蘇昭陽 劉留 馮毅

摘要：分析了基于長(zhǎng)期演進(jìn)的車用無線通信技術(shù)（LTE-V2X）的關(guān)鍵技術(shù)、面臨的挑戰(zhàn)和相關(guān)研究進(jìn)展。詳細(xì)介紹了北京交通大學(xué)和中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司在上海開展的實(shí)地測(cè)試工作，制定了測(cè)試方案，并基于實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)對(duì)信道特性進(jìn)行了深入分析。

關(guān)鍵詞：蜂窩車用無線通信技術(shù);LTE-V2X;無線信道;測(cè)試

Abstract：Thekeytechnologies，challenges，andrelatedresearchprogressoflongtermevolution-vehicletoeverything（LTE-V2X）areanalyzed.ThemeasurementcampaignscarriedoutinShanghaibyBeijingJiaotongUniversityandChinaUnicomareintroducedindetail，andthetestschemeisgiven.Basedontheactualmeasureddata，thechannelcharacteristicsareanalyzed.

Keywords：C-V2X;LTE-V2X;wirelesschannel;test

如今汽車已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚某鲂泄ぞ?。然而，隨著汽車保有量的增加，一些潛在的問題也開始顯現(xiàn)出來，如交通安全、交通擁堵、環(huán)境污染等。在為人類帶來便利的同時(shí)，由汽車造成的負(fù)面影響已經(jīng)不能忽視。于是車載無線通信技術(shù)（V2X）應(yīng)運(yùn)而生。V2X包括車與車通信（V2V）、車與物通信（V2I）、車與人通信（V2P）、車與網(wǎng)絡(luò)通信（V2N），它可以顯著提升駕駛的安全性與交通效率，降低事故發(fā)生率[1]。

V2X面臨著如何在無線傳播環(huán)境快速時(shí)變與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化的情況下提供高可靠、低時(shí)延的通信服務(wù)等難題[2]。目前，世界上用于V2X的主流技術(shù)主要有兩種：一種是專用短程通信（DSRC）技術(shù)，該技術(shù)采用電氣與電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）802.11p定義的物理層協(xié)議;另一種是基于蜂窩車用無線通信技術(shù)（C-V2X），該技術(shù)包括基于長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）移動(dòng)通信技術(shù)形成的LTE-V2X技術(shù)和基于5G新空口（NR）演進(jìn)形成的NR-V2X技術(shù)。其中，DSRC可以提供多對(duì)多、低延時(shí)的通信，但是可靠性較差[2];C-V2X能提供更廣的通信范圍、更低的時(shí)延與更高的可擴(kuò)展性[3]。對(duì)于這兩種技術(shù)，中國選擇使用C-V2X作為發(fā)展V2X的技術(shù)手段。

中國積極開展相關(guān)的研究與測(cè)試工作。C-V2X產(chǎn)業(yè)化程度和產(chǎn)品接受程度都在逐步提升。一方面，核心芯片、模組和終端產(chǎn)品的研發(fā)基本成熟;另一方面，交通運(yùn)輸行業(yè)和汽車廠商開始主動(dòng)推廣C-V2X，并開展了實(shí)地測(cè)試。2016年，工業(yè)和信息化部在重慶、武漢、長(zhǎng)春進(jìn)行了為期3年的LTE-V2X外場(chǎng)測(cè)試[4]。2018年，中國率先為L(zhǎng)TE-V2X直連通信分配了5905～5925MHz的專用帶寬[5]，并于當(dāng)年11月在上海完成世界首例C-V2X“三跨”展示，實(shí)現(xiàn)了通信模組、終端廠商、整車廠商3個(gè)不同方向的互聯(lián)互通[6]。2019年，在三跨的基礎(chǔ)上，“四跨”示范活動(dòng)在上海舉辦，四跨重點(diǎn)增加了跨安全平臺(tái)的場(chǎng)景[7]。2020年，“新四跨”活動(dòng)在上海舉辦，進(jìn)一步推動(dòng)了C-V2X相關(guān)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試驗(yàn)證，同時(shí)增加了新技術(shù)元素，以不斷完善C-V2X。

除中國外，歐美國家和日本對(duì)相關(guān)技術(shù)的研究占據(jù)領(lǐng)先地位。美國主要基于DSRC開展研究工作，并支持C-V2X作為備選技術(shù)。高通與福特開展了美國的第一個(gè)C-V2X試驗(yàn)。其中，高通設(shè)計(jì)了一款針對(duì)C-V2X的芯片（Qualcomm9150）。歐洲從支持IEEE802.11p逐漸轉(zhuǎn)為技術(shù)中立態(tài)度。5G汽車聯(lián)盟與寶馬集團(tuán)等公司共同完成了第一個(gè)跨車型的C-V2X現(xiàn)場(chǎng)演示。此外，日本也將C-V2X作為備選技術(shù)。2018年，日本多個(gè)通信和車輛公司聯(lián)合進(jìn)行了C-V2X直接通信測(cè)試[8]。

