一种基于WiFi Direct的车路信息交互方法

摘 要： 基于短程通信的车车、车路信息交互已经成为智能交通的一种发展趋势，提出一种基于WiFi Direct的车路信息交互方法，通过运行于网络中的路边基站向车载终端发出连接并发布消息。针对目前用户个性化信息服务的需求，提出一种基于过滤信息的WiFi Direct自动连接方法，在WiFi Direct技术上作出改进，在 Sendmessage数据帧中增加一帧过滤信息。该方法简化了基站与终端之间的连接，提高了消息推送的准确性，而且实地测试得出，该改进方法比现有的方法在连接速度上平均提高35.01%，消息推送量平均提高8.65%。

关键词： 短程通信； 车路信息交互； WiFi Direct； 基站； 车载终端

中图分类号： TN916.51⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2015）09⁃0154⁃05

Abstract： The vehicle， vehicle⁃road information interaction based on short⁃range communication becomes a development trend of intelligent transportation. The method of vehicle⁃road information interaction based on WiFi direct is proposed， which is sending connection and information to the vehicle terminal by the roadside base station running in the network. With the demands of the users personalized information service， the method of WiFi direct automatic connection based on filtering information is proposed， that is the improvements based on WiFi direct technology and adding a frame filtering information in send⁃message data frame. The proposed method simplifies the connection between the base station and vehicle terminal， and improves the accuracy of message push. The field test shows that the connection speed is increased by 35.01% and the quantity of push messages is increased by 8.65% by the improved method compared with the existing method.

Keywords： short⁃range communication； vehicle ⁃road information interaction； WiFi direct； base station； vehicular terminal

0 引 言

车路协同系统（Cooperative Vehicle⁃Infrastructure System，CVIS）[1]是基于先进的全时空动态交通信息采集、融合技术，通过全方位实施车车、车路动态实时信息交互，进行车辆主动安全控制和道路协同管理，形成人车路有效协同的安全、高效和环保的道路交通系统[2]。目前世界各国都积极发展车路协同技术的研究与实验。

美国通过计划IntelHDrive[3]研究项目大力推动了车路协同技术的发展，其中，IntelliDrive是VII[4]项目的演进，其研究方向的重点在于车辆主动安全方面。2006年起，美国交通部就开始协助汽车制造厂商对车载终端连接、服务中心平台以及无线短距离通信（Dedicated Short Range Communications，DSRC）与车辆间的通信技术进行研发。

日本车路协同技术的最大特点是个性化行车安全与导航。2006年，日本由政府和23家知名企业共同启动了 “SmartWay计划”[5]，该计划利用现有的智能交通技术[6⁃7]，例如即时交通信息系统VICS、电子不停车收费ETC[8]等技术以及信息与短程通信技术，建立车载集成平台，将道路与车辆连接成为一个整体，形成车路协同感知整体环境。

和国外相比，我国的车路协同系统的研究起步较晚，2007年起通过863计划《交通对象协同式安全控制技术》、自主科研计划《基于车路协同的智能交通系统》等项目开始对车路协同技术进行系统研究，我国在“十五”科技攻关项目中，把发展基于短程通信的车路交互技术列为重大攻关项目。

不难看出，基于短程通信[9]的车路信息交互技术是目前智能交通领域发展的趋势和热点，短程通信是一种小范围的无线通信系统[10⁃11]，主要用于车辆与路边系统、车辆之间的通信。法国ESCOTA高速公路利用短程通信技术检测车流平均速度和旅行时间等； 欧美国家利用短程通信技术实现交通导航系统， 帮助驾驶员选择最佳路径， 有效处理交通流量分布的不平衡性； 广东利用短程通信技术推行电子收费系统， 提高了道路的通行能力， 降低了空气污染。

但是，目前基于短程通信的车路信息交互方面还存在一些问题：

（1） 传输距离有限。

（2） 传输速度不高。

（3） 路边基站与车载终端连接过程比较复杂，而车辆行驶中的驾驶员不便于频繁操作终端。

（4） 信息推送混乱，无法满足目前用户个性化信息服务的需求，车载终端会同时接收到很多连接请求和消息推送，而有些信息是驾驶员当时环境下不需要的。

2010年10月，WiFi Alliance（WiFi联盟）推出WiFi Direct技术，WiFi Direct标准是指允许无线网络中的设备无需通过无线路由器即可相互连接，即点对点直连，WiFi Direct的传输距离高达200 m，最大传输速度是250 Mb/s，所以非常适合应用于车路信息交互，但是同样存在连接复杂和信息推送混乱的缺点。

