車載自組織網絡通信技術研究綜述

關鍵詞：通信技術；車聯網；無線通信；車載自組織網絡

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.04.023

中圖分類號：TN92 文獻標志碼：A 文章編碼：1672-7274（2025）04-0067-04

Abstract： This paper conducts a systematic classfication and comparative analysis of communication technologies within Vehicular Ad-Hoc Networks （VANETs）. Based on the range of communication， wireless access technologiesare categorized into threesubclasses： Short-Range Communication （SRC），Long-Range Communication （LRC），and Medium-Range Communication （MRC）.The advantages and limitations of each subclass are thoroughly examined，aiming to provide a theoretical foundation and practical guidance for the selection and optimization of VANET communication technologies.

Keywords： communications technology; Internet ofvehicles; wireless communication; vehicular Ad-Hoc network

0 引言

根據世界衛生組織發布的最新統計數據，全球每年因道路交通傷害導致的死亡人數高達約135萬人[。除采取傳統交通安全措施外，選擇并優化適用于VANET（車輛自組織網絡）的無線通信技術，以確保高效、可靠的車對萬物（Vehicle-to-Everything，V2X）通信，成為減少交通事故發生的關鍵技術手段之一[2]。

1 通信技術的分類

隨著智能交通系統（IntelligentTransportationSystems，ITS）的快速發展，多種新型無線通信技術被廣泛應用于車聯網（InternetofVehicles，IoV）領域。在車聯網中，車輛通過多種無線接入技術與周圍車輛（Vehicle-to-Vehicle，V2V）及路側單元（RoadsideUnits，RSUs）進行通信。這些通信可根據其覆蓋范圍劃分為三大類：短程通信（SRC）、中程通信（MRC）以及長程通信（LRC）。本文將對上述通信技術進行系統性分析與探討。如圖1所示。

2 短程通信（SRC）

2.1藍牙

藍牙技術聯盟已正式發布藍牙v5.4版本，工作頻率范圍仍為 2.402～2.480GHz ，在性能上實現了顯著提升：數據傳輸速率達到了2Mbps，是藍牙v4.2版本的兩倍，有效范圍擴展至 300m ，是之前版本的4倍。此外，藍牙v5.4延續了其低成本、低能耗、易于部署、高可靠性以及可接受延遲等技術優勢，這些特性使其在車輛間通信（IVC）中占據了重要地位。然而，藍牙在長距離VANET中的應用仍面臨諸多限制，如數據傳輸速率相對較低，難以滿足高帶寬需求的應用場景；微微網（Piconet）和散射網（Scatternet）的組建時間較長，在高速動態交通環境中易成為瓶頸；通信范圍有限，易在2.4GHz頻段產生干擾，進一步限制了其在廣域VANET中的適用性[3]。

2.2 ZigBee

ZigBee技術通信相較于Wi-Fi和藍牙更為簡潔，具有更低的功耗、更高的可靠性（得益于其加密傳輸密鑰機制）以及成本效益。此外，ZigBee網絡能夠同時支持多個移動節點接入，并具備自我修復能力，在網絡拓撲動態變化時保持較高的穩定性。然而，基于IEEE802.15.4標準時在實際應用中存在一個潛在限制，即發射器和接收器必須在同一信道上工作。在高密度車輛環境中，若大量車輛在同一信道上運行，可能導致嚴重的相互干擾和網絡擁塞問題。針對這一問題，一種可行的解決方案是在基站上為每個不同的信道配置獨立的接收器模塊，并通過隨機信道分配機制將車輛動態分配到不同信道上，從而提升網絡容量和通信效率[4]。

2.3脈沖無線電超寬帶

脈沖無線電超寬帶（ImpulseRadioUltra-Wideband，IR-UWB）技術因其獨特的物理特性，在IoV領域展現出顯著的技術優勢。首先，IR-UWB對路徑上的障礙物（如建筑物、山脈等）引起的多徑衰落具有極強的抗干擾能力，其次，具有低復雜度、低成本以及低功耗的特點，出色的信號反射抑制能力進一步確保了通信高可靠性，此外，IR-UWB在非視距（NLoS）場景下表現出卓越的穿透障礙物能力。近年來，IR-UWB技術常與全球導航衛星系統（GNSS）結合使用，形成協同定位解決方案，車輛或設備通過交換位置信息，并結合自身的測距數據，顯著提升了定位精度和可靠性。通過融合來自不同系統（如GNSS和IR-UWB）的數據，可以有效克服單一系統的局限性，從而實現更高精度和更可靠的定位結果。然而，在實際部署前仍需解決對通信源的干擾問題，可能對其他通信系統（如Wi-Fi）造成干擾，因此需要設計有效的干擾抑制機制或頻譜管理策略。

