高速驱动条件下WAVE通信的性能评估与车辆测试

⃝⃝可在www.sciencedirect.com在线ScienceDirectICT Express 3（2017）171www.elsevier.com/locate/icte高速驱动条件下WAVE通信的性能分析Bo-young Kanga， Bae JeongKyub，Woo-Chang Seob，Yang EunJua，Dae-WhaSeoca嵌入式软件技术中心，大韩bCest Co.，LTD，Daegu，大韩民国c大韩民国大邱庆北国立大学接收日期：2017年9月15日;接受日期：2017年11月16日2017年12月13日在线发布摘要WAVE（Wireless Access in Vehicular Environments）是针对高速移动环境而设计的技术，但实际道路环境中的WAVE通信性能与行驶车辆、道路形状、地形等周围环境有很大关系。特别地，当车辆高速移动时，车辆的位置及其与路边设备的接近度迅速改变，从而影响通信性能。在此基础上，构建了基于WAVE-LTE网络协同操作的性能评估体系。我们还分析了基于外部环境因素的性能差异，如信息量和速度，通过实际车辆测试获得的数据。c2017韩国通信信息科学研究所。出版社：Elsevier B.V.这是一篇开放获取的文章，CC BY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：智能交通; IEEE 802.11p; WAVE; LTE;性能测试1. 介绍道路交通事故频发已成为一个严重的社会问题.表1显示了来自2015年，美国交通部。报告显示，2014年至2015年，致命车祸数量增加了7%。此外，总撞车次数增加了3.8% [1，2]。据研究，交通事故的原因可分为人、车、环境因素。交通事故大多是由人类的疏忽造成的，如使用智能手机，饮酒，困倦和吸毒。然而，这些人为因素不能通过驾驶员安全培训轻易消除[3]。*通讯作者。电子邮件地址：bykang@cest.re.kr（B.- y. Kang），jkbae@cest.co.kr（B. JeongKyu），wcseo@cest.co.kr（W.- C. Seo），gong@cest.re.kr（Y. EunJu），dwseo@ee.knu.ac.kr（D.- W. Seo）。同行评审由韩国通信信息科学研究所负责本文是《智能交通通信系统专刊》的一部分顾宗华吴，丹达·拉瓦特教授，金东均教授。https://doi.org/10.1016/j.icte.2017.11.011在许多国家，研究机构和公司正在努力通过使用各种方法和技术来减少它们。特别是，C-ITS（协同智能运输系统）将ICT和传感器技术等先进技术与车辆、道路和行人等运输系统的组成部分相此外，它通过以车辆为中心的网络向驾驶员提供实时交通信息和服务。在这种背景下，用于增强稳定性和便利性的V2X（车辆到一切）技术大多数已开发的车载通信技术都基于WAVE标准[4]。与一般通信系统一样，WAVE也具有有限的总体通信容量，并且使用5.9GHz的频带。无线电波的直线性很强。因为它的特点。在道路环境中，总是存在各种尺寸的障碍物（车辆、道路设施、道路形状和地形等）。在通信设备周围。难以确保LOS（视距）通信。因此，信号失真和信号输出衰减可能频繁发生。然而，大多数V2X服务提供需要严格实时属性的服务，例如前方碰撞警告，道路安全服务和紧急停止。需要以99.999%的概率发送所有V2X消息。大约1600字节的消息必须被传输2405-9595/c2017韩国通信信息科学研究所。Elsevier B. V.的出版服务。这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。172B.- y. Kang et al. / ICT Express 3（2017）171表1Police-Report崩溃的数量，按崩溃严重程度。非致命性碰撞6,034,0006,264,000+230，000+3.8%撞车总数6，064，0006,296,000+232，000+3.8%确保端到端等待时间小于5 ms。在高速公路环境中应支持高达500 km/h的相对速度。