C-V2X外場大規模測試床設計及測試*

曾令秋，王勇，祖暉，陳新海，王博思，韓慶文

（1.重慶大學，重慶 400044）2.重慶車輛檢測研究院有限公司，重慶 401122）

0 引言

外場測試是C-V2X商用化進程中不可或缺的重要環節[1]。自C-V2X技術提出以來，業界和學術界針對測試認證方法展開了大量研究，但依舊無法突破行業壁壘，即汽車行業與通信、軟件行業的測試認知差異。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[2-3]，因之而產生了更加嚴重的行業誤解，即測試指標體系的分割化，車企和交通行業對通信指標的要求極度苛刻，如要求傳包率達到99.999 99%，而通信行業并無絕對的把握保證C-V2X系統能夠無差異滿足此類通信指標，進而表現出嚴重的需求不匹配，阻礙C-V2X前裝及市場化進程。

幸而汽車行業與通信行業對C-V2X測試方法的認知大致一致，即希望通過外場測試驗證C-V2X應用有效性[4]，但截至目前仍未有權威測試方法發布，汽車行業在V2X測試中沿用了智能駕駛系統的測試方法，以應用觸發表現為評價依據，但由于缺乏對通信行業的理解，其測試設計包括測試主車（HV,Host Vehicle）和測試遠端車（RV,Remote Vehicle）[5]，而與實際道路場景相去甚遠；與之相反，通信行業關注的是通信指標，如路側單元（RSU,Roadside Unit）的覆蓋范圍問題[6]，缺乏對應用響應需求的深入研究。

我們認為，解決此問題的可行途徑是設計一種能兼顧通信性能測試和應用性能測試的大規模測試床，因此本文提出了一種測試床設計方法，并分析實際測試結果，可望為C-V2X大規模測試驗證體系的構建提供理論和技術參考。

1 大規模測試需求分析及技術方案

C-V2X模組搭載到智能車，為用戶提供交通安全類（Safety）、交通效率類（Traffic Efficiency）和信息服務類（Infotainment/Telematics）服務[7]。目前OEM主機廠對基于C-V2X的交通安全類應用表現出明顯的信心不足，主要原因是交通安全類應用與行車安全密切關聯，可能因應用表現不佳導致安全類事故，不僅會影響OEM廠商的商業聲譽，因之引起的法律糾紛也會造成效益損失和大量復雜法律事務[8]。

顯而易見，大規模測試是驗證智能車性能表現的有效方法，盡管汽車、通信和交通行業對此已有共識，但并未就測試方法達成一致性意見，行業壁壘依舊難破。

我們認為，設計大規模測試方法必須基于應用響應機理展開，即需分析應用響應失效原因。

導致C-V2X應用失效的原因有三：

（1）信息交互失效，即通信失效：因通信質量不佳導致信息傳輸失敗，使得主車（HV,Host Vehicle）無法即時獲得遠車（Remote Vehicle,RV）發送的數據包。一般而言，導致通信失效的主要原因包括：1）局部車輛密度過大，2）因此信道條件不佳引起的大尺度衰落；3）因極端氣候條件，如暴雨、暴雪導致的傳輸路徑損耗過大[9]。

（2）信息處理失效：因接收的數據包過多而導致的計算負荷過大，本地計算模組計算時延超過應用響應時延容忍范圍。

（3）響應算法失效：因應用響應軟件設計不合理導致的響應失效。

信息處理失效和響應算法失效將直接導致應用響應失效，其中算法響應失效屬軟件測試范圍，外場測試不具備優勢，因此本文中應用響應失效僅考慮信息處理失效，相關測試方法也將圍繞信息交互失效和信息處理失效展開，前者關注通信相關參數，后者則關注應用響應表現。

