用于無人駕駛車輛的可靠無線數傳系統

摘要：

利用意法半導體公司的STM32微處理器和兩片射頻芯片設計了用于無人駕駛車輛的無線數傳系統。首先通過兩片工作在不同頻率的射頻芯片，以兩個不同的載波頻率實現信息的并行收發，大概率降低了信道干擾;其次每片芯片內部再利用跳頻技術，進一步降低了干擾的可能，進一步提高通信的成功率;然后利用微處理器自帶的對稱加密算法實現了準簽名系統，保證了數據的完整性和信息的安全性;最后，測試統計分析驗證了數傳系統的可靠性和合理性。所設計的通信系統，易于實現，成本低而且可以實現安全可靠的通信。該方法也可以用于對通信可靠性要求較高的其它數傳系統中。

關鍵詞：

跳頻技術; 高級加密標準; 數傳系統; 無人駕駛汽車

中圖分類號： TP919

文獻標志碼： A

Reliable Wireless Data Transmission System for Driverless Vehicles

ZHANG Miao

（Research and Development Center of ZTE Co. Ltd.， Shanghai 201203， China）

Abstract：

In this paper， STM32 microprocessor and two radio frequency chips are used to build a wireless data transmission system for driverless vehicles. First of all， through two pieces of radio frequency chip operating at different frequencies， two different carrier frequencies can be used to achieve the parallel transmission and reception of information to reduce the channel interference. Secondly， the internal use of frequency hopping technology within each chip further reduces the frequency conflict， and further improves the success ratio of communication.Thirdly，the quasisignature system is realized by the symmetric encryption algorithm of microprocessor， which ensures the integrity of the data and the security of communication. Finally， the reliability and rationality of the data transmission system are verified by the statistical analysis. The communication system designed in this paper is easy to realize and low cost， and the communication is safe and reliable. The proposed method can also be used in other data transmission system which requires high communication reliability to improve the reliability of information transmission.

Key words：

frequency hopping technology; advanced encryption standard; data transmission systems; driverless vehicle

0引言

無人駕駛汽車依靠車內的智能駕駛儀實現自動駕駛。從上世紀70年代開始，西方國家就開始了無人駕駛汽車的研究。近年來國內也有很多研究機構參與其中，并取得長足進步[1]。自動駕駛技術中，第五級是無人駕駛的終極目標[2]。目前，各實驗機構在測試時，都會用真實汽車作為實驗對象。由于測試車輛自重大（1.5噸左右），速度快（高到80 KM/H），所以實車測試非常危險。為了保證測試人員的安全，在實驗時車上可以不乘坐駕駛員。但該方式需要借助無線電實現遠距離監控，對信息傳輸的可靠性提出了嚴苛的要求。

為了解決無線通信中的可靠性難題，數傳系統的研究主要分兩個方向，一是借助電信公司的蜂窩網;二是應用新的通信技術。目前我國公共無線通信網絡建設比較完善，文獻[3]提出利用2G和3G通信系統代替數傳電臺的可行性。但這種方式有諸多弊端，比如會產生通信費用;每個地區蜂窩網的密度和通信質量不一致，導致難以實現全地形的無人車測試。

利用新的信息技術提高數傳的可靠性是更可行的方法。為了保證通信的可靠性，一種新的抗干擾通信體制——跳頻通信系統[4]便應運而生，它通過在短時間內轉移通信頻點來達到規避干擾的目的，可以很大程度上提高通信的可靠性。移動通信中GSM、BLUETOOTH中都應用了該技術。跳頻通信技術具有很強的抗干擾、抗衰落、抗截獲能力以及可多址組網等優點，在現代軍事通信、民用移動通信、雷達及聲納等電子系統中獲得了廣泛的應用[5]。文獻[6]利用交織技術構造最優跳頻序列和最優跳頻序列族。文獻[7]詳細的比較了碼分多址和跳頻技術的優缺點，并給出軍事通信中的應用案例。

