摘要：以车路协同技能为研讨布景，剖析了现有短程通讯技能和Wi-Fi接入认证计划在高速动态的行车环境中存在的问题，依据OpenWrt 嵌入式Wi—Fi渠道提出了一种新的无线接入认证办法，撤销了传统Wi—Fi通讯的认证、相关机制，并对STA和AP信道进行装备，完结了STA与AP的快速接入技能，然后为车载单元与路侧单元在Wi—Fi的掩盖规模内彼此通讯节省时刻。实践测验标明，该办法能较好地习惯移动环境下的车辆通讯。
要害词：车路协同;短程通讯;Wi—Fi;OpenWrt;快速接入
导言
车路协同的要害在于车车、车路信息的实时交互，但是面临车辆的高速行驶及高度动态的行车环境，传统无线通讯技能的速率、传输时延等功用无法满意交通讯息实时交互要求，因而车联网中的专用短程通讯(DSRC)技能应运而生。DSRC能更好地习惯车载通讯环境下的移动性、短暂性、低时延以及拓扑结构多变性等，是车路协同技能的研讨要点。因为Wi—Fi协议栈开源、掩盖规模广、传输速率高，且Wi—Fi物理层与DSRC物理层同归于802.11协议族，因而本文选用依据OpenWrt操作体系的Wi-Fi开发渠道，可经过此开源体系灵敏地定制所需的功用，进而在该渠道下完结近似于DSRC的通讯协议，对进步道路交通讯息实时收集具有重要意义。
1 短程通讯技能研讨
车联网环境下的无线通讯技能有许多，不同的场合需选用不同的通讯办法，其间开展较老练的几大无线通讯技能功用比照略——编者注。
蓝牙技能因为传输规模受限、抗干扰才干不强、信息安全等问题，决议了其不合适运用在车路协同环境中。3G技能在功用、可靠性、掩盖规模方面等具有必定的优势，但在高速移动环境下，通讯链路的稳定性和传输速率成为限制其进一步开展的首要因素，如信息的实时性和大规模车辆参加通讯形成的接入功用和通讯速率等问题。ZigBee技能要点在于低功耗、低成本的研讨，协议简略、易于组网，但传输速率较低、掩盖规模较小，也不利于车车、车路信息的实时交互。Wi—Fi 技能开展较快，无论是在通讯间隔仍是传输速率都具有杰出的功用，而且IEEE802.11委员会一直在致力于进步其安全性的研讨，因而数据保密性和数据完好性都得到了极大的保证。DSRC技能是专门针对车联网通讯环境提出的，能够供给高速的数据传输，而且能保证通讯链路的低延时，物理层与Wi—Fi物理层同属802.11协议族。综上所述，可在OpenWrt开发渠道下经过修正MAC层协议，撤销传统认证、相关机制，然后优化Wi—Fi在车路协同运用环境下的通讯质量。
2 Wi-Fi底层协议
2.1 IEEE 802.11 PHY
该层界说了数据传送与接纳所需求的电与光信号、线路状况、时钟基准、数据编码和电路等，并向数据链路层设备供给规范接口。PHY层对一切传输的数据，只进行调制和编码，并具有CSMA/CD的部分功用，经过该抵触检测机制能够有用防止网络上数据磕碰，然后将数据精确地传送到MAC层。802.11a选用正交频分复用技能(OFDM)将一个较宽的信道划分为若干正交子信道，然后将多个子信道以复用的办法组合成较宽的信道，一起将带宽分割为许多载波和副载波，对副载波的数据也进行复用。经过OFDM技能，可有用地进步数据吞吐量和抗干扰才干。
2.2 IEEE 802.11MAC
该层首要功用包含数据帧的封装/卸装、寻址与辨认、接纳与发送、过失操控等，可屏蔽不同物理链路品种的差异性。因为在无线网络中，躲藏节点所引起的抵触问题不容易被检测到，因而选用改善的载波监听多路拜访/抵触防止(CSMA/CA)机制，该机制运用ACK信号来检测和防止多个网络设备需求进行数据传送时形成的数据抵触。MAC层是80 2.11的首要组成部分，该层向上层运用供给了两类接口原语，其间数据接口原语首要供给数据包的收发接口，办理接口原语首要供给建议认证、相关、衔接、信道扫描等操作的接口，首要包含信道办理、衔接办理、服务质量(QOS)、安全等功用。
3 DSRC底层协议
DSRC协议首要为车载单元(OBU)与路侧单元(RSU)供给交互式通讯。参阅OSI体系结构的7层模型，DSRC协议分为3层，包含物理层、数据链路层以及运用层。其体系结构如图1所示。
