基于C-V2X直連通信的車輛編隊(duì)行駛性能優(yōu)化

（上海大學(xué)，上海200000）

(Shanghai University, Shanghai 200000, China)

1 智能網(wǎng)聯(lián)自動(dòng)駕駛

車輛已經(jīng)成為人類社會(huì)生產(chǎn)、生活的重要工具。近些年，車輛自動(dòng)駕駛技術(shù)成為學(xué)術(shù)界、工業(yè)界研究的熱點(diǎn)：首先，自動(dòng)駕駛技術(shù)可以大幅提高交通安全性，僅考慮現(xiàn)已大規(guī)模商用的、采用低等級(jí)輔助駕駛的車輛即可將事故發(fā)生率降低60%以上，而采用更高等級(jí)的自動(dòng)駕駛將有望進(jìn)一步大幅提高交通安全性。其次，自動(dòng)駕駛可以提高社會(huì)效率。這一點(diǎn)可以從2個(gè)角度理解：自動(dòng)駕駛可以提高交通效率；可以替代人工駕駛員，提高社會(huì)生產(chǎn)率。

現(xiàn)有的自動(dòng)駕駛解決方案大部分聚焦在基于單車智能的感知和決策上，其主要限制因素包括感知能力的局限，例如雷達(dá)探測(cè)距離、建筑物和其他車輛遮擋的限制，攝像頭視頻、圖像認(rèn)知能力的局限，以及單車處理非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（原始多源異構(gòu)感知數(shù)據(jù)）時(shí)計(jì)算、通信能力受限等。而車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)智能網(wǎng)聯(lián)輔助的自動(dòng)駕駛，通過(guò)車聯(lián)網(wǎng)在路口的汽車之間建立快速、可靠的通信連接，形成結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)在車輛之間有效交互，大大降低了車輛自身的感知和處理需求，同時(shí)通過(guò)全局決策可以有效地提高交通效率、降低事故發(fā)生率。該技術(shù)的一個(gè)典型應(yīng)用場(chǎng)景即高速公路的車輛編隊(duì)場(chǎng)景。

2 車輛編隊(duì)控制模型

車輛編隊(duì)，即多輛車以一定的車間間距形成穩(wěn)定的隊(duì)列行駛。通過(guò)減小車輛與車輛之間的距離，車輛編隊(duì)技術(shù)可以提高道路容量，同時(shí)使每輛車受益于其前車而減少受到的空氣阻力，進(jìn)而降低燃油消耗[1]。此前，瑞典皇家理工學(xué)院的學(xué)者A. A. ALAM等已經(jīng)通過(guò)高速公路實(shí)車實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)2輛相同的標(biāo)準(zhǔn)載貨車以80 km/h的速度和25 m的間距行駛時(shí)，后方跟隨車輛所受空氣阻力將下降30 %，整體的燃油經(jīng)濟(jì)將提升7 %[2]。而未來(lái)提出的車輛編隊(duì)性能要求隊(duì)列內(nèi)車輛能在100 km/h的速度下仍然維持8～25 m的間距，同時(shí)節(jié)省7%～15 %的油耗。更大的速度和更小的間距意味著更大的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，由此需要對(duì)車輛編隊(duì)技術(shù)進(jìn)一步提升。

目前對(duì)車輛編隊(duì)的研究主要集中于研究如何確保車隊(duì)的串穩(wěn)定性。所謂串穩(wěn)定性，即隊(duì)列內(nèi)車輛之間的距離誤差不會(huì)沿著隊(duì)列傳播而放大，并且所有的誤差保持相同的符號(hào)以避免碰撞[3]。確保串穩(wěn)定性的方法根據(jù)對(duì)距離誤差的定義不同可被分為2類：恒定車頭時(shí)距法和恒定間距法。在基于恒定時(shí)距的方法中，距離誤差被定義為車輛與前車的實(shí)際車頭時(shí)距和目標(biāo)時(shí)距的差值；為使其逐漸收斂為零且不沿隊(duì)列傳播，車輛往往只需實(shí)時(shí)探測(cè)與前車的間距即可。這種方法通常不需要來(lái)自其他車輛的大量數(shù)據(jù)，但其車間間距會(huì)隨速度變化而變化，可能會(huì)達(dá)到一個(gè)非常大的值；因此只能實(shí)現(xiàn)較低的道路容量。為了實(shí)現(xiàn)更高的容量和更低的燃油消耗，我們通常選擇第2種方法，即以頻繁進(jìn)行車間通信為代價(jià)使車輛之間的距離保持恒定。

