DSRC通信系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

向 昊 于東輝

（重慶郵電大學(xué)自動化學(xué)院，中國重慶400065）

0 引言

21 世紀(jì)將是公路交通智能化的世紀(jì)， 人們將要采用的智能交通系統(tǒng)， 是一種先進(jìn)的一體化交通綜合管理系統(tǒng)。 ITS 是智能交通系統(tǒng)（Intelligent Transportation System）的簡稱，是未來交通系統(tǒng)的發(fā)展方向，它是將先進(jìn)的信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊傳輸技術(shù)、電子傳感技術(shù)、控制技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)等有效地集成運(yùn)用于整個(gè)地面交通管理系統(tǒng)而建立的一種在大范圍內(nèi)、全方位發(fā)揮作用的，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的綜合交通運(yùn)輸管理系統(tǒng)[1－2]。

DSRC 采用專為車間通信的WAVE 規(guī)范以及根據(jù)IEEE802.11 標(biāo)準(zhǔn)修改制定的IEEE 802. 11p 標(biāo)準(zhǔn)。 目前許多文獻(xiàn)針對DSRC 所進(jìn)行的研究主要集中在對通信協(xié)議或者交通系統(tǒng)某一項(xiàng)參數(shù)設(shè)置不同時(shí)所得出的通信系統(tǒng)實(shí)時(shí)性與延遲性的研究， 但是并沒有針對整個(gè)ITS系統(tǒng)的架構(gòu)角度來考慮對DSRC 通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

本文針對DSRC 在ITS 環(huán)境下的系統(tǒng)架構(gòu)，提出了智能通信平臺的整個(gè)設(shè)計(jì)， 對于DSRC 系統(tǒng)的通信軟件架構(gòu)的編寫與實(shí)車試驗(yàn)，揭示了DSRC 在ITS 道路環(huán)境下架構(gòu)設(shè)計(jì)流程與實(shí)車通信效果。

1 DSRC 通信平臺系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

1.1 DSRC 系統(tǒng)架構(gòu)之間的關(guān)系

DSRC 系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分：車載單元（OBU）、路邊單元（RSU）以及專用短程通信協(xié)議。 通過車載OBU 收發(fā)器與路側(cè)RSU 收發(fā)器，可實(shí)現(xiàn)車輛與道路之間的信息交互。 DSRC 協(xié)議是在OSI 的基礎(chǔ)上提出的三層協(xié)議結(jié)構(gòu)，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層（LLC 與MAC 子層）、應(yīng)用層，如圖1 所示。

圖1 調(diào)制方式系統(tǒng)架構(gòu)的關(guān)系Fig.1 Relationship between the modulation and system architecture

1.2 智能交互系統(tǒng)平臺通信socket 編寫（物理層與數(shù)據(jù)鏈路層）

在統(tǒng)一車載單元OBU 與智能車載終端的接口的基礎(chǔ)上， 明確車載單元OBU 與路邊單元RSU 與智能車載智能終端信息交換內(nèi)容的顯示，根據(jù)不同的需求（例如車主得到推薦充電站排序，選擇充電站；通過RSU 接收電網(wǎng)實(shí)時(shí)發(fā)送當(dāng)前各區(qū)域的充放電能力、ITS 中心計(jì)算推薦的充電站、EV 發(fā)送剩余里程數(shù)、SOC、 速度等信息到ITS 中心）均可以采用VS2010 進(jìn)行軟件socket 開發(fā)[3]。

本文采用周立功CAN 卡來讀取車輛CAN 信號， 通過VS2010 使用C++來編寫通信平臺MFC 文件與socket 通信程序。 要傳遞車載信息，首先要對CAN 卡的設(shè)置參數(shù)、如何獲取設(shè)備信息、啟動CAN 和復(fù)位CAN 和發(fā)送數(shù)據(jù)有一定的了解。 如圖2 所示，接口函數(shù)庫主要有：打開、關(guān)閉、初始化CAN、獲取設(shè)備信息、獲取錯(cuò)誤信息、獲取CAN 狀態(tài)、設(shè)置緩沖區(qū)大小，收發(fā)數(shù)據(jù)等功能。