每个服务可以具有取决于服务要求和信息量的各种因此，要在实际道路上实现V2X服务，需要根据道路上特别地，WAVE是为高速移动环境设计的技术然而，当车辆高速移动时由于这种变化会影响通信性能，因此有必要对实际车辆环境进行各种性能测试，以通过将其应用于实际道路环境来提供高度可靠的通信服务[5由于V2X的性能测试成本高、耗时长，以往的研究大多采用仿真来代替。此外，这些实验是在静止车辆中进行的，在实际测量中没有考虑速度的影响。因此，这种方法并不能完全反映实际情况。在本研究中，我们建立了一个测试床，在高速运行的环境中进行有效的性能测试，分析影响V2X通信性能的因素。通过实车测试，测量了通信参数（数据速率、数据包大小、速度）变化时的通信特性2. 试验台为了构建一个高可靠性的性能测量系统，在将测试结果发送到服务器时需要考虑一些事情IEEE 802.11p限制了数据传输量，并且其缺点在于，随着网络负载的增加，吞吐量的降低会迅速加速。因此，当通过WAVE将测试结果发送到服务器时，可能会发生数据包丢失和传输延迟，这会影响性能分析的结果。图1示出了V2X性能测量系统的网络拓扑。这种网络拓扑分布了通信负载，并通过WAVE-LTE网络协作操作保证了可靠的数据传输[8]。该系统由分析服务器、RSU（路侧单元）和OBU（车载单元）组成。由于RSU是固定的基础设施，因此以太网用作与服务器的通信接口。由于OBU安装在车辆中，因此在使用无线LAN时可能会出现IEEE802.11p等因此，我们使用LTE以获得更准确的性能Fig. 1. 网络拓扑。图二. KIAPI的ITS高速电路图三. RSU安装在路边。分析.分析服务器通知测试的开始和结束，并监视和记录测量的性能测试结果。服务器可以通过以太网和LTE控制RSU和OBU的测试场景。它使用GPS（全球定位系统）实时收集测试结果并提供性能分析结果性能测试应该以更快的速度进行，就像高速公路上的速度一样。因此，我们在韩国大邱的KIAPI（韩国智能汽车部件促进研究所）的图2显示了KIAPI ITS（智能运输系统）高速电路。车辆在这条赛道上可以保持超过100公里/小时的稳定速度。该电路是高速公路模拟开放的道路，保证LOS和最小化多径衰落。在性能测量系统中，通信模块和天线的安装位置是影响通信性能的重要因素。如图 3、RSU安装在距地面约12米处，以确保与OBU的LOS。该网络旨在最大限度地减少NLoS（非视线）环境，类型20142015变化变化百分比致命车祸30,05632,166+2，110+7%B.- y. Kang et al. / ICT Express 3（2017）171173见图4。 安装在车辆上的OBU。表2测试参数。参数值数据速率3、4.5、6、9、12、18、24、27 Mbps有效载荷大小100平均速度30通道180（5.900 GHz）发射功率20 dBm消息生成间隔100 ms安装5个RSU，平均距离为446米。如图4所示，OBU安装在车辆内部。外部RF天线安装在中心环路的顶部，以最大限度地减少传输/接收性能下降[9]。3. 试验结果分析WAVE的主要性能指标是通信延迟、通信距离和分组投递率。通过改变数据速率、有效载荷大小和速度来执行实验从实验中，我们测量了RTT（往返时间）RSSI（接收信号强度指标），交付率，距离。因此，我们获得了数据速率，RSSI，交付率，传输范围，有效载荷大小和速度之间的RSU和OBU的测试条件见表2。测试的数据速率为3、4.5、6、9、12、18、24和27 Mbps。有效载荷大小以100字节为增量从100字节增加到1400字节。车辆平均速度从30公里/小时增加到110公里/小时，每增加10公里/小时。通道数为180（5.900 GHz）。Tx功率为20 dBm。数据以100 ms的时间间隔重传，并且没有ACK（确认）广播和V2I（车辆到基础设施）双向通信。RSU和OBU根据在设定的时间段内测试服务器设定的测试条件，并在测试性能后立即将结果发送给服务器。当使用多辆汽车时，很难测量准确的性能，因为它们与无线介质竞争。因此，为了简化分析，使用了一辆配备OBU的车辆。3.1. RTT安全应用对延迟的实时性能非常敏感。因此，通过测量RTT来分析WAVE的通信延迟性能RTT是发送信号所需的时间长度加上接收信号确认所需的时间长度。