基于LTE-V2X的大規(guī)模通信場(chǎng)景網(wǎng)絡(luò)層性能測(cè)試與分析

夏小涵，林曉伯，邱佳慧，蔡 超，張 瀾，霍思宇（.中國聯(lián)通智網(wǎng)創(chuàng)新中心，北京 00048；.中訊郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司，北京 00048）

0 引言

基于LTE-V2X 的車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已在全球布局。國內(nèi)外大量技術(shù)驗(yàn)證結(jié)果表明，C-V2X 的技術(shù)性能已超過基于IEEE 802.11p 的DSRC，成為短距離直接通信的最佳技術(shù)［1］。在5G 和C-V2X 技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，全球的車聯(lián)網(wǎng)行業(yè)正迅速發(fā)展。

車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)在國家政策、標(biāo)準(zhǔn)化以及產(chǎn)業(yè)化等方面均突飛猛進(jìn)。國內(nèi)積極開展C-V2X 車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)融合測(cè)試驗(yàn)證，IMT-2020（5G）推進(jìn)組C-V2X 工作組在2018 年、2019 年和2020 年分別組織了“三跨”（跨整車、跨終端、跨通信模組）“四跨”（跨整車、跨終端、跨通信模組、跨安全平臺(tái)）“新四跨”（在“四跨”基礎(chǔ)上補(bǔ)充了更多細(xì)節(jié)）C-V2X 產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)互通測(cè)試活動(dòng)。“新四跨”面向更商業(yè)化的應(yīng)用場(chǎng)景，采用更完善的數(shù)字證書體系，并增加了高精度地圖和高精度定位。參加測(cè)試的廠家已經(jīng)超過100家，涵蓋車聯(lián)網(wǎng)全產(chǎn)業(yè)鏈，促進(jìn)了C-V2X技術(shù)的落地應(yīng)用［2］。

由于目前對(duì)LTE-V2X 的測(cè)試主要是基于小規(guī)模試點(diǎn)的環(huán)境，RSU 和OBU 的設(shè)備數(shù)量與未來預(yù)計(jì)部署的數(shù)量相去甚遠(yuǎn)。車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需要在大量通信流量的實(shí)際情況下保障LTE-V2X系統(tǒng)運(yùn)行效率。因此，基于大規(guī)模設(shè)備的車聯(lián)網(wǎng)通信測(cè)試具有重要意義。在“新四跨”期間，C-V2X 工作組開展基于大規(guī)模LTEV2X 背景流量的一系列功能及性能測(cè)試（以下簡(jiǎn)稱“大規(guī)模測(cè)試”），測(cè)試驗(yàn)證已有的標(biāo)準(zhǔn)體系及技術(shù)規(guī)范，并探究未定的技術(shù)參數(shù)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。本文在“新四跨”大規(guī)模測(cè)試期間，采用網(wǎng)絡(luò)層的測(cè)試方法，驗(yàn)證較高的空口忙率是否會(huì)影響OBU 終端空口資源的選擇，同時(shí)將車速、通信距離、數(shù)據(jù)包大小、發(fā)送間隔等因素考慮在內(nèi)，并給出了初步結(jié)論，為后續(xù)更多的測(cè)試場(chǎng)景打下基礎(chǔ)。

1 LTE-V2X技術(shù)背景

1.1 LTE-V2X物理信道

LTE-V2X 的PC5 接口一共涉及3 類物理信道，包括控制信道（Physical Sidelink Control Channel，PSCCH），用于通信過程中控制信息的傳輸；共享信道（Physical Sidelink Shared Channel，PSSCH），用于數(shù)據(jù)負(fù)載的傳輸；廣播信道（Physical Sidelink Broadcast Channel，PSBCH），用于同步信令等的傳輸［3］。

1.2 網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量參數(shù)

本次測(cè)試涉及的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量參數(shù)包括共享信道參考信號(hào)接收功率（Physical Sidelink Control Channel Reference Signal Received Power，PSSCH-RSRP）和直連鏈路接收信號(hào)強(qiáng)度指示（Sidelink-Received Signal Strength Indication，S-RSSI）。上述2 個(gè)指標(biāo)分別用于觀察RSRP與RSSI上RE的功率平均值，一般情況下兩者差距不大。

