張心睿 趙祥模 王潤民 劉丁貝 徐志剛

（長安大學，西安 710064）

1 前言

車聯(lián)網(wǎng)（Internet of Vehicles，IOVs）是以車內(nèi)網(wǎng)、車際網(wǎng)和車載移動互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，按統(tǒng)一的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)交互標準，在車與車（Vehicle to Vehicle，V2V）、車與基礎(chǔ)設(shè)施（Vehicle to Infrastructure，V2I）、車與行人（Vehicle to Pedestrian，V2P）間進行信息交互的網(wǎng)絡(luò)。基于車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的自動駕駛/輔助駕駛應(yīng)用能夠有效減少交通事故、提高交通運行效率。目前，受業(yè)界重點關(guān)注的典型車聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)主要有基于IEEE 802.11p協(xié)議的專用短程通信（Dedicated Short Range Communication，DSRC）技術(shù)[1]和基于3GPP R14 標準的LTE-V（Long Term Evolution-Vehicle）。測試評價是車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用推廣的必要環(huán)節(jié)，是車聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施及設(shè)備進行大規(guī)模部署，在智能汽車領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的重要技術(shù)手段[2]。

目前，已有眾多研究者進行了車聯(lián)網(wǎng)測試評價研究，但較多的研究工作集中于模型構(gòu)建與仿真測試，文獻[3]～文獻[8]通過搭建仿真測試場景進行了DSRC仿真測試，文獻[9]和文獻[10]進行了LTE-V通信性能仿真研究，雖然仿真測試較為方便，但仿真測試與實車場地測試之間仍有差異[11]，仿真測試結(jié)果不能充分反映交通系統(tǒng)的實際情況[12]。部分研究者進行了實車測試評價，但測試僅針對1種無線通信技術(shù)，測試場景十分單一，結(jié)果不能認定為車聯(lián)網(wǎng)在實際交通環(huán)境下的真實性能。文獻[13]利用實車進行了DSRC在交叉口與跟馳場景中的通信測試，場景單一，且只研究了DSRC技術(shù)。文獻[14]進行了LTE-V與DSRC的實車對比測試，但僅在交叉口場景下測試，缺少其他場景條件。文獻[15]進行了DSRC 與4G-LTE 的實車測試，但沒有進行LTE-V 通信性能測試。目前，缺少針對DSRC與LTE-V的多場景多因素條件的實車測試研究。

在上述背景下，本文針對DSRC與LTE-V在多種應(yīng)用場景下的實際通信性能進行實車測試評價，在長安大學車聯(lián)網(wǎng)與智能汽車試驗場搭建靜態(tài)條件下的視距場景、建筑遮蔽交叉口場景和樹木遮蔽交叉口場景以及動態(tài)條件下跟馳場景和會車場景，構(gòu)建面向智能網(wǎng)聯(lián)交通應(yīng)用的模塊化測試平臺，并利用平臺設(shè)計一種支持DSRC與LTE-V通信性能測試的系統(tǒng)及方法。最后，以數(shù)據(jù)包投遞率和時延兩種車聯(lián)網(wǎng)通信典型評價指標在搭建的測試場景中開展重復性測試。

2 測試環(huán)境構(gòu)建

測試場地選擇長安大學車聯(lián)網(wǎng)與智能汽車試驗場，其布局如圖1 所示。該試驗場是國家交通運輸部認定的自動駕駛封閉場地測試基地，布設(shè)了目前國內(nèi)最齊全的異構(gòu)車聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，包括DSRC系統(tǒng)、TD-LTE專網(wǎng)、LTE-V 網(wǎng)絡(luò)、增強型超高吞吐（Enhanced Ultra-High Throughput，EUHT）通信系統(tǒng)、Wi-Fi，設(shè)有高速環(huán)道、直線道路（圖1中ab段）、城市道路、鄉(xiāng)村道路等真實交通場景道路條件，擁有建筑物、樹木、綠化及道路護欄等多種道路環(huán)境設(shè)施，可進行車道保持、車輛跟馳、會車行駛、交叉口通行等20余項車聯(lián)網(wǎng)與智能汽車測試。

