车联网环境下的打车软件通信系统优化设计与实现
彭灿华 韦晓敏
摘 要： 在车联网环境下对打车软件通信系統进行优化设计，改善用户体验，提高通信实时性和吞吐性能。提出一种基于通信信号收发转换动态增益控制的车联网环境下打车软件通信系统优化设计方法。首先进行通信系统的总体设计构架和模块化集成设计的功能分析，针对车联网通信信道受到的码间干扰较强的问题，采用动态增益编码方法进行码间干扰控制，进行信道均衡设计；然后对打车软件通信系统进行硬件电路设计；最后进行系统的调试分析。实验表明，采用该系统进行车联网打车软件通信的传输时延较低、吞吐量较大。
关键词： 车联网； 打车软件； 通信系统； 信道均衡
中图分类号： TN92?34； TN911 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）10?0035?04
Abstract： The design of a taxi software communication system in the vehicle networking environment was optimized to improve the user experience， communication real?time performance and throughput performance. An optimization design method of the taxi software communication system in the vehicle networking environment based on dynamic gain control of communication signal transceiver is proposed. The function analysis of overall design framework and module integrated design of the communication system is carried out. In order to solve the problem of intersymbol strong interference to vehicle network communication channel， the dynamic gain encoding method is used to for intersymbol interference control and channel equalization design. The hardware circuit design and debugging analysis of the taxi software communication system are also conducted. The experiment result shows that the system can shorten the transmission delay and enlarge the throughput of the vehicle networking software communication.
Keywords： vehicle networking； taxi software； communication system； channel equalization
0 引 言
通过车载自组网方式构建车联网通信系统，实现了智能交通系统（ITS）设计。车联网是保障智能交通控制和智慧交通网络的重要基础，采用车载自组网（Vehicle Ad Hoc Networks，VANET） 构建的车联网通信系统实现了车和车、车和路边设备直接通信[1?2]。随着当前滴滴打车等专车运营的兴起，在车联网环境下对打车软件通信系统进行优化设计，克服用户在打车过程中通信繁忙和拥塞的问题，提高车联网通信的实时准确性，从而在避免交通拥塞、提高用户体验等方面都具有较强的实践价值，研究车联网环境下的打车软件通信系统优化设计方法具有重要意义。
1 打车软件通信系统总体设计构架
在车联网环境下，进行打车软件通信系统的优化设计，首先构建车联网的网络结构模型如图1所示。
在车联网中，车辆装载有GPS和导航系统。车辆的位置信息通过专用短程通信（Dedicated Short Range Communication，DSRC）标准进行信息发布[3]；车辆有相关传感器测量装置测量车辆的速度和加速度，采用VANET线状网络结构测试路面的拥堵情况。以上述信息为参考输入参量，作为车联网打车软件通信系统的信息输入端，在通信系统中进行信息调制和节点，实现多功能多通道的打车用户信息和车辆信息的数据传输和控制[4?5]。为了提高数据并行传输和收发的能力，进行了车联网环境下打车软件通信系统优化设计。
首先进行打车软件通信系统的总体设计和功能指标分析。在车联网环境下打车软件通信系统设计中，数据采集与处理系统设计是通信系统设计的核心，采用数据信号处理芯片，进行车辆位置、速度以及道路交通信息的实时采集和信息共享。采用收发转换模块对打车软件的通信数据的产生、发射、传输和接收过程进行AD转换和校准换能处理；采用调制解调模块实现对通信信号输入/输出的调制和解调。综上分析，本文设计的打车软件通信系统主要包括了数据传感器采集模块、收发转换模块、功率放大模块和信号处理模块等，在车联网环境下打车软件通信系统的总体设计结构框图如图2所示。
根据图2所示的总体设计构建，进行打车软件通信系统的优化设计，主要包括了通信系统的抗干扰和信道均衡优化设计、系统的硬件设计和软件开发三大部分。