信道忙率（Channel Busy Ratio，CBR）用于觀察當(dāng)前空口資源占用情況。LTE-V2X 在mode4 模式下采用終端間自協(xié)商式通信方式，因此終端需要實(shí)時(shí)探測(cè)當(dāng)前信道忙率，并選擇空閑資源進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送［4］。高密度流量測(cè)試可以人為制造較高的空口忙率，驗(yàn)證在空口繁忙情況下，整個(gè)LTE-V2X 通信系統(tǒng)運(yùn)行效率，并測(cè)量終端的通信指標(biāo)。

收包率（Package Reception Rate，PRR）與時(shí)延（Delay）是在網(wǎng)絡(luò)測(cè)試中常見的指標(biāo)，用于衡量通信的質(zhì)量及可靠性。

本文重點(diǎn)關(guān)注的是LTE-V2X 網(wǎng)絡(luò)層傳輸時(shí)延。網(wǎng)絡(luò)層傳輸時(shí)延主要包括空口對(duì)于可以發(fā)送資源的選擇時(shí)間，而不包含應(yīng)用層對(duì)于LTE-V2X消息的編譯和解譯時(shí)間，網(wǎng)絡(luò)層時(shí)延排除設(shè)備性能可能造成的應(yīng)用層時(shí)延，主要用于考察較多用戶場(chǎng)景對(duì)數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延的影響［5］。

2 大規(guī)模測(cè)試

2.1 測(cè)試環(huán)境

本次大規(guī)模測(cè)試場(chǎng)地位于上海市嘉定區(qū)的國家智能網(wǎng)聯(lián)汽車（上海）試點(diǎn)示范區(qū)封閉測(cè)試區(qū)，實(shí)際測(cè)試道路為一段十字路口。十字路口南北方向道路總長(zhǎng)約270 m，東西向道路總長(zhǎng)約130 m。測(cè)試場(chǎng)地周圍環(huán)境開闊，無遮擋。

2.2 背景流量部署

本次大規(guī)模測(cè)試中，在整個(gè)測(cè)試路段共部署200臺(tái)左右OBU 設(shè)備作為背景流量，6臺(tái)設(shè)備為一組，裝載設(shè)備可以通過4G信號(hào)連接云端控制平臺(tái)，由規(guī)模化測(cè)試系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并遠(yuǎn)程下發(fā)測(cè)試命令。測(cè)試結(jié)束后，通過裝載設(shè)備上的管理終端在本地回收測(cè)試日志［5］。

OBU 設(shè)備主體在裝載設(shè)備下方的機(jī)箱中，發(fā)射功率為23 dBm，天線增益3 dBi。設(shè)備連接四合一組合天線，支持LTE-V2X 全頻段發(fā)送，相鄰2 個(gè)天線之間間隔至少1 m，由此使用1 個(gè)OBU 裝載設(shè)備模擬道路上的6輛安裝了OBU終端的車輛。在大規(guī)模外場(chǎng)測(cè)試中，在直行道路擺放全部靜止OBU 裝載設(shè)備作為背景車，形成LTE-V2X 通信流量擁擠區(qū)域，測(cè)試車輛在行駛經(jīng)過擁擠路段的時(shí)候進(jìn)行消息的接收和發(fā)送。

測(cè)試共使用2臺(tái)RSU 設(shè)備。RSU 設(shè)備部署在路測(cè)設(shè)施的頂端，每臺(tái)設(shè)備連接全向玻璃鋼天線，RSU 發(fā)射功率為23 dBm，天線增益為6 dBi。