2.1 測試場景構(gòu)建

本文主要測試距離、遮蔽物以及速度對車聯(lián)網(wǎng)通信性能產(chǎn)生的影響，對比DSRC與LTE-V在多種場景下的通信性能。為分析通信距離和遮蔽物對通信性能的影響，設(shè)計了靜態(tài)條件下車車通信測試場景，包括視距（Line of Sight，LOS）場景和非視距（Non-Line of Sight，NLOS）場景，非視距場景包括建筑遮蔽交叉口場景和樹木遮蔽交叉口場景；為分析車輛行駛速度對通信性能的影響，設(shè)計了動態(tài)條件下車車通信測試場景，包括跟馳場景和會車場景。

2.1.1 靜態(tài)條件下車車通信測試場景

視距場景搭建在圖1中ab段無遮蔽的直線道路，該道路全長1.1 km，設(shè)有雙向2 車道，道路兩旁設(shè)有路邊基礎(chǔ)設(shè)備，包括路燈、交通標志等。測試時，兩測試車輛停放在同方向同車道測試要求位置。

建筑遮蔽交叉口場景如圖2所示，測試道路為單車道，故發(fā)生碰撞可能的位置為交叉口中心點，即碰撞點。測試時，通過改變車輛與碰撞點的距離測試DSRC與LTE-V通信性能。車輛所在的兩條道路圍成的西南區(qū)域有大量建筑，包括一處金屬活動棚和中小型建筑帶。金屬活動棚位于距離碰撞點約140 m處，建筑帶內(nèi)房屋間距約為8 m。

圖2 建筑遮蔽條件下非視距交叉口

樹木遮蔽交叉口場景如圖3所示，東西道路為單車道，南北道路共2 車道，碰撞點為A、B 兩車所在車道中心線交點處。A、B 兩車所在的兩條道路圍成的東北區(qū)域的茂密樹木形成遮蔽。

圖3 樹木遮蔽條件下非視距交叉口

2.1.2 動態(tài)條件下車車通信測試場景

在車輛運動關(guān)系中，最常見的是跟馳和會車場景，而跟馳、會車一般發(fā)生在直道或曲率較小的彎道，因此，設(shè)計快直道上跟馳場景與會車場景，進行通信性能測試。

跟馳和會車場景搭建在圖1 中ab段直線道路。跟馳場景如圖4所示，測試車輛A與車輛B同車道自西向東行駛，兩車跟馳距離根據(jù)Gipps 最小安全距離模型[16]控制，根據(jù)測試車速變化調(diào)整車距。會車場景如圖5所示，兩測試車輛位于相鄰兩車道相向行駛，測試道路中間位置車道線上放置錐桶，表示會車點，測試時，兩車盡可能保證在會車點會車。

圖4 跟馳場景

圖5 會車場景

2.2 測試平臺搭建

為開展車聯(lián)網(wǎng)與智能汽車功能及性能測試，研究團隊前期在長安大學車聯(lián)網(wǎng)與智能汽車試驗場構(gòu)建了面向智能網(wǎng)聯(lián)交通應(yīng)用的模塊化測試平臺。本文開展的所有測試工作均在該平臺基礎(chǔ)上完成。測試平臺分成V2X應(yīng)用層、數(shù)據(jù)傳輸層和測試管理層，如圖6所示。

圖6 面向智能網(wǎng)聯(lián)交通應(yīng)用的模塊化測試平臺

2.2.1 V2X應(yīng)用層

V2X 應(yīng)用層提供天氣場景、道路場景、車輛運動關(guān)系場景等面向智能網(wǎng)聯(lián)交通應(yīng)用測試的環(huán)境變量，模擬多種交通環(huán)境，并提供多種典型車聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)，包括DSRC、LTE-V、TD-LTE、5G，組建異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以滿足不同尺度、不同類型的通信需求[17]。

