車聯(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用場景業(yè)務(wù)建模及仿真方法

鄭銀香，侯帥，沈旭，張翼鵬

（1.中國移動通信有限公司研究院，北京 100053；2.北京郵電大學(xué)，北京 100876）

0 引言

隨著車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和5G 技術(shù)的逐步應(yīng)用，5G 與車聯(lián)網(wǎng)的深度融合將會為各行業(yè)帶來出行方式的提升、生產(chǎn)方式的變革和工作效率的提高[1]。行業(yè)應(yīng)用的自動駕駛是逐步發(fā)展的，一般認(rèn)為發(fā)展路徑是“由封閉到開放，由無人到有人，由低速到高速”。在自動駕駛與車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展初期，受到技術(shù)、產(chǎn)業(yè)、市場等多方面因素影響，主要是面向園區(qū)、港口、礦山等特定環(huán)境的自動駕駛，后期會逐步發(fā)展到完全的自動駕駛與自動化作業(yè)。

5G 車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景對網(wǎng)絡(luò)提出了更大帶寬、更低時延、更高可靠性的要求，如何有效評估網(wǎng)絡(luò)對特定應(yīng)用場景的支撐能力就成為值得研究的課題[2]。測試驗(yàn)證是一個較為科學(xué)且準(zhǔn)確的方法，但是車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用測試涉及到網(wǎng)絡(luò)、測試車輛、路側(cè)設(shè)施以及應(yīng)用開發(fā)等各方面，對資源要求較高，成本大，實(shí)現(xiàn)較為困難。因此，用仿真的方法實(shí)現(xiàn)對應(yīng)用場景的評估是一種切實(shí)可行的解決方案。

本文以5G 車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景中的一個基本用例——遠(yuǎn)程遙控駕駛為例，提出了車聯(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用場景業(yè)務(wù)建模及仿真的方法，同樣可以適用于其他場景的仿真與分析。主要包括以下幾個方面：應(yīng)用場景建模；信道建模；仿真方案設(shè)計(jì)；評估指標(biāo)：時延、丟包率、可靠性、傳輸速率。

1 遠(yuǎn)程遙控駕駛場景分析

1.1 場景概述

如圖1 所示，遠(yuǎn)程遙控駕駛是指，遠(yuǎn)程駕駛員進(jìn)行車輛的控制并以有效且安全的方式從當(dāng)前位置遠(yuǎn)程駕駛車輛到目的地，其中遠(yuǎn)程駕駛員可以為服務(wù)器或人工駕駛員，本應(yīng)用關(guān)注人工駕駛員的模式。

圖1 遠(yuǎn)程遙控駕駛

1.2 技術(shù)指標(biāo)需求

場景的通信技術(shù)指標(biāo)需求如表1 所示：

表1 技術(shù)指標(biāo)需求

1.3 業(yè)務(wù)交互流程分析

場景的業(yè)務(wù)交互流程如圖2 所示：

圖2 業(yè)務(wù)交互流程

1.4 交互數(shù)據(jù)

遠(yuǎn)程遙控駕駛場景中涉及的消息包括：

被控車輛→遠(yuǎn)程服務(wù)器：車輛狀態(tài)消息、多路視頻信息、車輛基本安全消息BSM；

遠(yuǎn)程服務(wù)器→被控車輛：遠(yuǎn)程控制信息、視角控制信息、通信狀態(tài)；

信號機(jī)→遠(yuǎn)程服務(wù)器：信號燈信息SPAT。

2 仿真與建模方法

2.1 業(yè)務(wù)建模

根據(jù)技術(shù)指標(biāo)中上下行鏈路時延需求，選擇TR 37.885[3]的6.1.5 節(jié)中合適的業(yè)務(wù)模型。對于上行鏈路，要求時延低于100 ms，選擇“周期性Model 1（低業(yè)務(wù)強(qiáng)度）業(yè)務(wù)模型”；而對于下行鏈路，要求時延低于20 ms，則選擇“周期性Model 2（中業(yè)務(wù)強(qiáng)度）業(yè)務(wù)模型”。兩種業(yè)務(wù)模型具體要求如下：

（1）周期性Model 1（低業(yè)務(wù)強(qiáng)度）業(yè)務(wù)模型：

數(shù)據(jù)包間到達(dá)時間：100 ms；

數(shù)據(jù)包發(fā)送模式：按照{(diào)300 bytes，190 bytes，190 bytes，190 bytes，190 bytes}的模式發(fā)送，每個UE發(fā)送的起始點(diǎn)隨機(jī)。

