V2X通信系統(tǒng)中信號同步技術(shù)的優(yōu)化策略

摘要：隨著智能交通系統(tǒng)的發(fā)展，V2X（Vehicle-to-Everything）通信系統(tǒng)作為其核心組成部分，對信號同步技術(shù)提出了更高的要求。信號同步技術(shù)的應(yīng)用對提升交通安全水平、減少交通擁堵以及提高道路使用效率具有重要意義。本文從V2X通信系統(tǒng)中信號同步技術(shù)的現(xiàn)狀出發(fā)，針對V2X通信系統(tǒng)中信號同步技術(shù)的優(yōu)化策略進行了解讀，希望能夠為當前V2X通信系統(tǒng)中信號同步技術(shù)的優(yōu)化提供一些經(jīng)驗借鑒。

關(guān)鍵詞：V2X通信系統(tǒng)；信號同步技術(shù)；優(yōu)化策略

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.02.008

中圖分類號：TN 929.5" " " " " 文獻標志碼：A" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2025）02-00-04

Optimization Strategy of Signal Synchronization Technology"in V2X Communication System

ZHANG Wen1， ZHENG Hao2

（1. Taiyuan University， Taiyuan 030032， China; 2. Big Data Center Branch of Shanxi Cloud Era Technology Co.， Ltd.， Taiyuan 030000， China）

Abstract： With the development of intelligent transportation systems， V2X （Vehicle to Everything） communication system， as its core component， has put forward higher requirements for signal synchronization technology. The application of signal synchronization technology is of great significance in improving traffic safety， reducing traffic congestion， and enhancing road efficiency. Starting from the current status of signal synchronization technology in V2X communication systems， this article interprets the optimization strategies for signal synchronization technology in V2X communication systems， hoping to provide some experience and reference for the optimization of signal synchronization technology in current V2X communication systems.

Keywords： V2X communication system; signal synchronization technology; optimization strategy

V2X通信技術(shù)涵蓋了車對車（V2V）、車對基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）、車對行人（V2P）以及車對網(wǎng)絡(luò)（V2N）等多種通信模式。在這些通信模式中，信號同步技術(shù)是確保信息準確傳遞的關(guān)鍵[1]。為了實現(xiàn)信號同步，需要考慮時間同步和頻率同步兩個方面。時間同步確保所有通信節(jié)點在同一時間點上交換信息，而頻率同步則確保信息在傳輸過程中保持頻率的一致性。本文探討V2X通信系統(tǒng)中信號同步技術(shù)的優(yōu)化策略，旨在提高系統(tǒng)的整體性能和工作效率。

1" "V2X通信系統(tǒng)及其信號同步技術(shù)概述

1.1 V2X通信系統(tǒng)概述

隨著智能交通系統(tǒng)的發(fā)展，V2X通信技術(shù)逐漸成為研究熱點。V2X通信系統(tǒng)通過無線通信技術(shù)實現(xiàn)車輛與周圍環(huán)境的互聯(lián)互通，包括車對車（V2V）、車對基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）、車對行人（V2P）等多種通信模式。V2V通信允許車輛之間實時交互位置、速度、行駛方向等信息，從而提高道路交通安全性和效率。V2I通信使得車輛能夠與交通信號燈、路側(cè)單元等基礎(chǔ)設(shè)施進行信息交互，為車輛提供實時交通信息，優(yōu)化交通流量。V2P通信則關(guān)注車輛與行人之間的信息交互，保障行人安全。

1.2 信號同步技術(shù)的重要性

在V2X通信系統(tǒng)中，信號同步技術(shù)扮演著至關(guān)重要的角色。信號同步技術(shù)確保了不同通信節(jié)點間的時間和頻率一致性。

頻率同步也是V2X通信系統(tǒng)中不可或缺的[2]。頻率同步保證了無線信號的穩(wěn)定傳輸，避免了信號干擾和數(shù)據(jù)丟失。在V2X系統(tǒng)中，由于大量車輛和基礎(chǔ)設(shè)施同時進行通信，頻率同步的準確性對于避免信號干擾、提高頻譜利用率具有重要意義。

2" "V2X通信系統(tǒng)信號同步技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 同步技術(shù)分類

