高速公路場景下基于C-V2X和IEEE802.11p的V2V通信性能對比

李鵬飛，陳宇峰，余瑞，孟振宇，向鄭濤

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湖北 十堰442002）

隨著5G時(shí)代的推進(jìn)，車聯(lián)網(wǎng)行業(yè)將迅猛發(fā)展，車輛越來越智能與安全。車用無線通信技術(shù)（vehi?cle-to-everything，V2X）即車輛與車輛包括與路邊設(shè)備等彼此互聯(lián)，共享諸如速度、位置和方向之類的信息，有助于緩解現(xiàn)代城市交通擁堵、事故和環(huán)境污染等問題。較為成熟的2 個(gè)V2X 標(biāo)準(zhǔn)是美國的專用短距離通信（dedicated short range communi?cation，DSRC）和歐洲專用ITS-G5，都是基于IEEE 802.11p 技術(shù)。而IEEE 802.11p 容易發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁堵，缺乏最低性能保證，導(dǎo)致覆蓋范圍有限，限制了實(shí)用性和應(yīng)用規(guī)模。2017年第三代合作伙伴項(xiàng)目（3rd generation partnership project，3GPP）正式發(fā)布了支持基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的C-V2X（Cellular V2X）R14版本［1］?；诜涓C（long term evolution，LTE）的CV2X 完全兼容5G 移動(dòng)技術(shù)的實(shí)施部署，在技術(shù)上享有眾多優(yōu)勢。這項(xiàng)研究可使車聯(lián)網(wǎng)通信更加安全、高效和穩(wěn)定。因此IEEE 802.11p 和C-V2X 的對比研究一直受關(guān)注。5G 汽車協(xié)會(huì)對IEEE 802.11p 和C-V2X 技術(shù)的安全性進(jìn)行了評估［2］，分析得出，C-V2X 在防止事故發(fā)生方面，超越了IEEE 802.11p 的性能。Argjent Hali 將現(xiàn)有模塊結(jié)合到框架中，對這些模塊進(jìn)行了評估［3］，并對2 種技術(shù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)IEEE 802.11p在延時(shí)方面表現(xiàn)穩(wěn)定；C-V2X 在車輛數(shù)量較多時(shí)，雖然延時(shí)會(huì)增加，但可以發(fā)送大量的數(shù)據(jù)包。通過對現(xiàn)有的研究分析發(fā)現(xiàn)，C-V2X 相對于IEEE 802.11p 來說，盡管會(huì)導(dǎo)致一些時(shí)延但能夠?yàn)檫h(yuǎn)距離通信提供可靠的保障［4-6］。文中通過模擬高速公路場景下不同車輛速度和車輛數(shù)目對C-V2X 和IEEE 802.11p 的V2V通信性能進(jìn)行對比研究。仿真的主要環(huán)境平臺(tái)為OMNET++，同時(shí)結(jié)合SUMO和Veins完成仿真。

1 技術(shù)背景

1.1 IEEE 802.11p

IEEE 802.11p 是專門應(yīng)用于車用環(huán)境的無線通信技術(shù)，支持5.9 GHz，被廣泛認(rèn)為是最成熟的V2X標(biāo)準(zhǔn)，已有10多年的現(xiàn)場試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，仍面臨著一些挑戰(zhàn)。由于在介質(zhì)訪問控制（medium access control，MAC）子層上采用了分布式協(xié)調(diào)機(jī)制（dis?tributed coordination function，DCF）同時(shí)基于帶有沖突避免的載波偵聽多路訪問（carrier sense multi?ple access with collision avoidance，CSMA-CA）的方式進(jìn)行信道訪問，并以二進(jìn)制指數(shù)退避算法協(xié)調(diào)接入信道時(shí)間，避免消息碰撞。車輛在發(fā)送數(shù)據(jù)前要監(jiān)聽信道的空閑狀態(tài)。如果信道持續(xù)空閑，則立刻發(fā)送數(shù)據(jù)；如果信道忙碌，則根據(jù)退避窗口（conten?tion window，CW）在[0,CW] 中選擇1 個(gè)隨機(jī)數(shù)作為退避計(jì)數(shù)器，此時(shí)車輛仍然監(jiān)聽信道，每監(jiān)聽到1個(gè)空閑時(shí)隙，計(jì)數(shù)器就減1，直到計(jì)數(shù)器減為0，完成退避過程，立即發(fā)送數(shù)據(jù)。車輛完成數(shù)據(jù)傳輸后將競爭窗口的值設(shè)為CWmin。若傳輸時(shí)與其他車輛發(fā)生碰撞，認(rèn)為目前競爭的車輛數(shù)目增加，此時(shí)競爭窗口值為

