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

摘要：以車路協(xié)同技術為研究背景，分析了現(xiàn)有短程通信技術和Wi-Fi接入認證方案在高速動態(tài)的行車環(huán)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(tǒng)Wi—Fi通信的認證、關聯(lián)機制，并對STA和AP信道進行配置，實現(xiàn)了STA與AP的快速接入技術，從而為車載單元與路側(cè)單元在Wi—Fi的覆蓋范圍內(nèi)相互通信節(jié)省時間。實際測試表明，該方法能較好地適應移動環(huán)境下的車輛通信。

關鍵詞：車路協(xié)同;短程通信;Wi—Fi;OpenWrt;快速接入

引言

車路協(xié)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(tài)的行車環(huán)境，傳統(tǒng)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(lián)網(wǎng)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(huán)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(xié)同技術的研究重點。由于Wi—Fi協(xié)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(xié)議族，因此本文選用基于OpenWrt操作系統(tǒng)的Wi-Fi開發(fā)平臺，可通過此開源系統(tǒng)靈活地定制所需的功能，進而在該平臺下實現(xiàn)近似于DSRC的通信協(xié)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(lián)網(wǎng)環(huán)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(fā)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(xié)同環(huán)境中。3G技術在性能、可靠性、覆蓋范圍方面等具有一定的優(yōu)勢，但在高速移動環(huán)境下，通信鏈路的穩(wěn)定性和傳輸速率成為制約其進一步發(fā)展的主要因素，如信息的實時性和大規(guī)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(xié)議簡單、易于組網(wǎng)，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(fā)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(shù)據(jù)保密性和數(shù)據(jù)完整性都得到了極大的保證。DSRC技術是專門針對車聯(lián)網(wǎng)通信環(huán)境提出的，能夠提供高速的數(shù)據(jù)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(xié)議族。綜上所述，可在OpenWrt開發(fā)平臺下通過修改MAC層協(xié)議，取消傳統(tǒng)認證、關聯(lián)機制，從而優(yōu)化Wi—Fi在車路協(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(shù)據(jù)傳送與接收所需要的電與光信號、線路狀態(tài)、時鐘基準、數(shù)據(jù)編碼和電路等，并向數(shù)據(jù)鏈路層設備提供標準接口。PHY層對所有傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，只進行調(diào)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(wǎng)絡上數(shù)據(jù)碰撞，從而將數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)也進行復用。通過OFDM技術，可有效地提高數(shù)據(jù)吞吐量和抗干擾能力。

2.2 IEEE 802.11MAC

該層主要功能包括數(shù)據(jù)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的差異性。由于在無線網(wǎng)絡中，隱藏節(jié)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(jiān)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(wǎng)絡設備需要進行數(shù)據(jù)傳送時造成的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)接口原語主要提供數(shù)據(jù)包的收發(fā)接口，管理接口原語主要提供發(fā)起認證、關聯(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、服務質(zhì)量(QOS)、安全等功能。

3 DSRC底層協(xié)議

DSRC協(xié)議主要為車載單元(OBU)與路側(cè)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(shù)據(jù)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(xié)議規(guī)范，該協(xié)議是IEEE 802.11標準擴充的協(xié)議，主要用于車載通信系統(tǒng)中。它規(guī)范了車路協(xié)同環(huán)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(tài)下與路側(cè)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(shù)據(jù)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(xié)商后可以當作一個20 MHz的信道使用，不過通信優(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，由于車輛在高度動態(tài)環(huán)境中需要與周圍相關車輛和路側(cè)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(xié)議取消了傳統(tǒng)的身份驗證和關聯(lián)功能，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。如果某些應用必須在認證、關聯(lián)后才能提供服務，可由上層協(xié)議實現(xiàn)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(shù)據(jù)通信。

4 快速接入設計

4.1 MAC子層協(xié)議研究

無線管理協(xié)議主要用來實現(xiàn)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(lián)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(xié)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(shù)及屬性，否則可能導致網(wǎng)卡無法正常收發(fā)數(shù)據(jù)。MAC802.11是一個Linux內(nèi)核子系統(tǒng)，用來為SoftMAC無線設備提供寫驅(qū)動框架和API，可在內(nèi)核空間實現(xiàn)STA模式，在用戶空間實現(xiàn)AP模式(hostap d)。因此可在MAC802.11驅(qū)動框架下通過SoftMAC管理協(xié)議取消Wi—Fi的認證、關聯(lián)過程，該協(xié)議集成在內(nèi)核中，且支持多種類型的無線網(wǎng)卡。在SoftMAC中，無線協(xié)議棧集成到了驅(qū)動中，對無線協(xié)議的設計可在Linux驅(qū)動層進行修改。

4.2 系統(tǒng)硬件平臺

本文選用XHK168 RT5350標準無線Wi—Fi模塊實現(xiàn)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(shù)據(jù)互傳，非常便于以后功能的擴展。系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。

