基于LTE-V2X的車聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究

1 引言

車聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)在汽車與交通中的應(yīng)用，是車與人，車與車，車與路，車與云之間進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息交換的信息通信網(wǎng)絡(luò)。在5G時(shí)代，將通信技術(shù)與汽車的電子化、智能化相融合，通過協(xié)同通信交換，可以彌補(bǔ)原有車載傳感設(shè)備只能感知視距范圍車輛數(shù)據(jù)和交通運(yùn)行環(huán)境數(shù)據(jù)的不足，構(gòu)建一張實(shí)時(shí)的高精度地圖，以支撐汽車電子智能系統(tǒng)的駕駛決策和駕駛操作與控制。車聯(lián)網(wǎng)按照約定的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)，在車與車、車與路、車與行人之間，進(jìn)行無線通信和信息交換，其采用的通信技術(shù)主要包括基于專用短距離通信技術(shù)（ Dedicated Short Range Communication，DSRC）技術(shù)和中國力推的基于蜂窩移動通信的LTE-V2X技術(shù)，本文在車聯(lián)網(wǎng)概念和應(yīng)用的基礎(chǔ)上，對LTE-V2X關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。

2 車聯(lián)網(wǎng)的概念

汽車的智能化趨勢推動了傳統(tǒng)汽車和交通行業(yè)的變革，同時(shí)也推動了車、路、人之間的信息共享。將現(xiàn)代通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)這些信息共享，就形成了車聯(lián)網(wǎng)的概念。車聯(lián)網(wǎng)是能夠?qū)崿F(xiàn)智能化交通管理、智能動態(tài)信息服務(wù)和車輛智能化控制的一體化網(wǎng)絡(luò)，是物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）技術(shù)在交通系統(tǒng)領(lǐng)域的典型應(yīng)用。車聯(lián)網(wǎng)這個(gè)概念就是來自于物聯(lián)網(wǎng)。傳統(tǒng)的車聯(lián)網(wǎng)定義是指裝載在車輛上的電子標(biāo)簽通過無線射頻等識別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在信息網(wǎng)絡(luò)平臺上對所有車輛的屬性信息和靜、動態(tài)信息進(jìn)行提取和有效利用，并根據(jù)不同的功能需求對所有車輛的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效的監(jiān)管和提供綜合服務(wù)的系統(tǒng)。

根據(jù)中國信息通信研究院發(fā)布的《車聯(lián)網(wǎng)白皮書》（2017），車聯(lián)網(wǎng)的定義是：借助新一代信息和通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車內(nèi)、車與車、車與路、車與人、車與服務(wù)平臺的全方位網(wǎng)絡(luò)連接，提升汽車智能化水平和自動駕駛能力，構(gòu)建汽車和交通服務(wù)新業(yè)態(tài)，從而提高交通效率，改善汽車駕乘感受，為用戶提供智能、舒適、安全、節(jié)能、高效的綜合服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)連接、汽車智能化、服務(wù)新業(yè)態(tài)是車聯(lián)網(wǎng)的3個(gè)核心。

根據(jù)中國智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟的定義，車聯(lián)網(wǎng)是以車內(nèi)網(wǎng)、車際網(wǎng)和車云網(wǎng)為基礎(chǔ)，按照約定的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)，在車與車、車與路、車與行人之間，進(jìn)行無線通信和信息交換的大系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。其中車內(nèi)網(wǎng)是指通過應(yīng)用成熟的總線技術(shù)建立的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的整車網(wǎng)絡(luò)；車際網(wǎng)是指基于DSRC技術(shù)和LTE-V2X技術(shù)構(gòu)建的實(shí)現(xiàn)車與車和車與路邊的基礎(chǔ)設(shè)施之間中短程距離通信的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)；車云網(wǎng)是指車載終端通過蜂窩移動通信技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)和云端進(jìn)行遠(yuǎn)程無線連接的網(wǎng)絡(luò)。三者之間的關(guān)系和整體架構(gòu)如圖1所示。本文重點(diǎn)研究實(shí)現(xiàn)車輛與一切可能影響車輛的外部實(shí)體實(shí)現(xiàn)信息交互的車際網(wǎng)所采用的LTE-V2X技術(shù)。

圖1 車內(nèi)網(wǎng)、車際網(wǎng)和車云網(wǎng)的整體架構(gòu)

3 LTE-V2X關(guān)鍵技術(shù)

如前所述，基于V2X協(xié)同通信的車際網(wǎng)是車聯(lián)網(wǎng)的一種基本通信方式。V2X協(xié)同通信是車輛與車輛、行人和路側(cè)設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息交換的通信方式。與基于蜂窩移動通信的通信方式相比，V2X協(xié)同通信包含在車輛、道路和行人之間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息交換的通信方式，它將一個(gè)個(gè)獨(dú)立的車輛通過信息通信連成一體，采用自組網(wǎng)技術(shù)，通過車輛間或車輛與路側(cè)通信設(shè)施之間多跳無線通信，使駕駛員能夠在超視距范圍內(nèi)獲得其他車輛的狀況信息（如車輛位置、行使駛方向、行車速度、剎車操作等）和實(shí)時(shí)路況信息，還可以通過路邊的站點(diǎn)接入互聯(lián)網(wǎng)，使司機(jī)和乘客可以方便地獲取天氣狀況，實(shí)時(shí)交通狀況，商店購物或網(wǎng)絡(luò)娛樂等相關(guān)信息。

