封闭道路条件下基于广播式Wi-Fi的车路协同系统信息交互性能测试及评价

（交通运输部公路科学研究院，北京 100088）

0 引言

车路协同系统基于无线通信、传感器检测等技术进行车路信息获取，通过车车、车路信息交互和共享，实现车辆和基础设施之间智能协同，达到优化系统资源、提高道路交通安全性、缓解交通拥堵的目标[1]。在车路协同环境下，可依靠Wi-Fi[2]、专用短程通信技术（Dedicated Short Range Communications,DSRC）[3]等无线通信技术进行信息传输。可靠、安全、畅通的信息传输是整个车路协同系统正常运转的必要条件，因此有必要对车路协同系统信息交互性能进行测试，评价其在实际应用中的可行性。

国内外学者近年来不断研究测试不同通信技术下车路协同系统信息交互的性能指标及影响因素。国外对车路协同系统的研究开展较早且较为全面，多采用DSRC 通信方式进行信息交互，实际路测也较多。Ahmad 等人[4]为了解基于LTE（Long Term Evolution）网络的车路协同系统性能，主要研究室内和室外等不同环境因素对往返时延和平均用户吞吐量性能指标的影响。Huang等人[5]主要研究了天气、建筑物和车辆行驶方向等因素对DSRC 性能的影响。Carpenter 等人[6]采用DSRC技术交换安全消息数据包来研究车辆的高速移动和障碍物遮挡对丢包的影响。国内车路协同系统采用多种通信方式，相关研究大多进行仿真测试，实际道路测试较少，同时实际路测时选取的场景还不够全面。Wang 等人[7]基于高速公路上的实测数据对车联网通信可靠性进行了评估，得出影响视距通信性能的主要环境因素为道路坡度和交通密度。杨良义等人[8]研究了以Wi-Fi 和4G 进行信息传输的车路协同系统，选取交叉口和路段作为车路协同系统测试场景，并设计系统功能测试方案。王润民等人[9]研究了基于网络仿真器的车联网仿真平台，提出了数据包投递率等网络测试指标和速度等应用指标。但是文献[7]～[9]都没有进行实车测试。杜晓琳[10]设计了Wi-Fi 等多模式通信下的路侧单元测试平台，对不同通信模块分别进行丢包率、通信延迟等性能指标的评估和测试，但没有构建不同的测试场景来分析影响通信性能的主要因素。段宗涛等人[11]搭建网络测试平台在道路上实测基于Wi-Fi 的路侧节点和车载节点的通信性能，主要研究车速对平均往返时延、丢包率和吞吐率的影响，缺乏对通信性能指标其他影响因素的研究。张东亮等人[12]设计了一种基于DSRC 的车路协同车载自组网软硬件系统，在实际道路的视距范围内研究距离对丢包率、吞吐量、延时抖动的影响，但是场景较为单一，对通信性能指标的分析不够全面。

总体来说，我国基于Wi-Fi 网络进行车路协同系统信息交互实际路测的研究较少，缺乏完善的测试场景和方案，导致对现有产品性能指标的影响因素分析不够全面。鉴于目前车路协同系统的复杂性以及产品的多样性，需通过设计不同的应用场景和测试方案，分析影响车路协同系统信息交互性能的主要因素，为车路协同系统在实际道路上的应用提供测试和论证。本文针对基于广播式Wi-Fi 的车路协同系统信息交互，选取丢包率和通信时延作为评价通信可靠性与实时性的性能指标，通过控制车速将测试场景分为静态场景和动态场景，同时在不同通信范围内和视距条件下设计4 种测试方案，在试验场封闭道路中进行实车测试，通过全面地比较车速、通信距离和遮蔽物（视距）对车路协同系统信息交互性能的影响，分析在实际道路应用中影响车路协同系统信息交互的主要因素，进而指导车路协同系统的改进，提高其信息交互水平。

1 测试场景构建

1.1 测试场地情况

封闭场地测试是开放道路测试前的关键环节，其依托封闭场地开展车路协同技术测试及评价，模拟尽可能多的交通场景，不断积累测试数据，可为开放道路测试及系统的实际应用提供有力支撑[13-14]。

本文选取的封闭测试场地位于交通运输部公路科学研究院试验场内，可在保证安全的前提下完成车路协同信息交互的实车道路测试。该试验场是交通运输部认定的第一批自动驾驶封闭场地测试基地，拥有3km 长的自动驾驶测试道路，涵盖典型的城市道路类型和公路基础设施，道路沿线布设协同交通信号、模拟城市街景、公交站台等设施，可灵活搭建自动驾驶和车路协同封闭场地测试所需的场景，支持智能车路系统研发试验与原型系统验证。其中，车路协同试验路包括总长度为5 505m 的低速沥青路及低、中、高速水泥路4 条试验道路，环道周边布设车路通信系统，可用于封闭场地车路协同、自动驾驶编队等测试。长直线试验路直线段长2 330 m、宽9 m，为水泥混凝土路面，最大纵坡＜0.1%，直线路段配有测试门架和辅助电力通信系统，能开展路侧通信设备的通信范围测试、ETC 系统互操性测试等。试验场整体道路场景如图1所示。