DSRC底层包含物理层(PHY)和前言拜访(MAC)层，遵从IEEE 802.11p协议规范，该协议是IEEE 802.11规范扩大的协议，首要用于车载通讯体系中。它规范了车路协同环境中的无线接入规范的PHY与MAC层，是决议车载设备在高速移动状况下与路侧设备通讯功用好坏的要害。它在IEEE 802.11a规范进步行了修正，在PHY方面，为添加信号对多径传达的承受才干、削减多普勒的散射效应，带宽由本来的20 MHz减小到10 MHz，导致PHY数据传输速率降低了一半。因为支撑多信道操作，相邻的两个信道经过洽谈后能够当作一个20 MHz的信道运用，不过通讯优先级要低些。为了增大通讯间隔，其界说最高的有用等向辐射功率为44.8 dBm;在MAC层方面，因为车辆在高度动态环境中需求与周围相关车辆和路侧设备及时交流信息，对信息交互的实时性要求极高，所以802.11p协议撤销了传统的身份验证和相关功用，以保证数据传输的实时性。假如某些运用必须在认证、相关后才干供给服务，可由上层协议完结这两项功用。此外，它经过在相同信道设置相同的根本服务集标明符(BSSID)的办法进行通讯，不需求预先加入到根本服务集(BSS)中，能够在BSS掩盖规模外进行数据通讯。
4 快速接入规划
4.1 MAC子层协议研讨
无线办理协议首要用来完结链路层的MAC功用，依照办理办法可分为FullMAC和SoftMAC，关于Full—MAC，Wi—Fi中的认证、相关以及其他装备都由硬件办理，无法经过运用层修正，因而用户透明度低，安全性高。SoftMAC可经过软件操控硬件，答应解析和生成无线协议，具有很大的灵敏性，但需求深化了解PHY和MAC层的要害参数及特点，不然或许导致网卡无法正常收发数据。MAC802.11是一个Linux内核子体系，用来为SoftMAC无线设备供给写驱动结构和API，可在内核空间完结STA形式，在用户空间完结AP形式(hostap d)。因而可在MAC802.11驱动结构下经过SoftMAC办理协议撤销Wi—Fi的认证、相关进程，该协议集成在内核中，且支撑多品种型的无线网卡。在SoftMAC中，无线协议栈集成到了驱动中，对无线协议的规划可在Linux驱动层进行修正。
4.2 体系硬件渠道
本文选用XHK168 RT5350规范无线Wi—Fi模块完结STA与AP的快速接入规划，处理器选用Ralink的RT5350F处理器，主频高达360 MHz，支撑802.11 b/g/n，最高速率可达150 Mbps，且外围接口装备丰厚。经过软件修正，支撑串口和Wi—Fi数据互传，十分便于今后功用的扩展。体系整体框图如图2所示。
4.3 体系开发环境构建
MAC802.11作为无线网卡驱动的规范集成在内核中，除此之外，还需求有完好的开发环境才干完结协议栈的从头规划。OpenWrt是一个适用于路由器的Linux发行版，本身为开源项目，包含了内核(Linux)和文件体系，具有高度的模块化和强壮的网络扩展功用，因而选用 OperWrt渠道作为无线协议栈的开发环境。关于OpenWrt开发，需求树立主机与嵌入式Wi—Fi渠道的穿插开发环境，因而本文在Ubuntu体系下修正、编译软件，然后经过建立的TFTP服务器，将编译好的固件经过网络下载到RT5350F的Wi-Fi模块中运转。OperWrt经过 Makefile脚本进行装备及编译，履行make menuconfig指令可进入体系装备界面，在对内核进行装备时，可经过体系装备界面决议需求将哪一部分功用编译进内核。MAC80 2.11装备成随体系而发动，因而需求经过静态办法直接编译进内核。在OpenWrt环境下装备完结后，履行make指令即可生成所需的固件。
4.4 撤销Wi—Fi认证相关
