對(duì)5G蜂窩車聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)性能的分析

沈陽(yáng)市電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司 郝 鵬

本文對(duì)5G蜂窩車聯(lián)網(wǎng)特點(diǎn)進(jìn)行分析，并對(duì)車聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)加以闡述，最后通過(guò)仿真分析的方式，在PC5接口基礎(chǔ)上進(jìn)行組網(wǎng)性能評(píng)估。根據(jù)仿真結(jié)果可知，在PC5接口下通信系統(tǒng)運(yùn)行受限，車輛密度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致同頻干擾提升。對(duì)于非周期業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)，可利用有效措施規(guī)避干擾；但在城區(qū)場(chǎng)景中，因車輛長(zhǎng)期處于高密度行駛狀態(tài)，相同時(shí)段內(nèi)發(fā)送狀態(tài)車輛過(guò)多，需要采集更多頻率資源，利用多種傳輸技術(shù)才可滿足通信需求。

5G蜂窩網(wǎng)擁有低時(shí)延、高性能的通信優(yōu)勢(shì)，對(duì)車載組織網(wǎng)絡(luò)發(fā)展起到促進(jìn)作用，成為物聯(lián)網(wǎng)最具發(fā)展?jié)摿Φ念I(lǐng)域之一，在安全駕駛、智慧城市中得到廣泛普及。在當(dāng)前交通場(chǎng)景中，因車輛節(jié)點(diǎn)高速移動(dòng)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)之間鏈路存在時(shí)間較短，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁。對(duì)此，可創(chuàng)建PC5通信架構(gòu)彌補(bǔ)上述缺陷，與以往的GPSR路由協(xié)議相比，在路由跳數(shù)、持續(xù)時(shí)間等方面擁有良好的性能。

1 5G蜂窩車聯(lián)網(wǎng)特點(diǎn)

從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展角度來(lái)看，在5G場(chǎng)景基礎(chǔ)上的車聯(lián)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有立體化、智能化特點(diǎn)。在終端數(shù)據(jù)層中，車輛可通過(guò)PC接口實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的短距離數(shù)據(jù)傳輸，在高密度5G小基站中的覆蓋范圍更大，通過(guò)PC5接口實(shí)現(xiàn)車輛與基站間的數(shù)據(jù)傳輸，與DSRC短程通信相比，5G基礎(chǔ)上的車聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)時(shí)延更短，更加可靠。在網(wǎng)絡(luò)層與虛擬層中，在5G基礎(chǔ)上低時(shí)延通信技術(shù)、云計(jì)算、干擾管理等技術(shù)得到充分實(shí)現(xiàn)，為實(shí)際交通場(chǎng)景中的數(shù)據(jù)請(qǐng)求、大規(guī)模計(jì)算、數(shù)據(jù)包傳輸與網(wǎng)絡(luò)切換等提供技術(shù)支持，有效減少時(shí)延，增強(qiáng)可靠性。在業(yè)務(wù)平臺(tái)上，通過(guò)對(duì)軟件、數(shù)據(jù)與設(shè)備的綜合管理，可為路、車與用戶提供全方位服務(wù)，在道路服務(wù)中包括盲目檢查、交通流檢查、信號(hào)檢查等等；在車輛服務(wù)中有車輛設(shè)備管理、健康檢測(cè)與應(yīng)用管理等等；在用戶服務(wù)中包括精準(zhǔn)定位、車載娛樂(lè)與緊急呼叫等。在通信速度方面，5G車聯(lián)網(wǎng)采用全雙工通信技術(shù)，將不同車載終端設(shè)置在相同頻譜上，支持同時(shí)收發(fā)信號(hào)，有效突破頻譜應(yīng)用方面的限制，促進(jìn)頻率利用率提升。

2 蜂窩車聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)技術(shù)