隨著5G的到來，C-V2X面臨著更多挑戰(zhàn)。一方面，更加豐富的應(yīng)用場(chǎng)景與業(yè)務(wù)種類要求通信技術(shù)能提供更低的時(shí)延與更高的可靠性;另一方面，與新技術(shù)如超大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）、毫米波通信、移動(dòng)邊緣計(jì)算等的結(jié)合也對(duì)C-V2X的發(fā)展提出了新要求。此外，V2X通信的安全性也是一個(gè)亟待解決的問題，包括V2X通信中的功能安全、網(wǎng)絡(luò)安全、隱私安全和數(shù)據(jù)安全[2]。對(duì)此，人們需要構(gòu)建V2X通信的安全防護(hù)體系。

面對(duì)這些挑戰(zhàn)，進(jìn)行V2X信道特性研究顯得尤為重要。目前V2X信道特性的研究存在一些不足。相比于傳統(tǒng)的蜂窩通信系統(tǒng)，V2X信道具有工作頻段高、發(fā)射端天線高度低、終端移動(dòng)性高、受環(huán)境影響大的特點(diǎn)[9]。通信雙方的高速移動(dòng)使信道狀態(tài)變化劇烈，統(tǒng)計(jì)特性難以預(yù)測(cè)。雖然目前標(biāo)準(zhǔn)組織定義了V2X相關(guān)信道模型，但是這些模型有著場(chǎng)景覆蓋不豐富、參數(shù)不合適等問題。因此，在更多場(chǎng)景下對(duì)V2X信道開展實(shí)地測(cè)量與建模是非常有必要的。

1LTE-V2X關(guān)鍵技術(shù)

1.1LTE-V2X無線通信特點(diǎn)

LTE-V2X無線通信具有以下特點(diǎn)[10]：

（1）低延時(shí)高可靠通信

在V2X場(chǎng)景中，通信系統(tǒng)內(nèi)個(gè)體處于高速移動(dòng)狀態(tài)，導(dǎo)致多普勒頻移嚴(yán)重，無線傳播環(huán)境復(fù)雜且快時(shí)變，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚哂懈叨葎?dòng)態(tài)性。LTE-V2X依托現(xiàn)有LTE蜂窩通信系統(tǒng)，對(duì)物理層、資源分配、同步等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，具備低延時(shí)高可靠的通信能力。

（2）遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸可靠性高

相比于IEEE802.11p采用的多跳中繼進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，LTE-V2X采用基站與云端服務(wù)器連接的方式傳輸遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)，可以有效避免中繼節(jié)點(diǎn)的影響，提高遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)的可達(dá)性。

（3）非視距場(chǎng)景傳輸可靠性高

由于利用了基站轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行通信，且基站天線架設(shè)高度一般較高，因此LTE-V2X可以很好地支持非視距場(chǎng)景，提高非視距場(chǎng)景下數(shù)據(jù)傳輸可靠性。

（4）網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護(hù)成本低

由于是基于LTE蜂窩網(wǎng)絡(luò)發(fā)展而來的，因此LTE-V2X可以在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)部署時(shí)在現(xiàn)有設(shè)備上升級(jí)擴(kuò)展，方便快捷地實(shí)現(xiàn)LTE-V2X的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，同時(shí)也可以利用現(xiàn)有商用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行安全證書的更新和設(shè)備的維護(hù)。

由此可見，LTE-V2X能夠最大程度利用已部署網(wǎng)絡(luò)等資源，具有部署成本低、網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣的優(yōu)勢(shì)，并且在密集的環(huán)境下具有更遠(yuǎn)的通信距離、更大的容量、更佳的非視距通信性能和擁塞控制能力。

1.2工作模式

LTE-V2X針對(duì)車輛通信定義了直通模式和蜂窩模式兩種通信模式。直通模式是指車輛之間的直接通信。這種模式引入設(shè)備到設(shè)備（D2D）PC5接口，采用V2X專用頻段，可以使鄰近的終端在近距離范圍內(nèi)無需中心節(jié)點(diǎn)就可進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)車、路、人之間的短距離直連通信，有效達(dá)成V2X通信終端之間的低時(shí)延、高可靠傳輸，保證車輛安全駕駛。直通模式適合蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋有限的環(huán)境，但需要有良好的資源配置及擁塞控制算法。蜂窩模式使終端和基站通過5G空口（Uu）接口通信，工作在傳統(tǒng)移動(dòng)通信授權(quán)頻段，由基站負(fù)責(zé)資源集中分配與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，以具備集中控制、資源調(diào)度、統(tǒng)一協(xié)調(diào)的功能，可顯著提高LTE-V2X的接入能力和組網(wǎng)效率。兩種模式的協(xié)同工作、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可以使車輛在不同場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)低延時(shí)、高可靠通信[11]。