2 通信系统的干扰抑制优化设计
根据上述对打车软件通信系统的总体设计构架描述，进行通信系统的算法设计。针对车联网通信信道受到的码间干扰较强的问题，采用动态增益编码方法进行码间干扰控制。提出一种基于通信信号收发转换动态增益控制的车联网环境下打车软件通信系统优化设计方法，建立一个车联网通信的信道分析模型，对于一个通用的车联网中打车软件接收节点，接收功率[Pr]的计算公式为：
式中：[CPFr（k）]表示信道切换中信道k的性能因子值；[CPFs（k）]表示信道切换性能因子值；[β]是加权系数，0<[β]<1。通过[β]可以控制发射机与接收机之间的功率增益所占的比重，一般取[β]=0.5，通过自适应均衡调制实现通信系统的信道优化设计和干扰抑制。
3 通信系统的硬件设计部分
在上述系统的干扰抑制的优化设计的基础上，进行通信系统的优化设计，对打车软件通信系统进行硬件电路设计。其主要对车联网下打车软件通信系统的数据传感器采集模块、收发转换模块、功率放大模块和信号处理模块进行模块化硬件设计：
（1） 数据传感器采集模块。采用数据传感器采集模块进行车辆定位和速度等信息的采样和处理，采用IEC61375协议进行车联网中的GPS定位信息的传输[6?7]，基于MVB总线控制进行数据传感信息采样，使用FPGA和ARM处理器进行整个MVB总线控制器。VME与上位机的通信的接口设计如图3所示。把采集的信号数据通过PCI总线传至PC进行资源锁定和数据监控，车联网环境下打车软件通信系统的数据传感电路如图4所示。
图4中，使用由Mux101提供的多路ADC进行程控放大，采用A/D电路进行数/模转化，数据传感电路提供4个输入通道，通过定时器能准确地控制A/D转换的速率，从而提高了打车过程中的信息传输的实时性。
（2） 收发转换模块。采用AD7655作为收发转换模块的主控芯片，进行车联网环境下打车软件通信系统的数据信息收发和转换设计，通过DSP的定时器TOUT0来启动A/D转换，采用5阶开关电容匹配滤波器实现对DSP的高低电平控制，SEL1电平为“1”，表示放大100倍，“0”表示放大10倍。在进行通信数据的收发转换中，在数据区存满后，DSP发出中断通知数据区满，每个通道的传输可以由4个标准端口（port）与DARAM，SARAM触发，主机接口（HPI）和存储器之间通过外部存储器和芯片上外设进行中断控制，得到通信系统的收发转换电路设计如图5所示。
（3） 功率放大模块。功率放大模块是实现通信信号的放大功能，在主机接口（HPI）和存储器之间的数据传送过程中，通过功率放大，提高接收机对通信信号的处理增益。功率放大模块采用I2C加载模式，芯片为CAT24WC256，打车软件通信数据传输的最大传输速率为400 kHz，在进行功率放大设计中，存储器必须和Philips的I2C总线标准相兼容[8?10]，采用4片AD8582引导加载的I2C E2PROM，功率放大模块接口电路设计见图6。
（4） 信号调制解调处理模块。信号调制和解调是实现通信系统信号传输和控制的核心模块，采用4片AD8582结合CPLD编程进行信号调制，产生最多8路同步采样数/模转换信息输出。DSP的数据线与AD7864的数据线依次相连，设计一个计数器模块，进行车联网环境下打车软件通信系统的传输信息时钟控制和位置统计。设置了隔直通交的RC滤波电路来逐级滤波进行干扰抑制。得到信号调制解调处理模块的电路集成设计如图7所示。
根据上述进行了车联网环境下打车软件通信系统的硬件集成设计方法，采用PCB板制作系统的样机，结合软件开发模板进行系统的调试和性能测试分析。
4 系统的调试测试分析
在进行车联网环境下打车软件通信系统的调试之前，需要进行软件开发和程序加载设计。通信系统的抗干扰和信道均衡设计程序是在C++仿真平台上开发设计，打车软件通信的调试信号为CW调频波，测试信号的脉宽为10 ms，采样输出峰峰电压为0.45 V。系统PCI总线采用的是3组板电源[±12 V，]5 V和3.3 V供电。AD9850分辨率为32位，数据线依次与5409A数据总线连接，A#[B]由DSP的地址线A0控制，得到通信系统的传输数据的输入/输出关系见表1。
最后测试不同的打车软件通信系统进行数据传输通信的时延和车联网通信的吞吐量对比结果如图8和图9所示。
分析上述仿真结果得知，源车辆节点发包的频次速率的增大，平均端到端时延增大，通信的实时性受到影响。采用本文设计系统，能有效降低端到端时延，从而提高了通信的实时性；另外，本文设计的系统进行打车软件通信应用，其吞吐量均优于其他方法，可知本文设计系统能有效提高网络传输的吞吐量，避免网络拥堵，降低通信传输的误码，改善通信质量。
5 结 语
为了改善物联网下的打车软件的通信性能，本文提出一种基于通信信号收发转换动态增益控制的车联网环境下打车软件通信系统优化设计方法。首先进行通信系统的总体设计构架和模块化集成设计的功能分析，采用动态增益编码方法进行码间干扰控制，进行信道均衡设计。对打车软件通信系统进行硬件电路设计，最后进行系统的调试分析。实验表明，采用该系统进行车联网打车软件通信的传输时延较低、吞吐性能较好，从而提高了通信的实时性和准确性。
参考文献
[1] ELDEMERDASH Y A， DOBRE O A， LIAO B J. Blind identification of SM and Alamouti STBC?OFDM signals [J]. IEEE transactions on wireless communications， 2015， 14（2）： 972?982.
