封閉測試場條件下多模式車聯網通信性能測試與驗證

中圖分類號：U467.3 文獻標志碼：A DOI：10.20104/j.cnki.1674-6546.20240266

【Abstract】Three types of IoV communication network test platforms of the 5th Generation mobile communication technology（5G），EnhancedUltraHigh Throughput （EUHT）andLong-TermEvolution-VehicletoEverything（LTE-V2X）are constructedbasedontheclosedtestfield.Andfour testscenariosaredesigned，includingthefull-fieldperformancetest， dynamicandstaticperformancetest，Vehicle-to-Infrastructure （V2I）communicationperformancetestandVehicle-to-Vehicle （V2V）communication performance test.Communicationdelay，datapacketdeliveryrateandthroughputareusedas evaluation metrics toverifyandcomparativelyanalyzetheperformanceof theabove threecommunicationnetworks intypicalapplication scenarios，suchasvaryingcommuicationdistancs，diferentvehiclespeeds，V2Icommunicationuplink，downlinkandhbrid transmissionandend-to-endV2Vcommunication inreal-vehicletests.Testresults indicatethatthethreeabovenetworks generally satisfytherequirementsof IoVapplications in dynamic traffc environment，among which 5G demonstrates the superiorperformance，followedbyEUHT，butintermsofdeploymentcostandcomplexity，LTE-V2Xhasasignificant advantage.

Key words： Internet of Vehicle （IoV），Closed proving ground， Communication testing，5th Generation mobile communication technology （5G），Enhanced UItra High Throughput （EUHT）， Long-Term Evolution-Vehicle to Everything （LTE-V2X）

【引用格式】何佳浚，胡明川，石茂恒.封閉測試場條件下多模式車聯網通信性能測試與驗證[J].汽車工程師，2025（5）： 36-42. HEJJ，HUMC，SHIMH.Performance Testing and Verificationof Multi-Mode IoVCommunication ina Closed Proving Ground[J].AutomotiveEngineer，2O25（5）：36-42.

1前言

車聯網的本質是利用現代無線通信技術實現人、車、路、云之間的協同，基于車聯網技術的典型應用，如自動駕駛、輔助駕駛、多媒體信息服務等，可以有效提升交通效率、減少交通事故。車聯網技術并非在蜂窩時代誕生，國際上較早前就能夠利用基于IEEE802.11p協議的專用短程通信（DedicatedShortRangeCommunication，DSRC）技術實現車輛間的信息交互，然而，基于DSRC技術研發的車聯網應用受制于傳輸距離和基礎設施投入等因素，因此車聯網技術逐漸轉變為由基于第三代合作伙伴計劃（3rd Generation PartnershipProject，3GPP）（R14、R16）協議的蜂窩車聯網（CellularVehicle-to-Everything，C-V2X）技術支持[l，包括基于長期演進的車聯網（Long-Term Evolution-Vehicle toEverything，LTE-V2X）和基于第五代移動通信技術的車聯網（5thGeneration mobilecommunicationtechnology-Vehicleto Everything，5G-V2X）。此外，基于IEEE802.11ac網絡協議的增強型超高吞吐（Enhanced Ultra High Throughput，EUHT）技術因具備高可靠、低時延、大容量和高速移動適應性的特性，在我國軌道交通、機場沿線等場景中發揮著重要的通信支撐作用2。為了促進基于車聯網技術研發的基礎設施、裝備應用在智能網聯汽車領域進行大規模部署，以及保證智能網聯汽車在各種交通環境下均能安全、可靠、高效運行，對車聯網通信性能進行多模式測試與驗證是不可或缺的重要環節[3]。

現有研究針對采用不同通信協議的車聯網技術的通信性能開展了仿真測試、實車測試、對比測試。王潤民[4、Abdulhamid[5]、 、Chen等采用Veins、NS-2、MATLAB等仿真軟件對DSRC技術的通信性能進行了仿真測試。Murray等針對LTE-

V在車輛協同服務類應用上的表現開展了仿真測試研究。劉丁貝等基于封閉測試場構建了豐富且典型的車聯網應用場景，實車分析了速度、距離、遮蔽物等因素對DSRC技術通信性能的影響。Wang等基于封閉測試場設計了一種針對V2X功能性的測試系統及方法。張心睿等1開展了實車測試并對比分析了DSRC技術、LTE-V2X在多場景下的性能表現和對不同典型應用的承載效果。由于DSRC技術開發較早，針對其開展的大量研究和測試都得到了非常成熟的結論，伴隨LTE向5G的平滑演進，5G-V2X將隨著5G商業化而激發出更多場景價值2。但目前針對5G、EUHT、LTE-V2X的聯合多場景、實車對比測試研究較少。

