車聯(lián)網(wǎng)場景下的低時延高可靠通信技術研究

尤琪越

（浙江工商大學，浙江 杭州 310018）

0 引 言

隨著智能化和互聯(lián)化的快速發(fā)展，車聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為了當今社會的一個重要趨勢。在車聯(lián)網(wǎng)應用中，低時延和高可靠性的通信技術對保證行車安全、提升用戶體驗以及實現(xiàn)智能交通等方面具有重要意義。然而，目前車聯(lián)網(wǎng)通信技術面臨著多種挑戰(zhàn)，如復雜的信道環(huán)境、高速移動的車輛以及多個用戶同時使用等，這些因素都會對通信質(zhì)量造成不利影響。因此，為了滿足車聯(lián)網(wǎng)的應用需求，研究低時延和高可靠性的通信技術非常必要。文章對車聯(lián)網(wǎng)場景下低時延和高可靠性通信技術的研究進行探討，以期推動車聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展和應用。

1 車聯(lián)網(wǎng)場景下的低時延高可靠通信技術研究概況

1.1 車聯(lián)網(wǎng)場景下的低時延高可靠通信技術概述

車聯(lián)網(wǎng)（Vehicular Ad Hoc Network，VANET）作為智能交通系統(tǒng)（Intelligent Transportation Systems，ITS）的重要組成部分，具有廣闊的應用前景。由于車輛移動的高度不確定性和動態(tài)性，以及多路徑傳播和信號干擾等因素，車聯(lián)網(wǎng)通信存在時延高、可靠性差的問題[1]。因此，低時延高可靠通信技術成為車聯(lián)網(wǎng)通信領域的重要研究方向。該技術采用多種方法來優(yōu)化車聯(lián)網(wǎng)通信的可靠性和響應速度。

協(xié)作通信是指利用車輛之間的中繼傳輸，通過多個車輛之間的協(xié)作來縮短數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延，并提高通信可靠性。信道編碼是指采用編碼技術來提高信號傳輸?shù)目煽啃裕鏣urbo 碼、低密度奇偶校驗碼（Low Density Parity Check Code，LDPC）等[2]。多小區(qū)切換則是針對車聯(lián)網(wǎng)場景特點，設計了一種基于多小區(qū)切換的通信機制，實現(xiàn)車輛與基礎設施之間的高效通信。車聯(lián)網(wǎng)不僅能提供多樣化的、各種服務質(zhì)量（Quality of Service，QoS）的智能交通信息服務，還促進了汽車網(wǎng)絡化、智能化發(fā)展，如圖1 所示。

圖1 車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展

低時延高可靠通信技術的特點包括：第一，具有低時延、高可靠性、高吞吐量等優(yōu)勢；第二，適用于車聯(lián)網(wǎng)的多種通信場景，如車輛對車輛通信（Vehicle-to-Vehicle，V2V）、車輛對基礎設施通信（Vehicle-to-Infrastructure，V2I）等；第三，可以采用多種技術手段進行優(yōu)化，如協(xié)作通信、信道編碼、調(diào)制解調(diào)以及天線設計等[3]。依據(jù)第三代合作伙伴計 劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）5G標準，車聯(lián)網(wǎng)是5G 低時延、高可靠通信（ultra-Reliable Low-Latency Communication，uRLLC）重要的應用場景，如圖2 所示。

圖2 3GPP 車聯(lián)網(wǎng)通信場景

1.2 車聯(lián)網(wǎng)場景下的低時延高可靠通信技術研究概況

我國的車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展起步較晚，但近年來取得了快速進展。根據(jù)中國信息通信研究院發(fā)布的《2021年中國車聯(lián)網(wǎng)行業(yè)發(fā)展報告》，我國車聯(lián)網(wǎng)用戶規(guī)模超過1.5億人，車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模超過1 500億元[4]。目前，我國的車聯(lián)網(wǎng)應用主要集中在智能交通、智能網(wǎng)聯(lián)汽車、車載信息娛樂等領域。

國外車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展已經(jīng)相對成熟，發(fā)展速度也非常快。根據(jù)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（Internet Data Center，IDC）數(shù)據(jù)顯示，全球車聯(lián)網(wǎng)市場規(guī)模在2021 年已經(jīng)達到了905 億美元，預計到2025 年將達到1.6 萬億美元[5]。歐洲和美國是全球車聯(lián)網(wǎng)市場的主要發(fā)展地區(qū)，歐洲車聯(lián)網(wǎng)應用主要集中于汽車導航、車輛遠程診斷、車聯(lián)網(wǎng)支付等領域，而美國車聯(lián)網(wǎng)應用主要涉及車輛安全、交通管理以及車載娛樂等領域。

