蜂窩車聯(lián)網(wǎng)(C-V2X)通信技術(shù)的應(yīng)用目的在于增強(qiáng)道路交通安全。C-V2X主要采用模式3和模式4的通信模式。分析了C-V2X的底層直連蜂窩通信協(xié)議(PC5)接口通信的子幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、同步機(jī)制、資源池配置、資源分配機(jī)制等關(guān)建技術(shù)。對(duì)基于感知的半持續(xù)調(diào)度(S-SPS)算法進(jìn)行了介紹和評(píng)估。通過(guò)在城市道路場(chǎng)景中的仿真驗(yàn)證了資源重選概率和資源預(yù)留間隔對(duì)數(shù)據(jù)包接收率(PRR)的影響,以及通過(guò)在不同場(chǎng)景中的仿真驗(yàn)證了信道帶寬對(duì)PRR的影響。

0 前言

內(nèi)燃機(jī)電氣化可以提高車輛的燃油效率，現(xiàn)代汽車開發(fā)了1款柴油機(jī)飛輪集成電機(jī)(下文稱為“P1系統(tǒng)”)，可以在已量產(chǎn)的前驅(qū)車型上應(yīng)用。這款集成電機(jī)直接與曲軸的后端相連，將電機(jī)轉(zhuǎn)子和飛輪集成在一起。通過(guò)采用P1系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)、起動(dòng)機(jī)、皮帶輪系等功能重復(fù)的零部件可以被取消，同時(shí)采用電動(dòng)水泵和電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)。另外，在皮帶傳動(dòng)起動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)的48 V弱混系統(tǒng)(下文稱為“P0系統(tǒng)”)中，只是發(fā)電機(jī)被取代了，而P1系統(tǒng)可以通過(guò)降低附件傳動(dòng)產(chǎn)生的損失和根據(jù)不同的控制策略對(duì)制動(dòng)能量進(jìn)行回收，從而進(jìn)一步提高燃油經(jīng)濟(jì)性。在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)上難以克服，以及需要高成本去改進(jìn)的缺點(diǎn)可以通過(guò)電機(jī)以不同的方式進(jìn)行彌補(bǔ)。例如，在渦輪遲滯時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩助力，利用電機(jī)反相控制進(jìn)行振動(dòng)控制，通過(guò)內(nèi)燃機(jī)起?？刂铺岣呷加徒?jīng)濟(jì)性，通過(guò)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)降低氮氧化物(NOx)峰值等，配裝內(nèi)燃機(jī)的車輛性能因此得到了進(jìn)一步提升。特別是在采用集成電機(jī)取代了驅(qū)動(dòng)齒輪型起動(dòng)機(jī)后，在使用起停功能時(shí)，動(dòng)力總成通過(guò)控制低速振動(dòng)和改善駕駛性能，極大提高了乘客的舒適性。

車聯(lián)網(wǎng)借助新一代信息通信技術(shù),提升了車輛智能化水平和自動(dòng)駕駛能力,提高了交通效率,改善了駕駛員的駕駛體驗(yàn),為用戶提供了智能、安全、舒適及高效的駕駛服務(wù)。車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在降低交通事故發(fā)生率、提高交通效率、緩解交通擁擠、降低能耗及減少環(huán)境污染方面具有重要意義。通信技術(shù)作為車聯(lián)網(wǎng)中重要的技術(shù),是實(shí)現(xiàn)信息交互的載體,可為車聯(lián)網(wǎng)提供全方位高效網(wǎng)絡(luò)連接。

目前,基于長(zhǎng)期演進(jìn)網(wǎng)絡(luò)(R14 版本)的車聯(lián)網(wǎng) (LTE-V2X) 的蜂窩車聯(lián)網(wǎng) (C-V2X) 通信技術(shù)已接近商業(yè)化階段。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)交通工具與其他車輛,以及其他使用短距離通信或蜂巢式網(wǎng)路的道路使用者的有效溝通。未來(lái),隨著第五代移動(dòng)通信(5G)技術(shù)的強(qiáng)化,C-V2X 通信技術(shù)將大幅提升交通效率和道路安全。

C-V2X 通信技術(shù)是智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)(ITS)的重要組成部分。由于涉及到車輛與人員的安全,C-V2X 通信終端產(chǎn)品在實(shí)際投入使用前必須對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)試。鑒于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的效率較低,成本較高,故使用建模仿真測(cè)試方法是車聯(lián)網(wǎng)行業(yè)內(nèi)公認(rèn)的最重要、最有效的方式之一。