在恒定間距方法中，可以根據(jù)空間位置和功能，將隊(duì)列中的車輛分為頭車和成員車。其中成員車的行駛由頭車控制，控制公式（1）[4]所示，頭車通過(guò)該公式計(jì)算每個(gè)成員車應(yīng)執(zhí)行的加速度。

3 蜂窩車用無(wú)線通信（C-V2X）技術(shù)直連通信

3.1 C-V2X

車用無(wú)線通信技術(shù)（V2X）意為車輛到一切，其包含4種類型的通信：車到車（V2V）、車到基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）、車到網(wǎng)絡(luò)（V2N）、車到行人（V2P），代表車輛與周圍環(huán)境中不同實(shí)體之間的信息交互。其中，有關(guān)車輛編隊(duì)的車輛控制方面，涉及的主要通信類型是V2V，用于在成員車和頭車之間交互狀態(tài)信息和控制信息。

用于V2X的通信技術(shù)主要有2種，一種是專用短程通信（DSRC）技術(shù)，一種是C-V2X技術(shù)。其中DSRC采用了電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE 802.11p和 IEEE 1609） 等 系列標(biāo)準(zhǔn)，C-V2X目前采用了第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）R14提出的長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）-V2X標(biāo)準(zhǔn)[5]。相對(duì)于DSRC，C-V2X主要有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

（1）標(biāo)準(zhǔn)可演進(jìn)。DSRC所采用的IEEE 802.11p標(biāo)準(zhǔn)早在2010年已經(jīng)停止更新了，而C-V2X的系列標(biāo)準(zhǔn)仍在不斷演進(jìn)，從LTE移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)（MBB）到LTE-V2X，再到未來(lái)的新空口（NR）-V2X。

（2）技術(shù)領(lǐng)先。C-V2X目前已實(shí)現(xiàn)了DSRC的2倍覆蓋范圍，1.4倍交通容量，0.8倍延遲和1.6倍可靠性。

（3）商業(yè)更優(yōu)。C-V2X可實(shí)現(xiàn)更低的芯片成本（例如，芯片同時(shí)支持MBB和D2D）和更豐富的應(yīng)用生態(tài)（借助于蜂窩網(wǎng)絡(luò)）。

在LTE-V2X中，有2種通信接口：一種是短距離直連通信接口——PC5，適用于待通信設(shè)備間距較近的情況；另一種是終端和基站之間的通信接口——Uu，主要適用于網(wǎng)絡(luò)通信，即設(shè)備間距較遠(yuǎn)的情況。PC5接口又提供了2種資源分配方法：模式3為集中式資源分配，用戶設(shè)備（UE）從基站（eNodeB）請(qǐng)求傳輸資源，隨后eNodeB采用半持續(xù)、動(dòng)態(tài)的調(diào)度方法分配資源；模式4為分布式資源分配，不涉及蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施，用戶設(shè)備（UE）自主進(jìn)行資源選擇[6]。在實(shí)際的車輛直接通信中，從延遲和開(kāi)銷的角度來(lái)看，分布式資源分配通常比集中式資源分配更有利。與分布式資源分配相比，集中式資源分配除了覆蓋范圍有限外，還需要額外的基站與車輛之間的交互，這可能會(huì)導(dǎo)致更多的延遲和開(kāi)銷。此外，如果連接到基站的車輛速度較大，則可能需要頻繁的切換?；谶@些原因，在車輛編隊(duì)的V2V通信中，采用了與基站無(wú)關(guān)的PC5模式4技術(shù)。