[2] KARAMI E， DOBRE O A. Identification of SM?OFDM and AL?OFDM signals based on their second?order cyclostationarity [J]. IEEE transactions on vehicular technology， 2015， 64（3）： 942?953.
[3] KUMAR Kawadia. Principles and protocols for power control in wireless Ad hoc networks [J]. IEEE journal on selected areas in communications， 2005， 23（1）： 76?88.
[4] LI Ming， ZENG Kai， LOU Wenjing. Opportunistic broadcast of event?driven warning messages in vehicular Ad Hoc networks with lossy links [J]. Computer networks， 2011， 55（10）： 2443?2464.
[5] 陆兴华，谢辉迪，许剑锐.基于近场通信和物联网的饭堂自动计价系统[J].智能计算机与应用，2015，5（6）：18?21.
[6] 邓异，梁燕，周勇.水声换能器基阵信号采集系统优化设计[J].物联网技术，2015，5（4）：36?37.
[7] 张坤，周凤星，柯晓娟.基于STC单片机的半导体材料特性测量仪的设计[J].科学技术与工程，2014，14（6）：31?35.
[8] TALEB T， SAKHAEE E， JAMALIPOUR A， et al. A stable routing protocol to support its services in VANET networks [J]. IEEE transactions on vehicular technology， 2007， 56 （6）： 3337?3347.
[9] SU H， ZHANG X. Clustering?based multi?channel MAC protocols for QoS provisionings over vehicular Ad Hoc networks [J]. IEEE transactions on vehicular technology， 2007， 56（6）： 3309?3323.
[10] NZOUONTA J， RAJGURE N， WANG Guiling， et al. VANET routing on city roads using real?time vehicular traffic information [J]. IEEE transactions on vehicular technology， 2009， 58（7）： 3609?3626.
摘 要： 在车联网环境下对打车软件通信系統进行优化设计，改善用户体验，提高通信实时性和吞吐性能。提出一种基于通信信号收发转换动态增益控制的车联网环境下打车软件通信系统优化设计方法。首先进行通信系统的总体设计构架和模块化集成设计的功能分析，针对车联网通信信道受到的码间干扰较强的问题，采用动态增益编码方法进行码间干扰控制，进行信道均衡设计；然后对打车软件通信系统进行硬件电路设计；最后进行系统的调试分析。实验表明，采用该系统进行车联网打车软件通信的传输时延较低、吞吐量较大。
关键词： 车联网； 打车软件； 通信系统； 信道均衡
中图分类号： TN92?34； TN911 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）10?0035?04
Abstract： The design of a taxi software communication system in the vehicle networking environment was optimized to improve the user experience， communication real?time performance and throughput performance. An optimization design method of the taxi software communication system in the vehicle networking environment based on dynamic gain control of communication signal transceiver is proposed. The function analysis of overall design framework and module integrated design of the communication system is carried out. In order to solve the problem of intersymbol strong interference to vehicle network communication channel， the dynamic gain encoding method is used to for intersymbol interference control and channel equalization design. The hardware circuit design and debugging analysis of the taxi software communication system are also conducted. The experiment result shows that the system can shorten the transmission delay and enlarge the throughput of the vehicle networking software communication.