1.2 设备参数选型及布设

在封闭测试场地选取普通车辆搭载车载单元（On-Board Unit,OBU），其与在路侧布设的路侧单元（Roadside Unit，RSU）可以相互发送消息。在车内测试环境下，将车载设备放于车内，将吸盘天线固定于车顶，车载设备提供的Wi-Fi、网口、USB 可连接电脑、平板、手机等终端设备，车载设备电源为两相插头，可提供220V 电源。在不影响车辆通过的前提下，将路侧设备固定在道路上的龙门架或L 形交通杆横臂上，且位于杆臂上的单向道路中间位置。路侧设备安装高度为距离地面3～6m，垂直于地面安装，天线方向向下（见图2）。同时，为路侧设备提供220V 电源及从电源到设备长度的网线，用于连接有源以太网（Power Over Ethernet,POE）电源对路侧设备进行供电。

测试用的广播式Wi-Fi 设备来自北京航空航天大学，设备的技术规格见表1和表2。

图1 交通运输部公路科学研究院试验场整体道路场景

图2 路侧单元布设情况

表1 车载通信终端技术规格

表2 路侧通信终端技术规格

2 确定测试评价指标及方案

2.1 测试评价指标的确定

由于车路协同信息交互基于车辆自组织网络，在车联网环境下，通信性能指标主要包括通信时延、丢包率及吞吐量，其均受车速、环境、距离或建筑物遮挡等因素的影响[15]。吞吐量是单位时间内通过网络的总数据量，可用传输数据时的实际带宽值和通信数据的总传输速率表示。本文是在传输的数据量满足车路协同系统信息交互测试评价及应用的前提下进行数据包投递的，因此可不考虑吞吐量对车路协同系统信息交互性能的影响。丢包率主要表征能否收到消息，通信时延主要表征能否及时收到信息，两者都具有可测性、独立性和代表性。因此，选取丢包率和通信时延作为通信性能的主要评价指标，判断车路协同系统的信息交互是否满足实际道路应用要求。

2.1.1 丢包率

丢包率是指测试中丢失的数据包数量占所发送数据包数量的比例，能体现出网络的可靠性。在车路协同环境下，静止或低速行驶情况下的丢包可由网络链路拥塞引起，此时的丢包率与网络流量有关[16]；当车辆高速行驶时，通信距离和干扰、多径衰落、建筑物遮挡等因素都可能造成丢包。不同的通信业务对丢包率的要求不同，对于车路协同系统信息交互，若传输安全性要求极高类消息应满足丢包率在5%以下，普通安全应用类消息丢包率应在20%以下，否则说明车路协同系统信息交互不可用[17]。丢包率的计算公式如下：

式（1）中：PLR 为丢包率（%）；Ps为路侧单元发送的数据包数量（个）；Pr为车载单元接收的数据包数量（个）。

2.1.2 通信时延

通信时延是指数据（1 个报文或分组，甚至比特）从网络或链路的一端传送到另一端所需要的时间，是衡量网络性能的重要指标之一[18]。通信时延主要分为单向时延（End-To-End Delay）和往返时延（Round-Trip Time,RTT）两类。在实际测试场景下，可以通过测试同一节点发送和接收数据包的往返时延来避免时钟不同步的问题。车路协同系统信息交互对实时性有较高的要求，尤其是安全类信息的传输，通常传输安全性要求极高类消息应满足时延在20ms以内，传输普通安全应用类消息时延应在100ms 以内[19]。通信时延的计算公式如下：

式（2）中：DE 为通信时延（ms）；RTT 为往返时延（ms）；t1为数据包的发送时间（ms）；t2为数据包的接收时间（ms）。

2.2 测试目的及场景方案

2.2.1 测试目的

封闭道路下车路协同系统信息交互测试的基础是场景构建，无论是虚拟测试还是实际道路测试都需要根据测试指标找到合适的测试场景进行测试[20]。考虑测试车速、通信距离和视距条件3个变量对通信性能指标的影响，可根据车辆在测试时的状态划分不同的场景，采取不同的测试方法。无论改变视距还是通信距离，在静态场景下，车辆都会以静止的状态接收信息；在动态场景下，车辆都会以不同的车速接近路侧端来接收信息。因此依据车速首先将交通场景分为静态场景和动态场景，再改变不同通信距离和视距条件在这两种场景中进行测试，共设计4 种测试方案。