時延要求：100 ms。

（2）周期性Model 2（中業(yè)務(wù)強(qiáng)度）業(yè)務(wù)模型：

數(shù)據(jù)包間到達(dá)時間：10 ms；

數(shù)據(jù)包發(fā)送模式：0.2 概率的1 200 bytes 和0.8 概率的800 bytes；

時延要求：10 ms。

2.2 信道建模

在無線通信中，信道是連接通信系統(tǒng)中發(fā)射端與接收端的物理媒介，其特性直接決定了無線通信系統(tǒng)的性能。除了噪聲和干擾，信道特性還與傳播環(huán)境中的障礙物和自身運(yùn)動有關(guān)。車聯(lián)網(wǎng)通信場景具有車輛速度快、障礙物距離終端較近、車間通信距離較短、收發(fā)端移動速度快、移動區(qū)域受限等特點(diǎn)，其傳播信道與傳統(tǒng)移動信道有著顯著差別，故蜂窩系統(tǒng)的信道特性不能直接用于車聯(lián)網(wǎng)通信場景。

根據(jù)遠(yuǎn)程遙控駕駛場景需求，信道模型選擇了TR 38.913[4]中6.1.8 節(jié)的高速公路場景和6.1.4 節(jié)的城市宏蜂窩場景。高速公路場景的信道參數(shù)如表2 所示：

表2 高速公路場景信道參數(shù)

在高速公路場景下，V2B（Vehicle to Base Station）鏈路使用視距（LOS）傳播類型。因此，路徑損耗方面，6 GHz 以下載頻的V2B 鏈路的路徑損耗按照38.901[5]中表7.4.1-1 中的RMa LOS 來計(jì)算。而陰影衰落和快衰落方面，同樣選擇38.901 中RMa LOS 所對應(yīng)的模型或參數(shù)。

城市宏蜂窩場景的信道參數(shù)如表3 所示：

表3 城市宏蜂窩場景信道參數(shù)

2.3 評估指標(biāo)要求

鏈路級評估指標(biāo)：使用BLER（誤塊率）評估鏈路級的傳輸可靠性。

系統(tǒng)級評估指標(biāo)：使用數(shù)據(jù)包時延、數(shù)據(jù)包的丟包率和數(shù)據(jù)傳輸平均速率進(jìn)行評估。

2.4 仿真方案研究與設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的有效評估，搭建符合3GPP 標(biāo)準(zhǔn)的車聯(lián)網(wǎng)仿真平臺。該仿真平臺包含鏈路級仿真和系統(tǒng)級仿真兩部分，鏈路級仿真提供基本的鏈路性能供系統(tǒng)級仿真使用，而系統(tǒng)級仿真則對小區(qū)組網(wǎng)性能進(jìn)行充分評估。下面描述具體的仿真方案。

（1）鏈路級仿真

基于5G 車聯(lián)網(wǎng)的鏈路級仿真主要工作包括：完成仿真平臺模塊化，設(shè)置并明確各模塊接口，實(shí)現(xiàn)5G 車聯(lián)網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)定義的物理層關(guān)鍵技術(shù)，對物理下行業(yè)務(wù)信道（PDSCH）、物理下行控制信道（PDCCH）和物理上行業(yè)務(wù)信道（PUSCH）的傳輸性能進(jìn)行仿真評估，輸出BLER 和吞吐量。

在鏈路級仿真平臺中，仿真平臺模塊化有助于平臺的管理、修改和優(yōu)化。具體來說，平臺的通信功能模塊將信道及各種通信傳輸技術(shù)的實(shí)現(xiàn)封裝到一起，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中無線信號處理的部分功能，如圖3 所示。通信功能模塊實(shí)現(xiàn)了眾多無線傳輸技術(shù)，包括信道編碼、數(shù)字調(diào)制、層映射、波束賦形與預(yù)編碼、物理資源映射、OFDM 調(diào)制以及反饋功能等。