2.2.2 數(shù)據(jù)傳輸層

數(shù)據(jù)傳輸層將測試數(shù)據(jù)上傳至測試管理層，將測試管理層發(fā)布的任務(wù)下發(fā)至應(yīng)用測試層，提供EUHT、Wi-Fi和光纖網(wǎng)絡(luò)，負責測試過程中所有節(jié)點日志信息、數(shù)據(jù)信息的快速傳輸。

2.2.3 測試管理層

測試管理層對收集到的測試數(shù)據(jù)進行高速處理、海量存儲和實時交互，負責試驗場道路信息、測試車輛信息的處理和存儲，以及試驗場所有測試設(shè)備的集中統(tǒng)一管理。該層提供測試任務(wù)發(fā)布和測試系統(tǒng)配置服務(wù)，提供測試數(shù)據(jù)管理模塊，負責測試結(jié)果分析。

2.3 測試系統(tǒng)及方法

DSRC與LTE-V與全IP網(wǎng)絡(luò)相比，無法利用ping命令進行網(wǎng)絡(luò)性能測試，并且在計算時延時，難以做到時鐘完全同步。因此，本文利用面向智能網(wǎng)聯(lián)交通應(yīng)用的模塊化測試平臺設(shè)計了一種支持DSRC 與LTE-V 通信性能測試的系統(tǒng)及方法，測試系統(tǒng)架構(gòu)如圖7所示。

圖7 測試系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)包括DSRC 設(shè)備（含天線）、LTE-V 設(shè)備（含天線）、測試車輛以及測試計算機。選用的DSRC 設(shè)備工作于5.8～5.9 GHz 微波頻段，支持IEEE 802.11p、IEEE 1609.x 及SAE-J2735 等標準協(xié)議棧，發(fā)射功率23 dBm，全向天線增益3 dBi；LTE-V 設(shè)備選用國內(nèi)某公司研發(fā)的車載單元，支持直連式（LTE-V-Direct）和蜂窩式（LTE-V-Cell）通信方式，發(fā)射功率23 dBm，全向天線增益3 dBi。測試車輛如圖8 所示，設(shè)備天線置于車輛頂部，包括GPS天線和DSRC、LTE-V收發(fā)天線。

圖8 測試車輛

測試計算機上搭載有測試軟件，測試計算機通過以太網(wǎng)和WiFi，分別與LTE-V 和DSRC 設(shè)備連接，測試人員通過EUHT網(wǎng)絡(luò)獲取測試指令進行測試，測試數(shù)據(jù)及相關(guān)日志文件通過數(shù)據(jù)傳輸專網(wǎng)上傳至測試管理服務(wù)器，供后臺人員遠程實時處理。根據(jù)初步處理結(jié)果判定試驗有效性，決定是否增加試驗次數(shù)和試驗時間。

3 測試方案設(shè)計

3.1 評價指標選取

針對DSRC 與LTEV 通信性能測試的需求，本文選用車聯(lián)網(wǎng)性能經(jīng)典評價指標[18]數(shù)據(jù)包投遞率（Packet Delivery Ratio，PDR）與通信時延（Delay，DE）作為本文的評價指標。

數(shù)據(jù)包投遞率Pdr為：

式中，Pr為目標節(jié)點接收的數(shù)據(jù)包數(shù)量；Ps為源節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量。

時延指數(shù)據(jù)（一個報文或分組）從網(wǎng)絡(luò)的一端傳送到另一端所需的時間，其平均值為平均時延。測試時延時，由于難以做到時鐘完全同步，故通過計算往返時間（Round-Trip Time，RTT），即數(shù)據(jù)從源節(jié)點到目的節(jié)點間往返所需的時間間隔，避開時間同步的問題。每次進行數(shù)據(jù)包發(fā)送時，在數(shù)據(jù)包前加時間戳，從而實現(xiàn)往返時間計算。發(fā)包時間記為T1，接收方收到數(shù)據(jù)包的時間記為T2，接收方將數(shù)據(jù)包返回的時間為T3，發(fā)送方收到數(shù)據(jù)包的時間記為T4。則往返時間TRTT和通信時延TDE為：