1.3物理信道設(shè)計(jì)

LTE-V2X采用單載波頻分多址接入技術(shù)，可以有效降低峰均功率比，在相同功放情況下有更大的發(fā)射功率。LTE-V2X在頻域上支持10～20MHz的可變帶寬，物理信道設(shè)計(jì)為子幀、資源塊和子信道。在LTE-V2X中，如果繼續(xù)使用傳統(tǒng)蜂窩通信的幀結(jié)構(gòu)，車輛的高速移動(dòng)和高頻段工作造成的多普勒頻偏就會(huì)對(duì)信道估計(jì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此需要對(duì)幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行增強(qiáng)設(shè)計(jì)。如圖1所示，每個(gè)子幀長(zhǎng)度為1ms，包含14個(gè)正交頻分復(fù)用調(diào)制（OFDM）符號(hào)。其中，第一個(gè)符號(hào)用于自動(dòng)增益控制（AGC），最后一個(gè)符號(hào)作為保護(hù)間隔（GP）。將原本子幀中的2列解調(diào)參考信號(hào)（DMRS）增加到4列，能夠有效處理典型高速場(chǎng)景高頻段的信道檢測(cè)、估計(jì)與補(bǔ)償[12]。資源塊是分配給用戶的最小時(shí)頻資源，在時(shí)域上占1ms，在頻域上占180kHz，并包含了12個(gè)子載波，是所有控制信令和數(shù)據(jù)信息的基本單元。子信道是具有相同子幀的資源塊的組合，用于傳輸數(shù)據(jù)信息和控制信息兩種信息。這兩種信息被安置在同一子幀內(nèi)，以達(dá)到降低時(shí)延的目的。

1.4資源調(diào)度

LTE-V2X支持Mode3和Mode4兩種資源分配方式。合理進(jìn)行資源調(diào)度可以有效避免資源碰撞，提高通信的可靠性。Mode3基于Uu接口，由基站對(duì)資源集中控制。用戶需要在通信前向基站發(fā)送資源分配請(qǐng)求，基站根據(jù)用戶的地理位置和資源利用情況將資源分配給用戶。Mode3是一種基于終端地理信息的半持續(xù)調(diào)度方式。Mode4是基于PC5接口的“感知+預(yù)約的半持續(xù)調(diào)度”的方案，如圖2所示。此方案充分利用V2X業(yè)務(wù)的周期性特點(diǎn)。終端會(huì)自行選擇子信道接入，在資源池中感知資源占用情況。在選擇合適的資源后，終端會(huì)在這些資源上周期性地發(fā)送一定次數(shù)，直到觸發(fā)資源重選。Mode4的資源分配過程不需要基站參與，是一個(gè)完全自組網(wǎng)的方案，既可以承載周期性的V2X業(yè)務(wù)，又可以利用對(duì)資源狀態(tài)的感知以避免沖突，提高資源利用率和傳輸可靠性[10]。

2典型場(chǎng)景庫分類

根據(jù)調(diào)研，V2X通信主要涉及11個(gè)場(chǎng)景：城區(qū)直道、城區(qū)彎道、城區(qū)路口、城區(qū)環(huán)島、高速直道、高速彎道、隧道、路塹、地上停車場(chǎng)、地下停車場(chǎng)、三岔路口。

各場(chǎng)景參數(shù)如表1所示。表中同時(shí)給出了各場(chǎng)景的示意圖。

3信道測(cè)量與特性分析

無線信道是無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，會(huì)在很大程度上影響通信的性能。準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)V2X信道特點(diǎn)是研究V2X通信的首要問題。信道測(cè)量是無線信道傳播特征統(tǒng)計(jì)和參數(shù)提取的前提，有助于充分了解所關(guān)注場(chǎng)景的信道特性。為了測(cè)量LTE-V2X信道并分析其特性，本文研究組在上海臨港智能網(wǎng)聯(lián)汽車綜合測(cè)試示范區(qū)開展了實(shí)地測(cè)量工作。

3.1測(cè)試方案

外場(chǎng)測(cè)試地點(diǎn)為上海臨港智能網(wǎng)聯(lián)汽車綜合測(cè)試示范區(qū)。選擇了上述11個(gè)典型場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示，基本參數(shù)配置如表2所示。