圖3 通信功能模塊流程圖

根據(jù)5G 車聯(lián)網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合鏈路級仿真平臺的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，平臺將通信功能模塊進(jìn)一步細(xì)分為若干子模塊，包括數(shù)據(jù)初始化模塊、信道編譯碼模塊、調(diào)制解調(diào)模塊、多天線傳輸模塊、OFDM 調(diào)制模塊、信道過程與信道估計(jì)模塊以及反饋模塊。數(shù)據(jù)初始化模塊主要進(jìn)行除基本參數(shù)配置外其他仿真參數(shù)生成、各模塊接口匹配、仿真參數(shù)更新等操作。信道編譯碼模塊，在數(shù)據(jù)流進(jìn)行傳輸之前，加入一定的監(jiān)督碼字，以提高信號在數(shù)據(jù)傳輸中的正確率，可采用LDPC 信道編碼。調(diào)制解調(diào)模塊，對比特級信息進(jìn)行調(diào)制，根據(jù)調(diào)制方式不同，調(diào)制后的符號可攜帶多個比特信息，有效地提高頻帶利用率。可采用QPSK、16QAM、64QAM、256QAM 調(diào)制方式。多天線傳輸模塊，利用多個天線端口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。首先實(shí)現(xiàn)信號層映射，將數(shù)據(jù)流映射到層上，同時進(jìn)行波束賦形，增加信號傳輸?shù)姆较蛐裕髮ζ溥M(jìn)行預(yù)編碼處理，減少多天線之間的干擾。OFDM 調(diào)制模塊是對信號進(jìn)行OFDM 處理減少多天線傳輸帶來的多徑信號分量。信道過程與信道估計(jì)模塊，需要完成信道生成和準(zhǔn)確的信道估計(jì)。反饋模塊中存在兩部分反饋，一部分是利用信道估計(jì)得到信道響應(yīng)矩陣，根據(jù)一定的準(zhǔn)則選取預(yù)編碼矩陣，反饋預(yù)編碼矩陣索引號或者預(yù)編碼矩陣；另一部分為自適應(yīng)編碼調(diào)制中的信息反饋，根據(jù)終端CQI 的反饋進(jìn)行調(diào)制編碼方式選擇，同時采用HARQ 在接收端進(jìn)行差錯控制和數(shù)據(jù)重傳，保證信息在傳輸過程中的可靠性。數(shù)據(jù)存儲模塊主要進(jìn)行對信號處理之后的數(shù)據(jù)存儲與調(diào)用，可以對系統(tǒng)吞吐量、誤塊率等指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)輸出。

鏈路級仿真可進(jìn)一步細(xì)分為下行鏈路仿真和上行鏈路仿真。下行鏈路基本分為PDSCH、PDCCH。其中PDSCH主要用于傳輸下行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。針對5G車聯(lián)網(wǎng)場景，平臺支持為PDSCH 定義的新型MCS 和CQI 表格，以滿足車聯(lián)網(wǎng)場景高可靠性的需求。通過引入更低頻譜效率的MCS元素，實(shí)現(xiàn)對BLER需求的支持。與業(yè)務(wù)信道相比，PDCCH 是用來為下行鏈路傳輸控制信息的，其傳輸?shù)男畔ü部刂菩畔ⅲ▽ず粜畔⒌龋┖陀脩魧傩畔ⅲㄉ闲姓{(diào)度授權(quán)信息，PRACH 響應(yīng)等）。在仿真PDCCH 傳輸時，整體傳輸過程和PDSCH 類似。上行鏈路包括上行物理共享信道（PUSCH）、物理隨機(jī)接入信道（PRACH）和上行控制信道（PUCCH）等，其中PUSCH 主要用于傳輸上行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，圖4 描述PUSCH 仿真流程。此外，上行數(shù)據(jù)還應(yīng)通過傳輸分集進(jìn)一步提高傳輸?shù)目煽啃裕磳⑿畔⒔?jīng)過一定規(guī)則映射生成多個數(shù)據(jù)流，然后分別從多個信道（時域、頻域、空域）進(jìn)行傳輸。

圖4 PUSCH仿真流程

表4 給出了鏈路級仿真參數(shù)：

表4 鏈路級仿真參數(shù)

（2）系統(tǒng)級仿真

系統(tǒng)級仿真方案及流程如圖5 所示。仿真平臺基于可重構(gòu)思想，將通信系統(tǒng)模塊化，在時間驅(qū)動模塊的統(tǒng)一管理下，驅(qū)動各個模塊進(jìn)行相應(yīng)的工作，采用面向?qū)ο蠛兔嫦蜻^程相結(jié)合的仿真方法，體現(xiàn)協(xié)議層次劃分和功能模塊化抽象，實(shí)現(xiàn)高內(nèi)聚低耦合的模塊化設(shè)計(jì)，對車聯(lián)網(wǎng)各關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行性能評估。

系統(tǒng)級仿真平臺的運(yùn)行機(jī)制：基于時間快照驅(qū)動原理，每一個快照drop 又分成多個時隙slot，運(yùn)行流程以快照為單位，最后取所有快照結(jié)果的平均值作為最終的統(tǒng)計(jì)輸出。系統(tǒng)級仿真平臺的大體運(yùn)行流程如圖5 所示。

首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括仿真參數(shù)的讀取、用戶的撒點(diǎn)、信道建模等工作，之后根據(jù)業(yè)務(wù)類型進(jìn)行基站和用戶之間的數(shù)據(jù)傳輸仿真，主要是收發(fā)端接收機(jī)之間進(jìn)行交互，其中涉及到很多的關(guān)鍵技術(shù)，比如大規(guī)模天線混合波束賦形、用戶干擾的計(jì)算、各種資源調(diào)度分配方案的實(shí)現(xiàn)等，最后進(jìn)行平均吞吐量、邊緣吞吐量以及時延、可靠性等信息的結(jié)果統(tǒng)計(jì)作為最終的輸出。