4.3 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境構建

MAC802.11作為無線網(wǎng)卡驅(qū)動的規(guī)范集成在內(nèi)核中，除此之外，還需要有完整的開發(fā)環(huán)境才能完成協(xié)議棧的重新設計。OpenWrt是一個適用于路由器的Linux發(fā)行版，本身為開源項目，包含了內(nèi)核(Linux)和文件系統(tǒng)，具備高度的模塊化和強大的網(wǎng)絡擴展功能，因此選用 OperWrt平臺作為無線協(xié)議棧的開發(fā)環(huán)境。對于OpenWrt開發(fā)，需要建立主機與嵌入式Wi—Fi平臺的交叉開發(fā)環(huán)境，因此本文在Ubuntu系統(tǒng)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(wǎng)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(zhí)行make menuconfig命令可進入系統(tǒng)配置界面，在對內(nèi)核進行配置時，可通過系統(tǒng)配置界面決定需要將哪一部分功能編譯進內(nèi)核。MAC80 2.11配置成隨系統(tǒng)而啟動，因此需要通過靜態(tài)方式直接編譯進內(nèi)核。在OpenWrt環(huán)境下配置完成后，執(zhí)行make命令即可生成所需的固件。

4.4 取消Wi—Fi認證關聯(lián)

按照標準Wi—Fi協(xié)議，只有在已認證、已關聯(lián)狀態(tài)下才能收發(fā)數(shù)據(jù)幀，參考IEEE 802.11p協(xié)議標準，需要取消傳統(tǒng)的認證、關聯(lián)步驟，并固定OBU于RSU的通信信道，才能實現(xiàn)Wi—Fi的快速接入設計。根據(jù)網(wǎng)絡設備收發(fā)數(shù)據(jù)過程，取消認證和和關聯(lián)機制需要修改內(nèi)核空間中的網(wǎng)絡協(xié)議棧源碼，即MAC802.11的協(xié)議驅(qū)動部分。以ath9k設備的無線網(wǎng)絡驅(qū)動為模型，采用基于 USB接口的SoftMAC無線網(wǎng)絡適配器(ath9k_htc)，當網(wǎng)卡接收數(shù)據(jù)時，一般采用中斷方式，網(wǎng)卡發(fā)送數(shù)據(jù)一般在用戶空間發(fā)起。無線網(wǎng)卡接收數(shù)據(jù)時，ath9k驅(qū)動接口與MAC802.11協(xié)議驅(qū)動接口函數(shù)調(diào)用關系如圖3所示。

當網(wǎng)卡接收數(shù)據(jù)產(chǎn)生中斷時，會進入tasklet下半部進行處理，MAC802.11會對收到的數(shù)據(jù)包進行分析處理。在 ieee80211_rx_h_check函數(shù)中，會對STA進行關聯(lián)狀態(tài)的判斷。若想使STA脫離基本服務集工作，需要在 ieee80211_rx_handle_packet()內(nèi)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(lián)狀態(tài)的判斷，之后再將數(shù)據(jù)傳送至應用層，這樣就取消了Wi —Fi的認證、關聯(lián)過程，使無線網(wǎng)卡在此狀態(tài)下接收數(shù)據(jù)包。當無線網(wǎng)卡需要發(fā)送數(shù)據(jù)包時，為使數(shù)據(jù)能在認證關聯(lián)前發(fā)送，只需取消判斷STA工作狀態(tài)過程，此處不再詳述。通過這樣的調(diào)整機制，便能使無線網(wǎng)卡在無需認證關聯(lián)的狀態(tài)下收發(fā)數(shù)據(jù)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(shù)，如信道、頻寬、SSID進行配置，也可以通過修改OpenWrt環(huán)境下的Wi—Fi腳本進行配置，還可以通過修改內(nèi)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(tǒng)的配置菜單，將LuCI配置進系統(tǒng)，編譯之后，開發(fā)平臺便可通過Web界面對一些參數(shù)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(shù)可以在OpenWrt系統(tǒng)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(tǒng)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(tài)下進入RSU的覆蓋區(qū)域后，與RSU的通信延遲、吞吐量及丟包率情況，為體現(xiàn)取消認證、關聯(lián)功能后快速接入技術在性能上的優(yōu)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(tǒng)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(wǎng)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(huán)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(huán)境下車輛間的通信。

結語

本文主要研究在車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，專用短程通信技術相比其他短程通信技術的優(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開發(fā)平臺上通過修改內(nèi)核的MAC802.11源碼，對無線網(wǎng)卡數(shù)據(jù)收發(fā)機制進行了修改，并在用戶空間對信道、頻寬等參數(shù)進快速接入機制在實際的動態(tài)環(huán)境中進行了測試，達到了預期的效果。