倪亞凡，曾連蓀

(上海海事大學 信息工程學院，上海 201306)

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基于NOMA的車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構的探索與設計

倪亞凡，曾連蓀

(上海海事大學 信息工程學院，上海 201306)

5G(Fifth Generation Mobile Communication Network)時代的到來加快了各行業(yè)的發(fā)展和改革。將5G與物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等產(chǎn)業(yè)相結合成為了必然的趨勢。首先結合車聯(lián)網(wǎng)介紹了5G的核心技術NOMA(Non-Orthogonal Multiple Access)，并將其與傳統(tǒng)的OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)進行了比較。隨后探討了基于5G的車聯(lián)網(wǎng)架構。最后對5G車聯(lián)網(wǎng)進行了展望。

5G；車聯(lián)網(wǎng)；NOMA；OFDM

0 引言

我國的車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展是從2009年開始的,作為物聯(lián)網(wǎng)在汽車行業(yè)的重要應用，已經(jīng)被國家列為重大項目之一。預計到2019年，全球的汽車銷售量將達到1.5億，隨著汽車爆炸式的增長，交通事故成了一個必須面對的問題。而車聯(lián)網(wǎng)的應用能很好地解決這個問題。由此更加促進了車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

5G通信技術[1-2]，在原來4G的基礎上可提供更快速、更穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，從而大大提高了車聯(lián)網(wǎng)的服務質(zhì)量。目前我國華為參加了5G研發(fā)的METIS(Mobile and wireless communications Enablers for the Twenty-twenty Information Society)項目，我國預期在2020年開始將5G作為移動通信標準，那時將會有更多的互聯(lián)網(wǎng)設備加入5G通信系統(tǒng)。所以將5G運用到車聯(lián)網(wǎng)中是歷史的必然趨勢，將會為車聯(lián)網(wǎng)帶來一股新鮮的力量。

1 結合車聯(lián)網(wǎng)談5G的關鍵技術NOMA

5G作為新一代通信技術，面向2020年以后的移動通信需求，具有低成本、低能耗、安全可靠的特點。5G的核心技術包括大規(guī)模MIMO技術、基于濾波器組的多載波技術[3]、超密集異構網(wǎng)絡技術等。下面就其中的NOMA技術展開討論。圖1為NOMA系統(tǒng)[4-5]的下行鏈路基本原理圖。

圖1 NOMA系統(tǒng)下行鏈路圖

如圖1所示，假設有一個基站，兩個用戶各有一根天線，在NOMA系統(tǒng)下，兩個用戶需要接收到的信號為X1和X2。在發(fā)送端發(fā)射的兩用戶疊加信號為X，其表達式為：

(1)

則用戶UE—i接收到的信號為：

Yi=HiX+Wi

(2)

其中Hi表示第i個用戶的信道增益，Wi表示第i個用戶信道上的噪聲。其中噪聲的功率譜密度表示為N0。

(3)

(4)

從上面兩式可以看出基站可以通過功率分配P1/P2來靈活控制用戶的傳輸速率。因此功率分配直接影響到小區(qū)的吞吐量和用戶的公平性問題。

NOMA與OFDM相比，OFDM系統(tǒng)是基站對于不同的用戶采用(頻率、時隙、正交碼字等資源)正交復用方式向中繼或者用戶端傳送信息，而NOMA是基站對于不同的用戶同時利用相同的頻率資源向中繼或用戶端傳送信息。所以在相同帶寬的情況下，非正交系統(tǒng)能提供更高的系統(tǒng)容量。其代價就是增加了設備的復雜度。表1列出了OFDM與NOMA的差異。

表1 OFDM與NOMA的差異

從表1中很明顯可以看出，NOMA在頻譜利用率方面有了極大的提升。

此外在4G中，采用的OFDM技術雖然具有良好的抗噪聲性能和抗多徑信道干擾的能力，但是此技術要求各載波之間滿足正交關系，因此對同步要求較高。而在車輛網(wǎng)中，汽車處于高速運動的狀態(tài)，會產(chǎn)生嚴重的多普勒效應，導致滑碼產(chǎn)生，各子載波很難保證相互正交。而NOMA在繼承了OFDM的抗多徑干擾的優(yōu)點上采用了SIC(Successive Interference Cancellation)技術[6]，對正交性降低了要求，因此更加適合于高速環(huán)境下車與車之間的通信。