在上述背景下，本文依托長安大學車聯網與智能汽車試驗場完成5G、EUHT、LTE-V2X3種車聯網通信網絡測試平臺的搭建，并設計全場性能測試、動靜態性能測試、車路通信性能測試、車車通信性能測試，以時延、數據包投遞率、吞吐量為評價指標，基于封閉測試場，在典型交通應用場景下對3種車聯網技術開展實車測試與比較。

2測試環境構建

2.1 測試場地

本文測試均在如圖1所示的長安大學車聯網與智能汽車試驗場進行，該試驗場具有安全性高、設備安裝方便、場景集成能力強等特點，涵蓋了高速環城道路、城鄉道路、隧道、建筑遮蔽、樹木遮蔽等絕大部分真實交通場景中的道路條件和道路環境設施，可以在保證安全性的前提下開展車道保持、車輛跟隨、會車場景、十字路口通信等20余項車聯網與智能汽車測試。

2.2 測試平臺搭建

前期在長安大學車聯網與智能汽車試驗場建立了面向智能網聯交通應用的模塊化測試平臺，如圖2所示。

完成，平臺分為V2X應用層、數據傳輸層和測試管理層。其中V2X應用層為測試互聯交通應用提供天氣、道路、車輛運動關系等環境變量，且提供5G、EUHT和LTE-V2X3種車聯網無線通信技術以滿足不同距離、不同類型的通信需求。數據傳輸層上傳測試數據并接受來自測試管理層的任務，利用Wi-Fi和光纖網絡進行高效的信息互換并記錄測試日志信息。測試管理層負責處理實時測試數據及測試場道路信息、測試車輛信息和測試設備信息的記錄與處理。

2.3測試裝備選型及其參數

本文選取的5G基站、EUHT基站和LTE-V2X車載設備的參數和規格如表1所示。

測試場中部署的5G和EUHT基站如圖3所示。需要說明的是，后文提到的5G客戶端設備（Customer Premise Equipment，CPE）和EUHTCPE是指對應通信網絡的路由器設備。

LTE-V2X車載設備和CPE都需要部署在測試車輛上，如圖4所示，其中設備天線置于車輛頂部，測試計算機與設備連接并部署在測試車輛內。

3評價指標與測試方案

3.1評價指標選取

本文使用通信時延 、數據包投遞率 和吞吐量作為評價指標分析3種車聯網技術的通信性能。

在計算通信時延時，如果考慮單向傳輸時間，需要考慮時鐘同步問題，所以一般通過計算往返時間來解決時鐘同步不精確的問題。往返時間是指數據包從源節點到自的節點，再從自的節點返回源節點所需要的時間[13]。在測試中，記源節點發包時間為 、目標節點接收到數據包的時間為 、目標節點將數據包返回的時間為 源節點收到數據包的時間為 ，則往返時間 和通信時延 分別為：

數據包投遞率 是對成功傳輸數據包的統計度量，其計算方法為：

式中： 為目標節點接收到的數據包數量， 為源節點發送數據包數量。

吞吐量用于衡量單位時間內數據成功傳輸的速率，分為上行傳輸吞吐量、下行傳輸吞吐量和混合傳輸吞吐量：上行傳輸吞吐量指從客戶端設備上傳數據到基站或云端時的速率；下行傳輸吞吐量指客戶端設備從基站或云端下載數據時的速率；混合傳輸吞吐量指客戶端設備與基站或云服務器同時進行雙向傳輸數據時的速率。

3.2 測試方案設計

3.2.1 全場性能測試

選取圖1中整個測試場外環進行全場性能測試，測試步驟如下：

a.5G全場時延測試。將搭載5GCPE的測試車輛停放在圖1中 A 點處，測試開始后，測試車輛以 的頻率向5G核心網服務器發送基本安全信息（BasicSafetyMessage，BSM）數據包，同時以 3 0 k m / h 的速度行駛于測試場外環，核心網服務器在收到數據包后將其回傳給測試車輛，部署在車輛上的高精度GPS設備以 的頻率記錄車輛位置信息。待測試車輛行駛一周后，結束數據包收發程序，保存數據包傳輸日志，確保完成3次有效測試后結束本輪測試。