2 車聯(lián)網(wǎng)場景下的低時延高可靠通信技術探析

2.1 車聯(lián)網(wǎng)通信技術的系統(tǒng)組成

（1）車輛通信網(wǎng)絡。這是車聯(lián)網(wǎng)通信技術的核心組成部分，包括車輛之間的通信網(wǎng)絡和車輛與道路基礎設施（如交通信號燈、路邊單元等）之間的通信網(wǎng)絡。車輛通信網(wǎng)絡可以采用多種技術，如專用短程通信（Dedicated Short Range Communication，DSRC）、LTE-V、5G-V2X 等，來實現(xiàn)低時延高可靠的通信。

（2）車輛通信節(jié)點。車輛通信節(jié)點是車輛通信網(wǎng)絡的重要組成部分，可以將車輛與車輛之間、車輛與道路基礎設施之間的通信聯(lián)系起來。車輛通信節(jié)點可以是車輛上的通信設備，也可以是道路基礎設施上的通信設備。

（3）車輛通信協(xié)議。車輛通信協(xié)議是車聯(lián)網(wǎng)通信技術的重要組成部分，可以確保車輛之間的通信順利進行。常用的車輛通信協(xié)議包括MAC 協(xié)議、網(wǎng)絡層協(xié)議、傳輸層協(xié)議等。

（4）車聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)。車聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)是車聯(lián)網(wǎng)通信技術的最終目的，可以利用車輛之間的通信來實現(xiàn)各種應用場景，如車輛安全、車輛診斷以及交通管理等。車聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)通常需要采用復雜的算法和模型來實現(xiàn)智能化的決策與控制。

表1 無線通信系統(tǒng) MAC 技術類型

2.2 車聯(lián)網(wǎng)通信技術的系統(tǒng)運作方式

車聯(lián)網(wǎng)通信技術的系統(tǒng)運作方式可以大致分為以下3 個步驟[6]。

（1）數(shù)據(jù)采集和傳輸。車輛和道路基礎設施上的傳感器、攝像頭等采集到的數(shù)據(jù)，需要通過低時延高可靠的通信技術傳輸?shù)杰嚶?lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)。這個過程需要保證數(shù)據(jù)的實時性和可靠性，以便車聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)能夠及時獲取有價值的數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)處理和應用決策。車聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)對傳輸過來的數(shù)據(jù)進行處理、挖掘等，提取有價值的信息，然后根據(jù)復雜的算法和模型進行智能化的決策與控制。例如，車聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)可以分析交通流量、路況等信息，進行交通信號燈控制、車輛導航、車輛自動駕駛等決策。

（3）反饋控制。車聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)將決策結(jié)果反饋到車輛或道路基礎設施上，以實現(xiàn)對車輛和交通信號燈的控制。例如，在車輛自動駕駛場景下，車聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)可以控制車輛的速度和方向，確保車輛安全駕駛。此外，反饋控制還可以使交通信號燈和道路基礎設施更加智能化，以滿足城市交通管理的需求。

3 車聯(lián)網(wǎng)場景下的低時延高可靠通信技術應用研究

3.1 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡主要由車輛通信子系統(tǒng)、道路基礎設施子系統(tǒng)、云端平臺子系統(tǒng)和應用子系統(tǒng)組成。其中，車輛通信子系統(tǒng)是車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡的核心部分，實現(xiàn)了車輛之間的協(xié)同和信息交換。道路基礎設施子系統(tǒng)提供了車輛通信的基礎設施，包括道路邊緣設備、路側(cè)單元和基站等。云端平臺子系統(tǒng)則提供了數(shù)據(jù)存儲、處理和管理等功能。應用子系統(tǒng)則是車聯(lián)網(wǎng)的應用場景，包括了智能交通、智能駕駛、車輛管理等。

3.2 信道編碼

在車聯(lián)網(wǎng)中，信道編碼技術是確保通信數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)年P鍵技術之一。由于車聯(lián)網(wǎng)中通信環(huán)境復雜，容易受到多種干擾因素的影響，如信道衰落、多徑效應以及噪聲等，因此需要使用信道編碼技術來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

