全類應(yīng)用的安全性。

現(xiàn)有的研究中已經(jīng)有許多針對(duì)DSRC 通信性能的測(cè)試，DUAN 等[3]和TANG 等[4]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了與DSRC 相關(guān)的測(cè)試平臺(tái)，可以用來測(cè)試和分析DSRC 通信性能，但是沒有使用測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行實(shí)車測(cè)試。王潤民等[5-10]采用Veins、NS-2 或者M(jìn)atlab 等仿真軟件對(duì)DSRC 通信性能進(jìn)行測(cè)試，但是沒有用實(shí)車測(cè)試來驗(yàn)證仿真測(cè)試結(jié)論的有效性。XU 等[11-17]對(duì)DSRC 通信性能進(jìn)行了實(shí)車測(cè)試，但每篇文獻(xiàn)采用的測(cè)試場(chǎng)景比較單一，不能相對(duì)全面地評(píng)估DSRC 通信性能。張釗等[18]在多種場(chǎng)景下對(duì)DSRC 通信性能進(jìn)行了實(shí)車測(cè)試，但是場(chǎng)景描述得比較模糊，測(cè)試流程解釋得比較籠統(tǒng)。

針對(duì)上述問題，首先構(gòu)建了靜態(tài)條件下車路視距與非視距通信、動(dòng)態(tài)條件下車路視距與非視距通信、靜態(tài)條件下車車視距與非視距通信、動(dòng)態(tài)條件下車車視距與非視距通信等8 種實(shí)際交通中經(jīng)常出現(xiàn)的V2X 應(yīng)用場(chǎng)景；然后基于DSRC 的主要通信性能參數(shù)——時(shí)延和丟包率，在專用的“長安大學(xué)車聯(lián)網(wǎng)與智能汽車試驗(yàn)場(chǎng)”中進(jìn)行了實(shí)車測(cè)試；最后對(duì)各個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)景下測(cè)得的丟包率和時(shí)延進(jìn)行對(duì)比分析，得到了影響DSRC 通信性能的主要因素。

1 場(chǎng)景構(gòu)建

1.1 測(cè)試場(chǎng)地情況

對(duì)于傳統(tǒng)汽車測(cè)試來說，封閉測(cè)試場(chǎng)可以有效控制行人、車輛等干擾，具有更高的安全性；集成了多種測(cè)試場(chǎng)景，可以滿足大部分車輛的測(cè)試需求，具有更高的多樣性；允許測(cè)試者根據(jù)測(cè)試內(nèi)容進(jìn)行設(shè)備安裝，場(chǎng)景布置，擁有很強(qiáng)的拓展性。因此，封閉測(cè)試場(chǎng)具備在各項(xiàng)極限條件下安全地完成多種車輛性能測(cè)試的能力，是車聯(lián)網(wǎng)和智能汽車測(cè)試的理想場(chǎng)地。實(shí)車測(cè)試在長安大學(xué)車聯(lián)網(wǎng)與智能汽車試驗(yàn)場(chǎng)上進(jìn)行。該試驗(yàn)場(chǎng)涵蓋高速路、城市道路、鄉(xiāng)村道路、隧道、建筑、樹木等絕大部分真實(shí)交通場(chǎng)景中的道路條件和道路環(huán)境設(shè)施，可以在保證安全的前提下，完成V2X 的實(shí)車測(cè)試。試驗(yàn)場(chǎng)整體道路場(chǎng)景結(jié)構(gòu)如圖1 所示，BD 段所在直道總長約1.1 km，寬約17 m，具有3 個(gè)車道；EF 段直道長約230 m；CF 道總長約200 m，其中靠近F 端小路寬約6 m。路側(cè)單元（Roadside Unit，RSU）設(shè)置在A、B 兩點(diǎn)處，B、E 兩點(diǎn)間的區(qū)域存在高度不超過10 m 的平房，還有灌木叢和高約6 m 的樹木。

圖1 長安大學(xué)車聯(lián)網(wǎng)與智能汽車測(cè)試場(chǎng)

1.2 測(cè)試設(shè)備選型及參數(shù)

實(shí)測(cè)中使用了兩輛車，兩輛車搭載的車載單元（Onboard Unit，OBU）和RSU 都可以相互發(fā)送消息。采用的DSRC 設(shè)備來自于金溢科技，設(shè)備的技術(shù)規(guī)格見表1。

表1 OBU 技術(shù)規(guī)格

續(xù)表1：

表2 RSU 技術(shù)規(guī)格

2 測(cè)試評(píng)價(jià)指標(biāo)及測(cè)試方案

2.1 測(cè)試評(píng)價(jià)指標(biāo)

