面向智能驾驶的V2X测试方法研究

张小俊，郭剑锐，郭 蓬，王梦丹

（1.河北工业大学，天津 300222；2.中国汽车技术研究中心，天津 300300）

1 前言

V2X （车联网），意为vehicle to everything，即车与外界一切交通参与者的信息交换。这里的X代表的是everything，在V2X的概念中，可将X看作是4大部分：车与车的通信（V2V）、车与路边基础设施的通信 （V2I）、车与人的通信（V2P）以及车与运营商网络通信 （V2N），从本质上看，V2X是一种无线信息交互技术，也是一个汽车通信系统 （每辆车都可作为通信网络的实体）［1］。

V2X最开始具备的是PC5口通信模式，即D2D （DevicetoDevice）直联通信模式，D2D可以摆脱网络的依赖，仅通过广播本车经纬度、速度、航向角等BSM（Basic Safety Message）信息告知周围其他车辆，同时也接收来自周围车辆的BSM信息，以此判断出周围路段的路况，但这种方式的通信范围最多达到几百米，且要求通信时延极低［2］。

而另一种称为UU口通信模式，车载通信设备可通过基站与另一台设备连接建立通信，即搭载4G蜂窝网络进行通信，其达到的效果便是通信距离大幅度增加了，其缺点是不仅需要低时延，还需要高吞吐量且高可靠性的通信网络环境。同时即将商用的5G通信技术拥有更高的吞吐量、更低的时延、更高的可靠性使V2X技术拥有更加灵活的体系结构和新型的系统元素 （5G车载单元OBU、5G基站、5G移动终端、5G云服务器等）。

当前V2X的推进过程是十分迅速的，但也正因此存在一个致命的缺陷，即是在相应的测试领域没有足够地完善，对设备应该测试的项目以及对应的测试方法还没有发展出一套规范的测试标准［3］。以至于在对V2X如何测试存在巨大的争论点，主要聚焦在两个方向：①对于汽车厂商，他们认为测试应该以汽车为主要对象，关注的焦点是是否能发出相应的预警信息；②而对于通信厂商，他们所关心的不是汽车是否发出预警信息，而是两个终端设备是否能建立通信连接，是否完整地、准时地发送和接收数据包［4］。所以如何建立一套完善的测试流程和测试标准是目前最为迫切的研究突破点。本文详细研究了国内外现有的测试方法，提出一套完整的测试流程方案。

2 V2X测试

V2X通信技术起源于欧美各国且逐渐应用成熟，但在测试方面的研究仍然还是不太成熟，因为对于汽车来说V2X车载通信设备一开始的定位就是一个预警装置，它不像自动驾驶，一旦出错就会造成巨大的交通事故，如果V2X预警成功便可以提醒驾驶员，假设预警错误或者没有预警，那也不会对驾驶员的操作造成影响［5］，因此还没有重视在测试这方面的研究，大多数测试还是采用终端测试，DSRC测试如图1所示。

测试是将一个终端放置在路口模拟RSU（Road Side U－nit），或者是在路边的汽车上的OBU （On Board Unit），可以在通过提前写入信息来控制这个终端所发的交互消息集，然后再将装备了DUT（Device Under Test）的汽车驶过这个路口，通过接收消息集计算，得出相应的预警提示，测试结果记录了是否发生预警和预警的类型，这个测试方法没有用一个量化的评价标准评判测试的通过与否，无法准确评估DUT的好坏。

本文提出的测试方案主要是从两方面试验验证DUT：一是性能测试，主要是测试设备的射频性能参数；二是功能测试，当设备接收正确的信息并解析后，是否能根据这些信息判断与之交互的汽车的所在方位，是否会发生碰撞、以及发生的碰撞类型是否能正确归类，即是对V2X决策算法的功能验证。

