V2X商用進程中面臨的測試挑戰及關鍵技術

韓慶文　曾令秋　雷劍梅　劉杰

摘要：隨著V2X商用進程的推進，建立合理有效的測試評價體系的需求已日益明確，V2X測試涉及跨行業融合，通信行業與車輛行業的測試思路與測試方法差異較大，目前尚缺乏權威測試認證體系。將從通信測試和車載應用測試兩個方面入手，分析V2X商用進程中面臨的測試挑戰，以及目前在外場測試和暗室測試中發現的瓶頸問題，以之為基礎，對V2X測試認證體系構建中面臨的關鍵技術進行分析，設計了一種面向V2X性能和功能的暗室內測試方案，該測試方案能夠輸出通信性能參數和應用響應結果，經過驗證性測試，證明了該方案的有效性。

關鍵詞：車聯網;測試認證;暗室;通信測試;應用測試

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.11.005? ? ? ? 中圖分類號：TN92

文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2019）11-0028-08

引用格式：韓慶文，曾令秋，雷劍梅，等. V2X商用進程中面臨的測試挑戰及關鍵技術[J]. 移動通信， 2019，43（11）： 28-35.

Challenges and Key Technologies for Testing and Certification in V2X Commercialization

HAN Qingwen1， ZENG Lingqiu1， LEI Jianmei2， LIU Jie2

（1. Chongqing University， Chongqing 400044， China;

2. China Automotive Engineering Research Institute Co.， Ltd.， Chongqing 401122， China）

[Abstract]

With the development of V2X commercialization， the need to establish a reasonable and effective testing and certification system has become increasingly clear. V2X testing process requires cross-industry cooperation， where communication industry and vehicle industry have different ideas about testing and certification， and thus it is difficult to establish an authoritative testing and certification system. From the aspect of communication and vehicle application testing， this paper analyzes the testing challenges of V2X commercialization and the bottlenecks in both field and darkroom testing. Based on this， the key technologies in the V2X testing and certification system are analyzed， and then a darkroom testing solution is designed for V2X performance and function. It can output communication performance parameters and application response results， and the effectiveness is validated by verification testing.

[Key words]connected vehicle; testing and certification; chamber; communication performance test; application test

0? ?引言

隨著智能網聯汽車商用化進程的推進，車載系統復雜度越來越高，必須在商用前進行有效測試。智能網聯汽車包含兩個方面的技術，即智能化和網聯化[1]，究其內涵，智能化和網聯化分別屬于兩個不同的學科領域，智能化側重于AI算法及車輛控制，而網聯化則側重于車輛信息交互管道問題，而無論智能化還是網聯化，都需以車輛為載體，因此其產業化進程必須建立在多學科理解融合的基礎上。

測試認證問題是智能網聯汽車產業化進程中一個無法回避的關鍵問題[2]，自智能網聯汽車的概念提出以來，不同行業對于其測試認證方法便存在認知差異。汽車行業的測試關注的是應用響應表現，而通信行業的測試則關注通信質量，包括丟包率、吞吐量等參數的測試，兩種測試理念的差異導致智能網聯汽車測試認證體系的建立困難。

自汽車向智能化發展起，各大汽車廠商采用的測試方法無外乎兩種，即在環混合虛擬仿真測試和道路測試[3]，在環測試簡單，可重復性好，測試成本低，但測試結果可靠性存疑;道路測試能夠反映智能駕駛系統的實際工作表現，但測試周期長，場景有限，效率較低，且故障不可再現，可重復性差，以上各種原因使得各大汽車廠商對測試結果信心缺乏，但并無更好的解決方案，因此在V2X測試中沿用了智能駕駛系統的測試方法，即采用在環測試和道路測試[4]。但隨著通信模塊的引入，故障原因更加復雜，各大汽車廠商缺乏相應的故障診斷能力，對基于V2X的各類應用缺乏信心，目前并無一家汽車廠商對V2X模塊開放控制接口。