系統(tǒng)級仿真平臺的主要模塊包括：撒點(diǎn)模塊、基站模塊、用戶模塊、輸入輸出模塊、信道模塊、鏈路與系統(tǒng)接口模塊、調(diào)度模塊以及業(yè)務(wù)模塊。下面進(jìn)行具體的介紹。

撒點(diǎn)模塊：平臺中支持不同地物場景的撒點(diǎn)方式，按照要求將車輛撒在指定區(qū)域的范圍內(nèi)。

基站模塊：即發(fā)射機(jī)模塊，包括基站的基本信息：坐標(biāo)信息；天線信息，包括大規(guī)模陣列排布、機(jī)械下傾角等；調(diào)度器信息，最常使用的是正比公平調(diào)度等。

用戶模塊：即接收機(jī)模塊，和基站模塊類似，有坐標(biāo)、天線以及調(diào)度器等信息，在車聯(lián)網(wǎng)場景下還需加入高速移動功能，以便于滿足模擬真實(shí)場景的仿真需求。

輸入輸出模塊：對基本的仿真參數(shù)通過外部的文件讀取進(jìn)行配置，統(tǒng)計(jì)每個drop 下slot 的平均吞吐量等輸出指標(biāo)作為最終的輸出結(jié)果。

信道模塊：主要負(fù)責(zé)基站和用戶之間的信道建模功能，包括大尺度建模，有路徑損耗、陰影衰落、穿透損耗等，以及比較復(fù)雜的小尺度信道建模，主要是將多徑效應(yīng)以及多普勒頻移考慮在內(nèi)，在不同slot 下會對收發(fā)端的信道進(jìn)行更新。

圖5 仿真流程

鏈路與系統(tǒng)接口模塊：在系統(tǒng)級仿真平臺中，通過鏈路級接口，將不同子載波上的信干噪比作為輸入，通過EESM、MI-ESM 映射，得到BLER 信息以及調(diào)制編碼等級，便于計(jì)算最后能夠成功接收的比特?cái)?shù)。

系統(tǒng)級仿真平臺主要統(tǒng)計(jì)評估的參數(shù)包括：

（1）用戶體驗(yàn)速率

用戶體驗(yàn)速率是真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下用戶可獲得的最低傳輸速率，在5G 多接入技術(shù)下，用戶的體驗(yàn)速率可達(dá)到1～10 Gbit/s。

（2）端到端時延

作為車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基本性能指標(biāo)，端到端時延需要滿足具體的應(yīng)用場景QoS 要求，例如遠(yuǎn)程遙控駕駛的需求為上行100 ms，下行20 ms。

（3）用戶峰值速率

每個用戶的峰值數(shù)據(jù)速率指單一用戶終端與5G 空中接口連接時，用戶可獲得的最高理論數(shù)據(jù)速率。該值由調(diào)制方式、編碼速率和符號速率等決定，但與信道條件、業(yè)務(wù)負(fù)載和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無關(guān)。

（4）移動性

車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在支持低速車輛的同時，還可為高速移動車輛提供高質(zhì)量的服務(wù)，保持與高速用戶的連接，并提供需要的頻譜效率。在進(jìn)行系統(tǒng)級仿真過程中，需要滿足用戶高移動性的同時有高質(zhì)量的服務(wù)。

3 結(jié)束語

本文以遠(yuǎn)程遙控駕駛為例，提出了5G 車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景的業(yè)務(wù)建模及仿真方法。根據(jù)應(yīng)用場景的技術(shù)指標(biāo)需求，給出了業(yè)務(wù)模型、信道模型和評估指標(biāo)，進(jìn)而提出了該典型應(yīng)用場景的鏈路級和系統(tǒng)級仿真設(shè)計(jì)方案。基于該仿真設(shè)計(jì)方案，目前已設(shè)計(jì)并搭建了鏈路級和系統(tǒng)級仿真平臺。該方案下的仿真平臺能夠有效地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控駕駛場景中相關(guān)技術(shù)的評估，仿真結(jié)果可以評估網(wǎng)絡(luò)對車聯(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用場景的支撐能力并提供網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化建議。該仿真平臺具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性，后續(xù)將基于該平臺進(jìn)行其他典型車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景仿真評估，更加全面地評估5G 網(wǎng)絡(luò)對車聯(lián)網(wǎng)的支撐能力，仿真結(jié)果也可以作為后續(xù)測試的對標(biāo)依據(jù)。