2.1.1 時間同步

時間同步技術(shù)在V2X通信系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色。它確保所有通信節(jié)點，包括車輛、基礎(chǔ)設(shè)施、行人等能夠在同一時間基準下實現(xiàn)信息交互。這種同步是實現(xiàn)精確通信的基礎(chǔ)，對于避免數(shù)據(jù)包沖突、確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r序正確性以及實現(xiàn)高效通信協(xié)議至關(guān)重要。時間同步通常依賴于精確的時鐘源和時間傳遞協(xié)議，如網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（NTP）或精度時間協(xié)議（PTP）。

2.1.2 頻率同步

頻率同步技術(shù)保證了通信信號的載波頻率一致性。在V2X通信中，頻率同步對于信號的正確接收和解碼至關(guān)重要。如果頻率不同步，會導(dǎo)致信號失真、數(shù)據(jù)傳輸錯誤甚至通信中斷。頻率同步通常通過鎖相環(huán)（PLL）技術(shù)實現(xiàn)，它能夠使本地振蕩器的頻率與接收到的信號頻率保持一致。

2.1.3 相位同步

相位同步技術(shù)關(guān)注信號波形的相位對齊。在V2X通信中，相位同步有助于提高信號的接收質(zhì)量，尤其是在多徑傳播和干擾環(huán)境下。相位同步可以減少信號的相位噪聲，提高信號的相干性，從而提升通信系統(tǒng)的整體性能。相位同步通常通過調(diào)整本地振蕩器的相位，使其與接收到的信號相位保持一致。

2.2 同步技術(shù)在V2X中的應(yīng)用案例

在V2X通信系統(tǒng)中，同步技術(shù)的應(yīng)用場景豐富多樣。以下是一些典型的應(yīng)用案例及其在實際環(huán)境中的表現(xiàn)和效果分析。

（1）案例一：智能交通信號控制。在智能交通系統(tǒng)中，時間同步技術(shù)被廣泛應(yīng)用于交通信號控制。交通信號燈可以根據(jù)實時交通流量調(diào)整配時，從而優(yōu)化交通流，減少擁堵。例如，在一個交叉路口，通過安裝高精度的GPS時鐘，可以確保各個方向的信號燈有序切換，避免車輛在交叉口的沖突，提高道路的通行效率。

（2）案例二：車輛編隊行駛。在車輛編隊行駛（Platooning）中，頻率同步和相位同步技術(shù)發(fā)揮著重要作用。編隊中的車輛需要保持車距和速度的一致性，以實現(xiàn)安全高效地行駛。例如，通過使用車對車（V2V）通信技術(shù)，車輛之間可以實時交互位置和速度信息，通過頻率和相位同步技術(shù)，確保所有車輛的控制信號同步，從而實現(xiàn)精確的車距控制和速度匹配。

（3）案例三：緊急車輛優(yōu)先通行。在緊急車輛優(yōu)先通行的場景中，時間同步技術(shù)可以確保緊急車輛在接近交叉路口時，其他車輛和信號燈能夠及時獲得優(yōu)先通行的信號。例如，當一輛救護車接近交叉路口時，通過時間同步技術(shù)，可以迅速調(diào)整信號燈的狀態(tài)，為救護車提供綠燈，同時通過V2I通信，通知其他車輛讓行，從而確保救護車能夠快速、安全地通過交叉路口。

3" "V2X通信系統(tǒng)信號同步技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

3.1 信號傳播延遲問題

信號傳播延遲是指信號從發(fā)送端傳輸?shù)浇邮斩怂璧臅r間。在V2X通信系統(tǒng)中，由于車輛高速移動，信號傳播延遲會直接影響通信的實時性。延遲的存在可能導(dǎo)致車輛無法及時獲取關(guān)鍵信息，如緊急制動、交通擁堵等，從而影響車輛的決策和反應(yīng)時間。

3.2 多源異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)同步問題

V2X系統(tǒng)中涉及多種通信技術(shù)，包括專用短程通信（DSRC）、蜂窩網(wǎng)絡(luò)（如LTE-V和5G網(wǎng)絡(luò)）以及衛(wèi)星通信等。這些技術(shù)在頻譜、帶寬、覆蓋范圍等方面存在差異，因此實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)間的有效同步是一個技術(shù)難題。