文獻[8]設計了一款短距離無線通信控制系統。該系統采用A7105無線傳輸模塊，通過STM8S控制塊發送端與SN8F接收端來實現控制芯片之間進行2.4 GHz無線通信，并能夠一點對多點的短距離無線通信。系統傳輸距離可達20米以上。文獻[9]從硬件設計和軟件開發兩方面闡述了采用數字信號的無線數傳電臺的開發方案，提出了基于dPMR（digital private mobile radio）標準數傳電臺的系統架構與實現、OS任務模塊設計以及相關通信協議制定等內容。文獻[10]對跳頻序列進行了深入的研究，給出了幾類具有優良性能的跳頻序列（族）。并表明構造三類跳頻序列族均具有（次）最優的漢明相關特性。文獻[11]提出了一種基于演化DES（Data Encryption Standard）的安全跳頻序列設計方案，提高了抗差分攻擊和線性攻擊能力。通過對跳頻序列的多項性能進行測試，測試結果表明跳頻序列不僅通過了測試，而且在安全性、均勻性、相關性、線性復雜性和隨機性等方面獲得了較大的改善。文獻[12]對基于攻擊樹模型對數傳電臺傳輸的安全性進行評估。

在前人研究工作的基礎上，本文構造雙頻通信的數傳系統，并在每個主頻點附近利用跳頻技術，極大地提高通信成功的可能性。另外利用芯片自帶的對稱加密系統實現了準數字簽名的驗證，保證了信息的安全性。下面從硬件設計、通信協議和實驗和總給三個方面分別介紹。系統整體架構圖，如圖1所示。

1硬件設計

對于點對點的數傳通信系統，好的設計方案，首先保證結構簡單易于實現，其次硬件成本要低。復雜的碼分多址和多輸入輸出天線方法，因為技術難度和成本太高，目前難以應用到數傳系統中。跳頻通信因為其抗截獲、抗干擾能力都很強，是數傳電臺主要借鑒的技術。

由于頻率資源有限，目前分配給數傳電臺的頻率為315 MHz/434 MHz/2.4 GHz。2.4 GHz只適合5米內的短距離設備，不滿足本文設計要求。433 MHz的波長短、方向性強些、穿透能力強。315 M的天線較長，但繞性能力好。

本文選用Silicon Laboratories的SI4463芯片，該芯片具有低功耗、遠距離、高傳輸速率等特點。芯片主要參數為：頻率：1191 050 MHz;發射功率：+20 dBm，100 mW;接收靈敏度：-126 dBm;通訊速率：123 0001 Mbps。基于此芯片的模塊SI4463TR4GC，可以實現空曠地帶1 Km范圍內的通信。但該產品要么工作在315 MHz（305～425），要么在433 MHz （423～433）附近，才能保證有效增益。系統所用微處理器為意法半導體公司的STM32F100RC，其有64腳、3路SPI、工作頻率為72 MHz。

最理想的方式是利用每個頻率的優點，實現廣譜可靠通信。事實上，設計大頻率范圍，且每個頻率都有理想增益的系統，幾乎不可能。為了保證通信的可靠性，本文采用兩片支持跳頻的模組SI4463TR4GC，一個工作在315 MHz附近，另一個工作在433 MHz附近。接收方和發送方的結構完全一樣。要發送的數據通過兩個獨立且不干擾的信道同時發出，接收方的兩個信道也同時接收，任何一個信道收到正確的信息，標志通信成功，該方法通過兩個并行信道的收發，最大限度地保證通信的可靠性。

所設計系統的部分原理圖，如圖2所示。

圖2中UA為微處理器STM32F100RC;UB和UC是兩片SI4463TR4GC;系統通過USB供電并實現和主機的通信;S為常開開關，實現急停功能模擬。其他GPIO口完全開放。

2通信協議

2.1頻率跟蹤策略

跳頻器是跳頻系統的關鍵部件，而跳頻同步則是跳頻系統的核心技術。隨機跳頻可以提高安全性和抗干擾能力，但接收端跟蹤頻率需要大量的計算和嘗試。為了降低計算量，本文通過軟件方法實現頻率的快速跟蹤。文中設計了信道權重更新列表，并定期的把該列表下發到接收端，接收端根據此列表中的有效信道指示依次嘗試，從而實現頻率的快速跟蹤。

