V2X智能車聯(lián)網(wǎng)的理論最大阻塞容量

［關(guān)鍵詞］LTE-V2X；系統(tǒng)最大容量；信道衰落；干擾；無線

1 概述

當(dāng)前我國在V2X建設(shè)方面走在了前沿，5G-V2X尚未成型，LTE-V2X的研究應(yīng)用逐漸深入。LTEV2X網(wǎng)絡(luò)建設(shè)完成后，需要對大量汽車匯集在一條高速公路上、大量汽車聚集在熱點(diǎn)區(qū)域或上下班高峰期汽車大量阻塞、高速公路大流量汽車流動(dòng)的等阻塞場景進(jìn)行高效調(diào)度、通信。在制訂標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范時(shí)，需要知道V2X的最大系統(tǒng)容量。文章從信道衰落、無線干擾、消息傳輸?shù)慕嵌确治鰡栴}，推導(dǎo)出LTEV2X的最大系統(tǒng)容量。雖然結(jié)論不太樂觀，但是可以為后期我國的LTE-V2X網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、設(shè)計(jì)研發(fā)、規(guī)范制訂、算法優(yōu)化提供一些參考。

2 問題描述

推導(dǎo)估算LTE-V2X理論上的最大系統(tǒng)容量。具體推導(dǎo)LTE-V2X網(wǎng)絡(luò)在汽車最密集聚集時(shí)，仍可以保持V2X通信的最多車輛數(shù)量。

3 技術(shù)準(zhǔn)備：LTE-V2X對Es/Iot的要求

表1為同步信號對Es/Iot的要求。具體來講，在無定位信號情況下不小于–4dB或有定位信號情況下不小于0。

式中，Tsym為符號周期，Tsamp為采樣間隔，Tsym/Tsamp為1個(gè)符號周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)。

LTE-V2X一般采用帶寬20M，因此，子載波數(shù)為1200個(gè)。

FFT采樣點(diǎn)取2048。

按照LTE的IFFT實(shí)現(xiàn)原理，可知1個(gè)OFDM周期的采樣點(diǎn)即為2048。

因此，對于LTE的20MH帶寬信號：Es/Iot（dB）=3.3dB+SNR（dB）。

LTE-V2X基于LTE實(shí)現(xiàn)，對Es/Iot要求與LTE相同。

4 問題的解決

4.1 從信號衰落角度估算容量

4.1.1 按照LTE的衰落模型

根據(jù)文獻(xiàn)[3]中的公式：

依據(jù)3GPP，36.521-7.3.1G，LTE-V2X20MHz的最大發(fā)射功率為23dBm，接收靈敏度最低要求為–87.5dBm，因此L為110.5dB。2021新款傳祺GA4PLUS車長達(dá)到了4735mm、車身寬度達(dá)到了1805mm，車身高度為1.5m。文章取典型值，即車長5m，寬度2m，車高2。因此Dhb為5900MHz。

由式（2）得到，R為80m，因此每部車占據(jù)面積為10m2，無線覆蓋范圍面積為2009m2，覆蓋的車數(shù)量為2010部。

4.1.2 最大視距估算法

4.1.3 弗里斯傳輸方程

按照弗里斯傳輸方程：

式（4）為自由空間傳輸方程，未考慮地表、空氣、多徑等因素。

4.1.4 小結(jié)

從衰落模型角度，按照瓶頸原則，V2X汽車容量為2010部。

4.2 從無線干擾角度估算容量

由上述式（1）及20MHzLTE采用2048個(gè)FFT采樣點(diǎn)，以及文獻(xiàn)[2]參數(shù)，在LTE-V2X的20MHz情況下，Es/Iot門限為不小于–4dB（表1）。