在車聯(lián)網(wǎng)性能測(cè)試中，通常采用不同的指標(biāo)來評(píng)價(jià)車聯(lián)網(wǎng)性能，經(jīng)典的網(wǎng)絡(luò)仿真指標(biāo)有3 個(gè)[19-21]。

2.1.1 時(shí)延

DE 是數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)正確傳輸?shù)侥繕?biāo)節(jié)點(diǎn)所需要的時(shí)間，其平均值為平均DE。在車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下車輛跟馳速度快且跟馳間距小，這就要求車輛之間的通信DE 必須保持在極低的范圍內(nèi)，因此，這個(gè)指標(biāo)對(duì)于安全關(guān)鍵型應(yīng)用具有特別重要的意義。測(cè)試DE 時(shí)，由于DSRC 通信設(shè)備之間時(shí)鐘不能精確同步，所以通過計(jì)算往返時(shí)間（Round-Trip Time，RTT），即數(shù)據(jù)（一個(gè)報(bào)文或分組）從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)間往返所需的時(shí)間間隔，來計(jì)算通信DE，其計(jì)算公式為：

2.1.2 丟包率

PLR 為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)丟失的數(shù)據(jù)包與源節(jié)點(diǎn)應(yīng)用層發(fā)送的數(shù)據(jù)包的比值關(guān)系，即丟失數(shù)據(jù)包的統(tǒng)計(jì)度量，主要體現(xiàn)了車聯(lián)網(wǎng)的兩個(gè)主要特性：網(wǎng)絡(luò)可靠性和網(wǎng)絡(luò)擁塞/通信狀況。其計(jì)算公式為：

式中：Ps為源節(jié)點(diǎn)應(yīng)用層發(fā)送的數(shù)據(jù)包；Pr為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)包。

2.1.3 數(shù)據(jù)包投遞率

數(shù)據(jù)包投遞率（Packet Delivery Ratio，PDR）為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)包與源節(jié)點(diǎn)應(yīng)用層發(fā)送的數(shù)據(jù)包的比值關(guān)系，即正確傳輸數(shù)據(jù)包的統(tǒng)計(jì)度量和PLR 反映的車聯(lián)網(wǎng)特性相同，其計(jì)算公式為：

2.2 測(cè)試方案

2.2.1 靜態(tài)條件下的車路通信測(cè)試

2.2.1.1 視距條件下通信性能測(cè)試

如圖2 所示，B 點(diǎn)處的RSU 向停在圖1 BD段直道上距離B 點(diǎn)100 m 處的搭載OBU 的車輛以10 Hz 的頻率發(fā)送1 000 個(gè)基本安全消息（Basic Safety Message，BSM）數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包大小不超過340 個(gè)bytes，包含數(shù)據(jù)包序號(hào)、發(fā)送時(shí)間、經(jīng)緯度、車速，海拔高度等信息，重復(fù)發(fā)送5 次。然后將搭載OBU 的車輛停在BD 段直道上距離B 點(diǎn)200 m、300 m、400 m、500 m、600 m、700 m、800 m 處，重復(fù)試驗(yàn)，由式（1）計(jì)算各距離數(shù)據(jù)包傳輸DE 的均值作為各距離下的DE。OBU 發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量記為Ps，RSU 接收的數(shù)據(jù)包數(shù)量記為Pr，則PLR由式（2）可得。最后將車輛停在BD 段直道上距離B 點(diǎn)100 m 處，控制RSU 向OBU 發(fā)送長度為256 bytes 的自定義數(shù)據(jù)包，每10 s 增加256 bytes 數(shù)據(jù)包長度直到數(shù)據(jù)包長度為2 048 bytes，由式（1）和式（2）計(jì)算不同數(shù)據(jù)包長度條件下的車路通信PLR 與DE。

圖2 靜態(tài)條件下車路視距通信

2.2.1.2 非視距條件下通信性能測(cè)試

如圖3 所示，B 點(diǎn)處的RSU 向停在圖1 BD 段直道上距離B 點(diǎn)100 m 處的搭載OBU 的車輛以10 Hz 的頻率發(fā)送1 000 個(gè)BSM 數(shù)據(jù)包，重復(fù)發(fā)送5 次。然后將搭載OBU 的車輛停在BD 段直道上距離A點(diǎn)150 m、200 m、250 m 處，重復(fù)試驗(yàn)，計(jì)算各距離PLR 和DE。