2.3 測(cè)試參數(shù)配置

本次測(cè)試遵循“新四跨”測(cè)試參數(shù)［8］，配置OBU 和RSU 的頻段為5 905～5 925 MHz［9，11］，背景OBU 與RSU按照標(biāo)準(zhǔn)格式發(fā)送大規(guī)模測(cè)試消息。其中，OBU 發(fā)送2 種字節(jié)長(zhǎng)度固定的消息，模擬真實(shí)場(chǎng)景下的BSM 發(fā)送過程。RSU 發(fā)送4 種不同字節(jié)長(zhǎng)度的消息，模擬真實(shí)場(chǎng)景下RSU 發(fā)送RSM、RSI、SPAT、MAP 4 種消息的過程。其中背景OBU發(fā)送的數(shù)據(jù)包大小與頻率如下。

a）300 B（10 Hz）：模擬OBU周期發(fā)送BSM消息。

b）450 B（觸發(fā)式）：模擬OBU 發(fā)送關(guān)鍵事件BSM消息。

背景RSU 發(fā)送的數(shù)據(jù)包大小如下。

a）350 B（2 Hz）：模擬RSU周期發(fā)送SPAT消息。

b）600 B（10 Hz）：模擬RSU周期發(fā)送RSM消息。

c）1 000 B（2 Hz）：模擬RSU 周期發(fā)送半靜態(tài)RSI消息。

d）1 300 B（1 Hz）：模擬RSU周期發(fā)送MAP消息。

背景RSU 和OBU 消息發(fā)送方式遵循標(biāo)準(zhǔn)的最新版本要求［10］。背景OBU 采用SPS 方式周期發(fā)送300 B消息，優(yōu)先級(jí)為5；采用event 方式發(fā)送關(guān)鍵事件消息，優(yōu)先級(jí)為2。背景RSU 采用event方式周期發(fā)送4種消息，350 B 消息的優(yōu)先級(jí)為3，600 B 消息的優(yōu)先級(jí)為5，1 000 B消息的優(yōu)先級(jí)為6，1 300 B消息的優(yōu)先級(jí)為8。

測(cè)試的擁塞控制遵循《基于LTE-V2X直連通信的車載信息交互系統(tǒng)技術(shù)要求》附錄E.3 基于車輛密度的擁塞控制方法。

2.4 V2X測(cè)試設(shè)備

V2X 測(cè)試設(shè)備是一種支持LTE-V2X 直連通信的終端設(shè)備，符合《基于LTE 的車聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)支持直連通信的終端設(shè)備技術(shù)要求》（2018-0176T-YD）中的相關(guān)技術(shù)要求。測(cè)試設(shè)備配置發(fā)射功率為23 dBm，天線增益為3 dBi，工作頻段為5 905～5 925 MHz，其他配置參數(shù)與“新四跨”一致，保證能夠接收到背景OBU發(fā)出的流量。

本次測(cè)試使用2 臺(tái)V2X 測(cè)試設(shè)備，配置發(fā)送網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)包，一臺(tái)作為發(fā)端，一臺(tái)作為收端。V2X 測(cè)試設(shè)備支持通過PC5口發(fā)送LTE-V2X 測(cè)試數(shù)據(jù)包，其中數(shù)據(jù)包中包含特殊字段標(biāo)識(shí)此數(shù)據(jù)包為測(cè)試包，此外還包括測(cè)試需要的重要信息如時(shí)間戳、包的編號(hào)，分別用于統(tǒng)計(jì)時(shí)延和丟包率。在測(cè)試過程中，接收端V2X 測(cè)試設(shè)備通過提取測(cè)試包中的對(duì)應(yīng)字段獲得丟包率和時(shí)延的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

V2X 測(cè)試終端均可以接收背景OBU 的V2X 消息進(jìn)行后臺(tái)分析，測(cè)試設(shè)備部署在車輛內(nèi)，2根V2X 天線以及GPS天線部署在車頂位置附近。

2.5 測(cè)試用例

根據(jù)實(shí)際交通情況，文中模擬直行路段和交叉路口的交通總量，通過視距、最高車速、多普勒效應(yīng)、多經(jīng)效應(yīng)分別對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)以下5 個(gè)大規(guī)模交通測(cè)試場(chǎng)景［12］：?jiǎn)诬囆旭偼ㄐ艌?chǎng)景、車輛同向行駛場(chǎng)景、低速會(huì)車場(chǎng)景、高速會(huì)車場(chǎng)景和十字路口靜止通信場(chǎng)景。