式中：CW 為競爭窗口。車輛再次重新進(jìn)入競爭信道階段。若數(shù)據(jù)發(fā)送失敗，可能會(huì)導(dǎo)致多次競爭信道，此時(shí)競爭窗口將不斷增加，直到競爭窗口達(dá)到最大值［7］。

當(dāng)車輛較多時(shí)，其所發(fā)送的數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生較高的碰撞，使傳輸效率降低，吞吐量下降。從商業(yè)角度來看，IEEE 802.11p 面臨的另外一個(gè)挑戰(zhàn)是，為了提供與V2N（vehicle-to-network）、V2I（vehicle-toinfrastructure）相關(guān)的服務(wù)，如路線推薦和彎道速度警告，需要大量投資部署路邊設(shè)備。

1.2 C-V2X

C-V2X 以專為高速移動(dòng)應(yīng)用設(shè)計(jì)的技術(shù)為基礎(chǔ)，對汽車應(yīng)用進(jìn)行了專門的優(yōu)化。IEEE 802.11p多年研究的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)和無線通信基礎(chǔ)應(yīng)用其中，并支持一系列全新的汽車應(yīng)用，帶來更高的安全性。3GPP引入了為V2V通信專門設(shè)計(jì)的2種新的通信模式，稱為Mode 3 和Mode 4，如圖1 所示。Mode 3中車輛需要在eNodeB 覆蓋范圍內(nèi)運(yùn)行，無線電資源的分配由網(wǎng)絡(luò)監(jiān)督。Mode 4無論車輛是否連接到網(wǎng)絡(luò)，都可以自主選擇無線電資源。

圖1 通信模式示意圖

Mode 4 采用了基于感知的半持續(xù)性調(diào)度（semi-persistent scheduling，SPS）算法進(jìn)行資源分配［8］，如圖2 所示，感知窗口為1000 ms。該算法主要分為感知資源、選擇可用資源和資源重選3個(gè)過程。感知資源是車輛通過監(jiān)測過去1000 ms 內(nèi)資源使用的情況，根據(jù)設(shè)置接收信息強(qiáng)度閾值，選擇在該閾值內(nèi)的資源作為可用資源。在可用資源中隨機(jī)選擇資源，并產(chǎn)生資源計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器的值在每次廣播后減1，直到減為0，此時(shí)需要用重新選擇機(jī)制決定是否以保持相同的資源傳輸。

圖2 SPS示意圖

由于SPS算法具有周期性的資源預(yù)留，車輛會(huì)根據(jù)上1個(gè)1000 ms內(nèi)接收的數(shù)據(jù)情況進(jìn)行資源分配，可以感知來自其他車輛的傳輸，避免資源沖突。一旦選擇了資源，車輛就周期性傳輸消息，并由資源配置時(shí)間控制傳輸間隔。在沒有蜂窩網(wǎng)絡(luò)的情況下也可以進(jìn)行，確保了車輛在所有地理位置下的超高可用性，被認(rèn)為是基本模式，因?yàn)榘踩珣?yīng)用不能依賴于蜂窩覆蓋的可用性，成為IEEE 802.11p的直接替代品。

2 參數(shù)設(shè)置及仿真

用于網(wǎng)絡(luò)仿真的平臺(tái)多種多樣，例如NS3、OMNET++、OPNET 等等，各有利弊。根據(jù)仿真需求，文中主要以O(shè)MNET++作為仿真工具，同時(shí)結(jié)合SUMO 與Veins 聯(lián)合仿真，構(gòu)建高速公路車聯(lián)網(wǎng)仿真場景，來完成對IEEE 802.11p 與C-V2X 協(xié)議的性能測試與分析。

