遠程操縱駕駛傳輸協(xié)議設計

崔平 湯鴻劍

（徐州工程學院信息工程學院（大數據學院） 江蘇省徐州市 221018）

1 引言

我國已度過5G 商用元年，從汽車產業(yè)角度看來，5G 在數據傳輸速度提升和延時降低方面，將升級到一個新的高度，它會對交通和汽車行業(yè)的轉型發(fā)展將產生深刻影響。對于未來中國智能交通而言，車載智能應用與車聯(lián)網是一片藍海，會成為未來國際競爭和資本涌入的焦點。為了銜接即將到來的自動駕駛技術，助力中國汽車產業(yè)智能化布局。在現有自動駕駛尚未成熟的情況下，遠程駕駛技術成為了人們開啟智能交通不可缺少的一環(huán)。

在出行方面，遠程駕駛有望成為普羅大眾經濟適用的出行技術，由于可以共享汽車、共享遠程駕駛員，一定程度上減輕設備維護成本，節(jié)省人力資源。在遠程駕駛車輛上人們可以休息、娛樂，極大的解放了生產力，對于整個社會而言都是一次效率革命。未來自動駕駛普及之后，遠程駕駛員可以為自動駕駛車輛保駕護航，在極端情況下可以幫助管控自動駕駛車輛，以避免交通事故，讓人代替計算機做出合理決策，從而讓自動駕駛技術避免“新電車難題”等倫理問題。遠程操縱駕駛相對比無人自動駕駛，具有更高的安全性與可操作性，對于一些危險環(huán)境下的細致操作，可帶來更大的效益，同時一個駕駛員可以負責多個車載終端。

遠程操縱駕駛依賴于通信網絡基礎設施，在遠程車輛和遠程駕駛員之間的連通性方面，在延遲和性能方面都提出了許多挑戰(zhàn)。遠程操縱駕駛系統(tǒng)可以視為一個毫秒級的實時系統(tǒng)，其協(xié)議不應當丟包重傳，且傳輸的延遲和丟包率要盡可能低。

2 設計思路

在實時傳輸中，要保證傳輸過程盡力可靠，在UDP 協(xié)議基礎上實施設計是一個較為合理的選項，只需在UDP 上做一層降低時延和控制擁塞的機制，實時性和時延效果會比TCP 好很多。由于廢棄了重傳機制，協(xié)議應該主動冗余報文，即同一個報文發(fā)送多次，以達到“即使有報文丟失，也能有報文到達”的效果。主動丟棄過期報文，可保證阻塞或冗余的報文延遲到達后不擾亂正常指令控制。協(xié)議的擁塞機制，基于BBR 對擁塞的定義，即當網絡鏈路上的報文數量大于BDP 時，就認為出現擁塞。采用BDP 作為“虛擬”發(fā)送窗口大小，以調整發(fā)送報文的周期PacingRate 以避免擁塞，且用以計算報文冗余數量redundancy 來保證不丟包。

3 過期報文丟棄

控制信息的傳遞需要保證當前車輛接收的指令是最新的，否則遠程車輛的駕駛行為與當前駕駛路況不匹配，將會出現嚴重的問題，因此報文應當具備時效性。

圖1：主動冗余流程圖

借鑒Time Out 思想，為保證每個報文盡量實時到達，不僅需要發(fā)送冗余報文，還需要為每個待接收報文設定生命周期。若報文生命周期結束，則該報文指令失效。在控制端為每一個報文編號，設1 到65535 為報文序號，當序號用完，自動重置為1。車載端每接收到一個報文后，會為下一個待接收報文設置計時器，假設生命周期為50ms。若在生命周期內，未收到待接收報文，則轉為接收下一個報文，并將計時器歸零。比如1 號報文到達，車載端計時器開始計時，如果2 號報文在50ms 內沒有到達，就放棄接收2 號報文，轉而為3 號報文計時。當然，這里的50ms 是當前網絡能達到的時延，根據具體網絡傳輸能力而定。

4 主動冗余報文

由于遠程操縱對實時的敏感性，重傳反而容易帶來過期數據，因此丟包時不應重傳，控制端會同時發(fā)送兩個以上相同的報文。這樣即便部分丟失其他報文也可按時到達。

如何確定發(fā)送冗余報文數量redundancy。一種可靠的冗余度調整方法是，假設相同報文為一組，接收方在10s 內，記錄各個報文組丟包事件的次數，并取最小值反饋給發(fā)送端。

式中：i 表示為10s 內不同報文組的序號（單位：個）。

主動冗余流程圖如圖1所示。

5 擁塞控制

車載端寫入測試信息并發(fā)送消息報文，通知控制端開始探測網絡參數。控制端發(fā)送測試報文，并等待對方報文，收到報文后，按默認參數redundancy=1 和PacingRate=20ms 發(fā)送報文確認，連續(xù)發(fā)送三組。同時，車載端異步地根據接收的消息報文，計算redundancy，轉發(fā)最后一個報文，都通過反饋報文發(fā)送給控制端。

為了防止網絡因大規(guī)模的通信負載而癱瘓，或因控制端和車載端網絡通信能力不對等而丟包嚴重，同時要能計算出redundancy 和PacingRate，需要網絡擁塞識別和發(fā)送控制機制，及時控制網絡上下行速率。

將擁塞與丟包解耦，采用對擁塞現象的新定義：只有當網絡上的報文數量大于BDP 時，系統(tǒng)才認為當前網絡鏈路出現了擁塞。為保證實時性的同時做到盡量可靠傳輸，采用BDP 作為發(fā)送窗口大小，調整發(fā)送報文的周期PacingRate 以避免發(fā)送過程擁塞。