图五. RTT–velocity见图6。RTT-有效负载大小关系。见图7。RTT-数据速率关系。图5示出了最小RTT、平均RTT、最大RTT、有效载荷大小和平均车辆速度之间的关系。图5显示平均车速对RTT没有显著影响。图6示出了RTT和有效载荷大小之间的关系。RTT随着分组大小的增加而增加。所示如图7所示，当数据速率从3 Mbps增加到27 Mbps时，最小RTT减小。最小RTT值在9 Mbps时为3 ms。在9Mbps以上没有进一步的变化平均RTT逐渐减小，在9和6 Mbps处减小幅度较大。在无重传的广播环境中的通信延迟是根据消息的长度和数据速率来计算的。如图8所示，IEEE 802.11 PHY的物理层会聚PPDU（过程协议数据单元）格式由PLCP（物理层会聚过程）前导、PLCP报头、PSDU（物理层服务数据单元）尾比特和填充比特组成。PSDU格式包括MAC报头、帧主体和帧校验序列（FCS）字段。174B.- y. Kang et al. / ICT Express 3（2017）171N数据模式DBPS其中平均退避时间CWavg= CWminTslot/ 2。表3PHY模式和IEEE 802.11p的NDBPS。模式数据速率（Mbps）调制编码率NDBPS13BPSK1/22424.5BPSK3/43636QPSK1/24849QPSK3/47251216-QAM1/29661816-QAM3/414472464-QAM2/319282764-QAM3/4216见图8。IEEE 802.11p OFDM PHY的PPDU帧格式。见图12。 PDR-速度关系见图9。 Distance–velocity见图10。 Distance–payload size见图11。 Distance–data rate基于PPDU帧格式，给定数据速率模式的数据传输持续时间可以表示为T模式=Tpm+Tsg+Tsym·x16+Lhd+Lpd+Lfcs+6x16（1）图十三. PDR-有效载荷大小关系。见图14。 PDR–data rate频分复用）符号，其值在表3中给出。其中Lhd、Lpd和Lfcs分别是数据、有效载荷和FCS的MAC报头的长度，以比特为单位。Tsym是符号时间。术语NDBPS（每OFDM符号的数据比特数）表示每OFDM（正交频分复用）的数据比特数。Tprop是传播时间。CWmin是竞争窗口的最小大小。由于广播不需要ACK帧，因此数据包延迟定义为数据包传输及其成功接收的持续时间。最低B.- y. Kang et al. / ICT Express 3（2017）171175D数据图15. 按数据速率的PDR分析结果。图18. RSSI-数据速率关系。因此，如果N模式随着数据速率的增加而增加，则总DBPs模式延迟时间减小。随着数据长度的增加，时间越长，时间就越长[10]。3.2. OBU和RSU之间的距离图16. RSSI–velocity图17. RSSI–payload size延迟由下式给出：M模式=T模式+Tprop + TDIFS + CWavg.（二）OBU和RSU之间的通信距离定义为安全消息需要传播的距离。我们可以确认WAVE的最大距离可达1 km。图 9示出了最大距离和平均车辆速度之间的关系。图10示出了最大距离和有效载荷大小之间的关系。如图如图9和图10所示，最大通信距离不受平均车辆速度或有效载荷大小的影响。然而，在距离和数据速率之间总是存在权衡。 如图11，以高数据速率缩短通信距离。影响不大9 Mbps。然而，如果在更高的数据速率下，最大通信距离急剧减小。在高速行驶下，可确保更大的通信覆盖范围9Mbps。高数据速率不适合高速驾驶下的有效安全通信。3.3. PDR安全应用在高度移动的环境中需要高PDR。PDR被解释为所发送的分组到达给定发送方车辆的覆盖范围内的我们计算图19. RSSI–distance relationship according to the data176B.- y. Kang et al. / ICT Express 3（2017）171=图20. OBU离开RSU与OBU访问RSU。(a)RSU 1、（b）RSU 2、（c）RSU 3、（d）RSU 4、（e）RSU 5。(For对于图中颜色的解释，请读者参考本文的网络版本。）