车联网环境下一种新的Wi―Fi快速接入机制

摘要：以车路协同技术为研究背景，分析了现有短程通信技术和Wi-Fi接入认证方案在高速动态的行车环境中存在的问题，基于OpenWrt 嵌入式Wi—Fi平台提出了一种新的无线接入认证方法，取消了传统Wi—Fi通信的认证、关联机制，并对STA和AP信道进行配置，实现了STA与AP的快速接入技术，从而为车载单元与路侧单元在Wi—Fi的覆盖范围内相互通信节省时间。实际测试表明，该方法能较好地适应移动环境下的车辆通信。

关键词：车路协同;短程通信;Wi—Fi;OpenWrt;快速接入

引言

车路协同的关键在于车车、车路信息的实时交互，然而面对车辆的高速行驶及高度动态的行车环境，传统无线通信技术的速率、传输时延等性能无法满足交通信息实时交互要求，因此车联网中的专用短程通信(DSRC)技术应运而生。DSRC能更好地适应车载通信环境下的移动性、短暂性、低时延以及拓扑结构多变性等，是车路协同技术的研究重点。由于Wi—Fi协议栈开源、覆盖范围广、传输速率高，且Wi—Fi物理层与DSRC物理层同属于802.11协议族，因此本文选用基于OpenWrt操作系统的Wi-Fi开发平台，可通过此开源系统灵活地定制所需的功能，进而在该平台下实现近似于DSRC的通信协议，对提高道路交通信息实时采集具有重要意义。

1 短程通信技术研究

车联网环境下的无线通信技术有很多，不同的场合需采用不同的通信方式，其中发展较成熟的几大无线通信技术性能对比略——编者注。

蓝牙技术由于传输范围受限、抗干扰能力不强、信息安全等问题，决定了其不适合应用在车路协同环境中。3G技术在性能、可靠性、覆盖范围方面等具有一定的优势，但在高速移动环境下，通信链路的稳定性和传输速率成为制约其进一步发展的主要因素，如信息的实时性和大规模车辆参与通信造成的接入性能和通信速率等问题。ZigBee技术重点在于低功耗、低成本的研究，协议简单、易于组网，但传输速率较低、覆盖范围较小，也不利于车车、车路信息的实时交互。Wi—Fi 技术发展较快，无论是在通信距离还是传输速率都具有良好的性能，并且IEEE802.11委员会一直在致力于提高其安全性的研究，因此数据保密性和数据完整性都得到了极大的保证。DSRC技术是专门针对车联网通信环境提出的，能够提供高速的数据传输，并且能保证通信链路的低延时，物理层与Wi—Fi物理层同属802.11协议族。综上所述，可在OpenWrt开发平台下通过修改MAC层协议，取消传统认证、关联机制，从而优化Wi—Fi在车路协同应用环境下的通信质量。

2 Wi-Fi底层协议

2.1 IEEE 802.11 PHY

该层定义了数据传送与接收所需要的电与光信号、线路状态、时钟基准、数据编码和电路等，并向数据链路层设备提供标准接口。PHY层对所有传输的数据，只进行调制和编码，并具有CSMA/CD的部分功能，通过该冲突检测机制可以有效避免网络上数据碰撞，从而将数据准确地传送到MAC层。802.11a采用正交频分复用技术(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方式组合成较宽的信道，同时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。通过OFDM技术，可有效地提高数据吞吐量和抗干扰能力。

2.2 IEEE 802.11MAC

该层主要功能包括数据帧的封装/卸装、寻址与识别、接收与发送、差错控制等，可屏蔽不同物理链路种类的差异性。由于在无线网络中，隐藏节点所引起的冲突问题不容易被检测到，因此采用改进的载波监听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)机制，该机制利用ACK信号来检测和避免多个网络设备需要进行数据传送时造成的数据冲突。MAC层是80 2.11的主要组成部分，该层向上层应用提供了两类接口原语，其中数据接口原语主要提供数据包的收发接口，管理接口原语主要提供发起认证、关联、连接、信道扫描等操作的接口，主要包括信道管理、连接管理、服务质量(QOS)、安全等功能。