2.1 SUMO仿真場景設(shè)置

SUMO是開源的交通仿真平臺(tái)，通過設(shè)置道路狀況與車輛運(yùn)行軌跡來實(shí)現(xiàn)仿真場景的構(gòu)建?？紤]到高速公路的車輛限速為60～120 km·h?1，設(shè)置高速公路雙向6車道，道路長為5000 m。為了仿真車輛數(shù)目與車輛速度對2種協(xié)議性能的影響，設(shè)置不同的車輛數(shù)目與車輛速度作為參數(shù)對照，車輛數(shù)目分別設(shè)為20、40、80、120、160 等，車輛速度分別設(shè)為60 km·h?1、80 km·h?1、100 km·h?1、120 km·h?1等。根據(jù)《中華人民共和國道路交通安全法》規(guī)定：機(jī)動(dòng)車在高速公路上行駛速度超過100 km·h?1時(shí)，安全車距應(yīng)保持100 m 以上；速度低于100 km·h?1時(shí)，最小安全車距不得少于50 m。因此，在仿真中設(shè)置車輛間保持最小安全距離。為了仿真結(jié)果的可比性，通過設(shè)置車輛在道路盡頭轉(zhuǎn)回到反向道路上來保持車輛數(shù)目在仿真期間不變，在SUMO中設(shè)置結(jié)果如圖3所示。

圖3 SUMO運(yùn)行圖

2.2 Veins和OpenCV2X

協(xié)議的仿真采用了Veins 和OpenCV2X 模塊。Veins 實(shí)現(xiàn)了IEEE 802.11p，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了OM?Net++和SUMO 雙向耦合，并提供了良好的圖形用戶界面性能。OpenCV2X 通過擴(kuò)展SimuLTE 框架［9］，能夠基于3GPP C-V2X Mode 4標(biāo)準(zhǔn)對V2X場景進(jìn)行仿真。

2.3 OMNet++

OMNet++是離散事件網(wǎng)絡(luò)仿真器，為不同的網(wǎng)絡(luò)和無線操作提供了幫助和支持，在OMNet++中設(shè)置仿真參數(shù)。為了遵守3GPP 仿真指南，在仿真中實(shí)現(xiàn)了通信模型和車輛移動(dòng)模型，另外為信道模型設(shè)置了Winner+B1 LOS路徑損耗模型和Nakaga?mi衰落模型［10］。Nakagami衰落模型為

式中：Pr為平均功率；m為衰落參數(shù)。

2.4 仿真方法

仿真流程如圖4 所示，在OMNet++中導(dǎo)入Veins 與OpenCV2X 模塊編譯通過后在SUMO 中構(gòu)建場景，將SUMO生成的文件導(dǎo)入Veins，直至編譯通過。在仿真中采用廣播通信的方式，設(shè)置應(yīng)用層發(fā)包方式與頻率，使其保持一致，車輛在行駛過程中持續(xù)不斷地向鄰居車輛廣播自身信息和實(shí)時(shí)運(yùn)行情況，為了避免車輛在仿真開始時(shí)同時(shí)廣播造成廣播風(fēng)暴，在應(yīng)用層設(shè)置第1次發(fā)包時(shí)產(chǎn)生1個(gè)隨機(jī)時(shí)延，使車輛發(fā)包時(shí)間錯(cuò)開，之后每250 ms發(fā)送1 次。仿真以及協(xié)議的配置等相關(guān)參數(shù)通過ini 文件設(shè)置，具體參數(shù)如表1所示。

圖4 仿真結(jié)構(gòu)［11］

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

3 仿真結(jié)果

評估網(wǎng)絡(luò)性能的參數(shù)有很多，文中著重計(jì)算端到端時(shí)延和丟包率，考慮到數(shù)據(jù)具有隨機(jī)性，通過10 次不同隨機(jī)種子的仿真實(shí)驗(yàn)，取平均值計(jì)算典型性能指標(biāo)。

3.1 端到端時(shí)延

端到端時(shí)延是指從數(shù)據(jù)發(fā)送端到接收端所需要的時(shí)間，如式（3）所示：

式中：D為端到端時(shí)延；T1為數(shù)據(jù)到達(dá)接收端時(shí)間；T2為數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間。IEEE 802.11p 的端到端時(shí)延如圖5a所示，車輛的端到端時(shí)延保持在0.24 ms左右。C-V2X 的端到端時(shí)延如圖5b 所示，維持在50～55 ms 之間，相較于IEEE 802.11p 時(shí)延略高。2種技術(shù)的端到端時(shí)延分布都較為集中，并且速度和車輛數(shù)目對其影響較小。

圖5 不同車速和車輛數(shù)量下的端到端時(shí)延

根據(jù)《中華人民共和國道路交通安全法實(shí)施條例》第八十條規(guī)定［12］，車速超過100 km·h?1時(shí)，應(yīng)當(dāng)與同車道前車保持100 m 以上的距離。假設(shè)車速為100 km·h?1（約為27 m·s?1），保持車距為100 m，剎車距離S為