系統啟動時，所有子信道的權重為初始值。如果某次通信中，所用信道不能成功收發數據，系統會給當前子信道的權重減1。系統每五分鐘為一個統計周期，統計所有子信道的權重，如果某信道的權重小于一定閾值，則更新列表中，對應的值設為0，否則是1。接收端收到該列表后，自動跳過值為0的信道。該方法降低了頻率跟蹤的復雜度，使接收方可以盡快鎖定發送頻率，保證了通信的實時性。

2.2通信加密方法

為了確保信息的正確接收，正常的做法是明文加上摘要一起發送。如果消息被篡改，接收方會發現計算出的摘要不同，從而保證了消息的完整性。如果用STM32實現MD5（MessageDigest Algorithm）摘要算法，需要較長時間，無法保證通信的實時性。STM32芯片內部實現了AES（Advanced Encryption Standard）加、解密算法，計算速度非常快。如果用對稱加密作為摘要，當接收方發生抵賴行為時，無法判定此種糾紛。但在點對點的數傳系統中，接收方不可能主動發出數據而發生抵賴行為。所以可以用MCU自帶的對稱加密算法得到摘要，保證消息的完整性。

2.3通信協議設計

發送方通過兩個信道發送兩份相同的數據，接收方中的任何信道正確接收收據后，用原來信道把數據原封不動的返回，這樣減少了接收方的計算量。

對接收方而言，需要驗證收到的信息是否被完整。如果收到信息的目的地址和自己的地址相同，則調用AES解密通信內容中的后16個字節，如果解密內容和消息的前16個字節相同，則認證通過表示信息沒有被篡改或者被偽造。任何一個信道收到合法的信息，只要對比正確消息的密文和另一通道的密文就能判斷另外一個通道是否也接收正確，這種方式使得接收方只需要解密一次，便可實現兩個通道消息的驗證。任意一個信道接收的消息正確完整，則用接收的信道發回收到的消息。如果主站收到的信息和發出相同，表明信息發送正確，如果接收超時，則給該信道的權重減1。

通信協議包括信息的廣播，接收端的應答以及信道權重更新三個方面。所有協議格式的定義，如表1所示。

3總結

單個射頻模組的市面售價不到10元人民幣，本系統通過使用兩個射頻模組，成本增加可以接受。

經測試，系統所用的MCU調用AES128加密算法，加密16字節數據需要53.2微秒，解密16字節密文需要54.8微秒。每個模塊可以工作在中心頻率正負10 MHz的有效范圍，設每個子信道的寬度為500 kHz，則每個模塊各設置40個子頻道。本文中有效數據幀長度為32字節（256比特），設定的空中數據速率為500 K比特每秒，則發送延時為0.512 ms。MCU的中斷響應時間為1 us，加密/解密16字節約用55微秒，算上程序的處理時間，正常情況下，主站發出信息到接收到信息的總延遲小于1.5 ms。因此設接收超時時間為2 ms，意味著如果信道被干擾，系統2 ms后切換新的信道重新發出數據。

當通訊距離小于1 Km時，在不同的地域測試50次。實驗表明，本文設計系統通信的平均延時為3 ms，最大延時6 ms。當無人駕駛汽車時速為120 KM/H時，最壞情況下發出的通信數據，在車運動約0.2 m后收到，滿足無人車運行的實時性和安全性需求。

本文系統的可靠性主要通過如下幾個方面得以保障，首先通過每片工作在不同的頻率實現信號冗余傳輸，極大提高了通信成功的概率;其次通過信息加密和驗證，保證數據的可靠傳輸。此外，文中設計的協議在增加通訊模塊增加時，并沒有增加額外的計算量;文中的有效頻率列表廣播設計也減小了頻道搜索的延時。綜上所述，本文設計方法所構造的系統以很小的計算量實現了雙頻率的冗余工作，所設計系統也可以用于其他可靠性要求高的通訊場合。

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（收稿日期： 2019.12.10）

作者簡介：張苗（1983），女，碩士，工程師，研究方向：無線通訊技術。

文章編號：1007757X（2020）08010803