圖3 靜態(tài)條件下車路非視距通信

2.2.2 動(dòng)態(tài)條件下的車路通信測(cè)試

2.2.2.1 視距條件下通信性能測(cè)試

如圖4 所示，在BD 段直道上，一輛搭載OBU的車停在距離B 點(diǎn)處RSU 800 m 的位置，然后以20 km/h 的速度駛向RSU，在車輛行駛的過程中，RSU 以10 Hz 的頻率向車輛發(fā)送BSM 數(shù)據(jù)包，車輛行駛到B 點(diǎn)的時(shí)候停止發(fā)送數(shù)據(jù)包，重復(fù)測(cè)試5次。提升車速至40 km/h、60 km/h，重復(fù)試驗(yàn)，分析PLR 和DE。

圖4 動(dòng)態(tài)條件下車路視距通信

2.2.2.2 非視距條件下通信性能測(cè)試

如圖5 所示，在BD 段直道上，一輛搭載OBU的車停在距離A 點(diǎn)處RSU 800 m 的位置，然后以20 km/h 的速度駛向RSU，在車輛行駛的過程中，RSU 以10 Hz 的頻率向車輛發(fā)送BSM 數(shù)據(jù)包，車輛行駛到A 點(diǎn)的時(shí)候停止發(fā)送，重復(fù)測(cè)試5 次。提升車速至40 km/h、60 km/h，重復(fù)試驗(yàn)，分析PLR和DE。

圖5 動(dòng)態(tài)條件下車路非視距通信

2.2.3 靜態(tài)條件下的車車通信測(cè)試

2.2.3.1 視距條件下通信性能測(cè)試

如圖6 所示，兩輛搭載OBU 的車輛分別停在圖1 BD 段直道上相距100 m 的位置，然后以10 Hz 的頻率相互發(fā)送1 000 個(gè)BSM 數(shù)據(jù)包，重復(fù)發(fā)送5 次。然后增大兩輛車之間的距離至200 m、300 m、400 m、500 m、600 m、700 m、800 m，重復(fù)試驗(yàn)，計(jì)算各距離PLR 和DE。再將兩車距離控制在100 m，其中一臺(tái)OBU 向另一臺(tái)OBU 發(fā)送長度為256 bytes 的自定義數(shù)據(jù)包，每10 s 增加256 bytes 數(shù)據(jù)包長度直到數(shù)據(jù)包長度為2 048 bytes，計(jì)算不同數(shù)據(jù)包長度條件下的車車通信PLR 和DE。

圖6 靜態(tài)條件下車車視距通信

2.2.3.2 非視距條件下通信性能測(cè)試

如圖7 所示，一輛搭載OBU 的車輛停放于A點(diǎn)處，另一輛搭載OBU 的車輛停在圖1 BD 段直道上距離A 點(diǎn)100 m 的位置向A 點(diǎn)處的OBU 以10 Hz 的頻率發(fā)送1 000 個(gè)BSM 數(shù)據(jù)包，重復(fù)發(fā)送5次。然后將搭載OBU 的車輛停在BD 段直道上距離A 點(diǎn)100 m 處重復(fù)上述試驗(yàn)，并依此類推，在150 m、200 m、250 m 處重復(fù)試驗(yàn)，計(jì)算各距離PLR和DE。試驗(yàn)期間，兩臺(tái)OBU 之間存在建筑遮擋。

圖7 靜態(tài)條件下車車非視距通信

2.2.4 動(dòng)態(tài)條件下的車車通信測(cè)試

2.2.4.1 視距條件下通信性能測(cè)試

如圖8 所示，兩輛搭載OBU 的車以40 km/h 的速度一前一后沿著圖1所示的B、D點(diǎn)所在直道行駛，車間距50 m 左右，行駛大約1 000 m。兩車行駛過程中，一直以10 Hz 的頻率相互發(fā)送BSM 數(shù)據(jù)包，重復(fù)測(cè)試5 次。提升車速至60 km/h、80 km/h，重復(fù)試驗(yàn)，計(jì)算PLR 和DE。

圖8 動(dòng)態(tài)條件下車車視距通信

2.2.4.12 非視距條件下通信性能測(cè)試

如圖9 所示，兩輛搭載OBU 的車分別在圖1所示十字路口的C、E 點(diǎn)處以20 km/h 的速度朝著F點(diǎn)處行駛，車輛行駛過程中，一直以10 Hz 的頻率相互發(fā)送BSM 數(shù)據(jù)包，每輛車在行駛到十字路口時(shí)停止發(fā)送數(shù)據(jù)包，重復(fù)測(cè)試5 次。提升車速至40 km/h，重復(fù)試驗(yàn)，計(jì)算PLR 和DE。試驗(yàn)期間，兩臺(tái)OBU 之間存在樹木遮擋。

