V2V通信關(guān)鍵技術(shù)

2014年6月3日福特公司發(fā)布了V2V通信技術(shù)，V2V可以監(jiān)測道路上行駛的其他車輛的速度、位置等對其他駕駛員無法開放的“隱藏”數(shù)據(jù)。這是一種不受限于固定式基站的通信技術(shù)，為移動中的車輛提供直接的一端到另一端的無線通信。并且V2V技術(shù)是V2X技術(shù)中發(fā)展最為成熟的。

同時，由于V2V通信具有高速、高密度等特點，給設(shè)計帶來了諸多挑戰(zhàn)。如何避免相鄰車輛的嚴重干擾是V2V通信面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)之一。對于V2V通信中的隨機資源分配中的數(shù)據(jù)沖突問題，應(yīng)避免或減輕，并應(yīng)限制資源選擇延遲，以支持服務(wù)質(zhì)量(QoS)要求，特別是對安全消息的要求。

隱蔽性終端(HT)問題極大地限制了交叉口周圍車輛間通信(V2VC)的可靠性。為了減輕這些影響，提出了一種具有扇形接收中繼站的中繼輔助V2VC方案，即SR-V2VC。通過扇形接收提高了RS處的分組接收速率，從而增加了要中繼的分組的數(shù)量,這導(dǎo)致RS傳輸隊列中有大量等待數(shù)據(jù)包。因此，當業(yè)務(wù)負載較高時，SR-V2VC方案面臨另一個問題，即由于RS上的數(shù)據(jù)包溢出/擁堵而導(dǎo)致的分組丟棄。如果出現(xiàn)丟包，則SR-V2VC方案獲得的可實現(xiàn)增益可能受到限制。為了減少這種丟包現(xiàn)象，一些研究人員提出了一種包有效負載級聯(lián)轉(zhuǎn)發(fā)(PCF)概念。采用PCF的SRV2VC(SR-V2VC/PCF)可以顯著降低丟包概率，從而提高分組投遞率(PDR)。然而，隨著業(yè)務(wù)量的進一步增加，分組擁堵仍可能發(fā)生在RS。

本文通過幾篇文章總結(jié)了以下幾點：旁道干擾對通信系統(tǒng)的影響、V2V通信資源分配方案、車載網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)方案、中繼輔助通信、有效負載級聯(lián)轉(zhuǎn)發(fā)（PCF）等。

1 旁道干擾對定向天線毫米波/太赫茲波段V2V通信系統(tǒng)的影響[1]

最近，提出了要求在毫米波（mm Wave）和太赫茲（THz）頻帶中工作的通信系統(tǒng)能夠在5G及更高的無線網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率的車輛到車輛（V2V）通信的建議。然而，大規(guī)模部署此類系統(tǒng)可能會導(dǎo)致重大干擾，影響信息傳輸?shù)男阅?。雖然文獻中對道路信號反射引起的多徑干擾進行了廣泛的討論，但目前對側(cè)車道上車輛引起的多徑干擾的研究還不夠充分。本文采用測量、仿真和分析相結(jié)合的方法（圖1），對典型的鄉(xiāng)村道路和城市道路環(huán)境中的側(cè)車道干擾進行了綜合描述，并同時考慮了側(cè)車道上發(fā)射車輛的多徑干擾和直接干擾。

本文重點研究了通信系統(tǒng)的干擾、信號干擾比(SIR)和鏈路容量。特別是作者Vitaly Petrov揭示了車輛在側(cè)車道上引起的干擾可以用二維隨機過程很好地近似，而大多數(shù)三維分量可以被忽略而不損失精度。然后利用這些結(jié)果建立了公路和城市布設(shè)干擾的分析模型，最后給出了鏈路層的性能分析。

作者在文章中介紹V2V場景(圖2)、路徑損耗和天線模型，詳細介紹了所執(zhí)行的測量和基于射線的模擬工作，建立了干涉的解析模型，最后對數(shù)值結(jié)果進行了討論。

圖1 混合評價方法

圖2 Illustrations of the considered V2V communications scenario[1].

