車(chē)聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下一種新的Wi―Fi快速接入機制

摘要：以車(chē)路協(xié)同技術(shù)為研究背景，分析了現有短程通信技術(shù)和Wi-Fi接入認證方案在高速動(dòng)態(tài)的行車(chē)環(huán)境中存在的問(wèn)題，基于OpenWrt 嵌入式Wi—Fi平臺提出了一種新的無(wú)線(xiàn)接入認證方法，取消了傳統Wi—Fi通信的認證、關(guān)聯(lián)機制，并對STA和AP信道進(jìn)行配置，實(shí)現了STA與AP的快速接入技術(shù)，從而為車(chē)載單元與路側單元在Wi—Fi的覆蓋范圍內相互通信節省時(shí)間。實(shí)際測試表明，該方法能較好地適應移動(dòng)環(huán)境下的車(chē)輛通信。

關(guān)鍵詞：車(chē)路協(xié)同;短程通信;Wi—Fi;OpenWrt;快速接入

引言

車(chē)路協(xié)同的關(guān)鍵在于車(chē)車(chē)、車(chē)路信息的實(shí)時(shí)交互，然而面對車(chē)輛的高速行駛及高度動(dòng)態(tài)的行車(chē)環(huán)境，傳統無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的速率、傳輸時(shí)延等性能無(wú)法滿(mǎn)足交通信息實(shí)時(shí)交互要求，因此車(chē)聯(lián)網(wǎng)中的專(zhuān)用短程通信(DSRC)技術(shù)應運而生。DSRC能更好地適應車(chē)載通信環(huán)境下的移動(dòng)性、短暫性、低時(shí)延以及拓撲結構多變性等，是車(chē)路協(xié)同技術(shù)的研究重點(diǎn)。由于Wi—Fi協(xié)議棧開(kāi)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操作系統的Wi-Fi開(kāi)發(fā)平臺，可通過(guò)此開(kāi)源系統靈活地定制所需的功能，進(jìn)而在該平臺下實(shí)現近似于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(chē)聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)有很多，不同的場(chǎng)合需采用不同的通信方式，其中發(fā)展較成熟的幾大無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)性能對比略——編者注。

藍牙技術(shù)由于傳輸范圍受限、抗干擾能力不強、信息安全等問(wèn)題，決定了其不適合應用在車(chē)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(dòng)環(huán)境下，通信鏈路的穩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)性和大規模車(chē)輛參與通信造成的接入性能和通信速率等問(wèn)題。ZigBee技術(shù)重點(diǎn)在于低功耗、低成本的研究，協(xié)議簡(jiǎn)單、易于組網(wǎng)，但傳輸速率較低、覆蓋范圍較小，也不利于車(chē)車(chē)、車(chē)路信息的實(shí)時(shí)交互。Wi—Fi 技術(shù)發(fā)展較快，無(wú)論是在通信距離還是傳輸速率都具有良好的性能，并且IEEE802.11委員會(huì )一直在致力于提高其安全性的研究，因此數據保密性和數據完整性都得到了極大的保證。DSRC技術(shù)是專(zhuān)門(mén)針對車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信環(huán)境提出的，能夠提供高速的數據傳輸，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(kāi)發(fā)平臺下通過(guò)修改MAC層協(xié)議，取消傳統認證、關(guān)聯(lián)機制，從而優(yōu)化Wi—Fi在車(chē)路協(xié)同應用環(huán)境下的通信質(zhì)量。

2 Wi-Fi底層協(xié)議

2.1 IEEE 802.11 PHY

該層定義了數據傳送與接收所需要的電與光信號、線(xiàn)路狀態(tài)、時(shí)鐘基準、數據編碼和電路等，并向數據鏈路層設備提供標準接口。PHY層對所有傳輸的數據，只進(jìn)行調制和編碼，并具有CSMA/CD的部分功能，通過(guò)該沖突檢測機制可以有效避免網(wǎng)絡(luò )上數據碰撞，從而將數據準確地傳送到MAC層。802.11a采用正交頻分復用技術(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，對副載波的數據也進(jìn)行復用。通過(guò)OFDM技術(shù)，可有效地提高數據吞吐量和抗干擾能力。

2.2 IEEE 802.11MAC

該層主要功能包括數據幀的封裝/卸裝、尋址與識別、接收與發(fā)送、差錯控制等，可屏蔽不同物理鏈路種類(lèi)的差異性。由于在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中，隱藏節點(diǎn)所引起的沖突問(wèn)題不容易被檢測到，因此采用改進(jìn)的載波監聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)/沖突避免(CSMA/CA)機制，該機制利用ACK信號來(lái)檢測和避免多個(gè)網(wǎng)絡(luò )設備需要進(jìn)行數據傳送時(shí)造成的數據沖突。MAC層是80 2.11的主要組成部分，該層向上層應用提供了兩類(lèi)接口原語(yǔ)，其中數據接口原語(yǔ)主要提供數據包的收發(fā)接口，管理接口原語(yǔ)主要提供發(fā)起認證、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(chē)載單元(OBU)與路側單元(RSU)提供交互式通信。參考OSI體系結構的7層模型，DSRC協(xié)議分為3層，包含物理層、數據鏈路層以及應用層。其體系結構如圖1所示。