由此可見，如要將網聯信息引入智能駕駛決策，必須為汽車廠商提供有信心的測試方式，并構建完整的測試評價體系，否則將不會有實際意義上的智能網聯汽車面市。

本文將從應用測試和通信性能測試兩個方面入手，分析目前智能網聯汽車測試中存在的問題及挑戰。

1? ?智能網聯汽車測試挑戰

從模塊角度來看，影響智能網聯系統表現的因素有三個，即通信表現、控制表現和機械響應表現，這三個方面的問題最終都會體現為應用響應故障。按照汽車行業傳統，測試應面向應用展開，為此SAE定義了多種面向智能網聯系統的典型應用，如前撞告警（FCW， Forward Collision Warning）、路口輔助（IMA， Intersection Moving Assistant）等，各大車企也根據行業習慣制定出了相關應用規范，例如長安汽車就根據需求擬定了52種應用，這些應用基本涵蓋車輛行駛過程中可能遭遇的各種極端場景。在2016年TIAA&FuTURE發布的《智能網聯汽車基本應用白皮書》[5]中，將智能網聯汽車相關應用場景和需求分為了三大類，即交通安全類（Safety）、交通效率類（Traffic Efficiency）以及信息服務類（Infotainment/Telematics），涉及到的通信方式主要包括車—車（V2V）、車—基礎設施（V2I）、車—行人（V2P）以及車—網絡/云平臺（V2N/V2C）。

盡管車企對給予V2X的應用已有明確定義，但卻并無成熟的測試方案，下面將從外場應用測試和通信測試兩個方面分析智能網聯汽車測試中存在的問題。

1.1? 應用測試

車企關注應用表現，因此非常重視應用測試，并以之為目的推出了測試方法，包括硬件在環測試和外場測試，在過去的幾年中，研究人員和測試機構開發了道路外場測試方案，全球范圍內出現了大量的道路測試場地，如美國密歇根州的Mcity[6]、中國重慶的I-VISTA、中國上海的國家智能網聯汽車示范區和瑞典的AstaZero等，近兩年，國內各種示范區和道路測試場更加快速涌現，但測試手段和測試方法卻很單一。

從2014年至今，美國NHTSA發布了多個V2X車載應用測試報告，定義了詳細的V2X車載應用測試流程和測試評價方法，如定義了九種FCW測試流程[7]和十種ICV測試流程，分別根據TTC值和TTI值確定測試是否測試通過，典型FCW測試如圖1所示：

如圖1所示，HV的初始位置與RV之間的距離為140 m，RV駐停，HV以20 m/s（72 km/h）的速度向RV方向行駛，當HV觸發FCW告警，或HV與RV的TTC下降到TTCmin的90%以下時仍無FCW告警觸發，認為該次測試結束。

雖然大部分的汽車企業對外場應用測試表現出強烈的興趣，但是該類測試結果往往缺乏信心，主要原因在于故障不可再現，如某次測試發現響應失敗，但下一次測試時卻響應正常，對于失敗響應無法進行故障追蹤和診斷。另外，目前尚無明確的測試次數要求，即無法判定究竟測試多少次響應成功即表示測試通過。

SAE給出的測試重復次數定義如式（1）所示[8]：

（1）

式中SS為測試樣本次數，Z為可靠性指標要求，p為先驗概率，c為置信區間。SAE2945對正確接收率（Z）的要求為90%，假設置信區間為5%，先驗概率為0.5，可計算獲得測試樣本次數為81，即表示要達到90%的正確接受率即需進行81次重復測試。如采用外場測試方式，則將耗費大量的時間和測試成本，且由于測試過程可能收到外界不可預測因素，如電磁干擾、同頻干擾等的影響，可能導致測試結果無效，即無法通過外場應用測試驗證V2X應用功能可靠性。

1.2? 通信測試

2009年美國DOT發布了DSRC鏈路測試報告，定義了5類測試場景，列舉如下：

（1）面向V2I的DSRC靜態鏈路場景;

（2）面向V2V的DSRC靜態鏈路場景;

（3）DSRC鏈路仰角場景;

（4）DSRC動態鏈路場景;

（5）DSRC干擾場景，包括V2I和V2V。

以上測試場景均基于外場測試建立，測試性能參數為丟包率。

隨著C-V2X技術的演進，中國通信標準化協會編制了一系列面向C-V2X終端的實驗室測試規范，包括性能測試和功能測試，基本性能測試配置如圖2所示：

其中信道模擬儀可根據需要模擬無線信號的多徑傳播，支持傳播信道相關性、多徑衰落、傳播時延的設置，測試參數為端到端時延和包遞交成功率。

圖2所示測試方法僅面向車載V2X模組和零部件，缺乏整車級測試方法，因此需以之為基礎進行完善，拓展整車級測試方法。

1.3 測試挑戰

從目前來看，無論是外場應用測試方案還是實驗室內通信性能測試方案，都無法全面支撐網聯功能車輛的測試認證評價，這將嚴重影響網聯類應用的市場化進程。從另一角度來看，盡管目前測試評價體系并不完善，各大車企卻依舊計劃推出網聯功能車輛，但對其功能表現持懷疑態度，并未對網聯系統開放控制端口，其直接后果是，網聯類信息無法參與控制類輔助自動駕駛算法及策略設計，這對于輔助/自動駕駛技術的演進極為不利，主要體現可預測時間過短，對決策控制實時性要求提升。但從長遠來看，V2X信息必將進入車輛決策控制體系，并作為重要數據源影響決策控制策略的演進，前提條件是能夠通過完備的測試評價輸出提升企業對V2X信息的信任度，進而對網聯模塊開放控制接口。

