車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下一種新的Wi－Fi快速接入機(jī)制※＊

張永忠，喬志龍

（北方工業(yè)大學(xué) 城市道路交通智能控制技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100041）

張永忠（研究員），研究方向?yàn)榻煌ㄐ盘柨刂?；喬志龍（碩士研究生），研究方向?yàn)橥ㄐ偶夹g(shù)、交通信號控制。

引 言

車路協(xié)同的關(guān)鍵在于車車、車路信息的實(shí)時(shí)交互，然而面對車輛的高速行駛及高度動態(tài)的行車環(huán)境，傳統(tǒng)無線通信技術(shù)的速率、傳輸時(shí)延等性能無法滿足交通信息實(shí)時(shí)交互要求，因此車聯(lián)網(wǎng)中的專用短程通信（DSRC）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。DSRC能更好地適應(yīng)車載通信環(huán)境下的移動性、短暫性、低時(shí)延以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多變性等，是車路協(xié)同技術(shù)的研究重點(diǎn)。由于Wi－Fi協(xié)議棧開源、覆蓋范圍廣、傳輸速率高，且Wi－Fi物理層與DSRC 物理層同屬于802.11協(xié)議族，因此本文選用基于OpenWrt操作系統(tǒng)的Wi－Fi開發(fā)平臺，可通過此開源系統(tǒng)靈活地定制所需的功能，進(jìn)而在該平臺下實(shí)現(xiàn)近似于DSRC的通信協(xié)議，對提高道路交通信息實(shí)時(shí)采集具有重要意義。

1 短程通信技術(shù)研究

車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的無線通信技術(shù)有很多，不同的場合需采用不同的通信方式，其中發(fā)展較成熟的幾大無線通信技術(shù)性能對比略——編者注。

藍(lán)牙技術(shù)由于傳輸范圍受限、抗干擾能力不強(qiáng)、信息安全等問題，決定了其不適合應(yīng)用在車路協(xié)同環(huán)境中。3G 技術(shù)在性能、可靠性、覆蓋范圍方面等具有一定的優(yōu)勢，但在高速移動環(huán)境下，通信鏈路的穩(wěn)定性和傳輸速率成為制約其進(jìn)一步發(fā)展的主要因素，如信息的實(shí)時(shí)性和大規(guī)模車輛參與通信造成的接入性能和通信速率等問題。ZigBee技術(shù)重點(diǎn)在于低功耗、低成本的研究，協(xié)議簡單、易于組網(wǎng)，但傳輸速率較低、覆蓋范圍較小，也不利于車車、車路信息的實(shí)時(shí)交互［2］。Wi－Fi技術(shù)發(fā)展較快，無論是在通信距離還是傳輸速率都具有良好的性能，并且IEEE 802.11委員會一直在致力于提高其安全性的研究，因此數(shù)據(jù)保密性和數(shù)據(jù)完整性都得到了極大的保證。DSRC技術(shù)是專門針對車聯(lián)網(wǎng)通信環(huán)境提出的，能夠提供高速的數(shù)據(jù)傳輸，并且能保證通信鏈路的低延時(shí)，物理層與Wi－Fi物理層同屬802.11協(xié)議族。綜上所述，可在OpenWrt開發(fā)平臺下通過修改MAC層協(xié)議，取消傳統(tǒng)認(rèn)證、關(guān)聯(lián)機(jī)制，從而優(yōu)化Wi－Fi在車路協(xié)同應(yīng)用環(huán)境下的通信質(zhì)量。

2 Wi－Fi底層協(xié)議

2.1 IEEE 802.11PHY

該層定義了數(shù)據(jù)傳送與接收所需要的電與光信號、線路狀態(tài)、時(shí)鐘基準(zhǔn)、數(shù)據(jù)編碼和電路等，并向數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)接口。PHY層對所有傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，只進(jìn)行調(diào)制和編碼，并具有CSMA／CD的部分功能，通過該沖突檢測機(jī)制可以有效避免網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)碰撞，從而將數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地傳送到MAC層。802.11a采用正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）將一個(gè)較寬的信道劃分為若干正交子信道，然后將多個(gè)子信道以復(fù)用的方式組合成較寬的信道，同時(shí)將帶寬分割為許多載波和副載波，對副載波的數(shù)據(jù)也進(jìn)行復(fù)用。通過OFDM技術(shù)，可有效地提高數(shù)據(jù)吞吐量和抗干擾能力。