當(dāng)前汽車數(shù)量不斷增加，車流量也隨之提升，這就要求車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、服務(wù)功能與計(jì)算量不斷強(qiáng)化，以往通信架構(gòu)已經(jīng)難以滿足當(dāng)前高要求。在大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)發(fā)展下，車聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)更加成熟，通信架構(gòu)更加立體，支持多種接入模式，如PC5、Uu等等，無(wú)論車輛節(jié)點(diǎn)是否位于基站輻射范圍內(nèi)，均可實(shí)現(xiàn)低時(shí)延、高性能的通信目標(biāo)?，F(xiàn)階段，蜂窩車聯(lián)網(wǎng)在可靠性、時(shí)延等方面擁有較大提升空間，可在5G技術(shù)基礎(chǔ)上得到彌補(bǔ)和優(yōu)化。

2.1 LTE D2D技術(shù)

根據(jù)3GPP發(fā)展歷程可知，全部通信均是以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)而實(shí)現(xiàn)，用戶1到2的任何指令信息都要經(jīng)過(guò)基站，再對(duì)后續(xù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理轉(zhuǎn)發(fā)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)用戶雙方的直接交流。但是，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的誕生使應(yīng)用場(chǎng)景發(fā)生改變，通信需求也不盡相同，如車輛自動(dòng)駕駛場(chǎng)景，傳收車輛距離較近，車輛之間直接通訊效果更加顯著。在3GPP標(biāo)準(zhǔn)體系中，為滿足新的通信需求對(duì)承載通信方式的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行優(yōu)化，即LTE 2D2，在該標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上開(kāi)展一系列研究，使資源分配、信道分配、需求架構(gòu)等得以明確，實(shí)現(xiàn)PC5接口的直通方式。

2.2 LTE MBMS技術(shù)

在5G白皮書中指出，與4G相比5G性能更高，時(shí)延達(dá)到毫秒級(jí)，用戶體驗(yàn)速率加快。在IPv6部署后，一個(gè)腳掌的位置便可設(shè)置數(shù)十個(gè)IP地址，以往傳輸是以應(yīng)答確認(rèn)單播點(diǎn)為基礎(chǔ)進(jìn)行通信，現(xiàn)已經(jīng)無(wú)法滿足車聯(lián)網(wǎng)通信需求，應(yīng)將廣播多播技術(shù)應(yīng)用其中，更加全面的分享周圍信息?？梢?jiàn)，LTE MBMS屬于車聯(lián)網(wǎng)中的重要內(nèi)容之一。

2.3 LTE V2X技術(shù)

以往技術(shù)因無(wú)法有效解決干擾、擁塞、覆蓋等問(wèn)題，如同兩個(gè)平級(jí)用戶出現(xiàn)矛盾后，沒(méi)有第三方上級(jí)進(jìn)行仲裁，導(dǎo)致二者陷入僵局。在此背景下，LTE-V技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，該技術(shù)可通過(guò)直連方式，利用蜂窩網(wǎng)絡(luò)扮演仲裁者的角色，使干擾和堵塞問(wèn)題得到有效解決。在PC5基礎(chǔ)上，LTE V2X技術(shù)的應(yīng)用采用半持續(xù)調(diào)度方式，將無(wú)線資源劃分為多個(gè)子幀，有效降低頻內(nèi)輻射，促進(jìn)信道優(yōu)化利用，使傳輸效率得到顯著提升；還具有時(shí)鐘同步功能，在網(wǎng)絡(luò)不覆蓋的情況下，缺少同步源，V2X同時(shí)支持基站與GNSS時(shí)間同步；專業(yè)的Qos技術(shù)中V2X消息適用于單播傳輸，只能在MBMS中傳遞V2X信息，通過(guò)QCI的應(yīng)用可使傳輸可靠性得到顯著提升。

3 蜂窩車聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)性能仿真分析

3.1 基于PC5通信架構(gòu)