V2X協(xié)同通信包括專用短距離通信DSRC方式和蜂窩-V2X（cellular-V2X，C-V2X）協(xié)同通信方式。C-V2X結(jié)合了蜂窩移動通信和V2X協(xié)同通信的優(yōu)勢，既包括有蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋的場景，也包括沒有蜂窩網(wǎng)絡(luò)部署的場景，可以提供兩種通信接口：蜂窩通信接口和直連通信接口，以此形成有效的冗余來保障通信可靠性。C-V2X是基于3GPP全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的通信技術(shù)，包含LTE-V2X和5G-V2X，從技術(shù)演進(jìn)角度講，LTE-V2X支持向5G-V2X平滑演進(jìn)。LTE-V2X的準(zhǔn)化已經(jīng)完成。

LTE-V2X是以LTE蜂窩網(wǎng)絡(luò)為V2X基礎(chǔ)的車聯(lián)網(wǎng)專有協(xié)議，分為兩種工作方式：終端之間直通傳輸通信方式，其中終端之間的空中接口稱為PC5接口；終端與基站之間的上/下行鏈路通信方式，其中終端和基站之間的空中接口稱為Uu接口。基于Uu接口的LTE-V2X主要是在LTE的上下行傳輸上做了一些增強(qiáng)，例如下行縮短MBMS的周期以降低延遲，上行引入多個(gè)SPS進(jìn)程等。

LTE-V2X物理層的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：自動增益控制AGC、同步信號檢測/定時(shí)估計(jì)、頻偏估計(jì)。

在車輛短距通信系統(tǒng)的工作環(huán)境中，接收端在相鄰子幀中可能收到不同終端所發(fā)送的傳輸距離差異很大的信號。由于近距路損小、遠(yuǎn)距路損大的因素導(dǎo)致接收信號強(qiáng)度在不同接收子幀之間波動極大；高速時(shí)，通信目標(biāo)的通信距離可能大于300 m，也可能小于2 m，除考慮不同距離的路損差外，還需要考慮陰影衰落，瑞利衰落的抖動等余量，那么AGC需要支持的增益調(diào)整范圍需要達(dá)到80 dB以上。在LTE-V2X系統(tǒng)中需要實(shí)現(xiàn)快速AGC調(diào)整，否則會影響后續(xù)信號的接收。

在LTE-V2X系統(tǒng)，采用了重復(fù)的PSS和SSS設(shè)計(jì)，這樣可以采用前一符號與后一符號相關(guān)的方法來初步鎖定PSS或SSS的位置，基于最大相關(guān)值可實(shí)現(xiàn)PSS或SSS的檢測，并基于最大相關(guān)值的位置可實(shí)現(xiàn)接收信號的定時(shí)估計(jì)。

LTE-V2X的工作頻點(diǎn)可達(dá)5.9 GHz，當(dāng)車輛間的相對移動速度達(dá)到240 km/h時(shí)，需要應(yīng)對的多普勒頻移遠(yuǎn)大于當(dāng)前LTE系統(tǒng)的2.6 GHz頻段和120 km/h移動速度，將引起更嚴(yán)重的性能衰減。因此LTE-V2X不能使用LTE系統(tǒng)中通常采用的頻域頻偏估計(jì)法，而是采用變換域頻偏估計(jì)法來估計(jì)，即通過估計(jì)接收信號的到達(dá)時(shí)間，計(jì)算與本地基準(zhǔn)接收時(shí)間的時(shí)間差；將接收的頻域?qū)ьl序列變換到時(shí)域，與經(jīng)過圓周旋轉(zhuǎn)的本地存儲時(shí)域?qū)ьl序列進(jìn)行對應(yīng)位的共軛相乘，得到了反映信道相位變化的序列，從而計(jì)算出頻率偏移。該偏移可以估計(jì)絕對值小于15 kHz的頻偏，滿足車聯(lián)網(wǎng)的通信需求。

4 結(jié)束語

車聯(lián)網(wǎng)不僅改變汽車產(chǎn)品的形態(tài)，也將改變交通運(yùn)輸和人們的出行模式，其發(fā)展對我國汽車行業(yè)的發(fā)展以及制造業(yè)強(qiáng)國的打造具有重大戰(zhàn)略意義。LTE-V2X作為中國力推的車聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，最大的好處在于能夠重復(fù)使用現(xiàn)有的蜂窩基礎(chǔ)建設(shè)和頻譜資源。LTE網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)建設(shè)已經(jīng)存在，運(yùn)營商無需進(jìn)行大規(guī)模的專用路側(cè)設(shè)備RSU布點(diǎn)，并提供專用的頻譜；在另一方面，終端設(shè)備可以和手機(jī)共用同一類型的芯片，為汽車廠商大大降低整合成本。結(jié)合目前5G的提速，更容易推動LTE-V2X技術(shù)的繼承和演進(jìn)，推動車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的商用推廣。