2.4紅外連接技術

紅外數據協會（InfraredDataAssociation，IrDA）技術的工作頻率范圍覆蓋300 ）GHz～400THz 這一寬頻段可進一步劃分為三個子頻段：近紅外（120THz＼～400 THz、 2.5μm～750nm ）、中紅外（ 30THz～ 120THz 、10 、遠紅外（ 300GHz～ 30THz ， ）。根據具體頻段特性，IrDA技術能夠支持115kbps ～4 Mbps的數據傳輸速率，適用于短距離、高可靠性的通信場景。然而，由于紅外信號依賴于視距傳輸（LoS），且易受環境遮擋和天氣條件的影響，該技術主要應用于V2V通信領域。盡管如此，IrDA技術在密集交通網絡中表現出較強的抗干擾能力，并能提供充足的帶寬資源，從而為實時安全應用（如碰撞預警、緊急制動信號傳輸等）提供了可靠支持。日本常用的車輛信息和通信系統（VICS）是IrDA技術的典型應用范例，通過地圖來顯示有關交通擁堵、道路施工和預計通過時間等信息。通過提供簡單的地圖來顯示有關交通擁堵、旅行時間和道路施工的信息。

2.5可見光通信

可見光通信（VisibleLightCommunication，VLC）系統是一種基于節能且高度可靠的發光二極管（LEDs）的創新通信系統，其兼具照明與無線數據傳輸的雙重功能。在VLC系統中，LED二極管通過調制光強度來實現數據傳輸，這一過程稱為強度調制（IM）。在接收端，光線被光電傳感器（如光電二極管或光電探測器）捕獲，這些傳感器必須位于發射器的視距范圍內（LoS），以便將光信號直接轉換為電流信號。光電探測器等元件具有極快的響應時間，能夠支持高達數百Mbps甚至Gbps量級的數據傳輸速率，同時顯著降低了系統部著和運維成本。最終，接收到的光信號通過解調技術被恢復為原始信息內容。VLC技術作為傳統射頻（RadioFrequency，RF）無線通信的替代和補充技術，目前熱度正愈演愈烈。

3 長程通信（LRC）

3.1衛星通信

在流量較大的情境下，會產生信道擁塞和數據包沖突等問題，從而導致網絡過載與飽和，在流量較小的情景下，由于缺少中繼車輛，會出現連接問題和數據包無法轉發等問題。這些不足可以通過衛星通信來解決，覆蓋固定或移動網絡無法覆蓋、無法到達的區域。由于衛星通信覆蓋范圍廣、頻率范圍寬、可擴展性強，當移動通信不可行（如由于自然災害或地理障礙）時，衛星通信可用于數據廣播和作為無線接入的備用方式。從衛星發射到地面的信號可以同時被覆蓋范圍內的所有天線接收，符合多播通信的性質?？紤]到基于地球靜止軌道（GEO）衛星的通信系統由于距離地球較遠而容易受到嚴重延遲的影響，低地球軌道（LEO）衛星系統的使用越來越流行起來。SafeTRIP項目促進通過衛星進行雙向數據交換，以開發和演示增強道路交通基礎設施安全性、保障性和環境可持續性的服務。

3.2蜂窩車聯網 （C-V2X）

C-V2X是對IEEE802.11p技術的改進，能夠提供更低的延遲和兩倍的覆蓋范圍。它支持設備到設備（D2D）和設備到網絡（D2N）兩種通信模式，其中，D2D模式也稱為側鏈通信模式，包含子模式3和4，通過PC5接口實現車到車（V2V）、車到基礎設施（V2I）、車到行人（V2P）的直接通信。PC5接口運行于智能交通系統（ITS）頻段（5.9GHz），無須依賴移動網絡即可工作。該接口允許用戶設備（UE）之間直接通信，而無須將每個數據包傳輸到演進節點B（eNodeB） [5][6]。

PC5接口上傳輸的數據包由側鏈控制信息（SCI）和數據組件組成。SCI攜帶解碼傳輸所需的基本信息，如調制和編碼方案、當前和未來傳輸占用的資源等。傳輸SCI的物理信道稱為物理側鏈路控制信道（PSCCH），而物理側鏈路共享信道（PSSCH）則用于傳輸數據。在C-V2X側鏈路模式3中，資源分配由eNodeB管理；而在側鏈路模式4中，UE通過資源預留算法自主預留資源。

3.3NR-V2X

NR-V2X（NewRadioVehicle-to-Everything）有望支持更高級的V2X應用，比C-V2X具有更嚴格的服務質量保證。為了滿足需求，NR-V2X引入了兩種新型通信方式，即單播傳輸和多播傳輸，與C-V2X類似，NR-V2X也定義了兩種側鏈模式。NR-V2X側鏈模式1用于在下一代節點B（gNodeB）覆蓋范圍內實現車輛之間的直接通信。在這種模式下，gNodeB負責為UE分配資源。而NR-V2X側鏈模式2則支持在gNodeB覆蓋范圍之外的場景中進行車輛間的直接通信[5][6]。