本次測(cè)試過程中涉及到的參數(shù)主要分為接入層參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)層參數(shù)、應(yīng)用層參數(shù)等。其中已有標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)范的參數(shù)，遵循標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行配置，其余參數(shù)按照具體需求進(jìn)行配置。

2.6 測(cè)試結(jié)果

2.6.1 單車行駛通信場(chǎng)景1

A 車從起點(diǎn)向終點(diǎn)行駛，B 車在起點(diǎn)靜止。A 車發(fā)，B 車收，并統(tǒng)計(jì)網(wǎng)絡(luò)層丟包率和平均時(shí)延，車速為30 km∕h。測(cè)試場(chǎng)景如圖1所示。

圖1 單車行駛通信場(chǎng)景示意圖

測(cè)試結(jié)果如表1 所示。由于天氣、遮擋等引起的信道衰落，在一定程度上會(huì)影響車車之間的通信質(zhì)量。由表1 可以看出同類型包發(fā)送，收包率誤差約在5%。而發(fā)包間隔對(duì)時(shí)延會(huì)有明顯的影響。

表1 單車行駛通信場(chǎng)景1測(cè)試結(jié)果

2.6.2 單車行駛通信場(chǎng)景2

A 車從起點(diǎn)向終點(diǎn)行駛，B 車在路口中央靜止。A車發(fā)，B 車收，統(tǒng)計(jì)網(wǎng)絡(luò)層丟包率和平均時(shí)延，車速為30 km∕h。測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 單車行駛通信場(chǎng)景2測(cè)試結(jié)果

比較單車行駛通信場(chǎng)景1 和單車行駛通信場(chǎng)景2可以得出，車輛B靜止在起始點(diǎn)和靜止在十字路口，兩車通信性能基本一致，大背景流量對(duì)車輛影響不大。

2.6.3 車輛同向行駛

A 車在前，B 車在后，相距20 m，從起點(diǎn)向終點(diǎn)行駛。在此過程中，A 車發(fā)，B 車收，統(tǒng)計(jì)網(wǎng)絡(luò)層丟包率和平均時(shí)延，車速均為30 km∕h。測(cè)試場(chǎng)景如圖2 所示。

圖2 車輛同向行駛場(chǎng)景示意圖

測(cè)試結(jié)果如表3所示。在相對(duì)速度為極小值的情況下，通信質(zhì)量可以維持較好的狀態(tài)。

表3 車輛同向行駛測(cè)試結(jié)果

2.6.4 低速會(huì)車場(chǎng)景

A 車在起點(diǎn)，B 車在終點(diǎn)，對(duì)向行駛。A 車發(fā)，B 車收，統(tǒng)計(jì)網(wǎng)絡(luò)層丟包率和平均時(shí)延。車速均為30 km∕h，相對(duì)速度為60 km∕h。測(cè)試場(chǎng)景如圖3 所示。測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 低速會(huì)車場(chǎng)景測(cè)試結(jié)果

圖3 會(huì)車場(chǎng)景示意圖

2.6.5 高速會(huì)車場(chǎng)景

本文定義車輛相對(duì)速度高于100 km∕h 的會(huì)車為高速會(huì)車。A 車在起點(diǎn)，B 車在終點(diǎn)，對(duì)向行駛。A 車發(fā)，B 車收，統(tǒng)計(jì)網(wǎng)絡(luò)層丟包率和平均時(shí)延，車速均為60 km∕h，相對(duì)速度為120 km∕h。

測(cè)試結(jié)果如表5 所示。對(duì)比發(fā)包間隔和包大小，可以看出在相對(duì)速度為120 km∕h 時(shí)，通信質(zhì)量與低速車輛相差不大，也驗(yàn)證了LTE-V2X對(duì)于高速行駛車輛具有適配性。

表5 高速會(huì)車場(chǎng)景測(cè)試結(jié)果

2.6.6 十字路口靜止通信場(chǎng)景

本次測(cè)試，A 車與B 車靜止于流量最密集路口對(duì)角線。A 車發(fā)，B 車收，統(tǒng)計(jì)網(wǎng)絡(luò)層丟包率和平均時(shí)延。測(cè)試場(chǎng)景如圖4所示。測(cè)試結(jié)果如表6所示。