Keywords： vehicle networking； taxi software； communication system； channel equalization
0 引 言
通过车载自组网方式构建车联网通信系统，实现了智能交通系统（ITS）设计。车联网是保障智能交通控制和智慧交通网络的重要基础，采用车载自组网（Vehicle Ad Hoc Networks，VANET） 构建的车联网通信系统实现了车和车、车和路边设备直接通信[1?2]。随着当前滴滴打车等专车运营的兴起，在车联网环境下对打车软件通信系统进行优化设计，克服用户在打车过程中通信繁忙和拥塞的问题，提高车联网通信的实时准确性，从而在避免交通拥塞、提高用户体验等方面都具有较强的实践价值，研究车联网环境下的打车软件通信系统优化设计方法具有重要意义。
1 打车软件通信系统总体设计构架
在车联网环境下，进行打车软件通信系统的优化设计，首先构建车联网的网络结构模型如图1所示。
在车联网中，车辆装载有GPS和导航系统。车辆的位置信息通过专用短程通信（Dedicated Short Range Communication，DSRC）标准进行信息发布[3]；车辆有相关传感器测量装置测量车辆的速度和加速度，采用VANET线状网络结构测试路面的拥堵情况。以上述信息为参考输入参量，作为车联网打车软件通信系统的信息输入端，在通信系统中进行信息调制和节点，实现多功能多通道的打车用户信息和车辆信息的数据传输和控制[4?5]。为了提高数据并行传输和收发的能力，进行了车联网环境下打车软件通信系统优化设计。
首先进行打车软件通信系统的总体设计和功能指标分析。在车联网环境下打车软件通信系统设计中，数据采集与处理系统设计是通信系统设计的核心，采用数据信号处理芯片，进行车辆位置、速度以及道路交通信息的实时采集和信息共享。采用收发转换模块对打车软件的通信数据的产生、发射、传输和接收过程进行AD转换和校准换能处理；采用调制解调模块实现对通信信号输入/输出的调制和解调。综上分析，本文设计的打车软件通信系统主要包括了数据传感器采集模块、收发转换模块、功率放大模块和信号处理模块等，在车联网环境下打车软件通信系统的总体设计结构框图如图2所示。
根据图2所示的总体设计构建，进行打车软件通信系统的优化设计，主要包括了通信系统的抗干扰和信道均衡优化设计、系统的硬件设计和软件开发三大部分。
2 通信系统的干扰抑制优化设计
根据上述对打车软件通信系统的总体设计构架描述，进行通信系统的算法设计。针对车联网通信信道受到的码间干扰较强的问题，采用动态增益编码方法进行码间干扰控制。提出一种基于通信信号收发转换动态增益控制的车联网环境下打车软件通信系统优化设计方法，建立一个车联网通信的信道分析模型，对于一个通用的车联网中打车软件接收节点，接收功率[Pr]的计算公式为：
式中：[CPFr（k）]表示信道切换中信道k的性能因子值；[CPFs（k）]表示信道切换性能因子值；[β]是加权系数，0<[β]<1。通过[β]可以控制发射机与接收机之间的功率增益所占的比重，一般取[β]=0.5，通过自适应均衡调制实现通信系统的信道优化设计和干扰抑制。
3 通信系统的硬件设计部分
在上述系统的干扰抑制的优化设计的基础上，进行通信系统的优化设计，对打车软件通信系统进行硬件电路设计。其主要对车联网下打车软件通信系统的数据传感器采集模块、收发转换模块、功率放大模块和信号处理模块进行模块化硬件设计：
（1） 数据传感器采集模块。采用数据传感器采集模块进行车辆定位和速度等信息的采样和处理，采用IEC61375协议进行车联网中的GPS定位信息的传输[6?7]，基于MVB总线控制进行数据传感信息采样，使用FPGA和ARM处理器进行整个MVB总线控制器。VME与上位机的通信的接口设计如图3所示。把采集的信号数据通过PCI总线传至PC进行资源锁定和数据监控，车联网环境下打车软件通信系统的数据传感电路如图4所示。
图4中，使用由Mux101提供的多路ADC进行程控放大，采用A/D电路进行数/模转化，数据传感电路提供4个输入通道，通过定时器能准确地控制A/D转换的速率，从而提高了打车过程中的信息传输的实时性。
（2） 收发转换模块。采用AD7655作为收发转换模块的主控芯片，进行车联网环境下打车软件通信系统的数据信息收发和转换设计，通过DSP的定时器TOUT0来启动A/D转换，采用5阶开关电容匹配滤波器实现对DSP的高低电平控制，SEL1电平为“1”，表示放大100倍，“0”表示放大10倍。在进行通信数据的收发转换中，在数据区存满后，DSP发出中断通知数据区满，每个通道的传输可以由4个标准端口（port）与DARAM，SARAM触发，主机接口（HPI）和存储器之间通过外部存储器和芯片上外设进行中断控制，得到通信系统的收发转换电路设计如图5所示。
（3） 功率放大模块。功率放大模块是实现通信信号的放大功能，在主机接口（HPI）和存储器之间的数据传送过程中，通过功率放大，提高接收机对通信信号的处理增益。功率放大模块采用I2C加载模式，芯片为CAT24WC256，打车软件通信数据传输的最大传输速率为400 kHz，在进行功率放大设计中，存储器必须和Philips的I2C总线标准相兼容[8?10]，采用4片AD8582引导加载的I2C E2PROM，功率放大模块接口电路设计见图6。