由于要對網絡環(huán)境實時監(jiān)控才能計算其BDP，首先關心的參數是RtProp（Round-trip Propagation，物理鏈路時延）。真實的RtProp 是難以計算的，可以通過RTT（Round Trip Time，往返時延）求得其近似值。由于發(fā)送端并發(fā)發(fā)送多個相同報文時，可以視為同時在t0 時刻發(fā)送，并為該組報文打上時間戳。假定同時發(fā)送的報文，沿同一鏈路發(fā)送，則在理想情況下報文同時發(fā)送，也應同時收到，但現實并非如此，原因是OtherDelay，即報文發(fā)送時延、排隊時延、處理時延等因素。接收端收到第一個報文，開始計時，收到第二個報文后，計時結束得到td，數值近似于OtherDelay。若未收到第二個，卻收到了第i 個報文，則以此類推。

在上課之前，教師要制定合理的教學計劃，結合教材內容解讀教學目標，最好是提前一周就制定好教學方案.在集體備課之前，備課組長要規(guī)定教師個人準備的內容.

式中，OtherDelay 表示其他時延，（單位：ms）；

td 表示接收端收到第一個報文與后一個報文的時間間隔（單位：ms）；

每次接收到一組新報文，就更新OtherDelay。每過一定時間，接收端收到該組最后一個冗余報文后，分別將OtherDelay、redundancy 與最后一個報文，轉發(fā)給發(fā)送端。發(fā)送端收到立即記下時間t1，并識別該報文，得到OtherDelay 與t0。RtProp 需要減去發(fā)送周期PacingRate 與OtherDelay，才是真實的網絡往返時間，于是得出RTT 與RtProp。

圖2：反饋報文結構

圖3：消息報文結構

由于發(fā)送端已知發(fā)送的相同報文數量PacketNum 和報文長度PacketSize，但這樣算出的帶寬并不準確。同一時間的Bandwidth和RTT 不可同時測出，要得到時延的準確數據，就必須排空網絡鏈路緩存區(qū)，其他鏈路的流量盡量少，但因此帶寬會變低。要取得準確的帶寬大小，就需要不斷發(fā)送報文占滿整個鏈路的緩存區(qū)，這種狀態(tài)下時延又會偏大。在此處采用修正參數AdjustSize，用以增大帶寬估計值，進而得到接近當前網絡狀態(tài)的發(fā)送窗口大小。AdjustSize 參數初值為1，每次對AdjustSize 的修正都會保留，若本次時延高于上次，則AdjustSize 擴大為原來的4 倍；若本次時延低于上次，則AdjustSize 縮小為原來的0.88 倍，不難得出帶寬時延乘積BDP。

式中，BW——表示Bandwidth，帶寬，（單位：Mbps）；

為了得到PacingRate，需要知道發(fā)送窗口的大小CWND。

不需要ACK 報文，發(fā)送端計算出發(fā)送窗口大小后，得到PacingRate。

綜上所述，通過redundancy 和PacingRate 的計算過程確認報文的冗余數量和發(fā)送頻率，首次使用時將redundancy 初始化為1，PacingRate 初始化為20ms，控制端與車載端相互配合。

6 協(xié)議字段設計

基于前文的傳輸機制，反饋報文設計格式如下：

反饋報文總長度為5 字節(jié)；序號為16 位，將無符號整數0x0000 視為反饋報文的標識序號；冗余報文數量為8 位無符號整數，范圍在0～255，在默認為1 個報文基礎上增加，即可發(fā)送1～256 個相同報文。每10s 后，得出該時間段內的最小redundancy（與報文組大小偏移量數據機制一致）；其他時延為2 字節(jié)雙精度浮點數，附帶最新的OtherDelay。反饋報文結構如圖2所示。

消息報文設計格式如下：

消息報文長度為521 字節(jié)；報文序號為16 位，為無符號整數，范圍在1～65535；同組序號一致，且一組報文發(fā)送完畢后，自動遞增，序號到達65535 時重置；報文組大小偏移量為1 字節(jié)無符號整數，范圍在0～255，在默認為1 個報文基礎上增加，即可發(fā)送1～256 個相同報文；組內序號同為無符號整數，1 字節(jié)大小，范圍在0～255；顯然，同一組內，報文按發(fā)送順序編號，組內最多有256 個不同序號（0～255）。時間戳長達16 位，能滿足到毫秒級。報文內容大小最大為518 字節(jié)，實際大小根據傳輸UDP 套接字時根據數據大小設置，消息報文結構如圖3所示。

7 網絡預警

網絡預警本質是在協(xié)議層獲取報文的數據，計算時延與丟包，這對兩個終端的用戶極為重要。有了上面算法的基礎，預警策略就不再困難。對于車載端而言，它只需要在收到報文計算反饋報文的過程中，獲取前后兩個包的間隔時間、已經丟失報文數目。而對于控制端而言，它通過車載端發(fā)送的反饋報文和轉發(fā)報文，計算報文發(fā)送頻率和報文冗余度，在此過程中就已包含了RTT 和丟包數量的計算。兩個終端通信開始時設置參數，用戶按對網絡的需求，規(guī)定兩報文以多大間隔發(fā)送，有多少丟包數目才構成網絡問題，向終端用戶預警即可。

8 結論

本文講述了遠程操縱駕駛系統(tǒng)傳輸協(xié)議設計，一方面，遠程駕駛協(xié)議彌補了遠程駕駛控制傳輸協(xié)議的空白，以期達到了高頻率、低時延傳輸的要求，在另一方面，它解釋并控制網絡的狀態(tài)，降低鏈路往返時延，提高網絡穩(wěn)定性，自動調整發(fā)送頻率。