2.2 IEEE 802.11MAC

該層主要功能包括數(shù)據(jù)幀的封裝／卸裝、尋址與識別、接收與發(fā)送、差錯(cuò)控制等，可屏蔽不同物理鏈路種類的差異性。由于在無線網(wǎng)絡(luò)中，隱藏節(jié)點(diǎn)所引起的沖突問題不容易被檢測到，因此采用改進(jìn)的載波監(jiān)聽多路訪問／沖突避免（CSMA／CA）機(jī)制，該機(jī)制利用ACK 信號來檢測和避免多個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)造成的數(shù)據(jù)沖突［3］。MAC層是802.11的主要組成部分，該層向上層應(yīng)用提供了兩類接口原語，其中數(shù)據(jù)接口原語主要提供數(shù)據(jù)包的收發(fā)接口，管理接口原語主要提供發(fā)起認(rèn)證、關(guān)聯(lián)、連接、信道掃描等操作的接口，主要包括信道管理、連接管理、服務(wù)質(zhì)量（QOS）、安全等功能。

3 DSRC底層協(xié)議

DSRC 協(xié)議主要為車載單元（OBU）與路側(cè)單元（RSU）提供交互式通信。參考OSI 體系結(jié)構(gòu)的7 層模型，DSRC 協(xié)議分為3層，包含物理層、數(shù)據(jù)鏈路層以及應(yīng)用層。其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

DSRC底層包括物理層（PHY）和媒介訪問（MAC）層，遵循IEEE 802.11p協(xié)議規(guī)范，該協(xié)議是IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)充的協(xié)議，主要用于車載通信系統(tǒng)中。它規(guī)范了車路協(xié)同環(huán)境中的無線接入標(biāo)準(zhǔn)的PHY 與MAC 層，是決定車載設(shè)備在高速移動狀態(tài)下與路側(cè)設(shè)備通信性能好壞的關(guān)鍵。它在IEEE 802.11a標(biāo)準(zhǔn)上進(jìn)行了修改，在PHY方面，為增加信號對多徑傳播的承受能力、減少多普勒的散射效應(yīng)，帶寬由原來的20 MHz減小到10 MHz，導(dǎo)致PHY 數(shù)據(jù)傳輸速率降低了一半。由于支持多信道操作，相鄰的兩個(gè)信道通過協(xié)商后可以當(dāng)作一個(gè)20 MHz的信道使用，不過通信優(yōu)先級要低些［4］。為了增大通信距離，其定義最高的有效等向輻射功率為44.8dBm；在MAC層方面，由于車輛在高度動態(tài)環(huán)境中需要與周圍相關(guān)車輛和路側(cè)設(shè)備及時(shí)交換信息，對信息交互的實(shí)時(shí)性要求極高，所以802.11p協(xié)議取消了傳統(tǒng)的身份驗(yàn)證和關(guān)聯(lián)功能，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。如果某些應(yīng)用必須在認(rèn)證、關(guān)聯(lián)后才能提供服務(wù)，可由上層協(xié)議實(shí)現(xiàn)這兩項(xiàng)功能。此外，它通過在相同信道設(shè)置相同的基本服務(wù)集標(biāo)示符（BSSID）的方法進(jìn)行通信，不需要預(yù)先加入到基本服務(wù)集（BSS）中，可以在BSS覆蓋范圍外進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

圖1 DSRC協(xié)議體系結(jié)構(gòu)

4 快速接入設(shè)計(jì)

4.1 MAC子層協(xié)議研究

無線管理協(xié)議主要用來實(shí)現(xiàn)鏈路層的MAC功能，按照管理方式可分為FullMAC 和SoftMAC，對于Full－MAC，Wi－Fi中的認(rèn)證、關(guān)聯(lián)以及其他配置都由硬件管理，無法通過應(yīng)用層修改，因而用戶透明度低，安全性高［5］。SoftMAC可通過軟件控制硬件，允許解析和生成無線協(xié)議，具有很大的靈活性，但需要深入了解PHY 和MAC層的關(guān)鍵參數(shù)及屬性，否則可能導(dǎo)致網(wǎng)卡無法正常收發(fā)數(shù)據(jù)。MAC802.11是一個(gè)Linux內(nèi)核子系統(tǒng)，用來為Soft－MAC無線設(shè)備提供寫驅(qū)動框架和API，可在內(nèi)核空間實(shí)現(xiàn)STA 模式，在用戶空間實(shí)現(xiàn)AP模式（hostapd）。因此可在MAC802.11驅(qū)動框架下通過SoftMAC管理協(xié)議取消Wi－Fi的認(rèn)證、關(guān)聯(lián)過程，該協(xié)議集成在內(nèi)核中，且支持多種類型的無線網(wǎng)卡。在SoftMAC 中，無線協(xié)議棧集成到了驅(qū)動中，對無線協(xié)議的設(shè)計(jì)可在Linux驅(qū)動層進(jìn)行修改。