V2X測試評價挑戰主要體現在以下幾個方面：

（1）如何建立快速、低成本、可重復性好的測試方法;

（2）如何建立測試場景與測試設置之間的映射關聯關系;

（3）如何建立測試輸出與輔助/自動駕駛控制等級的映射關系;

（4）如果建立合理的故障跟蹤機制。

在第2節，本文將以V2X通信性能及應用響應為例分析測試中涉及的關鍵技術。

2? ?網聯性能及功能測試關鍵技術

網聯類應用與通信性能表現密切相關，而通信性能則可能受到多種外來因素影響，如外部干擾、多徑效應、雨霧衰減、多普勒頻移等，因此網聯應用測試的關鍵在于建立一套基于通信條件的應用響應評價標準，并將響應等級與輔助/自動駕駛等級關聯映射，從而確保在某種通信條件下的應用響應等級能夠滿足行駛安全需求。

如前所述，在V2X信息介入控制決策的條件下，應用響應控制響應特性將取決于三個系統的綜合表現，即通信系統、控制決策系統和執行響應系統。此時的故障一般表現為執行響應故障。而測試過程必須具備數據可追蹤特性，即一旦發生執行響應故障，通過數據分析即可確定故障源自哪個系統，因此在測試中必須兼顧通信測試、應用響應測試和執行響應測試，執行響應測試屬車輛工程范疇，本文不予討論。下面將重點講述通信測試和應用響應測試中涉及的關鍵技術問題。

2.1? 暗室內測試方案

暗室測試是通信行業和汽車行業常用的測試方法，其差別僅在于測試內容不同，通信行業一般在暗室中進行OTA測試，而汽車行業則在暗室中進行EMC測試，盡管測試目標不同，但毫無疑問的是，暗室測試具有測試環境可控、測試價格相對較低、測試可重復性好等優點，因此在過去的幾年中，本研究團隊一直致力于智能網聯汽車暗室測試方法的研究，并提出了一種用于ICV（Intelligent Connected Vehicle， 智能聯網車輛）的半虛擬測試方法[9]，設計了一個通信性能預測試平臺，用于評價車輛多頻無線終端的抗擾性能[10]。并結合IMT2020（5G）C-V2X工作組測試認證評價體系的研究基礎，提出了暗室內測試方案，如圖3所示：

圖3所示測試方案的關鍵在于測試場景劃分，車企關注網聯應用響應特性，而應用響應表現與通信質量密切相關，導致通信問題的原因包括信道擁塞、外部干擾、傳輸損耗，本方案據此將測試場景設計分解為三個部分，即典型應用場景設計、電磁場景設計和環境場景設計。

典型應用場景設計重點分析不同道路類型條件下的信道擁塞特性，一般而言，信道擁塞與道路特性密切關聯，因此將道路場景和通信場景合并考慮，此處的通信場景指車輛用戶數條件，車輛用戶數越大，導致信道擁塞的可能性也越大，信道擁塞可能導致數據包發送延遲增大，因此其對應指標為傳輸時延。

電磁場景設計重點分析外部電磁干擾環境，此處僅考慮外部電磁干擾源對通信傳輸的影響，對應指標為丟包率。

環境場景設計重點考慮影響通信傳輸質量的因素，包括雨霧衰減、多普勒頻移、多徑衰落，對應指標為丟包率。

下面分別進行闡述。

2.2? 典型應用場景設計

如前文所述，車企關注的是應用響應特性，因此測試也以應用為對象，2016年TIAA&FuTURE的《智能網聯汽車基本應用白皮書》中，列舉了50個智能網聯應用，通信方式包括V2V、V2I、V2P和V2N，該白皮書對應用場景進行了詳細解釋。實際測試中，不同網聯應用場景具有一定的共同特性，例如，應用可與道路類型進行映射關聯，如直道和彎道的FCW（Forward Collision Avoidance，前撞告警）應用和十字路口場景的IMA（Intersection Movement Assistant，路口輔助通過）應用，另外，網聯類應用必須考慮密度場景，密度場景與信道擁塞直接關聯。