依照规范Wi—Fi协议，只要在已认证、已相关状况下才干收发数据帧，参阅IEEE 802.11p协议规范，需求撤销传统的认证、相关进程，并固定OBU于RSU的通讯信道，才干完结Wi—Fi的快速接入规划。依据网络设备收发数据进程，撤销认证和和相关机制需求修正内核空间中的网络协议栈源码，即MAC802.11的协议驱动部分。以ath9k设备的无线网络驱动为模型，选用依据 USB接口的SoftMAC无线网络适配器(ath9k_htc)，当网卡接纳数据时，一般选用中止办法，网卡发送数据一般在用户空间建议。无线网卡接纳数据时，ath9k驱动接口与MAC802.11协议驱动接口函数调用联系如图3所示。
当网卡接纳数据发生中止时，会进入tasklet下半部进行处理，MAC802.11会对收到的数据包进行剖析处理。在 ieee80211_rx_h_check函数中，会对STA进行相关状况的判别。若想使STA脱离根本服务集作业，需求在 ieee80211_rx_handle_packet()内部，修正为一切报文都能进入 ieee80211_prepare_and_rx_handle()进行处理，而且不进行相关状况的判别，之后再将数据传送至运用层，这样就撤销了Wi —Fi的认证、相关进程，使无线网卡在此状况下接纳数据包。当无线网卡需求发送数据包时，为使数据能在认证相关前发送，只需撤销判别STA作业状况进程，此处不再胪陈。经过这样的调整机制，便能使无线网卡在无需认证相关的状况下收发数据包。
4.5 OBU与RSU信道装备
由无线通讯根本理论可知，只要STA与AP在同一信道才干彼此通讯，因而需求将OBU与RSU装备为相同的信道。在SoftMAC中，支撑多种装备办法，既能够在用户空间对一些参数，如信道、频宽、SSID进行装备，也能够经过修正OpenWrt环境下的Wi—Fi脚本进行装备，还能够经过修正内核源码进行装备。本文选用经过Web界面装备和修正脚本文件相配合的办法进行带宽以及信道的设置。
进入OpenWrt体系的装备菜单，将LuCI装备进体系，编译之后，开发渠道便可经过Web界面临一些参数进行设置，经过Web设置好专用短程通讯技能中的SSID，并撤销WPA加密等认证。信道、频宽等参数能够在OpenWrt体系目录下的mac80211.sh脚本进行装备，经过option channel设置使OBU与RSU信道坚持共同，option htmode能够修正Wi—Fi的频宽，本文选用20 MHz的频宽。经过上述装备，便完结了OBU与RSU的信道及频宽设置。
5 通讯功用测验
5.1 测验目标及计划
无线通讯首要包含通讯间隔、通讯推迟、吞吐量及丢包率等功用目标。本文首要测验OBU在运动状况下进入RSU的掩盖区域后，与RSU的通讯推迟、吞吐量及丢包率状况，为表现撤销认证、相关功用后快速接入技能在功用上的优势，将改善后的Wi—Fi模块与之前的规范Wi—Fi模块进行比照测验。测验通讯推迟选用体系支撑的ping指令，ping的成果表明整个链路上往复一次所需的时刻，时刻值的一半就是通讯推迟。吞吐量及丢包率可选用 IxChariot东西进行剖析。测验时，RSU坚持不动，OBU从间隔RSU较近间隔处以20 km/h的速度向远处移动，直到网络衔接断开停止。
5.2 测验成果
上述计划进行测验后，可得改善后的Wi—Fi模块均匀通讯推迟为0.65 ms、丢包率为1%，而规范Wi—Fi模块的通讯推迟为1.82 ms，丢包率可达5%，因而改善后的Wi-Fi模块在通讯延时及丢包率方面都得到了改善。在移动环境下的吞吐量功用比照测验成果略——编者注。
经过以上成果能够看出，在刚开始移动的时分，因为间隔RSU较近，两个模块吞吐量根本共同，但随着移动间隔的添加，规范Wi—Fi模块的吞吐量下降较快，而改善后的Wi—Fi模块功用相对较好，因而，后者比较合适移动环境下车辆间的通讯。
结语
本文首要研讨在车联网环境下，专用短程通讯技能比较其他短程通讯技能的优势，参阅DSRC底层协议，提出了一种新的Wi-Fi快速接入机制，在OpenWrt开发渠道上经过修正内核的MAC802.11源码，对无线网卡数据收发机制进行了修正，并在用户空间对信道、频宽等参数进快速接入机制在实践的动态环境中进行了测验，达到了预期的作用。