具體技術路線如圖1所示：

圖1 技術路線

如圖1所示，本文測試方法包括兩個關鍵點，即通信環境生成和應用環境生成。

（1）通信環境生成

此處考慮了三種常見的道路場景：高速公路，城市道路以及鄉村公路。基于以上道路場景道路類型，影響V2X通信的主要因素可以分為兩大類：通信因素以及環境因素。通信因素主要包括車輛密度和多普勒頻移，環境因素主要包括天氣條件、路徑損耗和建筑物特性[10]。通過以上分析把道路情形對V2X通信的影響因素分為了五大類。再根據實際道路的情況（考慮不同道路的限速情況等）建立場景庫。在不同場景庫中的不同測試場景應用于V2X測試系統的過程即是將各個通信以及環境因素的影響映射為測試配置參數的過程。在測試系統中，節點模擬了特定場景下的車間通信，主要通過控制可控的參數（節點的信息發送功率、發送速率以及開啟節點數目）來模擬場景。環境節點的消息類型可以選擇，可以是發送BSM信息，也可以是自定義可變長度消息，環境節點消息內容與收發控制配置參數在測試開始時一次性下發到參與節點，測試過程中環境配置不會發生變化。

（2）應用環境生成

在應用環境的生成中，以典型安全類V2X應用為測試系統的應用場景庫，幾乎所有安全類應用都基于BSM。在不同的應用測試中，HV的運動狀態及BSM消息內容由其實際狀態決定；RV可能為1個或多個，其運動狀態也可能為靜態或動態。測試配置生成完成后，應用相關參數發送至應用模擬器進行應用測試過程中的信息生成。在應用模擬器配置成功后，任務開始執行，應用模擬器會生成對應RV(s)的BSM消息內容并下發到測試系統，其模擬數據將在測試過程中不停動態注入到相應節點中。

2 大規模測試系統設計

2.1 技術架構

本文系統技術架構如圖2所示：

圖2 V2X外場測試系統技術架構圖

如圖2所示，系統架構由三部分組成：V2X測試平臺、靜態節點、待測節點。高車輛密度將會帶來較高的競爭和干擾。對于車輛密度引起的競爭，通過控制通信節點的密度以及發送速率來控制模擬車輛的密度；對于車輛密度引起的干擾，通過控制干擾節點的密度，發送功率和發送速率來控制模擬車輛的干擾強度。為了能最真實地產生一個高車輛密度的信道干擾環境，在道路兩側均勻鋪設環境節點，以模擬不同規模的車間通信。路側環境節點通過功率控制以及安裝衰減器等手段可以作為測試中的通信節點或者干擾節點工作，影響V2V通信中的競爭或者SNIR的大小。同時路側環境節點也可以作為RV模擬設備，發送虛擬RV的BSM或其他應用消息。為了實現測試的自動化，所有節點通過有線連接到中央控制服務器，服務器作為整個測試系統的中央設備，實現節點以及任務的狀態監測和控制，測試流程的調度和控制，以及數據的存儲、收集、分析工作，并提供操作人員GUI操作界面。待測設備是各不同廠家的OBU設備，作為測試對象置于場地，搭載于車輛中，可以在道路上進行靜態測試或者動態測試。根據配置，待測設備可作為發送或者接收節點。

2.2 測試系統框架

本文設計了如圖3所示的系統架構：

圖3 V2X外場測試系統框架圖

該系統包括以下幾個模塊。

（1）BackGroundTasks模塊

此模塊主要實現節點上線，當節點上電后，作為客戶端會攜帶設備信息（如IP以及MAC地址）自動向服務器發送上線請求。服務器接收節點上線請求并驗證后為其分配編號及位置信息、綁定所屬測試路段（測試場景），而后將其加入到系統中；場景的注入，其中包括通信環境生成器和應用場景生成器的場景注入；任務狀態的控制，由于測試系統是一個分布式控制系統，對于任務狀態（包括任務的配置、開始、暫停、恢復、終止）等的控制，需要考慮多個節點的狀態與整體任務的一致性；實時數據的分析，測試系統不僅為測試提供了所需的通信環境，模擬了應用測試過程，同時也收集測試中的通信數據進行實時分析。

（2）Django模塊

此模塊主要提供VueJs模塊、BackGroundTasks模塊以及其他外部系統的接口；存儲在測試過程中各個節點產生的通信包；提供對于數據的管理；在整個測試過程完成后，根據底層節點回傳的實時信息、注入的不同場景等因素產生測試報告。