3.2 直連通信模式4

模式4采用了半持續(xù)傳輸（SPT）機(jī)制進(jìn)行資源選擇，該機(jī)制定義了一種資源重選計(jì)數(shù)器，當(dāng)每個(gè)UE開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)均會(huì)被分配一個(gè)計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器的初始值根據(jù)3GPP規(guī)定應(yīng)從[5，15]中隨機(jī)抽取。隨著UE每發(fā)送一次數(shù)據(jù)，計(jì)數(shù)器的值會(huì)逐漸遞減。在此期間UE會(huì)保持選擇同一個(gè)資源進(jìn)行發(fā)送，直到該值減為零，則觸發(fā)重選，即UE可以重新選擇一個(gè)資源并重置計(jì)數(shù)器。因?yàn)槟Ｊ?不具有IEEE 802.11p中的沖突避免機(jī)制，為減少資源沖突，模式4中定義了一個(gè)1 000 ms的感知窗口。每當(dāng)UE要選擇資源時(shí)，都會(huì)打開(kāi)如圖1所示的資源選擇窗口。此時(shí)，感知窗口會(huì)為其提供前1 000 ms的資源選擇歷史，結(jié)合SPT機(jī)制，可以幫助UE判斷哪些資源可能會(huì)被其他UE占用。從圖1還可以看出，模式4中信道可以被劃分成多個(gè)子信道并行傳輸數(shù)據(jù)。這也是其相對(duì)于IEEE 802.11p的優(yōu)勢(shì)，而具體子信道的劃分?jǐn)?shù)目取決于數(shù)據(jù)的大小和物理層采用的調(diào)制編碼方式。除了對(duì)信道進(jìn)行劃分外，資源選擇窗口的時(shí)間長(zhǎng)度也可以劃分成多個(gè)傳輸時(shí)間間隔（TTI）。根據(jù)協(xié)議規(guī)定，劃分?jǐn)?shù)目應(yīng)取值于[20，100]之間，每個(gè)TTI長(zhǎng)度應(yīng)取值1 ms[7]。

基于傳輸特性，模式4的可靠性將遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于集中式分配方案，其原因有2個(gè)：（1）模式4僅基于感知并且是半持續(xù)的，一旦發(fā)生數(shù)據(jù)包沖突，相關(guān)車輛由于半雙工效應(yīng)將無(wú)法意識(shí)到?jīng)_突，直到進(jìn)入重新選擇之前半持續(xù)特性將會(huì)導(dǎo)致連續(xù)的沖突，并且發(fā)送端將一直無(wú)法意識(shí)。（2）盡管在半持續(xù)調(diào)度方案中的重選過(guò)程可以避免持續(xù)性數(shù)據(jù)包沖突，但其也可能以一定的概率導(dǎo)致額外的沖突。

顯然，模式4的這種低可靠性很難滿足超可靠低時(shí)延通信（URLLC）的要求——時(shí)延低至2 ms，可靠性高達(dá)99.999 %。目前實(shí)現(xiàn)的URLLC通常以犧牲寶貴的時(shí)間/頻率/空間資源為代價(jià)來(lái)降低延遲，提高可靠性，其實(shí)現(xiàn)往往基于總資源數(shù)高度理想化的假設(shè)。對(duì)于實(shí)際的車輛編隊(duì)場(chǎng)景，多輛車共享一段有限的時(shí)、頻資源，URLLC幾乎難以實(shí)現(xiàn)。由此，基于模式4傳輸?shù)能囕v編隊(duì)似乎永遠(yuǎn)達(dá)不到URLLC，這是否等價(jià)于車輛編隊(duì)的性能會(huì)長(zhǎng)時(shí)間難以提升呢？另外，假設(shè)實(shí)現(xiàn)了URLLC，是否就意味著性能達(dá)到最優(yōu)了呢？

4 傳輸優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

本文中，我們?cè)O(shè)計(jì)的優(yōu)化機(jī)制的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)分為2個(gè)層次：第1層通過(guò)對(duì)傳輸機(jī)制的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)最終編隊(duì)性能的提升；第2層通過(guò)觀察優(yōu)化前后數(shù)據(jù)包可靠性的變化，得出包可靠性與實(shí)際性能的關(guān)系。

4.1 傳輸間隔優(yōu)化

本文中，我們?cè)O(shè)計(jì)的傳輸間隔優(yōu)化方案主要針對(duì)的優(yōu)化目標(biāo)是合作感知信息（CAM）的傳輸周期。車輛編隊(duì)過(guò)程中產(chǎn)生的合作信息主要有2種：一種是成員車的狀態(tài)信息，包含其當(dāng)前的速度以及與前車的間距信息；一種是頭車的控制信息，包含每輛車應(yīng)執(zhí)行的理想加速度。我們對(duì)這2種信息的傳輸周期取值進(jìn)行了優(yōu)化，預(yù)得出了性能最優(yōu)時(shí)的對(duì)應(yīng)值。