2.1 性能参数测试

不同于普通的电路测试，无线通信设备的射频性能参数测试通常对测试环境要求非常严格，因为所有的通信装置都是通过调制高频电磁波搭载信息发送给其他设备［6］，其借助的媒介主要是射频同轴电缆、波导、带状线等微波传输线，或者是辐射到自由空间中。这两种媒介主要的区别是线缆一般是采用绝缘材料包裹导体的方式，既能高效地传输信号，又能防止电磁波泄露和减少能量损失，但它最大的缺点是线缆的长度限制了通信的距离，而自由空间传播电磁波信号势必效率远远低于线缆传输，因为自由空间是一个充满各种信号的杂乱的、不可控的电波传播环境，同时自由空间中还有各种障碍物可以反射、吸收电磁波信号，但其优点是摆脱了线缆的束缚，可以更自由、更方便、更远的传播信号。射频测试时为了防止因为空中不必要的信号影响到测试结果的正确性，所以采取有线传导测试来获取测试结果。

传导测试过程中，为了保证测试数据的准确，采用了射频同轴电缆作为被测物和相关仪表的连接媒介，待测物DUT选取北京某科技公司正在研发的一款LTE-V车载终端，此终端除了常规的电源、网口等接口外，主要有5个天线接口，车载终端天线接口如图2所示。

车载终端接收到来自外界的信息主要是其他终端发送的BSM等5大信息集，同时还需要接收GNSS信号来确定自身所在的位置，因此测试主要用到TX／RX和GNSS两个接口。准备一台信号产生器根据需求模拟一个固定的或者是连续变化的经纬度值通过终端的GNSS接口将经纬度信息导入DUT（待测设备），之后再准备一台信号分析仪，可以模拟一个虚拟的终端设备用来与DUT通信，测试系统搭建如图3所示。

图1 DSRC测试

图2 车载终端天线接口

图3 测试系统搭建

测试开始时用调试工具使终端发送特定信号以及调节发送信号功率使其工作在Power Class3最大输出功率状态下，同时需要调节信号分析仪补充电缆线损，将分析仪的中心频率设置为DUT的工作频率，发送信号后，双方的通信建立连接完成，使用RMS检波方式调节适当的RBW （Resolution Band-width，分辨率带宽）和VBW （Video Bandwidth，视频带宽）数值检测DUT的参数。

发射功率测试结果如图4所示。其中Total Channel Power是18.86dBm，根据3GPP TS 36.521 Release 15的标准要求发射功率必须是23dBm，Tolerance是3.3dB，即发射功率合格范围应该是19.7～26.3dBm，如果发射功率高于这个范围，会对其他信道或系统造成干扰，发射功率低于这个范围，会造成系统覆盖范围缩小，很明显18.86dBm低于这个范围内，根据标准的要求，此DUT应该是不合格产品，需要适当提高发射功率。

图4 发射功率测试结果

图4中信号分析仪扫描的扫宽 （SPAN）是15MHz，即图中坐标系的横坐标表示的频率范围是15MHz，又因为扫描的中心频率是5.91GHz，所以整个横坐标频率是5902.5～5917.5MHz。当DUT的发射机工作在Power Class3最大输出功率状态下，从图3的坐标系中可得出最低工作频率fL＞5905.5MHz，最高工作频率fH<5914.5MHz，满足3GPP TS 36.521 Release 15中规定的LTE-V2X终端设备的频率范围应在5905～5925MHz。

为了合理使用频谱资源，保证各种行业和业务使用频谱资源时彼此之间不会干扰，因此每个通信装置都需要检测发射机的发射带宽是否超出其正常工作的频谱范围，以避免对其他通信系统造成干扰。根据36.521标准规定，LTE-V2X终端设备的占用带宽应小于等于10MHz。如图5所示，Occupied Bandwidth是8.9393MHz，是完全满足标准规定的。

图5 占用带宽

LTE-V2X频率设备的频谱发射模板 （SEM：Spectrum emission mask）测量的是偏移载波中心频率在2.5～12.75MHz范围内的频谱杂散能量。表1是36.521标准规定的通信设备的频谱杂散能量。

表1 通信设备的频谱发射模板限值

根据表1，DUT的带宽约是10MHz，所以其偏移载波中心频率在±（2.5～2.8）、±（2.8～5）、±（5～6）的限值不能超过-10dBm，偏移载波中心频率± （6～10）、± （10～15） 的限值不能超过-13dBm，偏移载波中心频率的限值不能超过-13dBm，对照图6中的测量值都没超出限值，即此设备满足标准要求。