（3）VueJs模塊

此模塊主要提供一個良好的用戶操作頁面，此模塊主要實現通信場景的構建，實現對通信場景庫映射的參數的設置；根據用戶的任務配置進行任務控制，包括任務執行、任務取消、任務暫停、任務繼續等狀態維護；實時數據的顯示，對于BackGroundTasks模塊分析產生的實時數據進行可視化；對于任務的報告提供瀏覽與下載等功能。

（4）rabbitmq模塊

此模塊主要提供VueJs模塊與BackGroundTasks模塊的數據交互，實現對于節點上電后信息的傳輸，為實時數據的傳輸提供通道。

對這些組件之間的工作流進行如下描述：測試系統由VueJs、BackGroundTask、Django以及RabbitMQ四部分組成。任務開始時前端VueJs將任務信息通過Websocket傳送到RabbitMQ消息隊列，BackGroundTask從RabbitMQ消息隊列中獲取任務配置信息并下發給節點。節點執行任務過程中實時回傳數據包信息給BackGroundTask，BackGroundTask一方面將數據包信息發送給Django，保存到數據庫中，另一方面基于數據包做實時數據分析，并將分析結果放入RabbitMQ消息隊列，前端VueJs通過websocket獲取RabbitMQ消息隊列實時信息并展示給用戶。

2.3 測試流程與控制方案

測試流程與控制方案如下所示：

（1）步驟一：V2X測試系統初始化

測試系統在初次使用時需要進行初始化，其中最重要的環節是場景建立和節點上線。在測試場地中可能需要在不同的測試路段搭建測試系統，以模擬不同的測試場景，如高速路直道、城市道路直道、城市道路十字路口等。不同測試路段的測試系統以及其下節點互相獨立。當節點上電后，作為客戶端會攜帶設備信息（如IP以及MAC地址）自動向服務器發送上線請求。服務器接收節點上線請求并驗證后為其分配編號及位置信息、綁定所屬測試路段（測試場景），而后將其加入到系統中。

（2）步驟二：通信與應用聯合測試配置

一個測試任務部署包含兩個重要過程，即測試通信環境的生成以及應用測試過程的模擬，分別由通信環境生成器和應用模擬器控制。

通信環境生成器生成環境節點的配置可調用通信場景庫的配置，也可以手動選擇各環境變量的等級進行配置。通信場景庫是特定道路下的各種典型惡劣場景的配置集合，可方便地進行一鍵配置。手動配置時，則要選擇道路環境、節點分布、天氣環境、車輛密度、建筑物高度等環境條件，各條件之間有一定的邏輯約束，例如，天氣情況以及車輛密度情況將間接決定車輛速度，從而影響多普勒效應引起的信號衰減。對于選擇的條件，后臺系統自動進行邏輯計算，如根據選擇的建筑物高度計算路徑損耗，最后得到已選節點的配置，主要控制的參數為環境節點的拓撲結構、消息發送功率、消息發送速率等收發控制參數。

環境節點的消息類型可以選擇，可以是發送BSM信息，也可以是自定義可變長度消息，環境節點消息內容與收發控制配置參數在測試開始時一次性下發到參與節點，測試過程中環境配置不會發生變化。

在應用測試模擬中，HV與RV之間的模擬通信距離可以通過控制RV的發送功率來調節，而應用響應所依賴的車輛相對位置則可以完全通過BSM中的車輛位置及加速度等信息進行模擬。在不同的應用測試中，HV的運動狀態及BSM消息內容由其實際狀態決定；RV可能為1個或多個，其運動狀態也可能為靜態或動態。RV(s)以及環境節點具體發送的BSM消息內容由應用模擬器生成。

（3）步驟三：任務狀態控制

由于測試系統是一個分布式控制系統，對于任務狀態（包括任務的配置、開始、暫停、恢復、終止）等的控制，需要考慮多個節點的狀態與整體任務的一致性。因此，節點與服務器之間的任務控制需要建立確認機制，只有當任務下的所有參與節點都成功接收下發的任務配置或者根據狀態更改指令開始/停止信息收發且返回確認，任務控制才算成功。