▲圖1 蜂窩車用無(wú)線通信技術(shù)模式4資源選擇窗口

4.2 平行駕駛

每輛成員車均需要定期廣播狀態(tài)信息，狀態(tài)數(shù)據(jù)包占了編隊(duì)過(guò)程中總數(shù)據(jù)包的很大比重；因此，我們提出了一種平行駕駛機(jī)制來(lái)減少該類包的數(shù)量。該機(jī)制的核心思想即把成員車的運(yùn)動(dòng)模型同步到頭車，以便頭車預(yù)測(cè)成員車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而減少成員車需要廣播的狀態(tài)包。通過(guò)以下人類交流的示例，我們可以簡(jiǎn)單地理解該機(jī)制。

假設(shè)愛(ài)麗絲和鮑勃住在不同的城市，鮑勃每天都給愛(ài)麗絲寫一封信，告訴她那天鮑勃所在的城市是否下雨（這是典型的狀態(tài)更新設(shè)置，采用了固定的更新間隔——一天）。進(jìn)一步假設(shè)鮑勃所在的城市很少下雨，并且他很快發(fā)現(xiàn)這一特點(diǎn)，然后與愛(ài)麗絲交流并定義了一個(gè)模型，該模型規(guī)定只要沒(méi)有信，就沒(méi)有雨，這樣使得狀態(tài)更新更加地有效（從發(fā)送更少的信的角度出發(fā)）。顯然，這個(gè)模型是一個(gè)基于時(shí)間序列的預(yù)測(cè)模型，模型輸出為“不下雨”，狀態(tài)為“是否下雨”。將其映射到平行駕駛機(jī)制中，對(duì)應(yīng)的狀態(tài)即為當(dāng)前車輛狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的模型輸出即如公式（2）所示。

其中，模型矩陣Model是車輛的運(yùn)動(dòng)模型，s1，v1是車輛的上一時(shí)刻狀態(tài)（與前車的間距、速度），ades是車輛從上一時(shí)刻到當(dāng)前時(shí)刻執(zhí)行的加速度（假設(shè)車輛在短時(shí)間內(nèi)勻速），s2和v2為模型的輸出結(jié)果，也即車輛的當(dāng)前狀態(tài)的預(yù)測(cè)值。該機(jī)制的具體運(yùn)行過(guò)程主要如下：

（1）成員車定期（T1）將自身的前一段時(shí)間內(nèi)的駕駛數(shù)據(jù)代入上述模型中，迭代訓(xùn)練出運(yùn)動(dòng)模型矩陣Model，然后廣播給頭車；

（2）成員車定期（T2）檢測(cè)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)值的差值，若高于給定閾值則發(fā)送狀態(tài)更正信息（該閾值可根據(jù)信道狀態(tài)和編隊(duì)性能實(shí)時(shí)調(diào)整）；

（3）頭車定期（T3）利用模型進(jìn)行狀態(tài)信息預(yù)測(cè)（若收到狀態(tài)更正信息，則用更正值代替預(yù)測(cè)值，并且下一次預(yù)測(cè)取此更正值作為輸入），并據(jù)此計(jì)算每輛成員車的理想加速度，然后廣播給成員車。

5 仿真實(shí)驗(yàn)

5.1 場(chǎng)景與參數(shù)設(shè)置

我們模擬了一條雙向四車道的高速公路，長(zhǎng)度為1 500 m，并在其上放置了6個(gè)隊(duì)列，它們?cè)诜€(wěn)態(tài)下（即隊(duì)列形成后）在高速公路上彼此靠近行駛。其中每個(gè)隊(duì)列包含8輛車（7輛為成員車），車身長(zhǎng)度均為5 m。我們僅考慮縱向驅(qū)動(dòng)控制，即車輛沿直線行駛。隊(duì)列內(nèi)車輛間的目標(biāo)間距是預(yù)先設(shè)定的，我們?nèi)?shí)際間距與目標(biāo)間距的最大偏離值（最大間距誤差）作為性能指標(biāo)，以評(píng)估隊(duì)列的串穩(wěn)定性。

在每個(gè)隊(duì)列中，頭車均自由駕駛，而成員車均由頭車根據(jù)控制算法和無(wú)線信號(hào)進(jìn)行控制，以和前車保持目標(biāo)間距。頭車的速度配置如圖2，在第0 s，頭車以10 m/s的速度進(jìn)入路網(wǎng)，然后在5 s內(nèi)加速到22.2 m/s；從第15 s開(kāi)始，頭車在5 s內(nèi)減速至9.7 m/s，然后在15 s內(nèi)加速至22.2 m/s；此后，頭車一直保持勻速直到仿真結(jié)束（第40 s）。仿真步長(zhǎng)為1 ms。