在外場(chǎng)測(cè)試中，要保證所使用的頻段無其他頻率干擾，收發(fā)信機(jī)之間要保持同步。發(fā)射端采用多載波信號(hào)序列作為探測(cè)信號(hào)，接收端使用頻譜儀聯(lián)調(diào)。測(cè)試過程中，還需要用全球定位系統(tǒng)（GPS）軌跡記錄儀記錄車輛的行駛狀態(tài)，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析與處理。圖4給出了V2I高速直道場(chǎng)景與V2I城區(qū)直道場(chǎng)景下的測(cè)試實(shí)景圖。

3.2測(cè)試結(jié)果展示與分析

下面選擇V2I高速直道場(chǎng)景與V2I城區(qū)直道場(chǎng)景進(jìn)行路徑損耗的對(duì)比，如圖5所示。

本文研究組采取最小二乘法對(duì)實(shí)測(cè)路損進(jìn)行擬合，并與自由空間路徑損耗模型、WINNER模型對(duì)比，得到了較好的擬合效果。經(jīng)計(jì)算得知，V2I與V2V的路損值分別為2.27與2.67。城區(qū)直道路損值較大，這主要是因?yàn)槌菂^(qū)直道環(huán)境反散射體較多，信號(hào)經(jīng)過反射的次數(shù)也較多。

在對(duì)V2I高速直道場(chǎng)景有效徑數(shù)進(jìn)行分析后得到，平均有效徑數(shù)為1.81，如圖6所示;而V2I城區(qū)直道場(chǎng)景的平均有效徑數(shù)為2.87，明顯多于高速直道場(chǎng)景。這主要是因?yàn)槌菂^(qū)場(chǎng)景下較多的反散射體使得發(fā)射信號(hào)在到達(dá)接收信號(hào)前發(fā)生了更多次的反射，從而產(chǎn)生了更多的多徑。

從圖7中可以看出，V2I高速直道場(chǎng)景的多普勒功率譜存在快變特性。發(fā)生此快變的位置均為收發(fā)端距離最近的位置，且存在一定程度的多普勒擴(kuò)展。

經(jīng)過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析，我們初步得出以下結(jié)論：對(duì)于大尺度衰落，V2V場(chǎng)景下的路徑損耗指數(shù)大于V2I場(chǎng)景下的;對(duì)于小尺度衰落，V2V場(chǎng)景的有效多徑數(shù)大于V2I場(chǎng)景下的，且對(duì)向行駛場(chǎng)景大于同向行駛場(chǎng)景;無論是V2V還是V2I，不同的測(cè)試場(chǎng)景得到的結(jié)果均有較大差異，需要對(duì)每個(gè)測(cè)試場(chǎng)景進(jìn)行深入分析。

4結(jié)束語

本文從C-V2X的全球發(fā)展態(tài)勢(shì)出發(fā)，介紹了LTE-V2X的關(guān)鍵技術(shù)、面臨的挑戰(zhàn)，詳細(xì)描述了本文研究組在上海臨港智能網(wǎng)聯(lián)汽車綜合測(cè)試示范區(qū)開展的實(shí)地測(cè)試工作，給出了相應(yīng)的測(cè)試方案，并分析了測(cè)試結(jié)果。C-V2X作為中國車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，必將推動(dòng)中國汽車產(chǎn)業(yè)、智能交通等領(lǐng)域的改革創(chuàng)新。由于目前C-V2X無線通信場(chǎng)景的實(shí)地測(cè)試較少，我們希望本文起到拋磚引玉的作用，以所做的測(cè)試為行業(yè)同仁開展相關(guān)工作提供參考，為車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)在中國的大規(guī)模部署提供幫助。

致謝

本研究得到了北京交通大學(xué)樊圓圓和中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司邱佳慧、林曉伯工程師的幫助，謹(jǐn)致謝意！

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作者簡(jiǎn)介

蘇昭陽，北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院在讀博士研究生;研究方向?yàn)檐嚶?lián)網(wǎng)通信、信道測(cè)量與建模。

劉留，北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師;研究方向?yàn)殡姴▊鞑ヅc無線信道建模、時(shí)變信道信號(hào)處理、5G關(guān)鍵技術(shù)、高鐵寬帶接入物理層關(guān)鍵技術(shù)等;主持國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金等多項(xiàng)科研課題;2016年入選北京市科技新星;發(fā)表論文130余篇，申請(qǐng)專利30余項(xiàng)（授權(quán)20余項(xiàng)）。

馮毅，中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司智網(wǎng)創(chuàng)新中心總監(jiān)、教授級(jí)高工，享受國家級(jí)特殊津貼;長(zhǎng)期從事通信行業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究、建設(shè)規(guī)劃、產(chǎn)品創(chuàng)新研發(fā)工作;帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)先后完成8項(xiàng)國際標(biāo)準(zhǔn)和9項(xiàng)中國標(biāo)準(zhǔn);發(fā)表論文10余篇，10余項(xiàng)。