图6 频谱发射模板SEM测量值

测试车载终端的射频参数可以考察其射频芯片的指标，更能对终端进行整机测试，考察整机的系统级性能。通过上述的测试结果可以得出，此DUT除了发射功率低于测试标准要求外，其他各项指标均为合格，后续对DUT的整改可适当提高发射功率。

2.2 功能测试

在一系列的射频指标测试之后，在保证DUT的各项性能参数是合格的前提下，可以开始验证设备预警算法功能的场景测试，即验证DUT接收到正确的消息帧并解析出来之后算法对两车数据的处理，是否能判断出来正确的场景归类，并根据各个场景的预警阈值判断是否要发出相应的场景预警。

2.2.1 虚拟场景测试

V2X通信终端获取本车HV的信息是来自汽车CAN总线数据，其中包括经纬度、海拔、航向角、速度等车辆状态信息。因此如果要模拟一个虚拟场景来测试V2X预警功能，可以用仪器设备来产生这些车辆状态数据输入给DUT，同时再仿真一组数据模拟与本车交互的远程车辆RV信息，这样就可以在实验室中进行场景复现测试。测试场景包括一辆本机车辆 （HV）和一辆远程车辆 （RV），本机车辆是指在该场景中被测试的车辆，RV用于协助HV触发应用程序。

基于上述的思路构建一个硬件在环的V2X通信终端功能测试系统如图7所示，包括V2X仿真平台、V2X通信模块、V2X协议栈、GNSS模拟器、信道模拟器及场景编辑软件等。搭建的测试平台可实现应用场景仿真、测试用例管理、测试结果分析等功能。

图7 测试系统配置框图

GNSS模拟器是与V2X仿真平台通过串口进行互联，将GNSS仿真数据发送到V2X通信模块和被测设备DUT。信道模拟器模拟自由空间中的通信环境，如信号衰减、干扰等。V2X仿真平台根据GNSS模拟器和CAN总线模拟器的仿真数据生成应用消息，DUT用于在虚拟交通场景中模拟本车HV，并依靠仿真数据运行V2X应用。如果应用被触发，DUT将生成控制动作或警告信息，这些信息将通过CAN总线模拟器反馈给V2X仿真平台，同时，HV将在虚拟交通场景中执行制动和发出警告等操作。V2X通信模块用于在虚拟交通场景中模拟RV，生成基本安全消息 （BSM）等应用程序消息，然后通过信道模拟器将其发送到被测设备，同时，V2X通信模块还可以接收被测设备发送的应用程序消息。场景编辑软件用于生成车辆的车速、位置、车辆之间的距离、障碍物、交通场景等动态仿真数据，并对整个测试活动进行管理。测试系统的搭建如图8所示。

图8 功能测试系统搭建

测试开始时要先选定实验需要模拟的交通场景及地点，用信道模拟器的路采装置收集其环境信道模型导入信道模拟器，便可以在实验室内构建与实际道路相似的通信环境。再通过GNSS模拟器模拟连续变化的一系列GPS数据，发送给DUT，DUT通过接收这串GPS数据就会“相信”本机车辆HV正在道路上行驶，如图9上的红色方块，其速度与航向角也是根据GPS数据的变化计算得到的。然后再应用场景编辑器在HV行驶的道路上创建一个远程车辆RV，如图9上的绿色方块，赋予经纬度点、速度、航向角等所需的BSM信息，因为HV判断周围是否有其他车辆都是通过接收其他车辆的BSM信息，因此只要模拟一个BSM信息集便能使HV判断出周围哪个方位有RV存在。场景编辑器完成创建得到的RV车辆模型信息通过导入V2X通信模块便可模拟一辆RV在HV的道路上行驶。图9上正在模拟的工况是RV在道路前方紧急制动，而HV通过接收RV的BSM信息判断出其所在方位是正前方，且RV紧急制动，因此发出预警Hard Braking。