5.2 仿真結(jié)果

方案1的仿真結(jié)果如圖3所示，其縱坐標(biāo)為最大間距誤差，該值越大說(shuō)明車輛在行駛過(guò)程中的間距偏離目標(biāo)值越遠(yuǎn)，隊(duì)列越不穩(wěn)定，即編隊(duì)的性能越差。其橫坐標(biāo)為CAM的傳輸周期，該值越大說(shuō)明狀態(tài)和控制信息的傳輸間隔越長(zhǎng)，即頭車和成員車獲取的信息是更早以前產(chǎn)生的（在沒(méi)有收到新的信息前它們只能利用上一次接收到的信息進(jìn)行計(jì)算和控制），即信息延遲越大；反之其值越小，則說(shuō)明數(shù)據(jù)包傳輸越頻繁，即數(shù)據(jù)包的總量越多，沖突也隨之增加，從而可靠性降低。從結(jié)果圖3來(lái)看，當(dāng)CAM周期取值40 ms時(shí)，最大間距誤差取最小值2.01 m，對(duì)應(yīng)編隊(duì)性能最佳。而從URLLC的角度來(lái)看，對(duì)應(yīng)的最佳點(diǎn)應(yīng)該在CAM周期取值200 ms時(shí)，即數(shù)據(jù)包可靠性最高時(shí)。由此可見(jiàn)，在考慮信息延遲的情況下，實(shí)際車輛編隊(duì)的性能與包可靠性并不成正相關(guān)，在選取傳輸間隔時(shí)應(yīng)在可靠和延遲兩者之間進(jìn)行權(quán)衡。

▲圖2 頭車的速度配置

▲圖3 最大間距誤差隨CAM周期的變化圖

▲圖4 引入平行駕駛機(jī)制前后的數(shù)據(jù)包數(shù)量和編隊(duì)性能對(duì)比

方案2的仿真結(jié)果如圖4所示，該圖截取了第15 s到第40 s的數(shù)據(jù)包數(shù)量和車間間距隨時(shí)間的相應(yīng)變化，其中預(yù)設(shè)的目標(biāo)間距為5 m。數(shù)據(jù)包的類型包括狀態(tài)更新/更正數(shù)據(jù)包和模型更新數(shù)據(jù)包，其中模型數(shù)據(jù)包的更新周期設(shè)置為500 ms（實(shí)驗(yàn)測(cè)得該取值對(duì)應(yīng)性能較佳）。從圖4中可以看出，加入平行駕駛機(jī)制后，狀態(tài)數(shù)據(jù)包的發(fā)送頻率大幅降低，總的包可靠性也隨之提升，對(duì)應(yīng)的最大間距誤差也從0.24 m下降到了0.07 m，即性能也大幅提升。此時(shí)，由于減少包的數(shù)量只影響了包的可靠性（通過(guò)模型預(yù)測(cè)彌補(bǔ)了包減少帶來(lái)的信息延遲增加），編隊(duì)的性能與包可靠性成正相關(guān)。

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)車輛編隊(duì)所采用的PC5 模式4通信協(xié)議的可靠性低的特點(diǎn)，本文中我們提出了2種方案來(lái)彌補(bǔ)可靠性的不足，進(jìn)而對(duì)車輛編隊(duì)性能進(jìn)行優(yōu)化。傳輸間隔優(yōu)化方案驗(yàn)證了一味提高可靠性并不一定能得到最優(yōu)性能的觀點(diǎn)，通過(guò)權(quán)衡信息延遲和可靠之間的關(guān)系，獲得了最佳的編隊(duì)性能和對(duì)應(yīng)的傳輸間隔取值。同時(shí)，該方案也減輕了對(duì)包可靠性的要求。平行駕駛方案減少了數(shù)據(jù)包的總數(shù)量，通過(guò)模型預(yù)測(cè)避免了信息延遲的增加，獲得了性能的提升。

對(duì)基于C-V2X的車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的提升，未來(lái)可以多從應(yīng)用系統(tǒng)性能出發(fā)，而不局限于某一通信過(guò)程或單一參數(shù)的優(yōu)化。在考慮通過(guò)增加可靠性來(lái)優(yōu)化性能時(shí)，可以附加一些包含時(shí)延在內(nèi)的其他約束。