式中：g 為重力加速度，取值9.8 m·s?2；μ 為摩擦系數(shù)，取值0.8。由式（3）計(jì)算得S 為46.49 m，反應(yīng)時(shí)間通常為0.75～1 s，加上延時(shí)，反應(yīng)時(shí)間為0.805～1.055 s，最終車速為100 km·h?1時(shí)的制動(dòng)距離為75 m，小于車距100 m。傳輸時(shí)延遠(yuǎn)小于反應(yīng)時(shí)間，傳輸時(shí)延導(dǎo)致車輛前行1.5 m，遠(yuǎn)小于剎車距離，因此55 ms的時(shí)延能夠滿足安全要求。

3.2 丟包率

丟包率是指測試中所丟失數(shù)據(jù)包的數(shù)量占所應(yīng)收到數(shù)據(jù)包數(shù)量的比率，如式（5）所示：

式中：PDR為丟包率；DR為丟失數(shù)據(jù)包的數(shù)量；RP為應(yīng)收到數(shù)據(jù)包的數(shù)量。

圖6 表示的分別是IEEE 802.11p 和C-V2X 在不同車輛速度和車輛數(shù)目情況下的丟包率。從圖中可以看到，隨著車輛數(shù)量的增加，丟包率在逐漸增加，C-V2X 的丟包率與IEEE 802.11p 相比較低，IEEE 802.11p最高達(dá)到了50%，而C-V2X最高不超過30%；車輛數(shù)量在達(dá)到80 之后逐漸趨向平緩；2個(gè)協(xié)議所展示出來的高速適應(yīng)能力較好，速度的增加對丟包率的影響較小。

車輛較少時(shí)，網(wǎng)絡(luò)呈稀疏狀態(tài)，丟包主要是由于車輛間距較遠(yuǎn)，信道由于受到噪聲干擾等路徑損耗和衰落引起的誤碼導(dǎo)致傳輸錯(cuò)誤而丟棄數(shù)據(jù)包；隨著車輛數(shù)目的增加，網(wǎng)絡(luò)處于擁塞狀態(tài)，丟包主要由碰撞引起。碰撞是由于車輛無法感知彼此的隱藏節(jié)點(diǎn)，車輛之間對傳輸資源的競爭較大，同時(shí)選擇相同的傳輸資源導(dǎo)致的。從協(xié)議的角度來看，在IEEE 802.11p 中，由于協(xié)議中缺乏防碰撞機(jī)制，車輛在信道空閑時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)；信道狀態(tài)忙碌，則等待一段時(shí)間再次發(fā)送。如果在傳輸時(shí)與其他車輛節(jié)點(diǎn)發(fā)生了碰撞，則進(jìn)入退避狀態(tài)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加時(shí)這種情況會(huì)變得更糟。C-V2X中車輛節(jié)點(diǎn)在發(fā)送之前獲取上1 個(gè)1000 ms 內(nèi)接收的數(shù)據(jù)情況，排除已被占用的資源，在可用傳輸資源中再進(jìn)行隨機(jī)選擇，避免資源沖突。因此在網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)仍然能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

圖6 不同車速和車輛數(shù)量下的丟包率

通過對IEEE 802.11p 和C-V2X2 個(gè)協(xié)議的仿真分析結(jié)果表明，IEEE 802.11p的時(shí)延較小，而CV2X 的丟包率較低。在車輛分布較為稀疏的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中采用IEEE 802.11p 更合適。對于密集公路場景，C-V2X盡管會(huì)導(dǎo)致一些延遲，但是保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，相對來說網(wǎng)絡(luò)性能更好。

4 結(jié)論

利用OMNET++仿真平臺(tái)進(jìn)行了對比仿真，通過模擬不同車輛速度和車輛數(shù)目來評估IEEE 802.11p 和C-V2X 的性能。仿真結(jié)果表明：IEEE 802.11p的端到端時(shí)延保持在0.24 ms左右，丟包率最高達(dá)到了50%。C-V2X 的端到端時(shí)延維持在50～55 ms，丟包率最高不超過30%。2 個(gè)協(xié)議各有特點(diǎn)，但是對于長期演進(jìn)路徑來說，C-V2X能夠更好地完成V2N、V2I的實(shí)施與演進(jìn)能夠在擁塞網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下為數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃蕴峁┯辛Φ闹巍?/p>