因此，本文提出一种基于WiFi Direct的车路信息交互方法，该方法充分发挥了WiFi Direct的技术优势，并且在WiFi Direct技术上作出改进，提出一种基于过滤信息的WiFi Direct自动连接方法，当有路边基站向车载终端发送连接申请信息时，车载终端通过对申请信息数据帧中的过滤信息进行判断，有选择性地完成连接，然后进行消息推送，该方法简化了基站与终端之间的连接，避免了消息推送的混乱性。

1 系统概述

本系统通过运行于网络中的路边基站向车载终端申请连接并发布消息，实现道路交通基础设施与车载终端的一体化协调合作。

1.1 车路交互模型

基于WiFi Direct的车路交互架构图如图1所示。路边设有WiFi Direct基站，这些基站通过高速局域网与服务器通信。车辆在经过基站覆盖范围时，基站向车载终端发布最新路况、娱乐等消息。

1.2 车路交互过程

如图1所示，基站会不断地搜索附近车载设备。当车辆行驶至A位置时就进入了WiFi Direct基站的无线覆盖范围，此时基站会搜索到该车辆内的WiFi Direct车载终端设备，并且向车载终端发送连接申请，该连接申请信息包括过滤信息，车载终端通过对过滤信息判断决定是否连接。例如，车载终端设定只接收紧急路况消息，基站会发送紧急路况消息连接申请、街边饮食消息连接申请、街边娱乐消息连接申请等，终端会对基站发送来的申请连接信息进行标题判断，如果“过滤信息”等于“紧急路况消息”，就同意连接，否则就拒绝，连接完成后，基站会向车载终端传输紧急路况消息，当车辆行驶至B位置就会驶离基站覆盖范围断开连接。如此，驾驶员可以权衡多个路况信息，选择通往目的地最快捷的路线，还可以获得街边服务信息。

2 基于过滤信息的WiFi Direct自动连接方法

根据图1的车路交互架构可知，车辆在经过一个WiFi Direct基站覆盖范围时有：

[T总=T连接+T传输]

式中：[T总]为车辆从驶入基站范围到驶离基站范围（约400 m）的时间，与车速有关；[T连接]为基站与该车辆连接成功时间；[T传输]为基站向车辆推送消息的时间。

由上式可知，[T连接]过大，那么[T传输]则越少，这样会降低消息传输量，本文的连接方法可以通过减小[T连接，]从而增大[T传输。]

2.1 现有的WiFi Direct连接方法

现有的WiFi Direct连接过程如图2所示。由图2可知，现有的WiFi Direct技术在连接时，首先需要在设备1上开启WiFi网卡，搜索附近设备，当发现有可连接的WiFi Direct设备（例如设备2）时，手动触发connect按钮来向设备2申请连接，设备2上会出现一个对话框，提示是否要连接，然后接收方再触发设备2连接按钮同意连接，连接完成后推送消息，这些消息只有个别是接收方需求的，因而接收方需要一个一个排除无用的连接，浪费大量时间，增加了连接时间从而缩短了消息推送时间。而且，每一步的申请与应答都需要手动，驾驶员在驾驶过程中频繁的操作终端不方便也不安全。

2.2 改进后的WiFi Direct连接方法

本节主要介绍基于过滤信息的WiFi Direct自动连接方法，这个方法用于基站与车载终端的自动连接。现有方法在2.1小节中已经讲过，首先，每一步的申请与应答都需要手动，这就不适合基站与车载终端的连接情况。对于基站来说，不可能总要人手动来触发和发出申请连接，对于车载终端来说，驾驶员在驾驶过程中频繁地操作终端很不方便也不安全。其次，要先完成连接才能再传输各种数据信息，这样就存在一个问题，就是接收方要先确认连接，再获取申请方再次传输的消息才得知申请方的意图，那么申请方发出的连接意图也许对于接收方没有用，就会造成目的不清，信息推送混乱的情况。所以，本文提出的自动连接方法是基站定时向周围车载终端发送连接申请，而且车载终端根据申请信息中的过滤信息判断是否完成连接，避免不必要的连接，这样就大大提高了连接的准确性和快速性，为消息传输创造了更多的时间。