b.5G下行傳輸吞吐量測試。測試車輛以 的速度繞測試場外環行駛，核心網服務器同時以 1 0 H z 的頻率對測試車輛進行傳輸控制協議（TransmissionControlProtocol，TCP）文件傳輸，待測試車輛行駛一周后結束文件傳輸程序，保存文件傳輸日志，確保完成3次有效測試后結束本輪測試。

c.將5GCPE更換為EUHTCPE，5G核心網服務器更換為EUHT核心網服務器，以相同的測試方案完成EUHT全場時延、下行傳輸吞吐量測試。由于LTE-V2X可以采取PC5直連通信模式，故不對LTE-V2X進行全場性能測試。

3.2.2 動靜態性能測試

在進行全場性能測試時由于開啟了場內所有5G、EUHT基站，信號能夠基本覆蓋到測試場地，后續測試為避免基站覆蓋范圍產生的影響，只開啟1個5G基站和1個EUHT基站。

靜態性能測試：在圖1中測試場北側直車道、中間直車道、南側直車道上分別對5G、LTE-V2X、EUHT進行靜態性能測試，圖1中 B ， C ， D 點分別為5G基站、LTE-V2X路端設備和EUHT基站位置。首先將搭載5GCPE的測試車輛停放在距基站1 0 0 m 處，測試車輛以 1 0 H z 的頻率向核心網服務器發送200個BSM數據包，核心網服務器在收到數據包后將數據包回傳給測試車輛，待測試車輛完成發送后結束測試程序，保存數據包傳輸日志，確保完成3次有效測試后結束本輪測試。然后將測試車輛分別停放在距基站 2 0 0 m ， 3 0 0 m ， 4 0 0 m 處，重復上述測試流程。針對LTE-V2X與EUHT的測試只需使用相同的測試方法，更改測試位置與對應車載設備即可。

動態性能測試：為避免通信距離對測試結果產生影響，動態性能測試中的測試車輛均在距基站4 0 0 m 范圍內進行，測試位置與靜態測試時相同，首先對5G進行動態性能測試。測試開始后，測試車輛在對應測試道路上首先以相對于基站 的速度行駛，同時以 1 0 H z 的頻率向核心網服務器發送50個BSM數據包，核心網服務器在收到數據包后將數據包回傳給測試車輛，待50個數據包發送完畢后結束測試程序，保存數據包傳輸日志，確保完成5次有效測試后結束本輪測試。然后分別將測試車輛相對于基站的速度提升至 ，重復上述測試步驟。同理，對EUHT和LTE-V2X的動態性能測試只需更改測試位置并更換車載設備后按照相同的測試方法開展即可。

3.2.3 車路通信性能測試

車路通信性能測試的目的是探索3種車聯網通信技術在信號正常覆蓋情況下的上行、下行及上下行混合傳輸吞吐量，從而了解其未來對不同網絡信息服務類應用的承載效果。為了避免通信距離、車輛速度對測試結果的影響，車路通信測試均在信號覆蓋良好的環境下展開。

將搭載5GCPE的測試車輛停放在圖1中 E 點處，該位置5G信號覆蓋良好，測試開始后核心網服務器以 的頻率向測試車輛進行TCP文件下行傳輸，以30s為周期，待周期結束并傳輸完畢后結束測試程序，保存文件傳輸日志，確保完成5次有效測試后結束本輪測試。然后以相同步驟與核心網服務器進行TCP文件上行傳輸。結束上、下行吞吐量測試后，在測試車輛上搭載車載攝像頭，將視頻信息實時上傳到核心網服務器，同時核心網服務器以30s為周期、 1 0 H z 的頻率對測試車輛進行TCP文件下行傳輸，保存文件傳輸日志，確保完成5次有效測試后，結束本輪測試。針對EUHT和LTE-V2X采用相同的測試方法，在圖1中 A ， F 點處分別開展車路通信上、下行、混合傳輸吞吐量測試。

3.2.4車車通信性能測試

考慮到5GCPE與EUHTCPE無法同與其有直接物理關系的車載終端進行端到端通信，信息需要通過基站轉發，所以車車通信測試的目的是探索5G、EUHT能否在對時效性、可靠性要求均較高的交通安全類應用上發揮作用，并將測試結果與可以進行直連通信的LTE-V2X進行對比。本次測試均在信號正常覆蓋范圍內進行測試。