（4） 信号调制解调处理模块。信号调制和解调是实现通信系统信号传输和控制的核心模块，采用4片AD8582结合CPLD编程进行信号调制，产生最多8路同步采样数/模转换信息输出。DSP的数据线与AD7864的数据线依次相连，设计一个计数器模块，进行车联网环境下打车软件通信系统的传输信息时钟控制和位置统计。设置了隔直通交的RC滤波电路来逐级滤波进行干扰抑制。得到信号调制解调处理模块的电路集成设计如图7所示。
根据上述进行了车联网环境下打车软件通信系统的硬件集成设计方法，采用PCB板制作系统的样机，结合软件开发模板进行系统的调试和性能测试分析。
4 系统的调试测试分析
在进行车联网环境下打车软件通信系统的调试之前，需要进行软件开发和程序加载设计。通信系统的抗干扰和信道均衡设计程序是在C++仿真平台上开发设计，打车软件通信的调试信号为CW调频波，测试信号的脉宽为10 ms，采样输出峰峰电压为0.45 V。系统PCI总线采用的是3组板电源[±12 V，]5 V和3.3 V供电。AD9850分辨率为32位，数据线依次与5409A数据总线连接，A#[B]由DSP的地址线A0控制，得到通信系统的传输数据的输入/输出关系见表1。
最后测试不同的打车软件通信系统进行数据传输通信的时延和车联网通信的吞吐量对比结果如图8和图9所示。
分析上述仿真结果得知，源车辆节点发包的频次速率的增大，平均端到端时延增大，通信的实时性受到影响。采用本文设计系统，能有效降低端到端时延，从而提高了通信的实时性；另外，本文设计的系统进行打车软件通信应用，其吞吐量均优于其他方法，可知本文设计系统能有效提高网络传输的吞吐量，避免网络拥堵，降低通信传输的误码，改善通信质量。
5 结 语
为了改善物联网下的打车软件的通信性能，本文提出一种基于通信信号收发转换动态增益控制的车联网环境下打车软件通信系统优化设计方法。首先进行通信系统的总体设计构架和模块化集成设计的功能分析，采用动态增益编码方法进行码间干扰控制，进行信道均衡设计。对打车软件通信系统进行硬件电路设计，最后进行系统的调试分析。实验表明，采用该系统进行车联网打车软件通信的传输时延较低、吞吐性能较好，从而提高了通信的实时性和准确性。
参考文献
[1] ELDEMERDASH Y A， DOBRE O A， LIAO B J. Blind identification of SM and Alamouti STBC?OFDM signals [J]. IEEE transactions on wireless communications， 2015， 14（2）： 972?982.
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[3] KUMAR Kawadia. Principles and protocols for power control in wireless Ad hoc networks [J]. IEEE journal on selected areas in communications， 2005， 23（1）： 76?88.
[4] LI Ming， ZENG Kai， LOU Wenjing. Opportunistic broadcast of event?driven warning messages in vehicular Ad Hoc networks with lossy links [J]. Computer networks， 2011， 55（10）： 2443?2464.
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[6] 邓异，梁燕，周勇.水声换能器基阵信号采集系统优化设计[J].物联网技术，2015，5（4）：36?37.
[7] 张坤，周凤星，柯晓娟.基于STC单片机的半导体材料特性测量仪的设计[J].科学技术与工程，2014，14（6）：31?35.
[8] TALEB T， SAKHAEE E， JAMALIPOUR A， et al. A stable routing protocol to support its services in VANET networks [J]. IEEE transactions on vehicular technology， 2007， 56 （6）： 3337?3347.
[9] SU H， ZHANG X. Clustering?based multi?channel MAC protocols for QoS provisionings over vehicular Ad Hoc networks [J]. IEEE transactions on vehicular technology， 2007， 56（6）： 3309?3323.
[10] NZOUONTA J， RAJGURE N， WANG Guiling， et al. VANET routing on city roads using real?time vehicular traffic information [J]. IEEE transactions on vehicular technology， 2009， 58（7）： 3609?3626.
