车联网移动场景 MQTT 通信优化实践

随着智能化浪潮席卷全球，如今的车辆早已不再是单纯的交通工具，而是一个具备自主推理能力、能和云端交互进行车路协同的移动智能节点。

很多的新型应用场景不但计算量巨大，而且对通信链路有非常强的低时延、低能耗和高可靠要求。传统的通信协议如 HTTP 等并不能同时满足以上要求。而作为目前物联网领域事实上的标准协议，MQTT 提供了 Pub/Sub 的消息模式，具备精简优良的协议设计，可以满足低延时和低功耗的需求，适用于资源有限的车机系统。但不同于智能家居、机器人这类设备固定且网络环境稳定的场景，车联网中快速移动、场景切换快、网络情况复杂多变等特性，对 MQTT 协议在车端和服务端的应用提出了更高的要求。

本文将深入分析车联网移动场景下 MQTT 消息传输面临的问题及产生原因，并利用 MQTT 协议特性对其加以解决和优化，帮助用户构建更稳定的车联网通信架构。

当你高速驾驶时，当你穿越隧道时，网络实际发生了什么？

相信大家使用 4G 手机时都有过类似体验：进入地下室时信号强度突然变弱，虽然网络没有显示中断，但是实际使用体验就和断网一样；亦或是在一个很大区域的 WiFi 网络范围内移动，在不同的 AP（无线接入点）覆盖范围之间切换时也会有类似情况。这就是一个典型的移动设备导致的网络迁移问题。而在车联网中，由于车辆是高速移动，特别是在高速公路基站覆盖稀疏或穿过隧道的情况，都会导致这种问题更加频繁地出现，从而引起车机端 MQTT 连接中断重连。

首先我们来看看车联网场景面对的网络现状：根据 2020 年底的数据，我国基站总数为 931 万个，其中 3G/4G 基站总数为 575 万个。但这些基站大多集中在城市区域，而在乡村，高速公路甚至是隧道内的信号覆盖就远没有城市那么全面。目前，针对高速公路和国道省道等区域的网络覆盖方案基本分为公网延伸覆盖和专网覆盖方案。

• 公网延伸覆盖：将路线区域与周边区域统一规划，使用常规基站蜂窝组网方式进行覆盖。由于往往是直接将大网的网络资源延伸到高速公路上，所以也叫大网延伸覆盖。
  

• 专网覆盖：针对特殊的点覆盖和线覆盖场景的特殊要求进行优化，配置特殊的频率、信令和功能进行异频组网。由于建设成本高，往往更多用于高速铁路沿线覆盖。专网与公网之间完全隔离，只有在特定出入口例如高速公路收费站才能进入或离开专网。
  

可以发现，我们使用的网络是依靠通信从业者建设的一个个蜂窝基站提供的。而车辆在快速移动的过程中，位置更新频繁，经常会在多个基站覆盖范围之间切换。这导致其网络信令负荷大，基站切换频繁，最终将导致车载 4G 模块的网络链路中断。虽然专网覆盖可以通过采用 BBU+RRU 小区合并的技术来减少网际切换和同频干扰，进而解决这一问题，但由于专网方案建设成本高昂，所以实际场景里，车联网更多面对的还是第一种公网覆盖方案。

于是，我们就会发现车机端的 4G 连接出现如上图所示的不断上下线的情况。