基于NOMA的車聯網系統架構的探索與設計

倪亞凡，曾連蓀

(上海海事大學 信息工程學院，上海 201306)

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基于NOMA的車聯網系統架構的探索與設計

倪亞凡，曾連蓀

(上海海事大學 信息工程學院，上海 201306)

5G(Fifth Generation Mobile Communication Network)時代的到來加快了各行業的發展和改革。將5G與物聯網、車聯網、工業互聯網等產業相結合成為了必然的趨勢。首先結合車聯網介紹了5G的核心技術NOMA(Non-Orthogonal Multiple Access)，并將其與傳統的OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)進行了比較。隨后探討了基于5G的車聯網架構。最后對5G車聯網進行了展望。

5G；車聯網；NOMA；OFDM

0 引言

我國的車聯網發展是從2009年開始的,作為物聯網在汽車行業的重要應用，已經被國家列為重大項目之一。預計到2019年，全球的汽車銷售量將達到1.5億，隨著汽車爆炸式的增長，交通事故成了一個必須面對的問題。而車聯網的應用能很好地解決這個問題。由此更加促進了車聯網的發展。

5G通信技術[1-2]，在原來4G的基礎上可提供更快速、更穩定的數據傳輸，從而大大提高了車聯網的服務質量。目前我國華為參加了5G研發的METIS(Mobile and wireless communications Enablers for the Twenty-twenty Information Society)項目，我國預期在2020年開始將5G作為移動通信標準，那時將會有更多的互聯網設備加入5G通信系統。所以將5G運用到車聯網中是歷史的必然趨勢，將會為車聯網帶來一股新鮮的力量。

1 結合車聯網談5G的關鍵技術NOMA

5G作為新一代通信技術，面向2020年以后的移動通信需求，具有低成本、低能耗、安全可靠的特點。5G的核心技術包括大規模MIMO技術、基于濾波器組的多載波技術[3]、超密集異構網絡技術等。下面就其中的NOMA技術展開討論。圖1為NOMA系統[4-5]的下行鏈路基本原理圖。

圖1 NOMA系統下行鏈路圖

如圖1所示，假設有一個基站，兩個用戶各有一根天線，在NOMA系統下，兩個用戶需要接收到的信號為X1和X2。在發送端發射的兩用戶疊加信號為X，其表達式為：

(1)

則用戶UE—i接收到的信號為：

Yi=HiX+Wi

(2)

其中Hi表示第i個用戶的信道增益，Wi表示第i個用戶信道上的噪聲。其中噪聲的功率譜密度表示為N0。

(3)

(4)

從上面兩式可以看出基站可以通過功率分配P1/P2來靈活控制用戶的傳輸速率。因此功率分配直接影響到小區的吞吐量和用戶的公平性問題。

NOMA與OFDM相比，OFDM系統是基站對于不同的用戶采用(頻率、時隙、正交碼字等資源)正交復用方式向中繼或者用戶端傳送信息，而NOMA是基站對于不同的用戶同時利用相同的頻率資源向中繼或用戶端傳送信息。所以在相同帶寬的情況下，非正交系統能提供更高的系統容量。其代價就是增加了設備的復雜度。表1列出了OFDM與NOMA的差異。

表1 OFDM與NOMA的差異

從表1中很明顯可以看出，NOMA在頻譜利用率方面有了極大的提升。

此外在4G中，采用的OFDM技術雖然具有良好的抗噪聲性能和抗多徑信道干擾的能力，但是此技術要求各載波之間滿足正交關系，因此對同步要求較高。而在車輛網中，汽車處于高速運動的狀態，會產生嚴重的多普勒效應，導致滑碼產生，各子載波很難保證相互正交。而NOMA在繼承了OFDM的抗多徑干擾的優點上采用了SIC(Successive Interference Cancellation)技術[6]，對正交性降低了要求，因此更加適合于高速環境下車與車之間的通信。

2 5G車聯網系統架構

在5G車聯網系統[7]中主要包括的設備有5G基站、移動終端、車載傳感器、車輛自組網AP[8]、服務器、汽車電子控制模塊(ECU)等。其中汽車電子控制模塊是利用裝載在汽車上的各種傳感器來獲取汽車的各種動、靜態數據，如車速、發動機工作狀態、周邊的車輛分布情況等。汽車電子控制模塊將收集到的數據傳送到移動終端，通過移動終端的各種通信模塊將數據發送給路邊的AP、5G基站或者其他終端設備，形成車輛自組網、5G移動通信網、無線局域網的三合一通信網絡。如圖2所示。

