摘要：以車路協同技術為研究背景，分析了現有短程通信技術和Wi-Fi接入認證方案在高速動態的行車環境中存在的問題，基于OpenWrt 嵌入式Wi—Fi平臺提出了一種新的無線接入認證方法，取消了傳統Wi—Fi通信的認證、關聯機制，并對STA和AP信道進行配置，實現了STA與AP的快速接入技術，從而為車載單元與路側單元在Wi—Fi的覆蓋范圍內相互通信節省時間。實際測試表明，該方法能較好地適應移動環境下的車輛通信。

關鍵詞：車路協同;短程通信;Wi—Fi;OpenWrt;快速接入

引言

車路協同的關鍵在于車車、車路信息的實時交互，然而面對車輛的高速行駛及高度動態的行車環境，傳統無線通信技術的速率、傳輸時延等性能無法滿足交通信息實時交互要求，因此車聯網中的專用短程通信(DSRC)技術應運而生。DSRC能更好地適應車載通信環境下的移動性、短暫性、低時延以及拓撲結構多變性等，是車路協同技術的研究重點。由于Wi—Fi協議棧開源、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協議族，因此本文選用基于OpenWrt操作系統的Wi-Fi開發平臺，可通過此開源系統靈活地定制所需的功能，進而在該平臺下實現近似于DSRC的通信協議，對提高道路交通信息實時采集具有重要意義。

1 短程通信技術研究

車聯網環境下的無線通信技術有很多，不同的場合需采用不同的通信方式，其中發展較成熟的幾大無線通信技術性能對比略——編者注。

藍牙技術由于傳輸范圍受限、抗干擾能力不強、信息安全等問題，決定了其不適合應用在車路協同環境中。3G技術在性能、可靠性、覆蓋范圍方面等具有一定的優勢，但在高速移動環境下，通信鏈路的穩定性和傳輸速率成為制約其進一步發展的主要因素，如信息的實時性和大規模車輛參與通信造成的接入性能和通信速率等問題。ZigBee技術重點在于低功耗、低成本的研究，協議簡單、易于組網，但傳輸速率較低、覆蓋范圍較小，也不利于車車、車路信息的實時交互。Wi—Fi 技術發展較快，無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技術是專門針對車聯網通信環境提出的，能夠提供高速的數據傳輸，并且能保證通信鏈路的低延時，物理層與Wi—Fi物理層同屬802.11協議族。綜上所述，可在OpenWrt開發平臺下通過修改MAC層協議，取消傳統認證、關聯機制，從而優化Wi—Fi在車路協同應用環境下的通信質量。

2 Wi-Fi底層協議

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、線路狀態、時鐘基準、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，只進行調制和編碼，并具有CSMA/CD的部分功能，通過該沖突檢測機制可以有效避免網絡上數據碰撞，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(OFDM)將一個較寬的信道劃分為若干正交子信道，然后將多個子信道以復用的方式組合成較寬的信道，同時將帶寬分割為許多載波和副載波，對副載波的數據也進行復用。通過OFDM技術，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、接收與發送、差錯控制等，可屏蔽不同物理鏈路種類的差異性。由于在無線網絡中，隱藏節點所引起的沖突問題不容易被檢測到，因此采用改進的載波監聽多路訪問/沖突避免(CSMA/CA)機制，該機制利用ACK信號來檢測和避免多個網絡設備需要進行數據傳送時造成的數據沖突。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接口原語，其中數據接口原語主要提供數據包的收發接口，管理接口原語主要提供發起認證、關聯、連接、信道掃描等操作的接口，主要包括信道管理、連接管理、服務質量(QOS)、安全等功能。

3 DSRC底層協議

DSRC協議主要為車載單元(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)和媒介訪問(MAC)層，遵循IEEE 802.11p協議規范，該協議是IEEE 802.11標準擴充的協議，主要用于車載通信系統中。它規范了車路協同環境中的無線接入標準的PHY與MAC層，是決定車載設備在高速移動狀態下與路側設備通信性能好壞的關鍵。它在IEEE 802.11a標準上進行了修改，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，相鄰的兩個信道通過協商后可以當作一個20 MHz的信道使用，不過通信優先級要低些。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，由于車輛在高度動態環境中需要與周圍相關車輛和路側設備及時交換信息，對信息交互的實時性要求極高，所以802.11p協議取消了傳統的身份驗證和關聯功能，以確保數據傳輸的實時性。如果某些應用必須在認證、關聯后才能提供服務，可由上層協議實現這兩項功能。此外，它通過在相同信道設置相同的基本服務集標示符(BSSID)的方法進行通信，不需要預先加入到基本服務集(BSS)中，可以在BSS覆蓋范圍外進行數據通信。