3.3 環(huán)境干擾與信號衰減問題

環(huán)境因素如建筑物遮擋、天氣變化等會對信號傳播造成干擾，影響同步精度。例如，多徑效應(yīng)會導(dǎo)致信號在不同路徑上傳播，造成接收端信號的時延擴展和衰落。此外，信號在傳輸過程中可能受到電磁干擾、噪聲等影響。

4" "V2X通信系統(tǒng)信號同步技術(shù)優(yōu)化策略

4.1 精確時間同步技術(shù)優(yōu)化

4.1.1 基于PNT的同步技術(shù)

精確時間同步是V2X通信系統(tǒng)中不可或缺的，它確保了車輛與車輛、車輛與基礎(chǔ)設(shè)施、車輛與行人等之間的有效通信。基于位置、導(dǎo)航和時間（Positioning， Navigation， and Timing，PNT）的同步技術(shù)，尤其是全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS），為V2X通信提供了精確的時間基準。GPS通過接收來自衛(wèi)星的信號，能夠提供精確到納秒級別的時鐘同步。

GPS信號易受環(huán)境干擾，如建筑物遮擋、多徑效應(yīng)以及惡劣天氣條件等因素都可能導(dǎo)致信號失真或丟失。為了提高時間同步的魯棒性，需要結(jié)合其他技術(shù)以確保在各種條件下都能維持精確的時間同步[3]。

4.1.2 基于無線信號的同步技術(shù)

無線信號的傳播特性，如往返時間（Round-Trip Time，RTT）測量，也可用于實現(xiàn)時間同步。RTT測量通過計算信號從發(fā)送端到接收端再返回發(fā)送端的時間來實現(xiàn)。這種方法依賴于精確的時鐘同步，但其優(yōu)勢在于不依賴于外部的衛(wèi)星信號，從而在GPS信號不可用的情況下仍能提供時間同步。RTT測量通常用于無線通信系統(tǒng)中，如蜂窩網(wǎng)絡(luò)和Wi-Fi，以確保數(shù)據(jù)包的正確同步和傳輸。

RTT同步技術(shù)的關(guān)鍵在于精確測量信號的往返時間。這通常通過在發(fā)送端和接收端使用高精度的時鐘來實現(xiàn)。當信號從發(fā)送端發(fā)出時，它會攜帶一個時間戳，記錄信號的發(fā)送時間。當信號到達接收端后，接收端會讀取并記錄接收時間，然后將信號連同接收時間戳一起發(fā)送回發(fā)送端。發(fā)送端接收到返回信號后，再次記錄時間戳，通過計算信號往返的總時間，可以推算出信號的往返時間。由于無線信號的傳播速度是已知的（光速），因此可以計算出發(fā)送端和接收端之間的距離。

4.2 頻率同步技術(shù)優(yōu)化

4.2.1 OFDM技術(shù)在頻率同步中的應(yīng)用

正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技術(shù)因其在頻率選擇性衰落信道中的魯棒性而被廣泛應(yīng)用于V2X通信。OFDM通過將高速數(shù)據(jù)流分散到多個子載波上，每個子載波以較低的數(shù)據(jù)速率傳輸，從而減少了多徑傳播的影響。OFDM系統(tǒng)中的導(dǎo)頻信號可用于實現(xiàn)頻率同步，確保子載波間的正交性，從而提高頻譜利用率和系統(tǒng)性能。

4.2.2 頻率估計與補償方法

在V2X（Vehicle-to-Everything）通信系統(tǒng)中，頻率估計與補償方法是確保通信質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)之一。V2X通信涉及車輛與車輛、車輛與基礎(chǔ)設(shè)施、車輛與行人等之間的信息交換，這些信息交互對于實現(xiàn)智能交通系統(tǒng)和提高道路安全至關(guān)重要。但是在實際的通信過程中，由于多普勒效應(yīng)和振蕩器的不穩(wěn)定性，會產(chǎn)生頻率偏移，從而嚴重影響通信準確性和可靠性。

在頻率補償方面，常見的方法包括開環(huán)和閉環(huán)補償。開環(huán)補償通常在發(fā)送端進行，通過預(yù)先估計的頻率偏移來調(diào)整發(fā)射信號的頻率，以抵消多普勒效應(yīng)和振蕩器不穩(wěn)定性帶來的影響。閉環(huán)補償則是在接收端進行，通過實時估計頻率偏移并反饋給發(fā)送端，實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整。閉環(huán)補償能夠更好地適應(yīng)通信環(huán)境的變化，但需要額外的反饋信道。