圖2 CAN 卡接口庫函數(shù)使用流程Fig.2 The use process of CAN card interface library functions

VCI_SetReferenc 和VCI_GetReference 這兩個(gè)函數(shù)是用來針對各個(gè)不同設(shè)備的一些特定操作的。 比如CAN232 的更改波特率，設(shè)置報(bào)文濾波等等。函數(shù)中的PVOID 型參數(shù)pData 隨不同設(shè)備的不同操作而具有不同的意義。

試驗(yàn)車CAN 信號可以正常根據(jù)我們的CAN DBC 文件中的協(xié)議接收顯示數(shù)值，將CAN 卡接入CANoe 總線后能夠成功獲得并顯示如方向盤轉(zhuǎn)角以外的信號，信號穩(wěn)定。未調(diào)試之前由于CAN 總線的頻率為100Hz，為了使定時(shí)器獲取信號頻率高于CAN 總線發(fā)送頻率，所以設(shè)置的頻率較高，但是發(fā)現(xiàn)刷新過快，所以選擇500ms 的刷新頻率（此刷新頻率為CANoe 信號）為目前的信號顯示刷新頻率。

圖3 發(fā)送與接收顯示界面Fig.3 Sending and receiving display interface

圖4 NCTUNs 仿真建模Fig.4 NCTUNs simulation modeling

1.2 MFC 數(shù)據(jù)接發(fā)顯示軟件（應(yīng)用層）

根據(jù)上述情況， 將通信所需的socket 程序編寫為基于VS2010 的發(fā)送與接收顯示界面，如圖3 所示。

當(dāng)CAN 卡連接上總線時(shí)，讀取信號后在此界面顯示，并且由于此界面具有socket 發(fā)送信號的功能，在顯示自車的車輛動態(tài)與靜態(tài)參數(shù)時(shí)，旁車也可以接收到本車的各類車身信號。

2 ITS 環(huán)境仿真模型搭建

參照之前的DSRC 物理層與數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，使用6Mb/s 的傳輸速率，28dBm傳輸功率， 包大小分布范圍400-500b，使用NCTUNs 自帶的Car Agent 模型， 為車路相互通信，仿真時(shí)間設(shè)置為400s。 設(shè)定了2 種仿真道路環(huán)境：一個(gè)通用城市平面交叉口；一段快速路。 性能指標(biāo)中的時(shí)延表示數(shù)據(jù)或分組從鏈路的一端傳送到另一端所消耗的時(shí)間，包括了發(fā)送時(shí)延、傳播時(shí)延、處理時(shí)延和排隊(duì)時(shí)延；吞吐量表示在單位時(shí)間內(nèi)通過信道的數(shù)據(jù)量如圖4。

交叉口：雙向2 車道，交叉口設(shè)計(jì)車速為40km/h（10m/s）。 信號周期為100s，2相位控制，黃燈時(shí)間為3s，紅燈時(shí)間為45s（信號機(jī)使用NCTUns 自帶的Signal 模型）。

快速路段：雙向4 車道，長度為3km，車速限制范圍為60-180km/h。

最先到達(dá)交通信號燈的車輛將數(shù)據(jù)包發(fā)送給周圍車輛，仿真結(jié)果得出時(shí)延范圍在100-120/ms，吞吐量變化在8-11kb/s，傳輸距離為1000m，基本滿足美國交通運(yùn)輸部對車路協(xié)同的要求。

3 實(shí)車傳輸各類信號測試

經(jīng)過上述軟件編寫與軟件仿真等理論準(zhǔn)備，建立實(shí)車通信實(shí)驗(yàn)平臺。

實(shí)車調(diào)制實(shí)驗(yàn)分為以下幾步：

3.1 車輛逆變器安裝

將12V 蓄電池放入試驗(yàn)車，通過逆變器給車上所需220V 的DSRC 電源設(shè)備供電。

3.2 信號采集與發(fā)送的確認(rèn)