圖9 動(dòng)態(tài)條件下車車非視距通信

3 結(jié)果及分析

3.1 車路通信試驗(yàn)結(jié)果及分析

由圖10 可知，在動(dòng)態(tài)和靜態(tài)條件下，60 km/h 以下的車速對(duì)PLR 和DE 的影響較小，隨著車速增加，PLR 和DE 會(huì)略微變大，但并不明顯。通信距離對(duì)PLR 的影響較大，無論視距還是非視距條件，PLR隨著通信距離增加而變大。視距條件下，700 m 以內(nèi)，PLR 幾乎為0，通信距離大于700 m 時(shí)，PLR明顯增大至70%以上。這表明距離會(huì)對(duì)V2I 通信PLR 造成影響，距離小于700 m 時(shí)，PLR 較小，且受距離影響??；當(dāng)通信距離大于700 m 時(shí)，V2I通信丟包明顯增多，受距離影響大。另一方面，通過對(duì)比圖中視距與非視距PLR 曲線可以看出，非視距條件下，PLR 明顯更高，距離小于150 m 時(shí)，PLR 幾乎為0；距離大于150 m 時(shí)，PLR 突然增大至80%以上，這表明當(dāng)OBU 與RSU 之間存在遮蔽物，且距離增大至150 m 以上時(shí)，PLR 會(huì)明顯變大。

圖10 車路通信丟包率

由圖11 可知，相對(duì)于PLR，距離對(duì)DE 的影響有限，距離增加時(shí)，DE 沒有顯著增大，穩(wěn)定在4 ～5 ms 之間。但是對(duì)比視距與非視距下的DE 曲線可以看出，非視距條件下DE 略高，由此可知，遮蔽物的存在會(huì)導(dǎo)致DE 增大。

圖11 車路通信時(shí)延

綜上所述，在本文測(cè)試場(chǎng)景中，影響V2I 通信質(zhì)量的主要因素是通信距離和遮蔽物，RSU 和OBU 之間距離增大或存在遮蔽物時(shí)，通信性能明顯變差。但是遮蔽物和距離對(duì)DE 的影響較小，雖然DE 會(huì)隨遮蔽物的存在或距離的增大而增大，但是基本穩(wěn)定在5 ms 左右，增大的幅度很小。在車速較低的情況下，車速對(duì)PLR 和DE 的影響較小。

3.2 車車通信試驗(yàn)結(jié)果及分析

在測(cè)試場(chǎng)景中，靜態(tài)條件下得到的PLR 和DE如圖12 所示，PLR 隨著通信距離增加而增大。視距條件下，在700 m 以內(nèi)，PLR 變大的趨勢(shì)較為平緩，保持在10%以內(nèi)；通信距離大于700 m 時(shí)，PLR 明顯變大至90%以上。非視距條件下，在100 m 以內(nèi)PLR 保持在10%；大于100 m 時(shí)，PLR迅速增大至80%以上。另一方面，DE 隨著距離的增大也變大，但是變化的幅度很小，維持在5 ms左右。非視距條件下DE 略高于視距條件下DE。

圖 12 靜態(tài)條件下車車通信的丟包率和時(shí)延

兩輛搭載OBU 的車輛一前一后行駛時(shí)，得到的PLR 和DE 如圖13 所示，在車輛跟馳行駛的場(chǎng)景中，隨著車速的增加，PLR 緩慢增加，但不明顯。DE 也隨著車速增加而變大，但增加幅度也很小，這表明在車輛跟馳行駛且兩輛車車速不超過80 km/h 時(shí)，DE 和PLR 受車速影響較小，幾乎不變。

圖13 跟馳場(chǎng)景下車車通信的丟包率和時(shí)延

當(dāng)兩輛搭載OBU 的車同時(shí)向交叉路口行駛，并且在非視距條件下，得到的PLR 和DE 如圖14所示。由圖可知，PLR 隨著距離的增大而增大，在兩車距離小于150 m 時(shí)，增大程度較小，大于150 m 時(shí)，PLR 明顯變大。對(duì)比20 km/h 與40 km/h的PLR 曲線可知，車速越快，PLR 越大，但是在車速低于40 km/h 時(shí)，PLR 受車速影響較小。DE 隨著距離的增大也變大，但是變化的幅度很小，維持在5 ms 左右。車速不超過40 km/h 時(shí)，車速變大，DE 增大，但不明顯。