目前，根據(jù)車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求[19]，判定有效通信的要求為數(shù)據(jù)包投遞率不小于90%，允許最大時延100 ms。

3.2 測試方案設(shè)計

3.2.1 靜態(tài)條件下車車通信測試方案

3.2.1.1 視距場景測試方案

兩臺搭設(shè)好DSRC 與LTE-V 設(shè)備的測試車輛停放在同方向同車道相距200 m 處。測試時，A 車以10 Hz的頻率發(fā)送數(shù)據(jù)包，B車在收到數(shù)據(jù)包后將數(shù)據(jù)回送給A 車，待完成200 個數(shù)據(jù)包的往返后，結(jié)束測試程序。確保8次有效試驗后，結(jié)束本輪測試。然后將兩車距離分別增加至400 m、600 m、700 m、800 m、900 m、1 000 m，并重復上述測試工作。

3.2.1.2 非視距場景測試方案

建筑遮蔽交叉口場景和樹木遮蔽交叉口場景中，將兩測試車輛分別停放在距離碰撞點50 m 處（見圖2、圖3），測試時，A 車以10 Hz 的頻率發(fā)送數(shù)據(jù)包，B 車在收到數(shù)據(jù)包后將數(shù)據(jù)回送給A 車，待A 車發(fā)送完200個數(shù)據(jù)包后，結(jié)束測試程序。確保8 次有效試驗后，結(jié)束本輪測試。建筑遮蔽交叉口場景中，受到金屬活動棚和建筑位置影響，測試位置需進行調(diào)整，以提高測試有效性，因此，將A、B兩車分別停放在距離碰撞點100 m、130 m、140 m、160 m、180 m、200 m 處，重復上述測試工作。樹木遮蔽交叉口場景中，將A、B兩車分別停放在距離碰撞點100 m、150 m、200 m處，重復上述測試工作。

3.2.2 動態(tài)條件下車車通信測試方案

3.2.2.1 跟馳場景

兩測試車輛以20 km/h 速度自西向東行駛，保持安全車距（見圖4）。測試時，A 車以10 Hz 頻率發(fā)送數(shù)據(jù)包，B 車在收到數(shù)據(jù)包后將數(shù)據(jù)回送給A 車，待行駛到道路盡頭時，結(jié)束測試程序。確保8 次有效試驗后，結(jié)束本輪測試。然后將兩車速度分別提高至40 km/h、60 km/h、80 km/h，重復上述測試工作。

3.2.2.2 會車場景

兩測試車輛分別位于相鄰兩車道以20 km/h速度相向行駛（見圖5）。測試時，為避免距離對通信的影響，當兩車相距400 m 時啟動測試程序，A 車以10 Hz 頻率發(fā)送數(shù)據(jù)包，B 車在收到數(shù)據(jù)包后將數(shù)據(jù)回送給A 車，待兩車相遇后，結(jié)束測試程序。確保8 次有效試驗后，結(jié)束本輪測試。然后將兩車速度分別提高至40 km/h、60 km/h、80 km/h，重復上述測試工作。

4 結(jié)果與分析

4.1 靜態(tài)條件下車車通信測試結(jié)果

視距場景通信距離對通信性能的影響結(jié)果如圖9所示。由圖9 可知：DSRC 與LTE-V 的數(shù)據(jù)包投遞率隨通信距離增大呈下降趨勢，在400 m 通信距離范圍內(nèi)，兩種通信技術(shù)的數(shù)據(jù)包投遞率隨距離增大下降緩慢，且保持在95%以上；兩種通信技術(shù)時延隨通信距離的增加而增大，但變化不明顯，在有效通信距離內(nèi)，DSRC 和LTE-V的平均時延分別約為5 ms和16 ms。