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)在圍繞車庫的一整圈包括樓房屋遮擋的部分。 信號表現(xiàn)良好，在觀測基站接收情況來講延遲與顯示刷新均處于接受范圍內(nèi)，通過周期發(fā)送方式能夠正常將信息發(fā)給基站。

3.3 數(shù)據(jù)包的性能收發(fā)測試

在車庫與樓房附近繞環(huán)圈行駛，定制5.8GHz 天線表現(xiàn)良好，在直線與可視距離上丟包率基本沒有，行駛到建筑物之后由于衰減原因丟包開始有緩慢增加，甚至斷過一次，不過很快又恢復(fù)通信，將基站天線位置放置在制高點(diǎn)應(yīng)該能解決如上問題，并且使距離達(dá)到最大。

通信性能方面：在中間間隔到有三棟樓的時(shí)候才開始有短暫的數(shù)據(jù)丟包，其他時(shí)刻通信性能良好，使用ping 方式測得的round-trip 時(shí)間均低于3.4ms，2 組實(shí)驗(yàn)平均round-trip 時(shí)間為1.7ms，效果理想，如果是車輛安全相關(guān)的制動信號等信號的傳輸，可以滿足要求。做數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)時(shí)，觀測方為基站， 在不進(jìn)行限速的情況下，踏板踩到底時(shí)候的扭矩顯示為448Nm，與實(shí)車性能相符如圖5。

圖5 實(shí)車環(huán)境數(shù)據(jù)包round-trip 時(shí)間Fig.5 The real vehicle environmental data packet round-trip time

4 結(jié)論

在DSRC 設(shè)備傳輸CAN 信號情況下的實(shí)際測試， 根據(jù)汽車研究所周圍的道路環(huán)境下進(jìn)行兩車之間的通信， 車車之間能夠順利進(jìn)行CAN 信號的傳遞，但是如果車間遇到有較大障礙物的情況（如樓房）下通信時(shí)，會有丟包產(chǎn)生，這與諸多因素有關(guān)，設(shè)備的發(fā)送功率，天線的增益等等，還有就是做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候天線是放在車載內(nèi)部，改進(jìn)的方式有如下幾點(diǎn)：

4.1 根據(jù)功率放大器將機(jī)器的功率提升到20dBm 以上；

4.2 將天線的接口方式改變?yōu)檫B接線，從而引至車輛頂端；

4.3 如果遇到衰減的情況，最好的方式是布置中繼節(jié)點(diǎn)，利用多跳的方式來增加信號的可靠性；

4.4 如果是多車通信的情況下，盡量將無線接入點(diǎn)放置在中央位置，并且遠(yuǎn)離墻壁或者金屬等能引起干擾的物體；

4.5 據(jù)推斷，普通的無線電話信號不會對5.8GHZ 的Denso 信號產(chǎn)生干擾，于是考慮是否同時(shí)購入非全向的天線（周圍的所有方向上天線都能夠發(fā)射信號。 如果設(shè)備靠近外墻，無線信號的一半將被送到屋外，浪費(fèi)了設(shè)備的大部分功率）， 所以可以同時(shí)考慮高增益天線的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（集中到一個(gè)方向發(fā)射，將兩種天線搭配在DSRC 設(shè)備上使用）。

［1］Heinrich B, Edmund J R. Effectiveness of vehicle and roadside antenna locations for direct short range, vehicle to roadside communication [A]//3th Annual World Congress on Intelligent Transport System. Florida，1996：2 105.

［2］彭選榮，鐘慧玲，徐建閩.專用短程通信（DSRC）協(xié)議研究及應(yīng)用展望[J].移動通信，2003 年增刊.

［3］屠域,徐建閩，鐘惠琳.DSRC 系統(tǒng)通信協(xié)議的開發(fā)計(jì)算機(jī)工程[J]，2003，12，29（21）.