2 5G車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構

在5G車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)[7]中主要包括的設備有5G基站、移動終端、車載傳感器、車輛自組網(wǎng)AP[8]、服務器、汽車電子控制模塊(ECU)等。其中汽車電子控制模塊是利用裝載在汽車上的各種傳感器來獲取汽車的各種動、靜態(tài)數(shù)據(jù)，如車速、發(fā)動機工作狀態(tài)、周邊的車輛分布情況等。汽車電子控制模塊將收集到的數(shù)據(jù)傳送到移動終端，通過移動終端的各種通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給路邊的AP、5G基站或者其他終端設備，形成車輛自組網(wǎng)、5G移動通信網(wǎng)、無線局域網(wǎng)的三合一通信網(wǎng)絡。如圖2所示。

圖2 5G車聯(lián)網(wǎng)三合一網(wǎng)絡架構

根據(jù)圖2可知，車A要從服務器獲取服務，可以從三合一網(wǎng)絡的任意一種網(wǎng)絡獲得。圖3給出3種網(wǎng)絡的通信流程圖。

圖3 三種通信網(wǎng)流程圖

在無線局域網(wǎng)中，移動終端A通過無線局域網(wǎng)通信鏈路將數(shù)據(jù)傳送給路邊的AP，然后通過有線鏈路將數(shù)據(jù)傳給基站，最后通過基站與服務器的連接獲得互聯(lián)網(wǎng)服務。

在5G移動通信網(wǎng)中，移動端直接通過5G移動網(wǎng)通信鏈路與基站進行通信，然后再由基站和服務器通信。

在車輛自組網(wǎng)中，用戶的通信方式有多種。移動終端A可以先通過車輛自組網(wǎng)通信鏈路將數(shù)據(jù)傳送給另一移動終端設備B。設備B可以根據(jù)當時的具體情況選擇是通過AP與基站通信還是直接與基站進行通信。

利用以上3種通信方式最終實現(xiàn)了基于5G的車聯(lián)網(wǎng)整體的系統(tǒng)架構。每輛車既可當作終端設備，也可以當作中繼器進行數(shù)據(jù)的轉發(fā)，從而大大提高了網(wǎng)絡的靈活性，車輛可以根據(jù)自身的情況選擇最恰當?shù)慕尤敕绞?，有效地提高了整個網(wǎng)絡的效率。

3 5G車聯(lián)網(wǎng)展望

隨著國家對5G的大力支持，5G時代即將到來，5G通信技術憑借其快速性、穩(wěn)定性將大大提高服務質(zhì)量，為用戶帶來全新的極速體驗。用戶可以在不同的地點選擇不同的方式接入互聯(lián)網(wǎng)。毫無疑問，5G的最終模式還沒有確定，所有的模型結構只是一個假設。各種通信協(xié)議還有待討論確定。隨著5G的核心技術逐漸確定下來，5G的真面目將逐漸浮出水面，到時將真正進入極速、安全、高效的信息化時代。

4 結束語

本文首先介紹了5G中的NOMA技術，并將其與傳統(tǒng)的OFDM技術進行了比較。隨后在此基礎上構想了基于5G的三合一車聯(lián)網(wǎng)架構。最后對5G車聯(lián)網(wǎng)進行了美好的展望。隨著5G時代的到來，越來越多的人將加入到5G車輛網(wǎng)的研究中，使5G車聯(lián)網(wǎng)更加完善。

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[2] 尤肖虎，潘志文，高西奇，等. 5G移動通信發(fā)展趨勢與若干關鍵技術[J].中國科學:信息科學，2014，44(5)：551-563.

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Exploration and design of Internet of Vehicles system structure based on NOMA

Ni Yafan, Zeng Liansun

(College of Information Engineering,Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

The arrival of the 5G accelerated the development and reformation in different industries. It is a trend to combine 5G with Internet of Things, Internet of Vehicles, Industrial Internet and other industries. In this paper, firstly we introduced one of the several core technologies in 5G combined with Internet of Vehicles,which is NOMA, and compared it with the traditional OFDM. Then we talked about the structure of 5G based Car Networking. At last, we looked into the good future of the 5G Internet of Vehicles.

5G; Internet of Vehicles; NOMA; OFDM

TN915

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.11.019

倪亞凡，曾連蓀.基于NOMA的車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構的探索與設計[J].微型機與應用，2017,36(11)：64-65，70.

2016-11-14)

倪亞凡(1990-)，男，在讀碩士研究生，主要研究方向：港口無線通信與計算機測控。

曾連蓀(1962-)，男，博士，教授，主要研究方向：移動通信與無線接入。