3 DSRC底层协议

DSRC协议主要为车载单元(OBU)与路侧单元(RSU)提供交互式通信。参考OSI体系结构的7层模型，DSRC协议分为3层，包含物理层、数据链路层以及应用层。其体系结构如图1所示。

DSRC底层包括物理层(PHY)和媒介访问(MAC)层，遵循IEEE 802.11p协议规范，该协议是IEEE 802.11标准扩充的协议，主要用于车载通信系统中。它规范了车路协同环境中的无线接入标准的PHY与MAC层，是决定车载设备在高速移动状态下与路侧设备通信性能好坏的关键。它在IEEE 802.11a标准上进行了修改，在PHY方面，为增加信号对多径传播的承受能力、减少多普勒的散射效应，带宽由原来的20 MHz减小到10 MHz，导致PHY数据传输速率降低了一半。由于支持多信道操作，相邻的两个信道通过协商后可以当作一个20 MHz的信道使用，不过通信优先级要低些。为了增大通信距离，其定义最高的有效等向辐射功率为44.8 dBm;在MAC层方面，由于车辆在高度动态环境中需要与周围相关车辆和路侧设备及时交换信息，对信息交互的实时性要求极高，所以802.11p协议取消了传统的身份验证和关联功能，以确保数据传输的实时性。如果某些应用必须在认证、关联后才能提供服务，可由上层协议实现这两项功能。此外，它通过在相同信道设置相同的基本服务集标示符(BSSID)的方法进行通信，不需要预先加入到基本服务集(BSS)中，可以在BSS覆盖范围外进行数据通信。

4 快速接入设计

4.1 MAC子层协议研究

无线管理协议主要用来实现链路层的MAC功能，按照管理方式可分为FullMAC和SoftMAC，对于Full—MAC，Wi—Fi中的认证、关联以及其他配置都由硬件管理，无法通过应用层修改，因而用户透明度低，安全性高。SoftMAC可通过软件控制硬件，允许解析和生成无线协议，具有很大的灵活性，但需要深入了解PHY和MAC层的关键参数及属性，否则可能导致网卡无法正常收发数据。MAC802.11是一个Linux内核子系统，用来为SoftMAC无线设备提供写驱动框架和API，可在内核空间实现STA模式，在用户空间实现AP模式(hostap d)。因此可在MAC802.11驱动框架下通过SoftMAC管理协议取消Wi—Fi的认证、关联过程，该协议集成在内核中，且支持多种类型的无线网卡。在SoftMAC中，无线协议栈集成到了驱动中，对无线协议的设计可在Linux驱动层进行修改。

4.2 系统硬件平台

本文选用XHK168 RT5350标准无线Wi—Fi模块实现STA与AP的快速接入设计，处理器采用Ralink的RT5350F处理器，主频高达360 MHz，支持802.11 b/g/n，最高速率可达150 Mbps，且外围接口配置丰富。通过软件修改，支持串口和Wi—Fi数据互传，非常便于以后功能的扩展。系统总体框图如图2所示。

4.3 系统开发环境构建

MAC802.11作为无线网卡驱动的规范集成在内核中，除此之外，还需要有完整的开发环境才能完成协议栈的重新设计。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)和文件系统，具备高度的模块化和强大的网络扩展功能，因此选用 OperWrt平台作为无线协议栈的开发环境。对于OpenWrt开发，需要建立主机与嵌入式Wi—Fi平台的交叉开发环境，因此本文在Ubuntu系统下编辑、编译软件，然后通过搭建的TFTP服务器，将编译好的固件通过网络下载到RT5350F的Wi-Fi模块中运行。OperWrt通过 Makefile脚本进行配置及编译，执行make menuconfig命令可进入系统配置界面，在对内核进行配置时，可通过系统配置界面决定需要将哪一部分功能编译进内核。MAC80 2.11配置成随系统而启动，因此需要通过静态方式直接编译进内核。在OpenWrt环境下配置完成后，执行make命令即可生成所需的固件。

