V2V通信關鍵技術

2014年6月3日福特公司發布了V2V通信技術，V2V可以監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”數據。這是一種不受限于固定式基站的通信技術，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技術是V2X技術中發展最為成熟的。

同時，由于V2V通信具有高速、高密度等特點，給設計帶來了諸多挑戰。如何避免相鄰車輛的嚴重干擾是V2V通信面臨的技術挑戰之一。對于V2V通信中的隨機資源分配中的數據沖突問題，應避免或減輕，并應限制資源選擇延遲，以支持服務質量(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量,這導致RS傳輸隊列中有大量等待數據包。因此，當業務負載較高時，SR-V2VC方案面臨另一個問題，即由于RS上的數據包溢出/擁堵而導致的分組丟棄。如果出現丟包，則SR-V2VC方案獲得的可實現增益可能受到限制。為了減少這種丟包現象，一些研究人員提出了一種包有效負載級聯轉發(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，隨著業務量的進一步增加，分組擁堵仍可能發生在RS。

本文通過幾篇文章總結了以下幾點：旁道干擾對通信系統的影響、V2V通信資源分配方案、車載網絡實現方案、中繼輔助通信、有效負載級聯轉發（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能夠在5G及更高的無線網絡中實現高數據速率的車輛到車輛（V2V）通信的建議。然而，大規模部署此類系統可能會導致重大干擾，影響信息傳輸的性能。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、仿真和分析相結合的方法（圖1），對典型的鄉村道路和城市道路環境中的側車道干擾進行了綜合描述，并同時考慮了側車道上發射車輛的多徑干擾和直接干擾。

本文重點研究了通信系統的干擾、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，而大多數三維分量可以被忽略而不損失精度。然后利用這些結果建立了公路和城市布設干擾的分析模型，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，最后對數值結果進行了討論。

圖1 混合評價方法

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

結果表明：二維隨機模型可以很好地逼近側線干擾；所分析的結構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，側車道上的車輛所引起的干擾成為必須考慮的關鍵問題；當角度小于20度時，即使在沒有干擾緩解技術的情況下，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系統的結構，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在交集區域中根據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，不同的區域有不同的子資源庫，車輛進入不同的區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重要的，因為它們更頻繁地進入不同的區域。特殊的子資源庫不會像正常的子資源庫那樣經常發生變化。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。

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

3 基于V2V的車載傳感器網絡實現方案調查[3]

車輛將很快連接起來，并且車輛之間、車輛與基礎設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在車載到一切(V2X)通信中得到了發展，并起草了一套廣泛的相關用例，每個用例都有自己的要求。圖6是V2X和ETSI優先滲透率路線圖。

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發展的技術和經濟動因，探討了國際上對V2X通信設備的授權意圖。作者Barbara M.Masini[3]還深入研究了支持無線接入技術，從IEEE 802.11p到短距離蜂窩-V2X和其他補充技術，如可見光通信(VLC)和毫米波，直至混合通信和5G。在總結調查時，Barbara M.Masini[3]對城市現實情景中的一些性能進行了比較，認為未來授權技術的選擇并不容易預測，主要取決于國際一級的強制性法律。

本論文的目的是從經濟動機到需求和相關的授權技術出發，深入了解基于車輛到車輛(V2V)的車載傳感器網絡(VSNs)所帶來的挑戰，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則。與已經發表的其他調查不同的是：

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

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

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

(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的商業模式和潛在的強制性規則，以推動車載連接，從而有效地支持制造商開發使用V2V通信的應用程序。

4 一種僅使用V2V通信的車輛網絡的分簇方案[4]

車載網絡的發展引發了大量的新應用，這些應用已經成為駕駛員和協同車輛必不可少的部分。保證這些新服務的連續性的重要條件之一是存在持續的網絡接入，這種接入無法得到完全保證。在這種情況下，開發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量方面的信息結合起來，以建立類似于車輛網絡基礎設施的結構，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，導致VANET中出現虛擬骨干，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，它可以在基于基礎設施和無基礎設施的VANET中運行。

（2）與大多數基于地理的路由協議不同，CBL中不需要全局了解節點的位置，并且不需要任何需要基礎設施的全球定位服務。

（3）基于仿真的CBL研究表明，大多數時候它在每個驅動方向（鏈）上構建一個主干，由有限數量的繼電器（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，從而產生較少的路由流量。