目前，車聯(lián)網(wǎng)中常用的信道編碼技術包括卷積碼、RS 碼、Turbo 碼和LDPC 碼等。其中，卷積碼是一種常用的線性碼，具有簡單的結(jié)構(gòu)和較好的譯碼性能，在低信噪比情況下表現(xiàn)良好，常被用來進行信道編碼。RS 碼是一種糾錯碼，能夠有效地處理通信中的隨機誤差。Turbo 碼和LDPC 碼是目前應用最為廣泛的編碼方式，它們的譯碼性能較為優(yōu)秀，在高速數(shù)據(jù)傳輸和低信噪比環(huán)境下表現(xiàn)出色。

現(xiàn)以車輛自組網(wǎng)VANET 為例，來說明卷積碼及糾錯碼中Turbo 碼在車聯(lián)網(wǎng)中常用的信道編碼技術。在實際道路中，車輛之間需要進行實時通信來傳遞交通信息、行車狀態(tài)等信息。在車輛之間進行數(shù)據(jù)傳輸時，使用卷積碼將數(shù)據(jù)進行編碼，并將編碼后的數(shù)據(jù)發(fā)送給接收端車輛。在接收端車輛，使用相應的譯碼算法對接收到的信號進行譯碼，從而將原始的數(shù)據(jù)信息恢復。圖3 為Turbo 碼編碼。

圖3 Turbo 碼編碼

3.3 調(diào)制解調(diào)

調(diào)制解調(diào)技術對車聯(lián)網(wǎng)至關重要，可以將數(shù)字信息信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，并將模擬信號傳輸?shù)浇邮斩诉M行解調(diào)，從而恢復出原始數(shù)字信號。車聯(lián)網(wǎng)中的調(diào)制解調(diào)技術主要應用于無線通信系統(tǒng)，如VANET、車載廣播以及ITS 等。

在車聯(lián)網(wǎng)中，常用的調(diào)制解調(diào)技術有2 種：單載波調(diào)制和多載波調(diào)制。單載波調(diào)制主要包括二進制相移鍵控、四進制相移鍵控等調(diào)制方式，而多載波調(diào)制則包括正交振幅調(diào)制、正交頻分復用等調(diào)制方式。這些調(diào)制方式各有特點，可根據(jù)不同的應用場景進行選擇。

現(xiàn)以VANET 為例來說明單載波調(diào)制在車聯(lián)網(wǎng)調(diào)制解調(diào)技術中的應用。在VANET 中，車輛之間需要進行實時通信，因此需要使用低延遲、高可靠的調(diào)制解調(diào)技術。正交相移鍵控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）調(diào)制方式可以滿足VANET 中的實時通信需求，因為它具有良好的抗噪聲性能和低誤碼率，且可以在較低的信噪比下工作。

3.4 天線設計

天線設計在車聯(lián)網(wǎng)中也是至關重要的，是無線信號從發(fā)送端發(fā)送到接收端的重要媒介。在車聯(lián)網(wǎng)中，天線設計主要應用于VANET、ITS 等無線通信系統(tǒng)中，以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。

針對車聯(lián)網(wǎng)中的通信需求，天線設計技術主要需要考慮方向性、天線增益、頻段、極化方式、多徑干擾等。方向性和天線增益是天線設計的關鍵參數(shù)，可以決定信號傳輸?shù)姆较蚝蛷姸取ｎl段決定了天線所適用的無線通信標準和協(xié)議，極化方式?jīng)Q定了天線接收和發(fā)送信號的傳輸方式，而多徑干擾則需要天線設計師考慮天線與周圍環(huán)境的交互，以降低信號的干擾和失真。

4 結(jié) 論

車聯(lián)網(wǎng)通信技術的發(fā)展對智能交通和智能化城市的建設至關重要。文章首先介紹了車聯(lián)網(wǎng)場景下低時延和高可靠性通信技術的含義及特點，并探討了該領域的研究進展。其次，討論了車聯(lián)網(wǎng)通信技術的系統(tǒng)組成及運作方式。最后，對數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議、信道編碼、調(diào)制解調(diào)以及天線設計等方面的研究內(nèi)容和應用進行詳細討論。該研究為進一步探討車聯(lián)網(wǎng)通信技術的基礎理論、通信算法和系統(tǒng)架構(gòu)提供了經(jīng)驗。