4 快速接入設計

4.1 MAC子層協議研究

無線管理協議主要用來實現鏈路層的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、關聯以及其他配置都由硬件管理，無法通過應用層修改，因而用戶透明度低，安全性高。SoftMAC可通過軟件控制硬件，允許解析和生成無線協議，具有很大的靈活性，但需要深入了解PHY和MAC層的關鍵參數及屬性，否則可能導致網卡無法正常收發數據。MAC802.11是一個Linux內核子系統，用來為SoftMAC無線設備提供寫驅動框架和API，可在內核空間實現STA模式，在用戶空間實現AP模式(hostap d)。因此可在MAC802.11驅動框架下通過SoftMAC管理協議取消Wi—Fi的認證、關聯過程，該協議集成在內核中，且支持多種類型的無線網卡。在SoftMAC中，無線協議棧集成到了驅動中，對無線協議的設計可在Linux驅動層進行修改。

4.2 系統硬件平臺

本文選用XHK168 RT5350標準無線Wi—Fi模塊實現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 系統開發環境構建

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

4.4 取消Wi—Fi認證關聯

按照標準Wi—Fi協議，只有在已認證、已關聯狀態下才能收發數據幀，參考IEEE 802.11p協議標準，需要取消傳統的認證、關聯步驟，并固定OBU于RSU的通信信道，才能實現Wi—Fi的快速接入設計。根據網絡設備收發數據過程，取消認證和和關聯機制需要修改內核空間中的網絡協議棧源碼，即MAC802.11的協議驅動部分。以ath9k設備的無線網絡驅動為模型，采用基于 USB接口的SoftMAC無線網絡適配器(ath9k_htc)，當網卡接收數據時，一般采用中斷方式，網卡發送數據一般在用戶空間發起。無線網卡接收數據時，ath9k驅動接口與MAC802.11協議驅動接口函數調用關系如圖3所示。

當網卡接收數據產生中斷時，會進入tasklet下半部進行處理，MAC802.11會對收到的數據包進行分析處理。在 ieee80211_rx_h_check函數中，會對STA進行關聯狀態的判斷。若想使STA脫離基本服務集工作，需要在 ieee80211_rx_handle_packet()內部，修改為所有報文都能進入 ieee80211_prepare_and_rx_handle()進行處理，并且不進行關聯狀態的判斷，之后再將數據傳送至應用層，這樣就取消了Wi —Fi的認證、關聯過程，使無線網卡在此狀態下接收數據包。當無線網卡需要發送數據包時，為使數據能在認證關聯前發送，只需取消判斷STA工作狀態過程，此處不再詳述。通過這樣的調整機制，便能使無線網卡在無需認證關聯的狀態下收發數據包。

4.5 OBU與RSU信道配置

由無線通信基本理論可知，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，既可以在用戶空間對一些參數，如信道、頻寬、SSID進行配置，也可以通過修改OpenWrt環境下的Wi—Fi腳本進行配置，還可以通過修改內核源碼進行配置。本文采用通過Web界面配置和修改腳本文件相配合的方式進行帶寬以及信道的設置。

進入OpenWrt系統的配置菜單，將LuCI配置進系統，編譯之后，開發平臺便可通過Web界面對一些參數進行設置，通過Web設置好專用短程通信技術中的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腳本進行配置，通過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

無線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在運動狀態下進入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、關聯功能后快速接入技術在性能上的優勢，將改進后的Wi—Fi模塊與之前的標準Wi—Fi模塊進行對比測試。測試通信延遲采用系統支持的ping命令，ping的結果表示整個鏈路上往返一次所需的時間，時間值的一半便是通信延遲。吞吐量及丟包率可采用 IxChariot工具進行分析。測試時，RSU保持不動，OBU從距離RSU較近距離處以20 km/h的速度向遠處移動，直到網絡連接斷開為止。

5.2 測試結果

上述方案進行測試后，可得改進后的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%，因此改進后的Wi-Fi模塊在通信延時及丟包率方面都得到了改善。在移動環境下的吞吐量性能對比測試結果略——編者注。

通過以上結果可以看出，在剛開始移動的時候，由于距離RSU較近，兩個模塊吞吐量基本一致，但隨著移動距離的增加，標準Wi—Fi模塊的吞吐量下降較快，而改進后的Wi—Fi模塊性能相對較好，因此，后者比較適合移動環境下車輛間的通信。

結語

本文主要研究在車聯網環境下，專用短程通信技術相比其他短程通信技術的優勢，參考DSRC底層協議，提出了一種新的Wi-Fi快速接入機制，在OpenWrt開發平臺上通過修改內核的MAC802.11源碼，對無線網卡數據收發機制進行了修改，并在用戶空間對信道、頻寬等參數進快速接入機制在實際的動態環境中進行了測試，達到了預期的效果。