1 C-V2X 概述

車聯(lián)網(wǎng)通信支持車輛與任何事物(V2X)之間的信息交互。V2X 通信模式包括:車與車(V2V)、車與人(V2P)、車與基礎(chǔ)設(shè)施(V2I)、車與網(wǎng)絡(luò)(V2N)的通信交互。

C-V2X 是基于第三代移動(dòng)通信(3G)/第四代移動(dòng)通信(4G)/5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)演化而成的蜂窩車聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)。C-V2X 技術(shù)主要采用2種通信模式,分別定義為模式3和模式4。2種模式分別對(duì)應(yīng)不同的通信接口。圖1示出了C-V2X 模式3通信技術(shù)示意圖。該模式由基站集中控制管理無(wú)線資源分配相關(guān)工作,車輛僅在基站覆蓋范圍內(nèi)才能進(jìn)行通信,其對(duì)應(yīng)于終端和基站之間的通信接口(Uu)。在C-V2X 模式4中,車輛可自主選擇無(wú)線資源進(jìn)行V2X業(yè)務(wù)傳輸,不需要借助基站等網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。該模式采用C-V2X 的底層直連蜂窩通信協(xié)議(PC5)接口進(jìn)行通信,利用側(cè)鏈(SL)發(fā)送V2X 消息,從而實(shí)現(xiàn)車輛間的低時(shí)延、高可靠及高容量通信(圖2)。

圖1 C-V2X模式3Uu接口通信示意圖

C-V2X 通信技術(shù)作為面向車輛、行人、道路基礎(chǔ)設(shè)施、云平臺(tái)的通信綜合解決方案,具備在高速移動(dòng)環(huán)境中低時(shí)延、高可靠、高速率、安全的通信能力,能實(shí)現(xiàn)更加全方位的連接和更高效的信息交互,以滿足車聯(lián)網(wǎng)通信的多種應(yīng)用需求。C-V2X 典型的應(yīng)用場(chǎng)景包括信息服務(wù)、交通安全、交通效率提升,以及自動(dòng)駕駛等。

圖2 C-V2X模式4PC5接口直通方式示意圖

2 C-V2XPC5接口的關(guān)建技術(shù)

C-V2X 模式4支持車輛之間的直接通信,允許車輛以分布式調(diào)度方式自主選擇無(wú)線通信資源,而不需要通過(guò)基站進(jìn)行資源集中調(diào)度。本文主要對(duì) C-V2X 模式4的通信方式進(jìn)行分析和研討。針對(duì)車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景中車輛高速移動(dòng)的特性,以及數(shù)據(jù)傳輸要求低時(shí)延、高可靠等需求,C-V2X 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)子幀結(jié)構(gòu)、同步機(jī)制及資源池配置進(jìn)行了增強(qiáng)。

2.1 子幀結(jié)構(gòu)

在C-V2X應(yīng)用場(chǎng)景中,車輛運(yùn)動(dòng)速度較快,且車輛可能在高頻段工作,這會(huì)導(dǎo)致多普勒頻率發(fā)生偏移,對(duì)信道產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此,需要在 C-V2X PC5接口通信中優(yōu)化設(shè)計(jì)解調(diào)參考信號(hào)(DMRS)結(jié)構(gòu)。C-V2X通信技術(shù)借鑒了基于長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)網(wǎng)絡(luò)終端直通技術(shù)的DMRS列結(jié)構(gòu),將1個(gè)子幀中的2列DMRS增加到4列DMRS。圖3示出了C-V2X PC5接口通信的子幀結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可使鄰近的DMRS間隔從先前的0.50ms縮減為0.25ms,導(dǎo)頻密度在時(shí)域上有所增加,有效解決了典型高速場(chǎng)景時(shí)高頻段的信道檢測(cè)、估計(jì)及補(bǔ)償?shù)葐栴}。除DMRS結(jié)構(gòu)外,增強(qiáng)后的C-V2X PC5接口通信的子幀結(jié)構(gòu)還包括上下行保護(hù)時(shí)間(GP)及自動(dòng)增益控制(AGC)。

圖3 C-V2XPC5接口通信的子幀結(jié)構(gòu)