結(jié)果表明：二維隨機模型可以很好地逼近側(cè)線干擾；所分析的結(jié)構(gòu)中的干擾水平在很大程度上取決于天線輻射方向圖的角度。當角度大于40度時，側(cè)車道上的車輛所引起的干擾成為必須考慮的關(guān)鍵問題；當角度小于20度時，即使在沒有干擾緩解技術(shù)的情況下，車輛密集部署的干擾通常也是邊際的。

2 基于位置的V2V通信資源分配方案[2]

最近，第三代合作項目開發(fā)了車載通信，以管理和促進未來的交通安全和移動性。本研究提出了一種基于位置的車輛間通信資源分配方案，該方案根據(jù)車輛的速度、密度、方向和位置分配不同的頻率和時間資源(圖3和圖4)。作者研究的性能分析基于城市和高速公路的案例，涉及周期性的信息傳輸。

圖3 Resource allocation for periodic traffic[2]

圖4 Resource allocation for event-triggered traffic[2]

本文作者Jihyung Kim[2]介紹了V2V系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，描述了隨機資源分配，詳細介紹了基于位置的資源分配方案和流程（見圖5），基于仿真給出了該方案的性能分析，最后Jihyung Kim給出了結(jié)論。

圖5 Flow chart of the proposed resource allocation[2]

在城市情況下，由于車輛密度高，交叉口區(qū)域存在嚴重的車輛間干擾。為了解決這個問題，作者Ji?hyung Kim在交集區(qū)域中根據(jù)交通密度分配特殊的子資源庫。此外，在非交匯處，街道是水平和垂直分開的。對于高速公路的情況，Jihyung Kim根據(jù)車輛的位置和方向分配資源。在基于位置的資源分配中，不同的區(qū)域有不同的子資源庫，車輛進入不同的區(qū)域必須在新的子資源庫中分配資源。這可能會增加延遲，因為車輛必須分配可用的資源，并可能造成額外的碰撞。這種情況對于高速行駛的車輛來說是至關(guān)重要的，因為它們更頻繁地進入不同的區(qū)域。特殊的子資源庫不會像正常的子資源庫那樣經(jīng)常發(fā)生變化。相反，特殊的子資源庫是獨立于位置的，并且總是為那些特殊的高速車輛服務(wù)。

仿真結(jié)果表明，該方案能夠改善分組接收比(PRR)和平均PRR的累積分布函數(shù)。

3 基于V2V的車載傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)方案調(diào)查[3]

車輛將很快連接起來，并且車輛之間、車輛與基礎(chǔ)設(shè)施之間將直接相互作用，從而在安全和交通效率方面帶來重大效益。在過去的十年里，各種不同的無線接入技術(shù)在車載到一切(V2X)通信中得到了發(fā)展，并起草了一套廣泛的相關(guān)用例，每個用例都有自己的要求。圖6是V2X和ETSI優(yōu)先滲透率路線圖。

圖6 Applications roadmap of penetration of connected vehicles and ETSI priorities

本文以短距離通信為研究對象，分析了推動新道路用戶互聯(lián)發(fā)展的技術(shù)和經(jīng)濟動因，探討了國際上對V2X通信設(shè)備的授權(quán)意圖。作者Barbara M.Masini[3]還深入研究了支持無線接入技術(shù)，從IEEE 802.11p到短距離蜂窩-V2X和其他補充技術(shù)，如可見光通信(VLC)和毫米波，直至混合通信和5G。在總結(jié)調(diào)查時，Barbara M.Masini[3]對城市現(xiàn)實情景中的一些性能進行了比較，認為未來授權(quán)技術(shù)的選擇并不容易預(yù)測，主要取決于國際一級的強制性法律。

本論文的目的是從經(jīng)濟動機到需求和相關(guān)的授權(quán)技術(shù)出發(fā)，深入了解基于車輛到車輛(V2V)的車載傳感器網(wǎng)絡(luò)(VSNs)所帶來的挑戰(zhàn)，并概述國際一級正在討論的整合車載連接的潛在強制性規(guī)則。與已經(jīng)發(fā)表的其他調(diào)查不同的是：

(1)Barbara M.Masini[3]將注意力集中在基于V2V的短程應(yīng)用上；

(2)Barbara M.Masini[3]討論了決定不同無線輔助技術(shù)發(fā)展的設(shè)計選擇和因素；

(3)Barbara M.Masini[3]討論了車載無線技術(shù)的潛在經(jīng)濟動機；

(4)Barbara M.Masini[3]概述了國際組織和國家如何采取行動提供適當?shù)纳虡I(yè)模式和潛在的強制性規(guī)則，以推動車載連接，從而有效地支持制造商開發(fā)使用V2V通信的應(yīng)用程序。