圖9 視距場景距離對通信性能的影響

根據(jù)3.1 節(jié)中有效通信距離指標判定，在靜態(tài)視距場景下，DSRC有效通信距離約700 m，LTE-V有效通信距離約900 m，且通信距離是影響DSRC 與LTE-V 通信性能的重要因素，為避免通信距離對后續(xù)測試的影響，后續(xù)測試通信距離不超過400 m。

建筑遮蔽交叉口場景通信距離對通信性能的影響結(jié)果如圖10 所示。由圖10 可知：DSRC 與LTE-V 的數(shù)據(jù)包投遞率隨通信距離增大呈下降趨勢，兩車位于距離碰撞點140 m處時，兩種通信技術(shù)數(shù)據(jù)包投遞率明顯下降，DSRC在車輛距離碰撞點160 m后，數(shù)據(jù)包投遞率下降至0；兩種通信技術(shù)時延隨通信距離增加而增大，但變化不明顯。與視距場景測試結(jié)果相比，建筑遮蔽對DSRC與LTE-V通信性能會產(chǎn)生極大影響，建筑遮蔽使得二者有效通信距離大幅減小。在140 m處，LTE-V時延出現(xiàn)突增現(xiàn)象，出現(xiàn)時延超過50 ms 的數(shù)據(jù)包，平均時延達到20 ms，DSRC 時延在該處也有明顯增加，說明金屬遮蔽物會對兩種通信技術(shù)通信性能造成嚴重影響，使數(shù)據(jù)包投遞率下降，時延增加。

樹木遮蔽交叉口場景通信距離對通信性能的影響結(jié)果如圖11所示，DSRC與LTE-V的數(shù)據(jù)包投遞率隨通信距離增大呈下降趨勢，兩種通信技術(shù)的時延隨通信距離增加而增大，但增幅較小。

通過靜態(tài)條件下車車通信測試發(fā)現(xiàn)：距離和遮蔽物是影響DSRC與LTE-V數(shù)據(jù)包投遞率的重要因素，金屬及建筑對通信的影響比樹木遮蔽影響更為嚴重；兩種通信技術(shù)相比，視距場景下，DSRC 有著低時延的優(yōu)勢，LTE-V 有著遠距離條件下保持高數(shù)據(jù)包投遞率的優(yōu)勢，在非視距場景下，LTE-V 較DSRC 可在相同距離下保持更高的數(shù)據(jù)包投遞率。

圖10 建筑遮蔽場景距離對通信性能的影響

圖11 樹木遮蔽場景距離對通信性能的影響

造成DSRC 與LTE-V 數(shù)據(jù)包投遞率差異的原因在于，一方面，信道編碼不同，DSRC 采用卷積碼，LTE-V采用Turbo碼，Turbo碼有更好的編碼增益，另一方面，資源選擇機制不同，DSRC采用載波偵聽多路訪問/沖突避免（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA），LTE-V采用感知（Sensing）+預約的半持續(xù)調(diào)度（Semi-Persistent Scheduling，SPS），充分利用業(yè)務(wù)的周期性特點，提高了無線資源的利用率，提升了無線數(shù)據(jù)通信成功率[4]。

造成DSRC 與LTE-V 時延上差異的主要原因是DSRC采用短符號周期，LTE-V采用長符號周期。DSRC的循環(huán)前綴（Cyclic Prefix，CP）時長為1.6 μs，LTE-V 的循環(huán)前綴長達4.69 μs。DSRC 的符號周期（包含CP）僅為8 μs，LTE-V的符號周期（包含CP）為71 μs[20]。

視距場景和非視距場景產(chǎn)生差異的主要原因是無線電波在傳輸過程中能量隨距離的增加而發(fā)生衰落，產(chǎn)生路徑損耗。另一方面，當遮蔽物出現(xiàn)在無線電波的傳輸路徑時，會發(fā)生多徑效應(yīng)，從而導致?lián)p耗。根據(jù)文獻[21]的研究，無線信號傳輸功率會受到距離和遮蔽物的影響，DSRC與LTE-V都屬于工作在5.9 GHz的高頻信號，所以信號損耗更大，引起時延擴展，產(chǎn)生衰落。