2.2 同步機(jī)制

在C-V2X系統(tǒng)中,C-V2X通信節(jié)點(diǎn)可配置全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)模塊,并可直接作為同步源向周圍節(jié)點(diǎn)提供同步信息。同時(shí),基站也可作為同步源之一,通過(guò)廣播方式將基站與GNSS之間的時(shí)間偏差通知用戶,進(jìn)行時(shí)間補(bǔ)償。由于在基站覆蓋范圍下的節(jié)點(diǎn)與基站同步,故基站覆蓋范圍下的用戶也可作為同步源,將基站同步信號(hào)發(fā)送到基站覆蓋范圍外的節(jié)點(diǎn)。因此,C-V2X通信技術(shù)支持GNSS、節(jié)點(diǎn)自同步及基站等3種同步源。

2.3 資源池配置

C-V2X利用單載波頻分多址(SC-FDMA)支持多用戶接入網(wǎng)絡(luò)。同時(shí),C-V2X 支持10 MHz及20 MHz信道帶寬用于傳輸V2X業(yè)務(wù),每個(gè)信道在時(shí)域上被劃分為子幀,在頻域上被劃分為子信道。每個(gè)子信道由多個(gè)資源塊(RB)組成。資源塊是分配給用戶的最小時(shí)頻資源單位,1個(gè)資源塊在時(shí)域上占1ms,在頻域上占180KHz。每個(gè)子信道上的資源塊數(shù)目是可以變化的。

數(shù)據(jù)和側(cè)鏈控制信息(SCI)占用子信道進(jìn)行傳輸。具體而言,就是數(shù)據(jù)在傳輸塊(TB)上的物理側(cè)鏈共享信道(PSSCH)進(jìn)行傳輸,每個(gè)傳輸塊包含了所有要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包,傳輸塊的大小取決于數(shù)據(jù)包大小。傳輸塊必須與其關(guān)聯(lián)的SCI 在同一個(gè)子幀內(nèi)進(jìn)行傳輸,該SCI 在物理側(cè)鏈控制信道(PSCCH)上占用2個(gè)資源塊,SCI 包含了用于傳輸塊的調(diào)制和編碼方案等控制信息。

PSCCH 與PSSCH 可采用2種資源配置方式,即鄰帶資源配置方式和非鄰帶資源配置方式。在鄰帶資源配置方式中,SCI 和數(shù)據(jù)在同一子幀的相鄰資源塊上進(jìn)行傳輸,占用1個(gè)或多個(gè)子信道;在非鄰帶資源配置方式中,SCI 和數(shù)據(jù)在同一子幀的非相鄰資源塊上進(jìn)行傳輸。圖4示出了2種資源池的配置方式。

圖4 資源池的配置方式

3 基于感知的半持續(xù)調(diào)度(S-SPS)資源分配機(jī)制

3.1 S-SPS 資源分配機(jī)制概述

C-V2X PC5接口通信技術(shù)采用了一種全新的分布式資源分配方案,即S-SPS資源分配機(jī)制,該機(jī)制可以在不借助蜂窩基站的情況下自主選擇資源進(jìn)行周期性消息的傳輸。

S-SPS 資源分配算法利用V2X業(yè)務(wù)的周期性特點(diǎn),通過(guò)感知預(yù)約周期性的資源傳輸V2X業(yè)務(wù),可避免沖突,提高資源利用率,提升傳輸可靠性。假設(shè)N 為資源選擇或重選時(shí)刻,車輛在選擇傳輸資源后相隔時(shí)間長(zhǎng)度后傳輸V2X業(yè)務(wù),并假設(shè)半持續(xù)周期時(shí)間長(zhǎng)度,則資源選擇窗口的2個(gè)時(shí)間間隔t的計(jì)算公式如下:

式(1)中:t1 通常取值為4ms;式(2)中:t2 通常取值為100ms。

圖5示出了C-V2X PC5接口的S-SPS機(jī)制時(shí)序。候選資源(CSR)是指資源選擇窗口內(nèi)的系統(tǒng)資源,N-1000到N-1之間的時(shí)間間隔稱為感知窗口。車輛在進(jìn)行資源選擇或重選時(shí),會(huì)根據(jù)過(guò)去1000ms的感知窗口來(lái)判斷選擇窗口內(nèi)的CSR 是否空閑。若CSR 空閑,則資源為可用資源,車輛可選擇該CSR 作為傳輸資源。當(dāng)車輛從可用資源中選定傳輸資源后,可在式(3)所示的時(shí)刻內(nèi)占用該傳輸資源傳輸V2X 業(yè)務(wù),也可以在式(4)所示的時(shí)刻內(nèi)對(duì)傳輸資源的使用進(jìn)行預(yù)約。相關(guān)計(jì)算公式如下:

式(3)中:N 為資源選擇或重選時(shí)刻;M 為車輛在選擇傳輸資源后相隔時(shí)間長(zhǎng)度。式(4)中:l 為半持續(xù)周期時(shí)間長(zhǎng)度。

圖5  C-V2X PC5接口 S-SPS 機(jī)制時(shí)序

3.2 S-SPS 資源分配過(guò)程

C-V2X 模式4通信介質(zhì)訪問控制層(MAC)的資源分配機(jī)制主要采用S-SPS 資源分配算法。S-SPS 資源分配算法主要分為3個(gè)過(guò)程:資源感知過(guò)程、資源選擇過(guò)程、資源重選過(guò)程?；赟-SPS 資源分配機(jī)制,車輛可以根據(jù)信道感知結(jié)果選擇可用的傳輸資源,并保留此資源便于下一次傳輸。

3.2.1 資源感知過(guò)程

資源感知是執(zhí)行 S-SPS 資源分配算法的先導(dǎo)過(guò)程。感知的本質(zhì)就是在感知窗口內(nèi)檢測(cè)其他車輛使用資源塊的情況,從而在資源選擇窗口中確定可用資源。在資源選擇窗口中,車輛會(huì)檢測(cè)最近1000 ms 時(shí)域子幀內(nèi)資源塊的使用情況,并根據(jù)不斷接收的直通鏈路接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)閾值來(lái)判斷給定的資源塊是否空閑。在第3代合作伙伴計(jì)劃(3GPP)中,每個(gè)資源塊RSSI閾值通常設(shè)為107 dBm。若 S-RSSI 值大于該閾值,則被認(rèn)為資源塊忙碌,反之,資源塊為空閑。根據(jù)感知結(jié)果,車輛可將S-RSSI 在閾值之下的資源塊作為可用資源。若可用資源小于20%,則該車輛需要增加3dB的參考信號(hào)接收功率(RSRP)閾值,直到建立大于20%的可用資源,否則,車輛將繼續(xù)執(zhí)行上述循環(huán)步驟。

3.2.2 資源選擇過(guò)程

在資源感知過(guò)程中,當(dāng)確定了大于20%的可用資源后,需要從中選出最好的20%的可用資源作為傳輸資源,即具有最低平均S-RSSI值的20%的可用資源。假設(shè)QRSSI為平均S-RSSI值,并將其定義為10個(gè)子幀的S-RSSI的平均值,計(jì)算公式如下:

式中:QRSSI為S-RSSI值;j 為選擇窗口;t為時(shí)間間隔。

QRSSI值越小,說(shuō)明該資源被其他車輛占用的可能性越小,因而選擇該資源可以減少資源沖突。圖6為平均S-RSSI的計(jì)算示意圖。

圖6  平均S-RSSI值的計(jì)算

3.2.3 資源重選過(guò)程

當(dāng)車輛隨機(jī)在最好的20%可用資源中選擇傳輸資源時(shí),系統(tǒng)會(huì)相應(yīng)地產(chǎn)生1個(gè)資源計(jì)數(shù)器,該計(jì)數(shù)器的取值范圍為5~10。車輛每傳輸1次V2X 業(yè)務(wù),資源計(jì)數(shù)器的值相應(yīng)地減1。當(dāng)資源計(jì)數(shù)器的值為零時(shí),車輛會(huì)以一定概率重新選擇新的傳輸資源。

3.3 S-SPS算法具體實(shí)現(xiàn)步驟

圖7示出了C-V2X中S-SPS算法的具體步驟[10]。S-SPS算法程序的實(shí)現(xiàn)步驟如下:①設(shè)置資源選擇窗口,把資源選擇窗口內(nèi)的所有資源設(shè)為候選資源。②車輛連續(xù)監(jiān)測(cè)子幀,并記錄解碼的SCI和SL接收信號(hào)強(qiáng)度指示測(cè)量值,根據(jù)感知窗口確定可用資源。③設(shè)置信號(hào)功率閾值ThreshRsrp。④設(shè)置資源分配參數(shù),初始化集合CSRA、CSRB。其中,CSRA為資源選擇窗口內(nèi)的所有候選資源,CSRB 為空集。⑤在集合CSRA 中,排除RSRP閾值大于信號(hào)功率閾值的候選資源。⑥確定大于20% 的可用資源。若不滿足該條件,則將RSRP閾值增加3 dB,直至滿足大于20%的可用資源。⑦在CSRA 集合中選擇最好的20%可用資源。其選擇準(zhǔn)則為具有最低平均S-RSSI值的20%可用資源,并放入集合CSRB 中。⑧ 從CSRB 中隨機(jī)選擇資源進(jìn)行V2X業(yè)務(wù)傳輸。