這種聚類方案可以集成到任何反應式、主動式或地理自組織路由協議中，以便優化消息泛濫和簡化路由操作。通過仿真實現的評估表明，所提出的聚類方案允許在相當長的時間內創建和維護穩定的主干。此外，仿真結果表明，所提出的聚類方案與現有技術如多點中繼相比，顯著減少了廣播業務泛濫的影響。

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，以緩解電力系統在高峰需求時間內的充電過載問題。本文旨在利用移動車輛位置和可用能量的實時信息，設計一種高效的時空協同V2V能量交換策略。設計這種能量交換策略的主要挑戰是：激勵移動PEV參與平衡聚集器供需平衡的能量交換交易；實現最佳的能量利用和單個PEV的利潤。

與傳統的協調策略不同，V2V策略除了協調對需要能量的PEV的充電外，還應該激勵剩余能量的PEV放電。在電網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的空間和時間波動，可以為移動PEV實現空間和時間的充放電協調。通過時空協調，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。

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體系結構，通過異構無線網絡-增強智能電網，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中開發了一個真實的郊區腳本，利用生成的仿真軌跡跟蹤PEV的流動性。大量的仿真結果驗證了V2V能量交換策略的有效性。

6 V2V干擾下的協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發功能的協作車載(V2V)干擾受限通信系統。在發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據傳輸實例之間的相關性，并導出了這種分布的統計度量，如概率密度函數、累積分布函數。由于無線介質的快速時變特性以及中繼選擇和數據傳輸實例之間自然存在的延遲，提出了一種新的信道狀態信息(CSI)模型。

分析考慮了兩種基于中繼目的地信道質量的中繼選擇方案，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果，并使用性能指標OP和SEP對分集階進行了估計。

數值和仿真結果證實了Bithas Petros S的理論，并量化了過時的CSI、干擾水平以及中繼節點與最終目的地之間的不同距離對系統性能的影響。兩種中繼選擇方案的中繼越接近目的地，系統性能越好。在許多情況下，新方案在性能和復雜性交換方面優于BRS。最后，基于導出的DN RVS之和的一個近似表達式，表明過時的CSI對系統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)對于實現安全和高度自動化的駕駛系統是必不可少的，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發(PCF)方法的SR-V2VC/PCF方法（圖10），并利用CSMA/CA碰撞模型對系統性能進行了理論評價。還進行了大規模的計算機仿真，驗證了SR-V2VC/PCF所帶來的性能改善。結果表明，SR-V2VC/PCF將非中繼系統最低傳送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，導出了RS下分組接收速率的解析表達式。

(2)綜合推導了所提出的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果。結果表明，扇形接收和PCF方案的聯合使用，可以有效地緩解單頻系統的HT問題和RS包的擁堵問題，顯著改善V2VC的PDR。

8 基于網絡編碼的中繼輔助V2V通信有效載荷級聯[8]

可靠的車對車(V2V)通信是安全和高度自動化駕駛系統必不可少的。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中可能出現的分組擁堵的限制。為了緩解RS中的數據包擁堵問題，本文提出了一種基于網絡編碼的有效負載級聯轉發算法。

網絡編碼(NC)是解決網絡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用，提出了一種基于車輛到基礎設施(V2I)通信的協作內容下載方案。一些工作利用了NC在V2VC安全信標方面的優勢。提出了一種基于NC的丟包恢復方案，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目。然而，它不能保證PDR可以得到顯著改善，特別是在多節點環境中。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，以適應交叉路口多節點環境（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。

大規模仿真結果表明，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境數據庫[9]

為了實現可靠的車載自動駕駛(V2V)通信系統，無線傳播識別成為一項重要的技術。然而，在目前的無線分布式網絡系統中，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絡環境數據庫的體系結構（圖12），以提高V2V通信系統中無線電環境估計的精度。該數據庫首先收集與V2V系統的發送/接收位置相關的接收信號強度指示器(RSSI)的測量數據集，利用這些數據集生成與發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據集稱為眾包，通過使用眾包，可以從大量的位置收集大量的數據集。

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

為了評估數據庫的準確性，在日本郊區進行了車輛與車輛（V2V）通信的測量。在現有的V2V通信標準IEEE802.11p中，為了支持交通安全，通常將發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，接收信號強度指示器(RSSI)和發射機/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服務器創建了與傳輸位置相關的無線電環境圖(REMS)。

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