圖2 5G車聯網三合一網絡架構

根據圖2可知，車A要從服務器獲取服務，可以從三合一網絡的任意一種網絡獲得。圖3給出3種網絡的通信流程圖。

圖3 三種通信網流程圖

在無線局域網中，移動終端A通過無線局域網通信鏈路將數據傳送給路邊的AP，然后通過有線鏈路將數據傳給基站，最后通過基站與服務器的連接獲得互聯網服務。

在5G移動通信網中，移動端直接通過5G移動網通信鏈路與基站進行通信，然后再由基站和服務器通信。

在車輛自組網中，用戶的通信方式有多種。移動終端A可以先通過車輛自組網通信鏈路將數據傳送給另一移動終端設備B。設備B可以根據當時的具體情況選擇是通過AP與基站通信還是直接與基站進行通信。

利用以上3種通信方式最終實現了基于5G的車聯網整體的系統架構。每輛車既可當作終端設備，也可以當作中繼器進行數據的轉發，從而大大提高了網絡的靈活性，車輛可以根據自身的情況選擇最恰當的接入方式，有效地提高了整個網絡的效率。

3 5G車聯網展望

隨著國家對5G的大力支持，5G時代即將到來，5G通信技術憑借其快速性、穩定性將大大提高服務質量，為用戶帶來全新的極速體驗。用戶可以在不同的地點選擇不同的方式接入互聯網。毫無疑問，5G的最終模式還沒有確定，所有的模型結構只是一個假設。各種通信協議還有待討論確定。隨著5G的核心技術逐漸確定下來，5G的真面目將逐漸浮出水面，到時將真正進入極速、安全、高效的信息化時代。

4 結束語

本文首先介紹了5G中的NOMA技術，并將其與傳統的OFDM技術進行了比較。隨后在此基礎上構想了基于5G的三合一車聯網架構。最后對5G車聯網進行了美好的展望。隨著5G時代的到來，越來越多的人將加入到5G車輛網的研究中，使5G車聯網更加完善。

[1] 魏克軍，萬屺，王志勤．5G無線傳輸技術發展趨勢[J/OL].(2014-7-17)[2016-11-10].http：∥www.cttl.cn/tegd/jshqsh/201407/t20140717_1027247.html.

[2] 尤肖虎，潘志文，高西奇，等. 5G移動通信發展趨勢與若干關鍵技術[J].中國科學:信息科學，2014，44(5)：551-563.

[3] BENJEBBOUR A, SAITO Y, KISHIYAMA Y, et al. Concept and practical consideration of non-orthogonal multiple access (NOMA) for future radio access[C].Intelligent Signal Processing and Communications Systems (ISPACS),2013 International Symposium on. IEEE,2013:770-774.

[4] SAITO Y, KISHIYAMA Y, BENJEBBOUR A, et al. Non-orthogonal multiple access (NOMA) for cellular future radio access[C].Vehicular Technology Conference(VTC Spring), 2013 77th IEEE,2013:1-5.

[5] LAN Y, BENJEBBOIU A, CHEN X, et al. Considerations on downlink non-orthogonal multiple access (NOMA) combined with closed-loop SU-MIMO[C]. Signal Processing and Communication Systems (ICSPCS), 2014 8th International Comference on, IEEE,2014:1-5.

[6] LI P, PAUL D, NARASIMHAN R, et al. On the distribution of sinr for the mmse mimo receiver and performance analysis[J]. IEEE Transactions on Information Theory, 2006,52(1):167-177.

[7] 任開明，李紀舟，劉玲艷，等. 車聯網通信技術發展狀況及趨勢研究[J].通信技術，2015，48(5)：507-513.

[8] HEKMAT R. Ad-hoc networks: fundamental properties and network topologies[M]. Springer, 2006.

Exploration and design of Internet of Vehicles system structure based on NOMA

Ni Yafan, Zeng Liansun

(College of Information Engineering,Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

The arrival of the 5G accelerated the development and reformation in different industries. It is a trend to combine 5G with Internet of Things, Internet of Vehicles, Industrial Internet and other industries. In this paper, firstly we introduced one of the several core technologies in 5G combined with Internet of Vehicles,which is NOMA, and compared it with the traditional OFDM. Then we talked about the structure of 5G based Car Networking. At last, we looked into the good future of the 5G Internet of Vehicles.

5G; Internet of Vehicles; NOMA; OFDM

TN915

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.11.019

倪亞凡，曾連蓀.基于NOMA的車聯網系統架構的探索與設計[J].微型機與應用，2017,36(11)：64-65，70.

2016-11-14)

倪亞凡(1990-)，男，在讀碩士研究生，主要研究方向：港口無線通信與計算機測控。

曾連蓀(1962-)，男，博士，教授，主要研究方向：移動通信與無線接入。