首先對5G開展車車通信測試，將2臺搭載5GCPE的測試車輛停放在圖1中北側同方向同車道的A ， G 點處，兩車間隔 1 0 0 m ，測試開始后，A點處的測試車輛以 1 0 H z 的頻率向 G 點處的測試車輛發送200個BSM數據包，待完成200個數據包的往返后，結束測試程序，保存數據包傳輸日志，確保完成5次有效測試后結束本輪測試。以相同的測試方法，在圖1中 I ， H 點處對EUHT進行車車通信測試，在 F ， J 點處對LTE-V2X進行車車通信測試。

4測試結果分析

4.1全場性能測試結果

選取連續有效的整圈測試數據，根據測試數據結合GPS信息構建獲得的性能測試結果如圖5所示。

5G和EUHT全場測試結果表明，在正常信號覆蓋情況下，5G下行傳輸吞吐量為 2 0 0～6 0 0 M b i t / s 左右，EUHT的下行傳輸吞吐量為20＼～60Mbit/s左右。5G和EUHT的單向通信時延基本穩定在 ，5G通信時延最優可達到 4 m s ，所以本文基于封閉測試場構建的網絡測試平臺能夠滿足典型交通應用及測試的需求。

4.2動靜態性能測試結果

本文以 達到 9 5 % 以上為有效通信距離。靜態測試結果如圖6所示：5G、EUHT和LTE-V2X的有效通信距離分別為 9 0 0 m . 6 0 0 m 和 5 0 0 m， 3 種通信網絡的 隨距離變化不明顯；5G和EUHT的時延隨著距離的增加變化不大，而LTE-V2X的時延隨著距離的增加變化明顯，在有效通信距離內，5G、EUHT和LTE-V2X的平均時延分別為 5 . 2 m s， 5 . 8 m s 和 1 4 . 5 m s ○動態測試結果如圖7所示，在不同車輛行駛速度下，3種網絡的 隨車速變化趨勢不明顯，說明車速對3種網絡的性能影響不大。需要注意的是，由于3種網絡的基站部署高度差異較大，部署高度也可能對有效通信距離產生影響，其影響程度有待進一步測試研究。

4.3車路通信測試結果

車路通信測試結果如圖8、圖9所示，可以看出：5G、EUHT和LTE-V2X的上行傳輸吞吐量可分別達到270Mbit/s、23Mbit/s和 1 0 M b i t / s ，平均可分別達到240Mbit/s、20Mbit/s和7Mbit/s;下行傳輸吞吐量可分別達到480Mbit/s、48Mbit/s和 1 4 M b i t / s ，平均可分別達到452Mbit/s、44Mbit/s和 1 1 . 5 M b i t / s ；混合傳輸吞吐量可分別達到350Mbit/s、37Mbit/s和 3 . 8 M b i t / s ，平均可分別達到270Mbit/s、31Mbit/s和2Mbit/s。與EUHT和LTE-V2X相比，5G在吞吐量方面具有很大的優勢。

4.4車車通信測試結果

車車通信測試結果如圖10所示，可以看出：在網絡狀態良好的情況下，5G、EUHT、LTE-V2X的車車通信端到端時延分別約為 1 1 m s? 1 2 m s? 1 5 m s， 5 G 具有最低的端到端延遲。5G和EUHT雖然需要通過基站實現端到端互聯，但仍具有良好的時延傳輸優勢。

5 結束語

本文基于封閉測試場，在典型交通場景下對5G、EUHT、LTE-V3種車聯網通信技術進行了實車測試與比較，主要結論包括：

a.在本文構建的測試條件下，與EUHT和LTE-V2X相比，5G在典型的交通環境下具有更好的性能，特別是在吞吐量方面。5G上行、下行和混合傳輸的吞吐量分別是EUHT的11倍、10倍和9倍，是LTE-V2X的27倍、34倍和135倍。然而，5G吞吐量性能隨著時間的推移存在較大起伏。

b.在無信號遮蔽的情況下，5G、EUHT和LTE-V2X的有效通信距離分別約為 9 0 0 m . 6 0 0 m 和 5 0 0 m ，3種網絡的端到端時延差距較小，分別為 1 1 m s. 1 2 m s 和 1 5 m s 左右，車速對3種網絡的性能影響不大。因此，可以認為3種網絡均可滿足一般動態流量環境下的應用需求，5G表現出較強的技術優勢。

c.在設備部署難度方面，由于5G和EUHT都需要搭建基站實現端到端通信，而LTE-V2X可以采用直連技術實現端到端通信，所以LTE-V在成本和部署難度上均有很大的優勢。