（4）步驟四：任務執行中的實時數據收集與分析

本V2X測試系統不僅為測試提供了所需的通信環境，模擬了應用測試過程，同時也收集測試中的通信數據進行實時分析。在測試進行中，測試系統能夠收集的有用數據有兩類：1）系統內環境節點的通信數據；2）待測設備（HV）及RV(s)的通信數據。

3 外場實測及測試結果分析

3.1 測試系統

本文測試系統部署在重慶車輛檢測研究院下屬機動車強制檢測中心，目前部署規模為8個物理節點，可模擬40個實際節點并發，如圖4所示：

圖4 C-V2X外場測試系統

本文大規模測試系統能夠模擬不同節點密度，結合測試場地理特性，構建LOS場景和NLOS場景，測試相關通信指標及應用響應特性。

3.2 測試結果及分析

本文大規模測試系統于2020年4～6月間進行了外場實測，測試了由兩家Tier1廠商提供的C-V2X待測盒子（DUT）。

（1）通信測試

通信測試包括兩個地理測試場景，即LOS場景和NLOS場景。

1）LOS場景

LOS場景測試部署如圖5所示：

圖5 LOS場景測試部署

測試設置如下：

◆測試距離：HV、RV初始距離1 km，RV靜止，HV按測試距離逐漸接近RV，測試距離為50/100/150/200/300/400/500/600/700/800/900/1 000 m；

◆測試床節點發包速率：10 Hz、20 Hz和30 Hz

測試結果如圖6所示。

測試結果顯示兩家Tier1廠商提供的DUT可靠通信距離分別為1 000 m和800 m，丟包率和時延均受節點密度影響。測試床密度節點不發包時，傳包率可達100%，但隨著密度節點數增加，丟包率上升明顯；時延表現則波動較大，但依舊呈上升趨勢。

圖6 LOS場景測試結果

2）NLOS場景

LOS場景測試部署如圖7所示。測試設置如下：

◆測試距離：HV、RV 初始距離300 m，RV靜止，HV 按測試距離逐漸接近RV，測試距離為50/100/150/200/300；

◆測試床節點發包速率：10 Hz、20 Hz和30 Hz。

測試結果如圖8所示。

如圖8所示，DUT傳輸質量受遮擋障礙物影響較大，丟包率和時延較LOS場景均有明顯惡化。

（2）應用測試

應用測試以前撞告警（FCW,Forward Collision Warning）為例進行說明。

測試設置如下：

◆場景說明：RV駐停于HV同一車道正前方距離150 m處，HV以50 km/h速度向RV方向行駛；

◆測試床節點發包速率：10 Hz、20 Hz和30 Hz。

圖7 NLOS場景測試部署

圖8 NLOS場景測試結果

測試結果如表1所示：

表1 應用測試結果

如表1所示，在不同測試床發包速率條件下，兩種DUT的TTC值均滿足標準要求，即大于TTC門限值2.1 s，應用測試結果表明，丟包率與時延指標不佳時，應用響應依舊能夠滿足設計要求，即可適當放寬通信指標要求。

4 結束語

C-V2X測試認證體系構建的合理性將直接決定其商業化進程的推進速度，而測試認證指標必須基于其對相關應用響應的影響因子確定，盲目追求高指標不僅不切實際，還會導致OEM前裝率不足。通信、應用分割測試方式有利于厘清應用失敗原因，使得OEM廠家及Tier1能夠及時發現問題、改進設計。

本文設計的大規模測試床已經過試驗測試，測試結果表明C-V2X節點能實現1 000 m距離的可靠連接，盡管節點密度對通信參數，如丟包率、時延影響明顯，但對應用響應影響并不顯著，即使通信表現差強人意，應用系統依舊能夠正常響應，因此無需對通信可靠性要求過高，我們認為此測試結果對于后期相關指標參數的確定具有非常重要的價值。