圖 14 會(huì)車場(chǎng)景下車車通信的丟包率和時(shí)延

通過分析V2V 通信的試驗(yàn)結(jié)果，靜態(tài)條件下，PLR 隨著兩車距離的增大而增大，700 m 以內(nèi)增長較慢，大于700 m 時(shí)，增長較快。DE 也隨著距離增大而增大，但是變化幅度很小，集中在5 ms 左右，因此，距離對(duì)DE 的影響不大。非視距條件下，PLR和DE 更大，但DE 增加不明顯。在動(dòng)態(tài)條件下的車輛跟馳場(chǎng)景中，車速增大，PLR 和DE 都變大，但是變化幅度很小，因此，在車輛跟馳場(chǎng)景中，低于80 km/h 的車速對(duì)V2V 通信質(zhì)量影響很小。而在動(dòng)態(tài)條件下的車輛交叉口會(huì)車場(chǎng)景中，距離變大，PLR 增大，在兩車到路口的距離小于150 m 時(shí)，增大程度較小，大于150 m 時(shí)，PLR 明顯變大，車速低于40 km/h 時(shí)，車速變快，PLR 也會(huì)增大，但是增大程度不明顯，DE 受車速和距離的影響較小，維持在5 ms 左右。綜上所述，在本文的測(cè)試場(chǎng)景中，影響V2V 通信質(zhì)量的主要因素是通信距離和遮蔽物。

3.3 數(shù)據(jù)包長度對(duì)DSRC 通信的影響

數(shù)據(jù)包長度變化條件下，視距內(nèi)距離100 m的車路通信和車車通信的PLR 與DE 如圖15 所示。隨著數(shù)據(jù)包長度的變大，PLR 在0.6%左右，時(shí)間DE 在5 ms 左右，由此可見數(shù)據(jù)包長度小于2 048 bytes 時(shí)，數(shù)據(jù)包長度的變化對(duì)DSRC 通信的PLR 和DE 影響很小。

圖15 數(shù)據(jù)包長度變化條件下的丟包率和時(shí)延

3.3 通信性能下降原因分析

在該測(cè)試場(chǎng)景中，影響DSRC 通信質(zhì)量的主要因素是通信距離和遮蔽物。通信距離會(huì)影響通信質(zhì)量的主要原因是自由空間的路徑損耗。

式中：GT為發(fā)射天線的增益；GR為接收天線的增益；2λ為波長；d為通信距離。DSRC 通信的工作頻段在5.9 GHz 左右，所以根據(jù)波長的計(jì)算公式為：

可得2λ值很小，大約在5.08 cm左右，屬于超短波。

隨著d的增大路徑損耗也會(huì)增大，所以通信距離增大造成PLR 升高。

遮蔽物影響通信性能的主要原因是由于繞射損耗導(dǎo)致的。根據(jù)文獻(xiàn)[22]可以得到繞射損耗：

式中：β為障礙物每一道墻體引起的衰減；n為墻體層數(shù)；dγ為障礙物的單位厚度引起的衰減，所以障礙物的存在會(huì)引起傳輸功率的降低，從而造成PLR的增高。

4 結(jié)論

本文針對(duì)目前DSRC 性能評(píng)估理論研究較多，而實(shí)際測(cè)試較少的情況，對(duì)幾個(gè)具有代表性的DSRC 通信場(chǎng)景進(jìn)行了實(shí)車測(cè)試，主要是通過DE和PLR 對(duì)DSRC 的通信性能進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)造成試驗(yàn)結(jié)果的原因進(jìn)行了分析。通過實(shí)車測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在真實(shí)場(chǎng)景中，影響DSRC 通信性能的主要因素是通信距離和遮蔽物的存在。在本文的測(cè)試場(chǎng)景中，DSRC 的通信DE 低于10 ms，完全滿足主動(dòng)安全應(yīng)用對(duì)通信DE 的要求。但是在城市道路條件下，綠化帶和建筑會(huì)增加DSRC 的PLR，導(dǎo)致在非視距情況下，安全信息可能無法完全傳輸，因此，下一步研究可以針對(duì)如何提高復(fù)雜環(huán)境下DSRC 的通信性能，例如可以在關(guān)鍵地段或者路口設(shè)置RSU，通過RSU 轉(zhuǎn)發(fā)OBU 的信息來減少遮蔽物的影響。