NR支持多種載波間隔，對于6GHz以下（即FR1）的NR-V2X，支持的載波間隔為 15kHz 7 30kHz 和60kHz ；而對于6GHz以上的頻率范圍（即FR2），支持的載波間隔為 60kHz 和 120kHz ，更大的載波間隔有助于減少延遲。

3.4全球微波接入互操作性

全球微波接入互操作性（WorldInteroperabilityforMicrowaveAccess，WiMAX）是一種能夠提供可靠長距離高速數據傳輸的技術。WiMAX的一個顯著優勢在于將可擴展正交頻分多址（SOFDMA）與智能天線技術相結合。毫米波在該技術中的應用并不像聲波那樣向所有方向傳播，而是像光一樣進行線性傳播。由于毫米波信號強度會隨著與基站距離的增加而迅速衰減，信噪比（SNR）也會隨之降低。雖然距離越遠吞吐量越低，但WiMAX在速率和覆蓋范圍上仍然優于Wi-Fi，在靜態環境的理想條件下，WiMAX的覆蓋范圍可達 1.6km～9.7km ，傳輸速率約為10 Mbps[6]。

4 中程通信（MRC）

4.1 Wi-Fi

由于成本低廉、數據傳輸速率快且靈活性強，許多Wi-Fi標準能夠通過V2V和V2I通信提供高效的數據傳輸。Wi-Fi的工作頻率為2.4GHz和5GHz，能夠提供多種數據傳輸速率，從IEEE802.11b的11Mbps到IEEE802.1lax的9.6Gbps。然而，由于使用無須授權頻譜，Wi-Fi容易受到其他Wi-Fi設備、藍牙設備、無線電話和電視遙控器等設備干擾。在密集環境中，無線接入需求的增加會導致接入點擁塞、網絡延遲加劇，為了克服這一限制，可以部署多個接入點，但同時會增加系統的復雜性和成本[7]。

4.2專用短程通信技術

專用短程通信技術（DedicatedShortRangeCommunication，DSRC）是專門為滿足VANET的要求而開發的，如自組織、自配置、高移動性和動態拓撲。IEEE802.11p標準于2010年發布，基于IEEE802.11a標準，并對其進行了修改，將帶寬減半，時間參數加倍。DSRC的頻譜包括一個5MHz的保護帶、一個10MHz 的控制信道（CCH）和6個10MHz的服務信道（SCH）。物理層（PHY）使用8種可能的調制和編碼方案（MCS）組合（稱為模式），以提供高達54Mbps的數據傳輸速率[8]。

但是在密集且高度移動的環境中，DSR還存在一些顯著缺陷，包括覆蓋范圍有限、擁塞概率高、延遲增加、數據傳輸速率低以及服務質量（QoS）保證有限。目前，被多個國家用作電子收費系統（ETC），主要局限性在于信道數量較少，會導致網絡擁塞和延遲的增加。

4.3陸上移動通信接入（CALM）

CALM（Continuous Air-interface for Long andMediumrange）由ISO204技術委員會第16工作組（WG16）開發。與WAVE標準類似，CALM也運行在5.9GHz 頻段。本質上，CALM是一組標準、程序和控制過程，旨在通過各種通信標準和應用程序接口提供連續且透明的通信。

CALM介質分為五類：5GHz無線局域網系統（包括IEEE802.11WiFi、IEEE802.1lp和CALMM5）、蜂窩系統、60GHz系統、紅外通信及支持專用短程通信（DSRC）、廣播和定位的融合層。CALM能夠根據車輛的位置和車載單元（OBU）選擇傳輸介質。對于短距離和中距離通信，建議使用紅外、毫米波和微波通信；而對于較長距離通信，則更傾向于使用蜂窩系統。

5 結束語

本文分析了各類無線技術在車聯網（V2X）應用中的適用性并對相關數據進行對比?？偟膩碚f，為VANET通信選擇最佳的無線標準需要在經濟、安全和技術等多個方面進行權衡。由于無線標準的異構性和互操作性，需要對切換問題進一步開展研究。由于網絡組成的異構性、通信場景的多樣性以及嚴格的服務要求，未來V2X網絡需要新技術來實現自適應學習和智能決策，預計5G技術將與機器學習（ML）協同應用，實現一系列新變化新功能。

參考文獻

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[6]黃云偉.面向WLAN/WiMAX的小型化天線研究[D].北京：北京郵電大學，2024.

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[8]ZekriA.異構車聯網通信：基于VANET-DSRC和VANET-5G自適應數據速率方法[D].上海：上海交通大學，2019.