一般而言，交通密度可表示為實際交通流量與道路設計最大交通能力的比值，可根據其取值設定干擾信號源數據包發送速率，并以之模擬擁塞場景。具體設置如下：

（1）低密度：交通密度小于等于0.3;

（2）中密度：交通密度大于0.3，小于等于0.6;

（3）高密度：交通流量大于0.6，小于等于0.8;

（4）擁堵：交通流量大于0.8。

據此可描述典型應用場景如表1所示。

在道路測試中可能考慮道路場景，但卻很少考慮通信密度場景，即一般應用測試均為考慮信道擁塞條件。分析對象為鑒于目前網聯類應用的實用化進程現狀，本項目僅考慮V2V方式和V2I方式。

2.3? 電磁場景設計

電磁干擾影響通信質量，電磁場景設計的關鍵是外部電磁干擾源分析，外部電磁干擾源典型值如表2所示：

一般而言，通信產品也需進行電磁兼容測試，但照射強度較小，電場照射強度僅為3～5 V/m，V2X模塊最終需要搭載在車輛上，其電磁兼容測試也需遵照汽車電磁兼容測試規范展開，電磁場的參數設置可參照電磁抗擾測試標準ISO11451-2[11]和SAE J1551-17[12]，一般電場照射強度為30 V/m和50 V/m，磁場照射強度為50 μT。

從目前來看，大多數V2X零部件廠商并未根據汽車電磁兼容要求進行設計，因此往往會在強照射條件下發生響應失效，如將其引入車輛控制，則將嚴重影響輔助/自動駕駛車輛性能表現。

2.4? 環境場景設計

通信環境重點分析影響數據包傳輸質量的因素，包括雨霧衰減、多普勒頻移和路徑損耗三個因素。

雨霧衰減可根據ITU-R P.838-1[12]計算獲得，多普勒頻移則根據EVA（Extended Vehicular A model，擴展車輛信道模型）衰落信道確定，多普勒頻移可用式（2）表示：

（2）

式（2）中，其中vA和vB分別是源車輛A和目標車輛B的速度，aA和aB是相應車輛的天線仰角，c0是無線電波的傳播速度。

環境場景設計的重點是路徑損耗估計，路徑損耗不僅與道路類型有關，還與道路兩側建筑物密切相關，包括建筑物高度和建筑物表面反射系數，其難點問題在于信道模型建立。

CCSA給出的LTE-V2X終端性能測試規范中沿用3GPP TR36.885的Annex A中定義的D2D模型，但無法證明該模型適用于V2X場景。

基于幾何的統計建模方法是最重要和最流行的模型方法之一，它的主要目的是對信道的簡單理論研究和真實信道的完全再現，通過一定的方法處理散射體，并且可以捕獲信道的本質特性。但模型建立后依舊需要驗證其有效性，本課題組采用幾何模擬對不同道路類型和建筑物高度場景進行信道特性模擬，并選擇典型場景進行外場數據采集，將信道模型模擬結果與外場采集數據進行對比擬合，修正信道模型參數，以此保證信道模型的有效性。

測試系統如圖4（a）所示，測試地點如圖4（b）、圖4（c）所示，被測車輛向同一方向分別以V1和V2的速度行駛。測量時，信號源頻率為5 915.000 MHz，輸出功率為-30.0 dBm，天線高度為2 m，天線增益為-11.4 dBi，功放增益為43.6 dB，天線口徑面發射功率為25.0 dBm，線纜損耗為0.8 dB。

2.5? 綜合場景設置

根據表1、表2，可將應用與具體道路場景進行分類對應，考量以道路類型為基礎進行分類，并對應相關信道模型建立參數，詳細分類如表3所示。

3? ?測試系統及其關鍵技術

基于第2節部分所述場景分析結果，本項目組設計了一種面向V2X性能和功能的暗室內測試方案，測試布置如圖5所示。

本項目組提出的暗室測試方案中涉及的關鍵技術如下。

（1）RV數據控制（控制器A）：通過控制器A調節車載單元HV的位置信息，該位置信息與HV速度直接相關，例如，HV的速度設定為60 km/h，則在直道場景其橫向坐標變換率為17 m/s;

（2）車輛用戶數控制（控制器B）：通過控制器B調節V2X數據包發送頻次，以此構建多用戶場景;