4.3 相位同步技術(shù)優(yōu)化

4.3.1 相位差分技術(shù)

在V2X通信系統(tǒng)中，相位同步對于提高信號的抗干擾能力和減少誤碼率至關(guān)重要。相位差分技術(shù)通過差分信號處理，可以有效消除相位噪聲和頻率偏移的影響[4]。

4.3.2 利用相位鎖定環(huán)（PLL）技術(shù)實現(xiàn)對信號相位的精確跟蹤和同步

相位鎖定環(huán)（Phase-Locked Loop，PLL）是一種廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)中的反饋控制電路，用于實現(xiàn)對信號相位的精確跟蹤和同步。PLL通過比較輸入信號和本地振蕩器產(chǎn)生的信號的相位差，自動調(diào)整振蕩器的頻率，以達到鎖定狀態(tài)。在V2X通信中，PLL技術(shù)可以有效應(yīng)對由于車輛運動引起的多普勒頻移，從而保證通信的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

4.4 多源異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)同步優(yōu)化

4.4.1 跨層設(shè)計與優(yōu)化

為了實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)層間的高效同步，跨層設(shè)計優(yōu)化是一種有效的方法。跨層設(shè)計通過整合物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層的功能，優(yōu)化協(xié)議棧的性能。例如，通過在物理層引入同步信息，并在數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層進行相應(yīng)的處理，可以實現(xiàn)快速且精確的同步。

4.4.2 網(wǎng)絡(luò)融合與協(xié)同同步策略

網(wǎng)絡(luò)融合與協(xié)同同步策略是實現(xiàn)高效、可靠V2X通信的關(guān)鍵技術(shù)。隨著智能交通系統(tǒng)的發(fā)展，車輛需要與周圍環(huán)境中的各種設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施進行實時通信，包括其他車輛、行人、交通信號燈和路側(cè)單元等。為了滿足這種需求，網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)應(yīng)運而生，它允許不同類型的通信網(wǎng)絡(luò)，如蜂窩網(wǎng)絡(luò)（如4G LTE和5G網(wǎng)絡(luò)）、Wi-Fi、專用短程通信（DSRC）等協(xié)同工作，提供無縫的連接和通信服務(wù)。

4.5 算法優(yōu)化與人工智能應(yīng)用

4.5.1 機器學習在同步優(yōu)化中的應(yīng)用

機器學習算法可以用于優(yōu)化V2X通信系統(tǒng)的同步過程。通過分析歷史同步數(shù)據(jù)，機器學習算法能夠預(yù)測和適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化，從而實現(xiàn)自適應(yīng)的同步調(diào)整。例如，強化學習算法可以用于優(yōu)化同步策略，通過與環(huán)境的交互學習最佳的同步參數(shù)設(shè)置。

4.5.2 深度學習與數(shù)據(jù)驅(qū)動的同步策略

深度學習技術(shù)通過訓練大量數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的同步策略。在V2X通信系統(tǒng)中，深度學習模型可以用于分析和預(yù)測網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，從而自動調(diào)整同步參數(shù)。這種方法的優(yōu)勢在于能夠處理復(fù)雜的非線性問題，并且隨著數(shù)據(jù)量的增加，模型的預(yù)測能力會逐漸提高。

5" "結(jié)束語

本文對V2X通信系統(tǒng)中信號同步技術(shù)的優(yōu)化策略進行了探討。通過分析現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)缺點，提出了針對不同同步需求的優(yōu)化方案。未來，隨著技術(shù)的不斷進步和創(chuàng)新，V2X通信系統(tǒng)中的信號同步技術(shù)將更加成熟和高效，為智能交通系統(tǒng)構(gòu)建提供強有力的技術(shù)支持。

參考文獻

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[4] 趙琦.基于C-V2X的V2V通信分布式擁塞控制策略研究[D].廣州：華南理工大學，2023.

課題項目：2024年度太原學院院級科研項目“基于機器學習的軟件缺陷預(yù)測研究”（課題編號24TYQN13）。

作者簡介：張" 雯（1995-），女，漢族，山西太原人，助教，碩士，研究方向為數(shù)字信號處理、人工智能。

鄭" 浩（1995-），男，漢族，山西壽陽人，本科，研究方向為網(wǎng)絡(luò)通信。