4.2 動態(tài)條件下車車通信測試結(jié)果

跟馳場景、會車場景下速度對通信性能的影響結(jié)果如圖12、圖13 所示，兩種場景中，DSRC 與LTE-V 的數(shù)據(jù)包投遞率隨速度增大略有減小，時延隨速度增大而增大，但跟馳場景下DSRC時延隨速度增大的幅度較小。

圖12 跟馳場景速度對通信性能的影響

通過動態(tài)條件下車車通信測試發(fā)現(xiàn)，DSRC與LTE-V的數(shù)據(jù)包投遞率與行駛速度呈弱相關(guān)關(guān)系，時延受速度影響較小。對于目前車聯(lián)網(wǎng)安全相關(guān)應(yīng)用，二者時延均滿足需求，但在即將會車、兩車距離較近時，LTE-V 連續(xù)出現(xiàn)時延超過50 ms的數(shù)據(jù)包。

會車時時延增大主要是由于多普勒頻移（Doppler Shift），車速越高，多普勒頻移越大，致使接收方頻率與發(fā)送方發(fā)送時頻率偏差較大，使得通信性能明顯下降。由于LTE-V 的符號周期比DSRC 長10 倍，限制了最大可檢測的多普勒頻移，在3GPP仿真測試中發(fā)現(xiàn)，當速度超過140 km/h 時，就不能可靠地檢測消息[22]。DSRC 由于采用短符號周期和采用“中同步碼”方式，同步碼頻率與信號大部分頻率一致，使得在高速環(huán)境下時延不會出現(xiàn)大幅變化，仍能保持良好性能。

圖13 會車場景速度對通信性能的影響

4.3 結(jié)論

通信距離和遮蔽物是影響DSRC 與LTE-V 通信性能的重要因素，車速對DSRC與LTE-V通信性能影響較小。通信距離對于DSRC 通信性能影響較LTE-V 更為明顯，無遮蔽條件下，DSRC、LTE-V 有效通信距離分別為約700 m 和約900 m；遮蔽對兩種通信技術(shù)數(shù)據(jù)包投遞率造成影響，且對DSRC 影響更大，不同遮蔽物造成的影響也不相同，金屬及建筑對通信性能的影響較樹木更嚴重；車速對DSRC 與LTE-V 通信性能影響較小，但在高速即將會車場景，LTE-V 出現(xiàn)超過50 ms 的數(shù)據(jù)包，DSRC時延未出現(xiàn)大幅變化，能夠保持良好性能。

因此，在視距場景對時延要求更高的情況下，可采用DSRC 開發(fā)車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，可使其低時延、高可靠性優(yōu)勢發(fā)揮更為明顯；在對通信距離要求高或遮蔽存在的場景下，可采用LTE-V 開發(fā)車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，LTE-V 較DSRC有更廣的通信范圍或在同一范圍內(nèi)有更可靠的性能；在高速場景下，DSRC 在對抗多普勒頻移方面有更佳的性能，可保持良好通信性能，較LTE-V性能等級更高。

5 結(jié)束語

本文針對DSRC 與LTE-V 技術(shù)的對比測試需求，搭建了靜態(tài)條件下的視距場景、建筑遮蔽交叉口場景和樹木遮蔽交叉口場景以及動態(tài)條件下跟馳場景和會車場景，構(gòu)建了面向智能網(wǎng)聯(lián)交通應(yīng)用的模塊化測試平臺，并設(shè)計了一種支持DSRC 與LTE-V 通信性能的測試系統(tǒng)及方法，測試分析了通信距離、遮蔽物、行車速度等因素對DSRC和LTE-V通信性能的影響。

在實際道路條件下，面對通信擁塞等情況，如何保證車聯(lián)網(wǎng)的通行性能是不可忽視的。限于試驗條件，本文僅開展了2個車輛節(jié)點通信性能測試，下一步將考慮多車環(huán)境下，以車路通信和車車通信性能測試為主的車聯(lián)網(wǎng)通信性能測試研究。