4 一種僅使用V2V通信的車輛網(wǎng)絡(luò)的分簇方案[4]

車載網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展引發(fā)了大量的新應(yīng)用，這些應(yīng)用已經(jīng)成為駕駛員和協(xié)同車輛必不可少的部分。保證這些新服務(wù)的連續(xù)性的重要條件之一是存在持續(xù)的網(wǎng)絡(luò)接入，這種接入無法得到完全保證。在這種情況下，開發(fā)可靠的臨時車對車通信是一個很好的選擇，也是強制性的。

該工作提出了一種新的聚類方案，稱為鏈枝-葉(CBL)，它將道路配置、車輛移動性和鏈路質(zhì)量方面的信息結(jié)合起來，以建立類似于車輛網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)，同時只依賴車輛（圖7）。它們可概括如下：

（1）CBL是一種混合聚類方案，導(dǎo)致VANET中出現(xiàn)虛擬骨干，類似于沿著配備車輛通信的道路的路邊單元（RSU）獲得的骨干。因此，它可以在基于基礎(chǔ)設(shè)施和無基礎(chǔ)設(shè)施的VANET中運行。

（2）與大多數(shù)基于地理的路由協(xié)議不同，CBL中不需要全局了解節(jié)點的位置，并且不需要任何需要基礎(chǔ)設(shè)施的全球定位服務(wù)。

（3）基于仿真的CBL研究表明，大多數(shù)時候它在每個驅(qū)動方向（鏈）上構(gòu)建一個主干，由有限數(shù)量的繼電器（分支）形成，其作用類似于簇頭。

（4）與OLSR的本機聚類方案相比，CBL在全局上選擇更少的中繼，從而產(chǎn)生較少的路由流量。

這種聚類方案可以集成到任何反應(yīng)式、主動式或地理自組織路由協(xié)議中，以便優(yōu)化消息泛濫和簡化路由操作。通過仿真實現(xiàn)的評估表明，所提出的聚類方案允許在相當長的時間內(nèi)創(chuàng)建和維護穩(wěn)定的主干。此外，仿真結(jié)果表明，所提出的聚類方案與現(xiàn)有技術(shù)如多點中繼相比，顯著減少了廣播業(yè)務(wù)泛濫的影響。

圖7 CBL functional nodes and links:at the bottom,the road traffic;at the middle,the CBL nodes and links;at the top,upstream and downstream zones on both sides a branch node.

5 移動PEV時空協(xié)同V2V能量交換策略[5]

一種車輛到車輛的(V2V)能量交換策略可以為插入式電動汽車(PEVS)提供一種可替代的快速充電方式，以緩解電力系統(tǒng)在高峰需求時間內(nèi)的充電過載問題。本文旨在利用移動車輛位置和可用能量的實時信息，設(shè)計一種高效的時空協(xié)同V2V能量交換策略。設(shè)計這種能量交換策略的主要挑戰(zhàn)是：激勵移動PEV參與平衡聚集器供需平衡的能量交換交易；實現(xiàn)最佳的能量利用和單個PEV的利潤。

與傳統(tǒng)的協(xié)調(diào)策略不同，V2V策略除了協(xié)調(diào)對需要能量的PEV的充電外，還應(yīng)該激勵剩余能量的PEV放電。在電網(wǎng)中存在一組聚集器的情況下，由于不同聚集器上的與充電需求和放電相關(guān)的空間和時間波動，可以為移動PEV實現(xiàn)空間和時間的充放電協(xié)調(diào)。通過時空協(xié)調(diào)，可以使總供給和總需求相匹配。此外，對于移動PEV充電/放電，由于電池中的可用能量與到達聚合器所需的能量之間的張力，所分配的聚合器必須在給定PEV的當前位置和電池能量水平的各個移動PEV的范圍內(nèi)。

圖8 Illustration of V2V energy swapping framework in the smart grid.