图9 紧急制动预警

虚拟场景测试，不仅可以在室内模拟实际交通道路的环境，同时最重要的一点是可以重复地进行同一场景的测试，也可以根据实验需求改变交通状态，如增加限速标牌、发布道路施工消息、增加交通参与车辆等，道路场景模拟如图10所示，进行定量地验证场景的触发条件。

图10 道路场景模拟

测试预警结果信息集包括应用类型、警告类型、警告优先级、警告等级、碰撞时间TTC（time to collision）、车距、相对方位等。我们将每个测试用例执行10遍，将首次发出预警时的预警结果消息集记录下来，测试结果见表2。

表2 测试结果

根据10次的测试得到的结果取平均值可得到在10次的测试过程中的预警成功率以及平均碰撞时间TTC。场景显示器不仅能将两车的运动状态实时显示出来，同时显示器内部嵌入了程序，根据测试需求修改每个测试用例的测试次数，修改预警阈值的大小。

2.2.2 实车道路测试

实车测试是完成虚拟场景测试之后所必须进行的验证测试，因为搭建再好的虚拟场景终究是无法和现实道路相一致的，现实道路环境充满各种信号干扰和损耗，还有各种天气对信号的影响，所以需要最后一步的实车路测来验证最终的测试结果是否和虚拟场景的结果相同或者是相差不多，同时也可以根据实际路测的结果来修改合适的预警阈值。以交叉路口碰撞预警场景为例开展实验。

交叉路口车辆碰撞预警 ICW （intersection collision warning）算法中设定 DCPA和 TCPA为预警判定指标。DCPA（distance of close point approaching）表示按照当前状态继续行驶，两车的最近车距。TCPA（time of close point approaching）表示按照当前状态继续行驶，两车达到最近距离所需要的时间。如果两者同时小于设定阈值时，即表示有发生碰撞的危险，需要提前预警。DCPA阈值需要考虑定位误差和车身尺寸。TCPA阈值需要考虑驾驶员反应时间、数据传输延时、车辆制动时间。

图11为该场景为某十字交叉口 （假设无交通指示灯），自车HV由南向北行驶，目标车辆RV由东向西行驶，两车分别距离预想碰撞点36m时的情况。

图11 十字交叉口两车交汇

实验开展时两车当时分别以 0～60km／h的时速向前行驶，根据测试得到的 DCPA和TCPA，测试结果分别如表3、表4所示。

表3 DCPA测试结果

根据测试结果分析可以得出以下结论。

1）两车按相同的时速行驶肯定会发生碰撞，但不同的速度留给驾驶员制动的时间不同。

2）两车按不同的时速行驶，相对速度越大最近距离DCPA越大，即使很快到达最近点也不会碰撞。

3）车速越快到达最近点的时间越短，如果DCPA太小，会在驾驶员来不及反应的情况下发生碰撞。

表4 TCPA测试结果

4）实车测试的预警率低于虚拟测试，主要是因为外在环境对信号的干扰，以至于影响预警应用计算DCPA与TCPA的结果。

因此根据实车路测的结果分析，可以设定合理的DCPA和TCPA阈值，通过提前向驾驶员发出安全预警可以有效避免碰撞发生。

3 结论

V2X是未来汽车发展的方向之一，发展好V2X技术也将有利于实现汽车无人驾驶。将V2X通信终端应用到汽车上涉及到车辆及行人等各种安全问题，必须要具备一套完善的测试流程严格验证V2X装置各方面的性能和功能是否合格。由于中国选择的是发展LTE-V2X技术，此项技术是由3GPP在2015年才提出的，因此还没有具备完善的测试流程，本文依据通信行业测试设备流程，设计了一套从射频性能、通信性能、算法功能实现等各个方面考察V2X车载终端的测试流程和测试项目，希望能暂时填补这个空白。特别LTE-V2X技术将在2020年开始应用的5G技术中继续演进，针对5G技术的应用还需要更完善的测试方法。

与此同时，对于汽车V2X测试，无论是国外还是国内都是只有企业标准，还没有制定相关的国标，而标准的制定离不开大量的实验数据的支撑，因此希望通过本文介绍的测试流程可以积累大量的测试数据可以有效地推动国家标准的制定。