4.4 取消Wi—Fi认证关联

按照标准Wi—Fi协议，只有在已认证、已关联状态下才能收发数据帧，参考IEEE 802.11p协议标准，需要取消传统的认证、关联步骤，并固定OBU于RSU的通信信道，才能实现Wi—Fi的快速接入设计。根据网络设备收发数据过程，取消认证和和关联机制需要修改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，采用基于 USB接口的SoftMAC无线网络适配器(ath9k_htc)，当网卡接收数据时，一般采用中断方式，网卡发送数据一般在用户空间发起。无线网卡接收数据时，ath9k驱动接口与MAC802.11协议驱动接口函数调用关系如图3所示。

当网卡接收数据产生中断时，会进入tasklet下半部进行处理，MAC802.11会对收到的数据包进行分析处理。在 ieee80211_rx_h_check函数中，会对STA进行关联状态的判断。若想使STA脱离基本服务集工作，需要在 ieee80211_rx_handle_packet()内部，修改为所有报文都能进入 ieee80211_prepare_and_rx_handle()进行处理，并且不进行关联状态的判断，之后再将数据传送至应用层，这样就取消了Wi —Fi的认证、关联过程，使无线网卡在此状态下接收数据包。当无线网卡需要发送数据包时，为使数据能在认证关联前发送，只需取消判断STA工作状态过程，此处不再详述。通过这样的调整机制，便能使无线网卡在无需认证关联的状态下收发数据包。

4.5 OBU与RSU信道配置

由无线通信基本理论可知，只有STA与AP在同一信道才能相互通信，因此需要将OBU与RSU配置为相同的信道。在SoftMAC中，支持多种配置方式，既可以在用户空间对一些参数，如信道、频宽、SSID进行配置，也可以通过修改OpenWrt环境下的Wi—Fi脚本进行配置，还可以通过修改内核源码进行配置。本文采用通过Web界面配置和修改脚本文件相配合的方式进行带宽以及信道的设置。

进入OpenWrt系统的配置菜单，将LuCI配置进系统，编译之后，开发平台便可通过Web界面对一些参数进行设置，通过Web设置好专用短程通信技术中的SSID，并取消WPA加密等认证。信道、频宽等参数可以在OpenWrt系统目录下的mac80211.sh脚本进行配置，通过option channel设置使OBU与RSU信道保持统一，option htmode可以修改Wi—Fi的频宽，本文选用20 MHz的频宽。通过上述配置，便完成了OBU与RSU的信道及频宽设置。

5 通信性能测试

5.1 测试指标及方案

无线通信主要包括通信距离、通信延迟、吞吐量及丢包率等性能指标。本文主要测试OBU在运动状态下进入RSU的覆盖区域后，与RSU的通信延迟、吞吐量及丢包率情况，为体现取消认证、关联功能后快速接入技术在性能上的优势，将改进后的Wi—Fi模块与之前的标准Wi—Fi模块进行对比测试。测试通信延迟采用系统支持的ping命令，ping的结果表示整个链路上往返一次所需的时间，时间值的一半便是通信延迟。吞吐量及丢包率可采用 IxChariot工具进行分析。测试时，RSU保持不动，OBU从距离RSU较近距离处以20 km/h的速度向远处移动，直到网络连接断开为止。

5.2 测试结果

上述方案进行测试后，可得改进后的Wi—Fi模块平均通信延迟为0.65 ms、丢包率为1%，而标准Wi—Fi模块的通信延迟为1.82 ms，丢包率可达5%，因此改进后的Wi-Fi模块在通信延时及丢包率方面都得到了改善。在移动环境下的吞吐量性能对比测试结果略——编者注。

通过以上结果可以看出，在刚开始移动的时候，由于距离RSU较近，两个模块吞吐量基本一致，但随着移动距离的增加，标准Wi—Fi模块的吞吐量下降较快，而改进后的Wi—Fi模块性能相对较好，因此，后者比较适合移动环境下车辆间的通信。

结语

本文主要研究在车联网环境下，专用短程通信技术相比其他短程通信技术的优势，参考DSRC底层协议，提出了一种新的Wi-Fi快速接入机制，在OpenWrt开发平台上通过修改内核的MAC802.11源码，对无线网卡数据收发机制进行了修改，并在用户空间对信道、频宽等参数进快速接入机制在实际的动态环境中进行了测试，达到了预期的效果。