在本文中，作者WANG Miao[5]提出了一種新的智能電網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，通過異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)-增強智能電網(wǎng)，增強了移動PEV的通信能力（圖8）。提出了一種基于價格控制的在線V2V能量交換策略。具體來說，有剩余能量的移動PEV通過提供V2V能量交換交易的方式在聚集器上與耗能的PEV進行交易。為了評估所提出的V2V能量交換策略的性能，在VISSIM中開發(fā)了一個真實的郊區(qū)腳本，利用生成的仿真軌跡跟蹤PEV的流動性。大量的仿真結(jié)果驗證了V2V能量交換策略的有效性。

6 V2V干擾下的協(xié)同中繼通信和過時的CSI[6]

本文研究了一種在雙Nakagami(DN)衰減信道上工作的具有解碼轉(zhuǎn)發(fā)功能的協(xié)作車載(V2V)干擾受限通信系統(tǒng)。在發(fā)射機和接收機都在運行的情況下，這種分配被作為衰減模型提出，如V2V通信中的情況。為了便于分析，作者Bithas Petros S[6]引入了二元DN分布，模擬選擇接收信號的信道增益與數(shù)據(jù)傳輸實例之間的相關(guān)性，并導(dǎo)出了這種分布的統(tǒng)計度量，如概率密度函數(shù)、累積分布函數(shù)。由于無線介質(zhì)的快速時變特性以及中繼選擇和數(shù)據(jù)傳輸實例之間自然存在的延遲，提出了一種新的信道狀態(tài)信息(CSI)模型。

分析考慮了兩種基于中繼目的地信道質(zhì)量的中繼選擇方案，即著名的最佳中繼選擇方案(BRS)和一種新的基于閾值的中繼選擇方案，與BRS相比具有更低的復(fù)雜度。利用Bithas Petros S的分析框架，得到了中斷和平均符號錯誤概率的精確和漸近性能結(jié)果，并使用性能指標OP和SEP對分集階進行了估計。

數(shù)值和仿真結(jié)果證實了Bithas Petros S的理論，并量化了過時的CSI、干擾水平以及中繼節(jié)點與最終目的地之間的不同距離對系統(tǒng)性能的影響。兩種中繼選擇方案的中繼越接近目的地，系統(tǒng)性能越好。在許多情況下，新方案在性能和復(fù)雜性交換方面優(yōu)于BRS。最后，基于導(dǎo)出的DN RVS之和的一個近似表達式，表明過時的CSI對系統(tǒng)性能的影響比累積干擾更嚴重。

7 采用有效載荷方案的扇區(qū)中繼站的分組中繼輔助V2V通信[7]

可靠的車載通信(V2VC)對于實現(xiàn)安全和高度自動化的駕駛系統(tǒng)是必不可少的，采用中繼站(RS)可以提高基于CSMA/CA的V2VC的分組傳送速率(PDR)，見圖9。然而，由于隱藏終端(HT)的存在，RS的分組沖突限制了這種改進。在RS上采用扇形接收天線，即扇形中繼輔助(SR-)V2VC，可以解決這一問題。然而，由于分組接收速率的提高，SR-V2VC仍然面臨著另一個問題，即在高流量條件下的分組擁堵。這導(dǎo)致RS處的分組丟失，從而限制了SR-V2VC帶來的改進。因此，在RS中引入一種避免交通擁擠的方法就顯得尤為重要。

圖9 Relay-assisted V2VC system

圖10 Packet reception at RS when there is an interfering VS

本文提出了采用有效載荷組合轉(zhuǎn)發(fā)(PCF)方法的SR-V2VC/PCF方法（圖10），并利用CSMA/CA碰撞模型對系統(tǒng)性能進行了理論評價。還進行了大規(guī)模的計算機仿真，驗證了SR-V2VC/PCF所帶來的性能改善。結(jié)果表明，SR-V2VC/PCF將非中繼系統(tǒng)最低傳送PDR從62%提高到81%以上，扇形天線的方向性影響了該方案的效益。

同時，本文作者的主要貢獻是：

(1)考慮多干擾源的影響，導(dǎo)出了RS下分組接收速率的解析表達式。

(2)綜合推導(dǎo)了所提出的SRV2VC/PCF的分組投遞率(PDR)表達式，并利用CSMA/CA碰撞模型對該方案進行了評價。

(3)利用分析了兩種方法，討論了車輛位置對V2VC性能的影響。仿真結(jié)果對該方案的安全性評價是必要的。

(4)將模擬面積擴大一倍，設(shè)置更嚴格的天線條件，改善計算機仿真條件，從而得到更真實的結(jié)果。結(jié)果表明，扇形接收和PCF方案的聯(lián)合使用，可以有效地緩解單頻系統(tǒng)的HT問題和RS包的擁堵問題，顯著改善V2VC的PDR。