需要注意的是，本文測試結果與設備制造商提供的設備性能說明存在性能差距，這可能是由于設備部署方法和部署位置的影響造成的。因此，研究不同的網絡部署方式對網絡性能的影響是下一步的重點工作。此外，在特定的交通應用環境如高密度、有遮擋的情況下，上述無線通信網絡的性能是否存在較大差異，同樣有待進一步驗證。

參考文獻

[1]胡燕儒.淺析5GV2X通信應用現狀及其側鏈路標識符 更新技術[J].中國設備工程，2023（16）：101-102. HUYR.Analysis of 5G V2X Communication Application Status and Its Side Link IdentifierUpdate Technology[J]. China Equipment Engineering，2023（16）：101-102.

[2]董國良.論EUHT技術特點及在北京地鐵的應用[J].智 慧軌道交通，2022（6）：77-81. DONGGL.On the Technical CharacteristicsofEUHTand ItsApplication in Beijing Metro[J].IntelligentRail Transportation，2022（6）：77-81.

[3]王潤民，鄧曉峰，徐志剛，等.車聯網仿真測試評價技術 研究綜述[J].計算機應用研究，2019（7）：36. WANGRM，DENGXF，XU ZG，et al.Car Networking Simulation Test Evaluation Technology Research Review [J].Computer ApplicationResearch，2019（7）： 36.

[4]王潤民，劉丁貝，胡錦超.基于Veins的IEEE 802.11p性 能仿真分析[J].計算機技術與發展，2018（12）：29-33. WANGRM，LIUDB，HUJC.Performance Simulation Analysis of IEEE 8O2.11p Based on Veins[J]. Computer Technology and Development，2018（12）： 29-33.

[5]ABDULHAMID H，TEE E K，ABDEL-RAHEEME. PerformanceofDSRC SystemsUsingConventional Channel Estimation at High Velocities[J].AEUE- International Journal of Electronics and Communications，2oo6（8）：556- 561.

[6]MIRHZ，FILALIF.LTE andIEEE 8O2.11p forVehicular Networking：A Performance Evaluation[J]. EURASIP （1）： 1-15.

[7]CHEN Q，JIANG D，TALIWAL V，et al. IEEE 802.11 BasedVehicularCommunication SimulationDesign forNS2[C]// Proceedings of the 3rd International Workshop on Vehicular Ad Hoc Networks.New York，NY，United States： Association for Computing Machinery，20o6： 50-56.

[8]MURRAY T，COJOCARI M，FU H R. Measuring the Performance of IEEE 802.11p Using NS-2 Simulator for Vehicular Networks[C]// IEEE International Conference on Electro/Information Technology.Ames，IA， USA：IEEE， 2008： 498-503.

[9] 劉丁貝，張心睿，王潤民，等.封閉測試場條件下基于 DSRC 的車聯網通信性能測試[J].汽車工程學報，2020 （3）： 180-187. LIUDB，ZHANGXR，WANGRM， et al.Communication Performance Test of Internet of Vehicles Based on DSRC in Closed Test Field[J]. Journal of Automotive Engineering， 2020（3）： 180-187.

[10]WANG RM， ZHANG XR，XU ZG，et al.Research on Performance and Function Testing of V2X ina Closed Test Field[J]. Journal of Advanced Transportation，2017. DOI： 10.11 55/2021/9970978.

[11]張心睿，趙祥模，王潤民，等.基于封閉測試場的DSRC 與LTE-V通信性能測試研究[J].汽車技術，2020（9）：14-20. ZHANG X R， ZHAO X M， WANG R M， et al. Research on Performance Test of DSRC and LTE-V Communication Basedon ClosedTestField[J].Automobile Technology， 2020（9）： 14-20.

[12] PHAN M， REMBARZ R， SORIES S.A Capacity Analysis for the Transmission of Event and Cooperative Awareness Messages in LTE Networks[C]// 18th World Congress on Intellgent Transport Systems.Orlando，Florida，United States： ITS America，2011.

[13]張家波，李哲，王超凡.面向車聯網的LTE網絡性能測試 與分析[J].計算機工程，2018（7）：44. ZHANG JB，LI Z，WANG C F.Car Networking-Oriented LTENetwork Performance Testing and Analysis[J]. Computer Engineering，2018（7）： 44.

（責任編輯斛畔）

修改稿收到日期為2024年9月10日。