2.2.2 静态交通场景测试方案

（1）视距条件下测试方案

如图3 所示，在试验场封闭道路的十字路口一侧放置路侧单元，向停在长直道路上的车辆搭载的车载单元发送消息。先将车辆停放在距路侧单元50m处，路侧单元以10Hz的频率不断发送信息，数据包内包含数据包序号和发送时间等相关信息，5min 后停止数据的发送和接收。再将搭载车载单元的车辆停在长直道路上分别距离路侧单元100m,150m,200m,250m 处重复上述试验。导出收集到的测试数据后，通过式（1）计算不同距离下的丢包率；通过式（2）计算不同距离下各消息的通信时延，并且将所有消息通信时延的平均值作为该距离下的通信时延。

图3 静态视距条件下交通场景

（2）非视距条件下测试方案

如图4 所示，在试验场封闭道路的十字路口旁房屋的一侧放置路侧单元，向停在房屋另一侧长直道路上的车辆搭载的车载单元发送消息。先将车辆停放在距路侧单元50m 处，路侧单元以10Hz的频率不断发送信息，数据包内包含数据包序号和发送时间等相关信息，5min 后停止数据的发送和接收。再将搭载车载单元的车辆停在长直道路上分别距离路侧单元100m,150m,200m,250m 处重复上述试验。导出收集到的测试数据后，通过式（1）计算不同距离下的丢包率，通过式（2）计算不同距离下各消息的通信时延，并且将所有消息通信时延的平均值作为该距离下的通信时延。

图4 静态非视距条件下交通场景

2.2.3 动态交通场景测试方案

（1）视距条件下测试方案

如图5 所示，在试验场封闭道路的十字路口一侧放置路侧单元，向长直道路上的车辆搭载的车载单元发送消息。先将车辆停在距路侧单元50m 处，再以20km/h 的速度驶向路侧单元，路侧单元在该过程中以10Hz的频率不断发送信息，数据包内包含数据包序号和发送时间等相关信息，车辆到达并停在路侧单元所在的路口时停止发送。然后将搭载车载单元的车辆停在长直道路上距离路侧单元100m,150 m,200m,250m处重复上述试验，再将车速提升至30km/h后分别从50m,100m,150m,200m,250m处驶向路侧单元重复上述试验。最后导出收集到的测试数据，通过式（1）计算不同距离下的丢包率，通过式（2）计算所有消息通信时延的平均值作为该距离下的通信时延。

图5 动态视距条件下交通场景

（2）非视距条件下测试方案

如图6所示，在试验场封闭道路的十字路口旁房屋的一侧放置路侧单元，向在房屋另一侧长直道路上的车辆搭载的车载单元发送消息。先将车辆停在距路侧单元50m 处，再以20km/h的速度驶向路侧单元，路侧单元在该过程中以10Hz的频率不断发送信息，数据包内包含数据包序号和发送时间等相关信息，车辆到达并停在路侧单元所在的路口时停止发送。然后将搭载车载单元的车辆分别停在长直道路上距离路侧单元100m,150m,200m,250m 处重复上述试验，再将车速提升至30km/h后，分别从长直道路上距离路侧单元50m,100m,150m,200m,250m 处驶向路侧单元重复上述试验。最后导出收集到的测试数据，通过式（1）计算在不同距离下的丢包率，通过式（2）计算所有消息通信时延的平均值作为该距离下的通信时延。

图6 动态非视距条件下交通场景

3 系统测试结果分析

为了测试该基于广播式Wi-Fi 的车路协同系统设备的通信性能，并分析相关影响因素，判断其是否能满足在实际道路上应用的条件，选择封闭道路进行测试验证。测试当天为晴天，温度适中，可见度正常。按照静态和动态场景下的测试方案，在不同视距条件下的不同通信距离重复测试，以提高数据的准确性和科学性。试验中，统计所有发送和接收的数据包个数、发送时间和接收时间，分别按照式（1）、式（2）计算丢包率和通信时延。

3.1 丢包率测试结果分析

通过处理测试数据，分别得到静态场景和动态场景下丢包率随通信距离的变化情况（见图7和图8）。

图7 静态场景下丢包率

图8 动态场景下丢包率

通过选取不同的通信距离、车速和视距条件进行丢包率测试，分析丢包率的主要影响因素。结果表明，不论在何种情况下，随着通信距离的增加，丢包率也随之增加。在静态和动态条件下，100m 以内丢包率普遍低于10%，说明通信性能较好；当距离超过200m，丢包率平均高达20%以上，基本不能满足车路协同系统信息交互的基本要求，因此该设备的主要通信范围为100m。