8 基于網(wǎng)絡(luò)編碼的中繼輔助V2V通信有效載荷級聯(lián)[8]

可靠的車對車(V2V)通信是安全和高度自動化駕駛系統(tǒng)必不可少的。研究了利用路邊中繼站(RSS)輔助V2V通信，提高V2V通信的可靠性。然而，它的改進受到RS中可能出現(xiàn)的分組擁堵的限制。為了緩解RS中的數(shù)據(jù)包擁堵問題，本文提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)編碼的有效負載級聯(lián)轉(zhuǎn)發(fā)算法。

網(wǎng)絡(luò)編碼(NC)是解決網(wǎng)絡(luò)擁堵的一種很有前途的解決方案。作為NC在車載通信中的一種應(yīng)用，提出了一種基于車輛到基礎(chǔ)設(shè)施(V2I)通信的協(xié)作內(nèi)容下載方案。一些工作利用了NC在V2VC安全信標方面的優(yōu)勢。提出了一種基于NC的丟包恢復(fù)方案，并在公路場景中證明了該方案的有效性。針對交叉路口環(huán)境，提出了一種基于NC的方案，該方案利用交叉路口車輛對接收到的所有信標信息進行編碼和重播。結(jié)果表明，該方案不僅可以減少重傳時間，而且可以減少重播時隙的數(shù)目。然而，它不能保證PDR可以得到顯著改善，特別是在多節(jié)點環(huán)境中。本文提出了一種基于NC的PCF(PCF-NC)方案，該方案采用有效載荷排序和選擇算法，以適應(yīng)交叉路口多節(jié)點環(huán)境（圖11）。作者提出的用于SR-V2VC的PCF-NC(SRV2VC/PCF-NC)方案可以緩解擁堵，進一步提高V2VC的性能。

大規(guī)模仿真結(jié)果表明，該方案能有效地緩解V2V通信中的擁堵問題，顯著提高V2V通信的可靠性。

圖11 The operations of normal PCF scheme and PCF-NC scheme using a street-based grouping method with G=4.

9 用于V2V通信的眾包輔助無線電環(huán)境數(shù)據(jù)庫[9]

為了實現(xiàn)可靠的車載自動駕駛(V2V)通信系統(tǒng)，無線傳播識別成為一項重要的技術(shù)。然而，在目前的無線分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，由于周圍建筑物和地理特征所引起的無線傳播的局部性，很難準確估計無線傳播特性。

本文提出了一種基于測量的無線分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境數(shù)據(jù)庫的體系結(jié)構(gòu)（圖12），以提高V2V通信系統(tǒng)中無線電環(huán)境估計的精度。該數(shù)據(jù)庫首先收集與V2V系統(tǒng)的發(fā)送/接收位置相關(guān)的接收信號強度指示器(RSSI)的測量數(shù)據(jù)集，利用這些數(shù)據(jù)集生成與發(fā)射機和接收機位置相連的平均接收功率映射。分布式用戶啟用的這種數(shù)據(jù)集稱為眾包，通過使用眾包，可以從大量的位置收集大量的數(shù)據(jù)集。

圖12 Concept of a radio environment database for wireless distributed networks

為了評估數(shù)據(jù)庫的準確性，在日本郊區(qū)進行了車輛與車輛（V2V）通信的測量。在現(xiàn)有的V2V通信標準IEEE802.11p中，為了支持交通安全，通常將發(fā)射機位置包括在傳輸包中。因此，通過在接收車輛上使用全球定位系統(tǒng)，接收信號強度指示器(RSSI)和發(fā)射機/接收機位置都可以被存儲，而無需額外的操作。通過觀測實驗，利用MySQL服務(wù)器創(chuàng)建了與傳輸位置相關(guān)的無線電環(huán)境圖(REMS)。

評估結(jié)果表明，與包括基于測量的路徑損耗模型和ITU-R P.1411在內(nèi)的一些路徑損耗模型相比，所提出的數(shù)據(jù)庫能夠準確估計無線電環(huán)境波動。此外，本文還將該數(shù)據(jù)庫應(yīng)用于單播系統(tǒng)的功率控制中，討論了該數(shù)據(jù)庫對通信效率的影響。評價結(jié)果表明，該方法在保證所需通信質(zhì)量的同時，最大限度地減小了傳輸功率，即對目的地以外車輛的干擾。