圖7  C-V2XS-SPS算法具體實(shí)現(xiàn)步驟

4 仿真分析

采用網(wǎng)絡(luò)仿真器NS3對(duì)C-V2X 的S-SPS算法性能進(jìn)行仿真分析,并評(píng)估了資源重選概率、資源預(yù)留間隔、信道帶寬對(duì)數(shù)據(jù)包接收率(PRR)的影響。PRR 是指在基線距離范圍內(nèi)所有車輛成功接收的數(shù)據(jù)包數(shù)目與所傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)包數(shù)目的比值。表1示出了仿真分析的參數(shù)。

圖8示出了城市道路場(chǎng)景中,當(dāng)信道帶寬為10MHz時(shí),不同資源重選概率下PRR 的變化情況。從圖中可以看出,隨著仿真時(shí)間的增加,各條曲線趨于平穩(wěn)。當(dāng)資源重選概率過(guò)高時(shí),S-SPS性能欠佳,其原因是資源重選概率越高,資源可用性變化將加劇,從而導(dǎo)致通信可靠性較低,PRR值下降。

圖8  不同資源重選概率下PRR的變化情況

圖9示出了城市道路場(chǎng)景中,當(dāng)信道帶寬為10MHz時(shí),不同資源預(yù)留間隔下PRR的變化情況。隨著資源預(yù)留間隔的增加,PRR 值有所提升。這是因?yàn)橘Y源預(yù)留間隔增加,車輛在給定時(shí)間內(nèi)可使用的資源數(shù)量減少,因此,多個(gè)車輛選擇同一資源的概率降低,從而資源沖突減少,PRR有所提升。

                  圖9  不同資源預(yù)留間隔下PRR的變化情況

圖10示出了不同場(chǎng)景下不同信道帶寬對(duì)PRR值影響的評(píng)估情況。針對(duì)3種不同仿真場(chǎng)景,20MHz信道帶寬的性能優(yōu)于10MHz信道帶寬的性能。這是因?yàn)樾诺缼捲酱?可供車輛選擇的資源越多,多個(gè)車輛選擇相同資源的概率將降低,發(fā)生碰撞的機(jī)率就越小。因此,成功接收數(shù)據(jù)包的數(shù)量增加,PRR 增加。同時(shí),在高速公路場(chǎng)景下的PRR性能略優(yōu)于城市道路場(chǎng)景,其原因是相比于城區(qū)道路場(chǎng)景,高速公路場(chǎng)景下的信道模型只包含視距傳輸,無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信道質(zhì)量較好,因此PRR性能會(huì)有所提升。

圖10  不同帶寬對(duì)應(yīng)的PRR變化情況

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)C-V2XPC5接口通信關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了概述,并對(duì)S-SPS機(jī)制進(jìn)行了性能評(píng)估。C-V2XPC5接口通信可以在沒有蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施支持的場(chǎng)景中為車輛提供車車間的直接通信,C-V2XPC5接口通信引入SSPS資源分配方案后,系統(tǒng)允許車輛自主地選擇和保留無(wú)線資源進(jìn)行消息的傳輸。仿真分析結(jié)果表明,資源重選概率、資源預(yù)留間隔及信道帶寬對(duì)C-V2XPC5接口通信性能具有一定影響。

隨著智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展,智能駕駛技術(shù)已經(jīng)日臻成熟,但是用于車聯(lián)網(wǎng)通信的C-V2X的頻段尚未正式確定。因此,通過(guò)仿真手段開展對(duì)C-V2X相關(guān)資源的配置和通信質(zhì)量的測(cè)試分析,將有助于為我國(guó)C-V2X的頻段分配提供技術(shù)支撐,為車聯(lián)網(wǎng)商用部署打下技術(shù)基礎(chǔ)。