DSRC底層包括物理層(PHY)和媒介訪(fǎng)問(wèn)(MAC)層，遵循IEEE 802.11p協(xié)議規范，該協(xié)議是IEEE 802.11標準擴充的協(xié)議，主要用于車(chē)載通信系統中。它規范了車(chē)路協(xié)同環(huán)境中的無(wú)線(xiàn)接入標準的PHY與MAC層，是決定車(chē)載設備在高速移動(dòng)狀態(tài)下與路側設備通信性能好壞的關(guān)鍵。它在IEEE 802.11a標準上進(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，帶寬由原來(lái)的20 MHz減小到10 MHz，導致PHY數據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(guò)協(xié)商后可以當作一個(gè)20 MHz的信道使用，不過(guò)通信優(yōu)先級要低些。為了增大通信距離，其定義最高的有效等向輻射功率為44.8 dBm;在MAC層方面，由于車(chē)輛在高度動(dòng)態(tài)環(huán)境中需要與周?chē)嚓P(guān)車(chē)輛和路側設備及時(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)議取消了傳統的身份驗證和關(guān)聯(lián)功能，以確保數據傳輸的實(shí)時(shí)性。如果某些應用必須在認證、關(guān)聯(lián)后才能提供服務(wù)，可由上層協(xié)議實(shí)現這兩項功能。此外，它通過(guò)在相同信道設置相同的基本服務(wù)集標示符(BSSID)的方法進(jìn)行通信，不需要預先加入到基本服務(wù)集(BSS)中，可以在BSS覆蓋范圍外進(jìn)行數據通信。

4 快速接入設計

4.1 MAC子層協(xié)議研究

無(wú)線(xiàn)管理協(xié)議主要用來(lái)實(shí)現鏈路層的MAC功能，按照管理方式可分為FullMAC和SoftMAC，對于Full—MAC，Wi—Fi中的認證、關(guān)聯(lián)以及其他配置都由硬件管理，無(wú)法通過(guò)應用層修改，因而用戶(hù)透明度低，安全性高。SoftMAC可通過(guò)軟件控制硬件，允許解析和生成無(wú)線(xiàn)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)鍵參數及屬性，否則可能導致網(wǎng)卡無(wú)法正常收發(fā)數據。MAC802.11是一個(gè)Linux內核子系統，用來(lái)為SoftMAC無(wú)線(xiàn)設備提供寫(xiě)驅動(dòng)框架和API，可在內核空間實(shí)現STA模式，在用戶(hù)空間實(shí)現AP模式(hostap d)。因此可在MAC802.11驅動(dòng)框架下通過(guò)SoftMAC管理協(xié)議取消Wi—Fi的認證、關(guān)聯(lián)過(guò)程，該協(xié)議集成在內核中，且支持多種類(lèi)型的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡。在SoftMAC中，無(wú)線(xiàn)協(xié)議棧集成到了驅動(dòng)中，對無(wú)線(xiàn)協(xié)議的設計可在Linux驅動(dòng)層進(jìn)行修改。

4.2 系統硬件平臺

本文選用XHK168 RT5350標準無(wú)線(xiàn)Wi—Fi模塊實(shí)現STA與AP的快速接入設計，處理器采用Ralink的RT5350F處理器，主頻高達360 MHz，支持802.11 b/g/n，最高速率可達150 Mbps，且外圍接口配置豐富。通過(guò)軟件修改，支持串口和Wi—Fi數據互傳，非常便于以后功能的擴展。系統總體框圖如圖2所示。

4.3 系統開(kāi)發(fā)環(huán)境構建

MAC802.11作為無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡驅動(dòng)的規范集成在內核中，除此之外，還需要有完整的開(kāi)發(fā)環(huán)境才能完成協(xié)議棧的重新設計。OpenWrt是一個(gè)適用于路由器的Linux發(fā)行版，本身為開(kāi)源項目，包含了內核(Linux)和文件系統，具備高度的模塊化和強大的網(wǎng)絡(luò )擴展功能，因此選用 OperWrt平臺作為無(wú)線(xiàn)協(xié)議棧的開(kāi)發(fā)環(huán)境。對于OpenWrt開(kāi)發(fā)，需要建立主機與嵌入式Wi—Fi平臺的交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境，因此本文在Ubuntu系統下編輯、編譯軟件，然后通過(guò)搭建的TFTP服務(wù)器，將編譯好的固件通過(guò)網(wǎng)絡(luò )下載到RT5350F的Wi-Fi模塊中運行。OperWrt通過(guò) Makefile腳本進(jìn)行配置及編譯，執行make menuconfig命令可進(jìn)入系統配置界面，在對內核進(jìn)行配置時(shí)，可通過(guò)系統配置界面決定需要將哪一部分功能編譯進(jìn)內核。MAC80 2.11配置成隨系統而啟動(dòng)，因此需要通過(guò)靜態(tài)方式直接編譯進(jìn)內核。在OpenWrt環(huán)境下配置完成后，執行make命令即可生成所需的固件。