（3）電磁照射控制：包括電場照射強度控制和磁場照射強度控制。

通信測試儀CMW500與暗室內的通信天線相連，用于建立DUT的通信鏈路并監視通信性能參數。另一個V2X組件用作測試模塊，其BSM（Basic Safety Message）信息，如GSP位置和速度，由控制器B設置。V-Box是一個數據采集器，用于采集DUT的輸出數據包，它通過硬連線連接到筆記本電腦以太網。筆記本電腦用于收集數據，并將其保存為數據包捕獲文件，這些數據文件在后期處理過程中被解析。解析的數據包含位置、速度、加速度、航向、跟蹤和應用響應數據等。

測試示例：直道/低建筑物條件下FCW測試。

參數設置如下。

（1）道路/建筑物/反射系數場景：200 m直道/低建筑物/高反射條件，路徑衰落為94.5 dBm;

（2）車輛行駛速度：RV的速度為0 km/h，HV的速度為60 km/h;

（3）降雨量為150 mm/h，雨衰值為1 dB;

（4）電磁輻射特性：磁場強度為50μT，電場強度為30 V/m、50 V/m。

假設初始SNR分別設置為-4 dB、0 dB、4 dB、8 dB、12 dB、16 dB、20 dB、24 dB和28 dB，根據以上設置計算可得設定信噪比為-6.094、-2.094、1.906、5.906、9.906、13.906、17.906、21.906和25.906。

該測試方案能夠輸出通信性能參數和應用響應結果，該測試方案在中國汽研EMC暗室中進行了驗證性測試，證明了方法的有效性。

4? ?結束語

V2X相關應用的性能是汽車廠商和消費者非常關心的問題，也是科研領域的研究熱點，如何評價認證V2X相關應用功能已經成為智能網聯汽車市場化進程中必須解決的關鍵問題，本文從通信性能和應用表現兩個方面入手，分析了影響網聯類應用表現的通信因素，如信道擁塞、電磁干擾、多徑傳播、雨霧衰減和多普勒頻移等，并以之為基礎研究道路場景配置方法，將其用于指導暗室內測試環境配置，進而提出了暗室內測試方案。

V2X測試評估體系的構建依舊任重道遠，需要在跨行業深度融合、相互理解的基礎上展開研究，測試評估體系的合理性將直接決定智能網絡汽車上市后的用戶體驗和安全表現，必須謹慎對待，希望中國C-V2X市場化進程能順利推進。

參考文獻：

[1] 梁玉紅. 智能汽車研究與發展策略[J]. 電子技術， 2010（6）： 66-69.

[2] 卓義斌，繆照浜，高月紅，等. V2X技術發展歷程及應用研究[J]. 電信工程技術與標準化， 2016，29（2）： 20-23.

[3] 鮑海森. 淺析下一代車聯網V2X技術[J]. 信息技術與信息化， 2017（9）： 111-112.

[4] 闞旭. 車載網絡V2X系統若干工程設計關鍵問題的研究[D]. 長沙： 國防科技大學， 2016.

[5] TIAA&FuTURE. 智能網聯汽車基本應用白皮書[R]. 2016.

[6] Mcity. Mcity Test Facility[EB/OL]. [2019-09-22]. https：//mcity.umich.edu/our-work/mcity-test-facility/.

[7] NHTSA. Commercial Connected Vehicle Test Procedure Development and Test Results – Forward Collision Warning[Z]. 2016.

[8] SAE J2945-1：2016. SAE International. On-Board System Requirements for V2V Safety Communications[S]. Warrendale： SAE International， 2016： 127.

[9] J Lei， Q Han， Y Xu， et al. Semi-virtual Test for ICVs in Automotive EMC Laboratory[C]//2018 IEEE Intelligent Vehicles Symposium （IV）. IEEE， 2018： 43-48.

[10] Q Han， J Lei， L Zeng， et al. EMC Test for Connected Vehicles and Communication Terminals[C]//2018 IEEE Intelligent Vehicles Symposium （IV）. IEEE， 2018： 55-60.

[11] ISO 11451-2. International Organization for Standardization. Road vehicles—Vehicle test methods for electrical disturbances from narrowband radiated electromagnetic energy—Part 2： Off-vehicle radiation sources[S]. Switzerland： International Organization for Standardization， 2015： 25.

[12] SAE J551-17. Electromagnetic Compatibility （EMC） Standards. Vehicle Electromagnetic Immunity—Power Line Magnetic[S]. Warrendale： SAE International， 2015： 8.

[13] ITU-R P 838-3. International Telecommunication Union-Radiocommunication （ITU-R）. Specific attenuation model for rain for use in prediction methods， Recommendation[S]. Geneva： International Telecommunication Union， 2005： 8. ★