远程操纵驾驶传输协议设计

崔平 汤鸿剑

（徐州工程学院信息工程学院（大数据学院） 江苏省徐州市 221018）

1 引言

我国已度过5G 商用元年，从汽车产业角度看来，5G 在数据传输速度提升和延时降低方面，将升级到一个新的高度，它会对交通和汽车行业的转型发展将产生深刻影响。对于未来中国智能交通而言，车载智能应用与车联网是一片蓝海，会成为未来国际竞争和资本涌入的焦点。为了衔接即将到来的自动驾驶技术，助力中国汽车产业智能化布局。在现有自动驾驶尚未成熟的情况下，远程驾驶技术成为了人们开启智能交通不可缺少的一环。

在出行方面，远程驾驶有望成为普罗大众经济适用的出行技术，由于可以共享汽车、共享远程驾驶员，一定程度上减轻设备维护成本，节省人力资源。在远程驾驶车辆上人们可以休息、娱乐，极大的解放了生产力，对于整个社会而言都是一次效率革命。未来自动驾驶普及之后，远程驾驶员可以为自动驾驶车辆保驾护航，在极端情况下可以帮助管控自动驾驶车辆，以避免交通事故，让人代替计算机做出合理决策，从而让自动驾驶技术避免“新电车难题”等伦理问题。远程操纵驾驶相对比无人自动驾驶，具有更高的安全性与可操作性，对于一些危险环境下的细致操作，可带来更大的效益，同时一个驾驶员可以负责多个车载终端。

远程操纵驾驶依赖于通信网络基础设施，在远程车辆和远程驾驶员之间的连通性方面，在延迟和性能方面都提出了许多挑战。远程操纵驾驶系统可以视为一个毫秒级的实时系统，其协议不应当丢包重传，且传输的延迟和丢包率要尽可能低。

2 设计思路

在实时传输中，要保证传输过程尽力可靠，在UDP 协议基础上实施设计是一个较为合理的选项，只需在UDP 上做一层降低时延和控制拥塞的机制，实时性和时延效果会比TCP 好很多。由于废弃了重传机制，协议应该主动冗余报文，即同一个报文发送多次，以达到“即使有报文丢失，也能有报文到达”的效果。主动丢弃过期报文，可保证阻塞或冗余的报文延迟到达后不扰乱正常指令控制。协议的拥塞机制，基于BBR 对拥塞的定义，即当网络链路上的报文数量大于BDP 时，就认为出现拥塞。采用BDP 作为“虚拟”发送窗口大小，以调整发送报文的周期PacingRate 以避免拥塞，且用以计算报文冗余数量redundancy 来保证不丢包。

3 过期报文丢弃

控制信息的传递需要保证当前车辆接收的指令是最新的，否则远程车辆的驾驶行为与当前驾驶路况不匹配，将会出现严重的问题，因此报文应当具备时效性。

图1：主动冗余流程图

借鉴Time Out 思想，为保证每个报文尽量实时到达，不仅需要发送冗余报文，还需要为每个待接收报文设定生命周期。若报文生命周期结束，则该报文指令失效。在控制端为每一个报文编号，设1 到65535 为报文序号，当序号用完，自动重置为1。车载端每接收到一个报文后，会为下一个待接收报文设置计时器，假设生命周期为50ms。若在生命周期内，未收到待接收报文，则转为接收下一个报文，并将计时器归零。比如1 号报文到达，车载端计时器开始计时，如果2 号报文在50ms 内没有到达，就放弃接收2 号报文，转而为3 号报文计时。当然，这里的50ms 是当前网络能达到的时延，根据具体网络传输能力而定。

4 主动冗余报文

由于远程操纵对实时的敏感性，重传反而容易带来过期数据，因此丢包时不应重传，控制端会同时发送两个以上相同的报文。这样即便部分丢失其他报文也可按时到达。

如何确定发送冗余报文数量redundancy。一种可靠的冗余度调整方法是，假设相同报文为一组，接收方在10s 内，记录各个报文组丢包事件的次数，并取最小值反馈给发送端。

式中：i 表示为10s 内不同报文组的序号（单位：个）。

主动冗余流程图如图1所示。

5 拥塞控制

车载端写入测试信息并发送消息报文，通知控制端开始探测网络参数。控制端发送测试报文，并等待对方报文，收到报文后，按默认参数redundancy=1 和PacingRate=20ms 发送报文确认，连续发送三组。同时，车载端异步地根据接收的消息报文，计算redundancy，转发最后一个报文，都通过反馈报文发送给控制端。

为了防止网络因大规模的通信负载而瘫痪，或因控制端和车载端网络通信能力不对等而丢包严重，同时要能计算出redundancy 和PacingRate，需要网络拥塞识别和发送控制机制，及时控制网络上下行速率。

将拥塞与丢包解耦，采用对拥塞现象的新定义：只有当网络上的报文数量大于BDP 时，系统才认为当前网络链路出现了拥塞。为保证实时性的同时做到尽量可靠传输，采用BDP 作为发送窗口大小，调整发送报文的周期PacingRate 以避免发送过程拥塞。