在PC5接口基礎(chǔ)上，用戶傳輸采用半雙工數(shù)據(jù)模式，在副鏈路中利用廣播機(jī)制將V2V信息傳遞給特定距離內(nèi)的用戶，該模式可滿足基本需求服務(wù)，例如通知過(guò)往車輛路邊障礙等，還可應(yīng)用于可靠性與時(shí)延要求較高，但吞吐量要求較低的業(yè)務(wù)中。通信信道可將C-V2X分配到實(shí)際測(cè)試20MHz帶寬中，在頻域上可細(xì)致劃分為多個(gè)子信道，在時(shí)域中分為子幀，也就是TTI，一個(gè)子幀中分別帶有一個(gè)子信道，各個(gè)子信道中均帶有數(shù)量相同的RB。在相同子信道中，數(shù)據(jù)可經(jīng)過(guò)PSSCH進(jìn)行傳輸，副鏈路控制信息還可在PSCCH中傳輸。在PC5接口基礎(chǔ)上，可將V2V通信業(yè)務(wù)模型分成周期性、非周期性兩種，前者包括三種負(fù)載模型，后者為兩種模型。在該系統(tǒng)中，因全部副鏈路在同一時(shí)頻上傳輸資源，所占用的時(shí)頻資源塊相同，發(fā)送用戶間產(chǎn)生同頻干擾。因此，在多種業(yè)務(wù)模型中，不同負(fù)載對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生的影響也有所區(qū)別。此外，在不同車輛密度狀態(tài)下，所承受的同頻干擾程度也不盡相同。對(duì)此，本文在OPNET下進(jìn)行系統(tǒng)仿真，對(duì)PC5模接口下車聯(lián)網(wǎng)通信性能進(jìn)行檢驗(yàn)。

3.2 仿真設(shè)計(jì)

在高速場(chǎng)景下，用戶在長(zhǎng)度為10395m，寬度為24m的雙向六車道中行駛。在城區(qū)場(chǎng)景中模擬曼哈頓網(wǎng)格，共計(jì)包括9個(gè)街區(qū)，各個(gè)街區(qū)的面積分別為250m×433m，每個(gè)街道的寬度均為14m，為雙向四車道，且包括3m寬的人行道。在高速與城區(qū)兩個(gè)場(chǎng)景中，車輛前后距離服從均值為λ＝2V車的分布，V車代表的是車輛行駛速度，不同速度對(duì)車輛密度具有較大影響。在PC5接口下進(jìn)行車聯(lián)網(wǎng)通信，接收用戶信號(hào)干擾值的計(jì)算公式為：

式中，SINR代表的接收用戶信號(hào)干擾值；P代表的是傳送信號(hào)功率；G代表的是天線增益；P1代表的是干擾功率；P2代表的是噪聲功率。在PC5接口場(chǎng)景下，因車輛采用的頻率資源相同，用戶受到的干擾來(lái)源以其他用戶相同頻率干擾為主，也就是當(dāng)前發(fā)射用戶受到在相同頻率資源塊中傳輸信息的其他用戶干擾。

3.3 仿真結(jié)果

在PC5接口基礎(chǔ)上，針對(duì)特定仿真區(qū)域中的多個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行業(yè)務(wù)模型、車輛密度與業(yè)務(wù)負(fù)載等性能評(píng)估，探究系統(tǒng)覆蓋性能。以基礎(chǔ)業(yè)務(wù)模型為例，制定廣播通信機(jī)制，對(duì)通信系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行探究，以接收用戶分組接收率為重要指標(biāo)。3GPP下通信目標(biāo)可靠性達(dá)到90%，在高速場(chǎng)景下目標(biāo)通信距離為320m，在城區(qū)場(chǎng)景下為150m。在仿真平臺(tái)中，調(diào)試方式為QPSK，非周期模型依據(jù)業(yè)務(wù)分組情況對(duì)調(diào)制編碼方式進(jìn)行更改；在資源調(diào)度方式上，周期性業(yè)務(wù)采用半持續(xù)調(diào)度、非周期業(yè)務(wù)采用隨機(jī)資源選擇。