4.2 系統(tǒng)硬件平臺

本文選用XHK168RT5350 標(biāo)準(zhǔn)無線Wi－Fi模塊實(shí)現(xiàn)STA 與AP 的快速接入設(shè)計(jì)，處理器采用Ralink 的RT5350F處理器，主頻高達(dá)360 MHz，支持802.11b／g／n，最高速率可達(dá)150 Mbps，且外圍接口配置豐富。通過軟件修改，支持串口和Wi－Fi數(shù)據(jù)互傳，非常便于以后功能的擴(kuò)展。系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體框圖

4.3 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境構(gòu)建

MAC802.11作為無線網(wǎng)卡驅(qū)動的規(guī)范集成在內(nèi)核中，除此之外，還需要有完整的開發(fā)環(huán)境才能完成協(xié)議棧的重新設(shè)計(jì)。OpenWrt是一個(gè)適用于路由器的Linux發(fā)行版，本身為開源項(xiàng)目，包含了內(nèi)核（Linux）和文件系統(tǒng)，具備高度的模塊化和強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展功能，因此選用OpenWrt平臺作為無線協(xié)議棧的開發(fā)環(huán)境。對于OpenWrt開發(fā)，需要建立主機(jī)與嵌入式Wi－Fi平臺的交叉開發(fā)環(huán)境，因此本文在Ubuntu系統(tǒng)下編輯、編譯軟件，然后通過搭建的TFTP服務(wù)器，將編譯好的固件通過網(wǎng)絡(luò)下載 到RT5350F 的Wi－Fi模 塊 中 運(yùn) 行。OpenWrt 通 過Makefile腳本進(jìn)行配置及編譯，執(zhí)行make menuconfig命令可進(jìn)入系統(tǒng)配置界面，在對內(nèi)核進(jìn)行配置時(shí)，可通過系統(tǒng)配置界面決定需要將哪一部分功能編譯進(jìn)內(nèi)核。MAC802.11配置成隨系統(tǒng)而啟動，因此需要通過靜態(tài)方式直接編譯進(jìn)內(nèi)核。在OpenWrt環(huán)境下配置完成后，執(zhí)行make命令即可生成所需的固件。

4.4 取消Wi－Fi認(rèn)證關(guān)聯(lián)

按照標(biāo)準(zhǔn)Wi－Fi協(xié)議，只有在已認(rèn)證、已關(guān)聯(lián)狀態(tài)下才能收發(fā)數(shù)據(jù)幀，參考IEEE 802.11p協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，需要取消傳統(tǒng)的認(rèn)證、關(guān)聯(lián)步驟，并固定OBU 于RSU 的通信信道，才能實(shí)現(xiàn)Wi－Fi的快速接入設(shè)計(jì)［6］。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備收發(fā)數(shù)據(jù)過程，取消認(rèn)證和和關(guān)聯(lián)機(jī)制需要修改內(nèi)核空間中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧源碼，即MAC802.11 的協(xié)議驅(qū)動部分。以ath9k設(shè)備的無線網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動為模型，采用基于USB接口的SoftMAC無線網(wǎng)絡(luò)適配器（ath9k＿h(yuǎn)tc），當(dāng)網(wǎng)卡接收數(shù)據(jù)時(shí)，一般采用中斷方式，網(wǎng)卡發(fā)送數(shù)據(jù)一般在用戶空間發(fā)起。無線網(wǎng)卡接收數(shù)據(jù)時(shí)，ath9k驅(qū)動接口與MAC802.11協(xié)議驅(qū)動接口函數(shù)調(diào)用關(guān)系如圖3所示。

當(dāng)網(wǎng)卡接收數(shù)據(jù)產(chǎn)生中斷時(shí)，會進(jìn)入tasklet下半部進(jìn)行處理，MAC802.11會對收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析處理。在ieee80211＿rx＿h(yuǎn)＿check函數(shù)中，會對STA 進(jìn)行關(guān)聯(lián)狀態(tài)的判斷。若想使STA 脫離基本服務(wù)集工作，需要在ieee80211＿rx＿h(yuǎn)andle＿packet（）內(nèi)部，修改為所有報(bào)文都能進(jìn)入ieee80211＿prepare＿and＿rx＿h(yuǎn)andle（）進(jìn)行處理，并且不進(jìn)行關(guān)聯(lián)狀態(tài)的判斷，之后再將數(shù)據(jù)傳送至應(yīng)用層，這樣就取消了Wi－Fi的認(rèn)證、關(guān)聯(lián)過程，使無線網(wǎng)卡在此狀態(tài)下接收數(shù)據(jù)包。當(dāng)無線網(wǎng)卡需要發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，為使數(shù)據(jù)能在認(rèn)證關(guān)聯(lián)前發(fā)送，只需取消判斷STA 工作狀態(tài)過程，此處不再詳述。通過這樣的調(diào)整機(jī)制，便能使無線網(wǎng)卡在無需認(rèn)證關(guān)聯(lián)的狀態(tài)下收發(fā)數(shù)據(jù)包。