由于要对网络环境实时监控才能计算其BDP，首先关心的参数是RtProp（Round-trip Propagation，物理链路时延）。真实的RtProp 是难以计算的，可以通过RTT（Round Trip Time，往返时延）求得其近似值。由于发送端并发发送多个相同报文时，可以视为同时在t0 时刻发送，并为该组报文打上时间戳。假定同时发送的报文，沿同一链路发送，则在理想情况下报文同时发送，也应同时收到，但现实并非如此，原因是OtherDelay，即报文发送时延、排队时延、处理时延等因素。接收端收到第一个报文，开始计时，收到第二个报文后，计时结束得到td，数值近似于OtherDelay。若未收到第二个，却收到了第i 个报文，则以此类推。

在上课之前，教师要制定合理的教学计划，结合教材内容解读教学目标，最好是提前一周就制定好教学方案.在集体备课之前，备课组长要规定教师个人准备的内容.

式中，OtherDelay 表示其他时延，（单位：ms）；

td 表示接收端收到第一个报文与后一个报文的时间间隔（单位：ms）；

每次接收到一组新报文，就更新OtherDelay。每过一定时间，接收端收到该组最后一个冗余报文后，分别将OtherDelay、redundancy 与最后一个报文，转发给发送端。发送端收到立即记下时间t1，并识别该报文，得到OtherDelay 与t0。RtProp 需要减去发送周期PacingRate 与OtherDelay，才是真实的网络往返时间，于是得出RTT 与RtProp。

图2：反馈报文结构

图3：消息报文结构

由于发送端已知发送的相同报文数量PacketNum 和报文长度PacketSize，但这样算出的带宽并不准确。同一时间的Bandwidth和RTT 不可同时测出，要得到时延的准确数据，就必须排空网络链路缓存区，其他链路的流量尽量少，但因此带宽会变低。要取得准确的带宽大小，就需要不断发送报文占满整个链路的缓存区，这种状态下时延又会偏大。在此处采用修正参数AdjustSize，用以增大带宽估计值，进而得到接近当前网络状态的发送窗口大小。AdjustSize 参数初值为1，每次对AdjustSize 的修正都会保留，若本次时延高于上次，则AdjustSize 扩大为原来的4 倍；若本次时延低于上次，则AdjustSize 缩小为原来的0.88 倍，不难得出带宽时延乘积BDP。

式中，BW——表示Bandwidth，带宽，（单位：Mbps）；

为了得到PacingRate，需要知道发送窗口的大小CWND。

不需要ACK 报文，发送端计算出发送窗口大小后，得到PacingRate。

综上所述，通过redundancy 和PacingRate 的计算过程确认报文的冗余数量和发送频率，首次使用时将redundancy 初始化为1，PacingRate 初始化为20ms，控制端与车载端相互配合。

6 协议字段设计

基于前文的传输机制，反馈报文设计格式如下：

反馈报文总长度为5 字节；序号为16 位，将无符号整数0x0000 视为反馈报文的标识序号；冗余报文数量为8 位无符号整数，范围在0～255，在默认为1 个报文基础上增加，即可发送1～256 个相同报文。每10s 后，得出该时间段内的最小redundancy（与报文组大小偏移量数据机制一致）；其他时延为2 字节双精度浮点数，附带最新的OtherDelay。反馈报文结构如图2所示。

消息报文设计格式如下：

消息报文长度为521 字节；报文序号为16 位，为无符号整数，范围在1～65535；同组序号一致，且一组报文发送完毕后，自动递增，序号到达65535 时重置；报文组大小偏移量为1 字节无符号整数，范围在0～255，在默认为1 个报文基础上增加，即可发送1～256 个相同报文；组内序号同为无符号整数，1 字节大小，范围在0～255；显然，同一组内，报文按发送顺序编号，组内最多有256 个不同序号（0～255）。时间戳长达16 位，能满足到毫秒级。报文内容大小最大为518 字节，实际大小根据传输UDP 套接字时根据数据大小设置，消息报文结构如图3所示。

7 网络预警

网络预警本质是在协议层获取报文的数据，计算时延与丢包，这对两个终端的用户极为重要。有了上面算法的基础，预警策略就不再困难。对于车载端而言，它只需要在收到报文计算反馈报文的过程中，获取前后两个包的间隔时间、已经丢失报文数目。而对于控制端而言，它通过车载端发送的反馈报文和转发报文，计算报文发送频率和报文冗余度，在此过程中就已包含了RTT 和丢包数量的计算。两个终端通信开始时设置参数，用户按对网络的需求，规定两报文以多大间隔发送，有多少丢包数目才构成网络问题，向终端用户预警即可。

8 结论

本文讲述了远程操纵驾驶系统传输协议设计，一方面，远程驾驶协议弥补了远程驾驶控制传输协议的空白，以期达到了高频率、低时延传输的要求，在另一方面，它解释并控制网络的状态，降低链路往返时延，提高网络稳定性，自动调整发送频率。