表6 十字路口靜止通信場(chǎng)景測(cè)試結(jié)果

圖4 十字路口靜止通信場(chǎng)景

靜止情況下的通信質(zhì)量證明發(fā)包間隔和大小，對(duì)于時(shí)延以及收包率都有一定影響。相比100 ms 發(fā)包間隔，400 ms間隔會(huì)使得平均收包時(shí)延增加10～20 ms。這是由于底層選擇period 方式發(fā)包時(shí)，由于上層應(yīng)用會(huì)通知發(fā)包間隔周期，底層會(huì)預(yù)先按間隔分配好發(fā)送資源。當(dāng)上層應(yīng)用數(shù)據(jù)包時(shí)延抖動(dòng)較大時(shí)，一旦錯(cuò)過了一個(gè)發(fā)送時(shí)機(jī)，400 ms 間隔的數(shù)據(jù)包就需要等待更多時(shí)間來搭乘“下一輛班車”，這會(huì)導(dǎo)致平均時(shí)延變大。另外，“新四跨”資源配置引入了reserve 幀，間隔256 ms 且不能用于數(shù)據(jù)發(fā)送。這樣400 ms 間隔中間會(huì)有1～2個(gè)reserve幀，實(shí)際間隔為401 ms或者402 ms，同樣會(huì)增加發(fā)送時(shí)延。

同時(shí)，當(dāng)數(shù)據(jù)包大小超過800 B 時(shí)，丟包率開始提升，包大小提升至1 200 B 時(shí)，發(fā)包間隔的丟包率約提高5%。

3 結(jié)束語

本次C-V2X 大規(guī)模測(cè)試對(duì)真實(shí)道路擁擠場(chǎng)景下OBU 設(shè)備間的通信進(jìn)行了模擬，重點(diǎn)關(guān)注交叉路口和直行道路2 種典型交通場(chǎng)景下的通信性能。RSU 的通信覆蓋也是測(cè)試的關(guān)注點(diǎn)，此外本次測(cè)試也收集和驗(yàn)證了移動(dòng)車輛的通信性能指標(biāo)。這些參數(shù)將為后續(xù)階段的車聯(lián)網(wǎng)部署應(yīng)用打好基礎(chǔ)。

外場(chǎng)測(cè)試得到的平均時(shí)延為30 ms，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)平均時(shí)延為15 ms，可見背景流量與距離對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延有一定影響，符合預(yù)期。由于LTE-V2X技術(shù)特性以及實(shí)際部署方式等原因，周圍環(huán)境和天氣都對(duì)信號(hào)質(zhì)量影響較大，極端情況影響超過50%。發(fā)包間隔400 ms 時(shí)的平均時(shí)延為34.5 ms，發(fā)包間隔100 ms的平均時(shí)延為23.5 ms，證明發(fā)包間隔對(duì)時(shí)延有一定影響。數(shù)據(jù)包大小超過800 B 時(shí)，高密度道路靜止車輛通信的網(wǎng)絡(luò)層開始出現(xiàn)丟包，包大小為1 200 B時(shí)丟包率為5%左右，說明數(shù)據(jù)包大小也會(huì)影響通信質(zhì)量。而網(wǎng)絡(luò)層時(shí)延在覆蓋范圍內(nèi)、大背景流量和低速情況下，整體波動(dòng)不大。當(dāng)相對(duì)速度提升到一定閾值時(shí)，多普勒效應(yīng)開始導(dǎo)致丟包率和時(shí)延增加。

本次外場(chǎng)測(cè)試的結(jié)果與所在測(cè)試場(chǎng)地環(huán)境、測(cè)試終端擺放、設(shè)備型號(hào)和通信參數(shù)等均密切相關(guān)。測(cè)試獲得了一些數(shù)據(jù)，也遺留了不少亟待驗(yàn)證的問題，后續(xù)測(cè)試中將繼續(xù)研究這些問題。希望本文可以為后續(xù)車聯(lián)網(wǎng)商業(yè)落地提供一些可用依據(jù)。