（1）有效通信距離中分組接收率

在高速與城區(qū)兩個(gè)場(chǎng)景中，車輛的天線配置、行駛速度不盡相同，分組接收率與距離之間存在線性關(guān)系，接收率性能與車輛密度間具有反比關(guān)系，隨著前者的增加后者不斷降低，究其原因，主要因車輛密度增加導(dǎo)致資源碰撞，進(jìn)而對(duì)性能產(chǎn)生不良影響。此外，城區(qū)場(chǎng)景性能低于高速場(chǎng)景，究其原因，城區(qū)中車輛密度相對(duì)較大，且路徑損耗相對(duì)嚴(yán)重，特別是在非視域狀態(tài)下?lián)p耗更加顯著。與之相比，城區(qū)性能提升方案應(yīng)得到高度重視。根據(jù)仿真目標(biāo)下分組接收率可知，城區(qū)場(chǎng)景因車輛密度較高，性能難以滿足通信要求，即便利用8×8的天線配置也難以達(dá)到通信目標(biāo)。

（2）不同業(yè)務(wù)模型下分組接收率

根據(jù)仿真結(jié)果可知，兩種場(chǎng)景下不同業(yè)務(wù)模型下分組接收率與距離間關(guān)系密切。周期性業(yè)務(wù)模型的性能低于非周期性，究其原因，一是受業(yè)務(wù)量影響，業(yè)務(wù)量增加導(dǎo)致資源碰撞問(wèn)題加?。欢且驍?shù)據(jù)分組增加，只適用于高階調(diào)制度，誤比特率增加，導(dǎo)致系統(tǒng)性能降低。在周期與非周期業(yè)務(wù)混合應(yīng)用情況下，二者融合導(dǎo)致業(yè)務(wù)負(fù)載快速增加，且非周期模型數(shù)據(jù)分組較大，只適用于高階調(diào)制。同時(shí)，因非周期業(yè)務(wù)具有穩(wěn)定性不足，只可利用隨機(jī)資源選擇模式，難以避免周期業(yè)務(wù)帶來(lái)的影響，且周期業(yè)務(wù)也難以感知干擾，對(duì)其業(yè)務(wù)性能同樣會(huì)產(chǎn)生不良影響，導(dǎo)致整體性能變?nèi)?。根?jù)仿真場(chǎng)景中混合模型下的分組接收率可知，業(yè)務(wù)場(chǎng)景難以在有效通信范圍中實(shí)現(xiàn)有效通信，但在混合場(chǎng)景下，只有在高速場(chǎng)景中，車輛以每小時(shí)140km的速度行駛時(shí)才可達(dá)成通信目標(biāo)，剩余場(chǎng)景均無(wú)法滿足通信基本需求。根據(jù)上述仿真結(jié)果可知，在PC5接口下通信系統(tǒng)運(yùn)行受限，車輛密度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致同頻干擾提升。對(duì)于非周期業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)，可利用有效措施規(guī)避干擾，由此提高性能，但在城區(qū)場(chǎng)景中，因車輛長(zhǎng)期處于高密度行駛狀態(tài)，相同時(shí)段內(nèi)發(fā)送狀態(tài)車輛過(guò)多，干擾屏蔽機(jī)制的效果受到影響，需要采集更多頻率資源，利用多種傳輸技術(shù)才可滿足通信需求。此外，針對(duì)城區(qū)中路徑損耗的問(wèn)題，可將RSU轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制應(yīng)用到長(zhǎng)距離運(yùn)輸中，由此提高系統(tǒng)性能。

結(jié)論：綜上所述，在5G時(shí)代即將到來(lái)之際，車聯(lián)網(wǎng)作為全新網(wǎng)絡(luò)逐漸得到普及。作為蜂窩車聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商，在強(qiáng)化基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的基礎(chǔ)上，還應(yīng)根據(jù)應(yīng)用層需求做好網(wǎng)絡(luò)信息配合工作，實(shí)現(xiàn)信息準(zhǔn)確高效傳遞。借助5G技術(shù)促進(jìn)產(chǎn)業(yè)融合，豐富蜂窩車聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)功能，降低不良因素干擾，促進(jìn)車載終端與V2X平臺(tái)優(yōu)化升級(jí)，大力推動(dòng)車聯(lián)網(wǎng)事業(yè)發(fā)展。