用于WAVE性能评估的PDR。PDR被认为是成功传输的数据包的百分比。PDR的公式很简单，可以表示为：PDR和数据速率。在图15中，每个数据点表示当接收到分组时OBU的GPS位置。随着数据速率的增加，PDR减小，并且在18Mbps处急剧减小。数据速率越高，距离越短收到PDRn传输总数（三）因此，PDR较低。为了确保PDR超过80%，数据速率设置为6 Mbps或更低。其中N总发送是所有发送的分组的总数，N接收指示接收的分组的数量。图图12示出PDR与平均车辆速度之间的关系。图13示出了PDR和有效载荷大小之间的关系。 如图如图12和13所示，PDR不受分组大小或平均车辆速度的影响。然而，如图所示，如图14和15所示，PDR受数据速率影响。 图 14显示了3.4. RSSIRSSI用于信号质量的分析。下面的结果显示了接收到的数据包的RSSI。图16示出了最小RSSI、平均RSSI、最大RSSI、有效载荷大小和平均车辆速度之间的关系。 图图17示出了RSSI与B.- y. Kang et al. / ICT Express 3（2017）171177和有效载荷大小。RSSI不受分组大小或平均车辆速度的影响图18示出RSSI与数据速率之间的关系。随着数据速率的增加，最大RSSI几乎没有变化。然而，可以观察到，最小RSSI值和平均RSSI值随着数据速率的增加而增加。在3-6Mbps时图19示出了针对每个数据速率的最大通信距离的RSSI分布比率。每个数据点表示在对应的分离距离处测量的RSSI值我们发现RSSI在3-6 Mbps和18-27 Mbps都是恒定的当3-6 Mbps与18-27 Mbps相比时我们比较了两种情况：（1）当OBU访问RSU时，以及（2）当OBU远离RSU时。在图20中，当OBU接近RSU时，每个红色数据点和红线表示测量的RSSI值。每个蓝色数据点和蓝色线表示当OBU远离RSU时测量的RSSI值。通信距离对于访问和离开是相同的然而，当OBU访问RSU时，性能比当OBU远离RSU时更好。4. 结论当车辆在自动驾驶过程中断开与网络的连接时，发生事故的风险急剧增加。因此，有必要提供一种先进而安全的系统，提高网络稳定性，即使在不断变化的复杂道路条件下也能提供更安全的驾驶。每个ITS服务可以具有取决于服务要求和信息量的各种传输参数。因此，要在实际道路上实现V2X服务，需要根据道路上的传输参数掌握通信特 性和 限 制。 为 此 ，构 建 了基 于 高速 行 驶环 境 下 的WAVE-LTE网络协同运行性能评估系统，并对性能测量测试结果进行了分析。根据性能分析，数据速率越高，往返时间越短。然而，数据速率越低，覆盖的距离越大，数据包传输率越高。因此，数据速率6 Mbps或9 Mbps是适合高速行驶。有效载荷大小越小对于满足WAVE标准的通信模块，确认了通信性能不受速度的影响，并且通信性能良好。有必要扩展该系统以测量基于LTE的V2X系统的性能。我们将研究更可靠和全面的V2X性能验证方法，通过结合各种WAVE测试条件和环境条件，验证道路上可能发生的各种情况下的通信性能。利益冲突作者声明，本文中不存在利益冲突引用[1] 美国交通部，2014年机动车碰撞：概述，美国交通部，3月。2016年。[2] 美国交通部，2015年机动车碰撞：概述，美国交通部，8月。2016年。[3] 李焕升，安炳俊，交通安全诊断结果对交通事故的影响因素分析，韩国交通学会。21（2）（2006）128-137。[4] 崔基道，林基泽，赵亨来，道路交通模式无线电特性分析之研究，韩国研究所。内特尔运输单15（1）（2016）95-101.[5] Abduladhim Ashtaiwi，Ali Altayesh，Khairai Belghet，不同驾驶环境下的IEEE 802.11p性能评估，收录于：WSCNIS，2015年世界研讨会，突尼斯哈马马特，9月。2015年。[6] 吕峰，朱宏子，薛华，城市IEEE 802.11p车对车通信的实证研究，见：SECON，2016年第13届IEEE国际年会，英国伦敦，2016年6月。[7] Abdeldime M.S. 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