圖3 函數(shù)調(diào)用關(guān)系圖

4.5 OBU與RSU信道配置

由無線通信基本理論可知，只有STA 與AP 在同一信道才能相互通信，因此需要將OBU 與RSU 配置為相同的信道。在SoftMAC中，支持多種配置方式，既可以在用戶空間對一些參數(shù)，如信道、頻寬、SSID 進(jìn)行配置，也可以通過修改OpenWrt環(huán)境下的Wi－Fi腳本進(jìn)行配置，還可以通過修改內(nèi)核源碼進(jìn)行配置。本文采用通過Web界面配置和修改腳本文件相配合的方式進(jìn)行帶寬以及信道的設(shè)置。

進(jìn)入OpenWrt系統(tǒng)的配置菜單，將LuCI配置進(jìn)系統(tǒng)，編譯之后，開發(fā)平臺便可通過Web界面對一些參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，通過Web設(shè)置好專用短程通信技術(shù)中的SSID，并取消WPA 加密等認(rèn)證［7］。信道、頻寬等參數(shù)可以在OpenWrt系統(tǒng)目錄下的mac80211.sh腳本進(jìn)行配置，通過option channel設(shè)置使OBU 與RSU 信道保持統(tǒng)一，option htmode可以修改Wi－Fi的頻寬，本文選用20 MHz的頻寬。通過上述配置，便完成了OBU 與RSU 的信道及頻寬設(shè)置。

5 通信性能測試

5.1 測試指標(biāo)及方案

無線通信主要包括通信距離、通信延遲、吞吐量及丟包率等性能指標(biāo)。本文主要測試OBU 在運(yùn)動狀態(tài)下進(jìn)入RSU 的覆蓋區(qū)域后，與RSU 的通信延遲、吞吐量及丟包率情況，為體現(xiàn)取消認(rèn)證、關(guān)聯(lián)功能后快速接入技術(shù)在性能上的優(yōu)勢，將改進(jìn)后的Wi－Fi模塊與之前的標(biāo)準(zhǔn)Wi－Fi模塊進(jìn)行對比測試。測試通信延遲采用系統(tǒng)支持的ping命令，ping的結(jié)果表示整個(gè)鏈路上往返一次所需的時(shí)間，時(shí)間值的一半便是通信延遲。吞吐量及丟包率可采用Ix－Chariot工具進(jìn)行分析。測試時(shí)，RSU 保持不動，OBU 從距離RSU 較近距離處以20km／h的速度向遠(yuǎn)處移動，直到網(wǎng)絡(luò)連接斷開為止。

5.2 測試結(jié)果

上述方案進(jìn)行測試后，可得改進(jìn)后的Wi－Fi模塊平均通信延遲為0.65ms、丟包率為1%，而標(biāo)準(zhǔn)Wi－Fi模塊的通信延遲為1.82ms，丟包率可達(dá)5%，因此改進(jìn)后的Wi－Fi模塊在通信延時(shí)及丟包率方面都得到了改善。在移動環(huán)境下的吞吐量性能對比測試結(jié)果略——編者注。

通過以上結(jié)果可以看出，在剛開始移動的時(shí)候，由于距離RSU 較近，兩個(gè)模塊吞吐量基本一致，但隨著移動距離的增加，標(biāo)準(zhǔn)Wi－Fi模塊的吞吐量下降較快，而改進(jìn)后的Wi－Fi模塊性能相對較好，因此，后者比較適合移動環(huán)境下車輛間的通信。

結(jié) 語

本文主要研究在車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，專用短程通信技術(shù)相比其他短程通信技術(shù)的優(yōu)勢，參考DSRC 底層協(xié)議，提出了一種新的Wi－Fi快速接入機(jī)制，在OpenWrt開發(fā)平臺上通過修改內(nèi)核的MAC802.11源碼，對無線網(wǎng)卡數(shù)據(jù)收發(fā)機(jī)制進(jìn)行了修改，并在用戶空間對信道、頻寬等參數(shù)進(jìn)行了配置，實(shí)現(xiàn)了車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的快速接入技術(shù)。對新的快速接入機(jī)制在實(shí)際的動態(tài)環(huán)境中進(jìn)行了測試，達(dá)到了預(yù)期的效果。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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