因此，按照式（1），得到SNR不小于7.3dB。

根據(jù)門限及式（2），可以估計(jì)信號衰減情況。

為模擬阻塞情況，作以下預(yù)設(shè)。

（1）如圖1所示，V2X通信的汽車V1位于圓心，與之通信的汽車V2在距離R（km）處。

（2）汽車V1周圍密布其他V2X汽車，最密集分布的情況為以V1為圓心，汽車首尾相連、按照與同心圓相切方向停放，每個(gè)同心圓的半徑按照車寬為步進(jìn)增加。

（3）車長5m，車寬2m，車高2m。

（4）所有V2X模塊按最大發(fā)射功率發(fā)射，Tx=23（dBm）。

（5）使用廣播頻率為B47中頻點(diǎn)，取f（MHz）=5900。

（6）CircleNoise表示第K圈的V2X汽車對原點(diǎn)V1產(chǎn)生的干擾，TotalNoise（dBm）表示所有的汽車對V1產(chǎn)生的干擾，Singnal（dBm）表示V1接收到的V2發(fā)出的V2X有用信號，SINR表示V1接收機(jī)接收到的V2X同步信號信噪比。

因此，如果R=1m，其他汽車在外圍，可以得到以下結(jié)果（表2）。

可見：當(dāng)V2與V1距離1m，能抵抗半徑為87m的汽車阻塞情況，汽車堵塞容量為2410部。同理，當(dāng)R=3m時(shí)，汽車阻塞容量為4部，見表4。

當(dāng)通信距離R=5m時(shí)，如汽車出現(xiàn)極度塞車情況，將導(dǎo)致車與5m之外的車無法進(jìn)行V2X通信。

在距離V1的1m處的汽車產(chǎn)生的干擾將使5m外的V2無法與V1通信。

4.3 從消息傳送角度估算容量

按照《合作式智能運(yùn)輸系統(tǒng)車用通信系統(tǒng)應(yīng)用層及應(yīng)用數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)》（TCSAE53-2017）》規(guī)范，系統(tǒng)延遲lt;=100ms，數(shù)據(jù)更新頻率=10Hz，在55190頻點(diǎn)，Mode4開展V2V業(yè)務(wù)，帶寬為10MHz，OBU發(fā)射功率為23dBm，以丟包率≤5%、時(shí)延≤100ms為系統(tǒng)容量的判定依據(jù)，則系統(tǒng)容量約為60個(gè)（錢肇鈞，申亞飛，2021）。

該模擬結(jié)果為以10MHz帶寬的單頻點(diǎn)V2X信號為模擬對象，因此，對于20MHz的V2X單頻點(diǎn)，信道模擬的結(jié)果為120個(gè)OBU，即120部汽車為20MHz單頻點(diǎn)系統(tǒng)容量。因此，從消息傳送角度，B47的汽車阻塞最大容量為120X3=360部汽車。

5 結(jié)論

5.1 信號衰落角度

從衰落模型角度，按照瓶頸原則，V2X汽車容量為2010部。

5.2 從無線干擾角度

R=1m，汽車容量為：2410部；

R=3m，汽車容量為：4部（含V2）；

R=5m，汽車容量為：0部，即無法通信。

R為通信距離。

5.3 消息傳送角度

B47的汽車阻塞最大容量為120X3=360部汽車。

瓶頸最終決定系統(tǒng)容量，基于當(dāng)前LTE-V2X設(shè)計(jì)：R=1m，汽車容量為：2410部，即當(dāng)通信距離為1m時(shí)，可容忍2410部汽車在周圍極度阻塞；R=3m，汽車容量為：4部，即當(dāng)通信距離為3m時(shí)，可容忍4部汽車在周圍極度阻塞；R=5m，汽車容量為：0部，即當(dāng)周圍汽車極度阻塞時(shí)，通信距離不可超過5m。

6 建議

LTE-V2X需要增強(qiáng)功率控制，避免大功率發(fā)射，減少干擾；

LTE-V2X無線資源調(diào)度方面需要增加調(diào)度算法，減少碰撞和同頻干擾；

具體建議可見《SolvingV2Xblockingalgorithm》（李詠東）。