4.4 取消Wi—Fi認證關(guān)聯(lián)

按照標準Wi—Fi協(xié)議，只有在已認證、已關(guān)聯(lián)狀態(tài)下才能收發(fā)數據幀，參考IEEE 802.11p協(xié)議標準，需要取消傳統的認證、關(guān)聯(lián)步驟，并固定OBU于RSU的通信信道，才能實(shí)現Wi—Fi的快速接入設計。根據網(wǎng)絡(luò )設備收發(fā)數據過(guò)程，取消認證和和關(guān)聯(lián)機制需要修改內核空間中的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧源碼，即MAC802.11的協(xié)議驅動(dòng)部分。以ath9k設備的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)為模型，采用基于 USB接口的SoftMAC無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )適配器(ath9k_htc)，當網(wǎng)卡接收數據時(shí)，一般采用中斷方式，網(wǎng)卡發(fā)送數據一般在用戶(hù)空間發(fā)起。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡接收數據時(shí)，ath9k驅動(dòng)接口與MAC802.11協(xié)議驅動(dòng)接口函數調用關(guān)系如圖3所示。

當網(wǎng)卡接收數據產(chǎn)生中斷時(shí)，會(huì )進(jìn)入tasklet下半部進(jìn)行處理，MAC802.11會(huì )對收到的數據包進(jìn)行分析處理。在 ieee80211_rx_h_check函數中，會(huì )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_handle_packet()內部，修改為所有報文都能進(jìn)入 ieee80211_prepare_and_rx_handle()進(jìn)行處理，并且不進(jìn)行關(guān)聯(lián)狀態(tài)的判斷，之后再將數據傳送至應用層，這樣就取消了Wi —Fi的認證、關(guān)聯(lián)過(guò)程，使無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡在此狀態(tài)下接收數據包。當無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡需要發(fā)送數據包時(shí)，為使數據能在認證關(guān)聯(lián)前發(fā)送，只需取消判斷STA工作狀態(tài)過(guò)程，此處不再詳述。通過(guò)這樣的調整機制，便能使無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡在無(wú)需認證關(guān)聯(lián)的狀態(tài)下收發(fā)數據包。

4.5 OBU與RSU信道配置

由無(wú)線(xiàn)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(hù)空間對一些參數，如信道、頻寬、SSID進(jìn)行配置，也可以通過(guò)修改OpenWrt環(huán)境下的Wi—Fi腳本進(jìn)行配置，還可以通過(guò)修改內核源碼進(jìn)行配置。本文采用通過(guò)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置。

進(jìn)入OpenWrt系統的配置菜單，將LuCI配置進(jìn)系統，編譯之后，開(kāi)發(fā)平臺便可通過(guò)Web界面對一些參數進(jìn)行設置，通過(guò)Web設置好專(zhuān)用短程通信技術(shù)中的SSID，并取消WPA加密等認證。信道、頻寬等參數可以在OpenWrt系統目錄下的mac80211.sh腳本進(jìn)行配置，通過(guò)option channel設置使OBU與RSU信道保持統一，option htmode可以修改Wi—Fi的頻寬，本文選用20 MHz的頻寬。通過(guò)上述配置，便完成了OBU與RSU的信道及頻寬設置。

5 通信性能測試

5.1 測試指標及方案

無(wú)線(xiàn)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。本文主要測試OBU在運動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)入RSU的覆蓋區域后，與RSU的通信延遲、吞吐量及丟包率情況，為體現取消認證、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模塊與之前的標準Wi—Fi模塊進(jìn)行對比測試。測試通信延遲采用系統支持的ping命令，ping的結果表示整個(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 IxChariot工具進(jìn)行分析。測試時(shí)，RSU保持不動(dòng)，OBU從距離RSU較近距離處以20 km/h的速度向遠處移動(dòng)，直到網(wǎng)絡(luò )連接斷開(kāi)為止。

5.2 測試結果

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0.65 ms、丟包率為1%，而標準Wi—Fi模塊的通信延遲為1.82 ms，丟包率可達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(dòng)環(huán)境下的吞吐量性能對比測試結果略——編者注。

通過(guò)以上結果可以看出，在剛開(kāi)始移動(dòng)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(zhù)移動(dòng)距離的增加，標準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(dòng)環(huán)境下車(chē)輛間的通信。

結語(yǔ)

本文主要研究在車(chē)聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，專(zhuān)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快速接入機制，在OpenWrt開(kāi)發(fā)平臺上通過(guò)修改內核的MAC802.11源碼，對無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡數據收發(fā)機制進(jìn)行了修改，并在用戶(hù)空間對信道、頻寬等參數進(jìn)快速接入機制在實(shí)際的動(dòng)態(tài)環(huán)境中進(jìn)行了測試，達到了預期的效果。