2.2.1 改进后的WiFi Direct连接方法流程

如图3所示，路边的基站会在通电后立即打开WiFi网卡，开启WiFi Direct功能，然后进行如下步骤：

（1） 车载终端设定好要接收的消息标题，例如设定“紧急路况消息”标题，可选的标题有：“紧急路况消息”、“街边饮食消息”、“街边娱乐消息等。

（2） 基站在后台线程每隔1秒触发一次自动搜索功能，罗列并更新出附近200 m内所有WiFi Direct车载终端设备，例如设备2。

（3） 基站循环触发connect函数，将申请连接信息即Sendmessage数据发送至每一个搜索到的WiFi Direct设备（如设备2）申请点对点直连。本方法对已有的Sendmessage数据帧格式做了改进，其中添加了过滤信息“基站服务”。具体的Sendmessage数据帧格式修改方法在2.2.2节中详细介绍。

（4） 车载终端接收到连接请求时，获取Sendmessage数据帧中过滤信息“紧急路况消息”。终端对Sendmessage的过滤信息进行判断，判断请求设备是否是基站设备，从而得知终端是否要完成连接。判断方法如下：

如果：“过滤信息”不等于“紧急路况消息”，则车载终端拒绝连接。

如果：“过滤信息”等于“紧急路况消息”，则车载终端立刻调用自动连接函数完成连接。

（5） 连接完成后，基站将在后台线程中启用server服务即FileTransferService，向车载终端发送相应消息，如路况视频消息。

2.2.2 改进后的Sendmessage数据帧格式

WiFi Direct基站设备在申请连接时，发出的连接申请信息即为Sendmessage数据，本文对Sendmessage数据帧格式做如下修改，提高连接的准确性，更便于车路进行信息交互。

如图4所示，Sendmessage数据帧格式中数据主要存储在最后一帧config配置数据中，所以本方法在config数据帧中的组所有者（groupOnwerIntent）后添加了一帧过滤信息，该过滤信息可为“紧急路况消息”、“地理位置消息”、“街边饮食消息”等标题，并跟随Sendmessage数据发送至每一个搜索到的WiFi Direct车载终端设备。

3 实验结果和验证

为了验证本文提出的交互方法，试选取长安大学信息学院门前东西方向为测试路段，如图5所示，该路段长约700 m，大于WiFi Direct的覆盖范围，论文选择两个三星Note3手机作为测试工具，分别安装本文的车路交互软件，一个作为WiFi Direct基站，另一个作为WiFi Direct车载终端。

3.1 连接时间对比验证

考虑到实际应用场景中的无线连接距离受各种干扰和设备的影响，实际的WiFi Direct连接距离不一定有200 m，论文分别在距离基站150 m，160 m，170 m，180 m，190 m，200 m处测试连接时间。测试时设置两个时间戳[t1]和[t2，][t1]为发出连接时刻，[t2]为连接成功时刻，测得连接时间为[t连接]=[t2]-[t1。]

首先使用现有的WiFi Direct连接方法，在200 m处，使用基站的三星Note3设备搜索终端Note3设备并点击“连接”按钮，终端Note3设备出现对话框时点击“完成”连接，测得200 m处连接时间。内置终端Note3的车辆由东向西行驶10 m，测试190 m处的连接时间，如此反复测得所有结果。

再采用本文中的基于过滤信息的WiFi Direct自动连接方法测试，如图6所示，打开终端Note3车路交互软件，设置只接收“紧急路况信息”，在200 m处，打开基站Note3车路交互软件向终端发出“紧急路况信息”推送连接申请，同样测得所有连接时间。结果见表1。

3.2 消息推送量对比验证

WiFi Direct基站与WiFi Direct车载终端在图5测试环境下连接距离为165 m，车辆行驶距离为一个直径是330 m的圆，如图5所示。测试时分别设定车速为20 km/h，30 km/h，40 km/h，50 km/h，60 km/h，70 km/h，分别计算出消息推送整个过程的时间，此段时间内基站Note3向终端Note3推送视频消息，先采用现有方法推送消息，手动传送一段视频，第二次采用本文方法开启基于WiFi Direct的车路信息交互软件推送视频消息，在终端Note3查看两种方法接收视频的大小。结果见表2。

4 结 语

本文提出一种基于WiFi Direct的车路信息交互方法，通过对现有WiFi Direct技术作出改进，在基站发出连接的Sendmessage数据帧中增加一帧过滤信息，WiFi Direct终端通过判断过滤信息进行确认连接，从而快速推送各种消息。通过实地验证和分析，该方法可有效地缩短连接时间、提高消息推送量，具有消息推送准确的特点。

参考文献

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