在通信距离相同时，车速和视距的变化也会对丢包率产生影响。在同一视距、相同通信距离的交通场景中，随着车速的增加，丢包率呈略微增长的趋势，低车速情况下车速的变化对丢包率影响不大。在同距离范围内、同车速的交通场景下，视距条件下的丢包率远小于非视距条件下的丢包率。并且在视距条件下，通信范围小于200m时能满足丢包率在20%以内的要求；非视距条件下，通信范围小于150m 时基本满足丢包率在20%以内的要求。

综上，通过比较不同车速、视距和通信距离对丢包率的影响可看出，通信距离和视距是丢包率最为明显的影响因素，该车路协同系统信息交互的丢包率在一定范围内满足实际应用的通信要求。由此可知，车路协同系统信息交互需在满足性能指标要求的通信距离和视距范围内进行。

3.2 通信时延测试结果分析

通过处理测试数据，分别得到静态场景和动态场景下通信时延随通信距离的变化情况（见图9和图10）。

图9 静态场景下通信时延

图10 动态场景下通信时延

通过选取不同的通信距离、车速和视距条件进行通信时延测试，分析通信时延的主要影响因素。结果表明，无论是在静态还是动态的交通场景中，通信距离对平均通信时延的影响都不大，随着通信距离的增加，平均通信时延仍保持一定的稳定性。同时，在同一视距、相同通信距离的交通场景中，随着车速的增加，平均通信时延没有明显的变化；在同一通信距离、同车速的交通场景中，视距条件下与非视距条件下的通信时延基本保持在8～10ms 范围内。但是，通过分析具体数据发现，当通信距离增加至100m 以上，有个别信息在传输过程中的通信时延达到了100ms及200ms以上。

综上，该车路协同系统信息交互的平均通信时延总体稳定在10ms内，受通信距离、视距条件和车速的影响很小，个别传输不稳定的信息的通信时延也在200ms 以内，并不影响系统整体的通信性能，可忽略不计。由此可知，该车路协同系统信息交互的通信时延基本满足通信要求，受车速、距离和视距影响不大。

3.3 通信性能评价指标分析总结

通信性能评价指标中的丢包率和通信时延均为定量指标，是普遍适用于评价车路协同系统实用性的代表指标。根据不同的通信距离、车速和视距条件构建实际车路协同应用场景后，相关指标数据可通过实车测试直接或间接获取，用于全面分析通信性能的主要影响因素。测试结果表明：①通信距离越远，车路协同信息交互性能越差，丢包率越高，并且视距条件下的丢包率比非视距条件下低，而车速对丢包率无较大影响，通过测试可找到不同技术设备满足车路协同系统信息交互丢包率要求的视距条件和通信距离范围；②车速、通信距离和视距对通信时延的影响不大，通信时延能在一定数值范围内保持稳定，通过测试可确定通信时延是否满足车路协同系统信息交互的要求。由此可得出，在测试场景中，通信距离增加和对车辆的遮挡是造成基于广播式Wi-Fi的车路协同系统信息交互性能下降的重要因素。

车路协同系统信息交互要求：传输安全性要求极高类消息应满足时延在20ms以内、丢包率在5%以下，传输普通安全应用类消息应满足时延在100ms 以内、丢包率在20%以下，当丢包率和时延中的某一项不能达到此要求时，说明此车路协同系统不满足在实际道路中应用的条件。在车路协同系统实际应用前应测试不同交通场景下满足通信要求的视距与通信距离范围，合理布设车载端和路侧端。

4 结语

通信性能是车路协同系统信息交互效果的主要影响因素，在传输数据总量一定的情况下，数据包的传送质量是无线通信网络评价的核心。本文选择丢包率和通信时延作为主要的测试评价指标，搭建实际道路交通场景，通过控制车速将其分为静态和动态场景两种类型，同时在不同通信范围和视距条件下设计了4 种测试方案，在封闭道路中进行实车测试，比较分析通信距离、车速、遮挡情况（视距）对通信性能的影响。测试结果表明，通信距离和视距条件对丢包率有一定影响，车速、通信距离和视距对通信时延的影响不大。因此，设置车载和路侧设备时，应在仔细分析环境情况后，将广播式Wi-Fi 的丢包率和通信时延控制在一定范围内，以满足车路协同系统信息交互的需要。在实际交通场景中，可能会出现其他影响通信性能的因素，如：周边电磁环境干扰、车辆天线安装方式等。在未来研究中，可选取更贴近实际道路条件的多种场景进行测试，对通信性能及影响因素进行更深入的分析，为车路协同技术的发展和应用打好基础。