基于LTE-V2X的車聯網關鍵技術研究

1 引言

車聯網是物聯網在汽車與交通中的應用，是車與人，車與車，車與路，車與云之間進行數據和信息交換的信息通信網絡。在5G時代，將通信技術與汽車的電子化、智能化相融合，通過協同通信交換，可以彌補原有車載傳感設備只能感知視距范圍車輛數據和交通運行環境數據的不足，構建一張實時的高精度地圖，以支撐汽車電子智能系統的駕駛決策和駕駛操作與控制。車聯網按照約定的通信協議和數據交互標準，在車與車、車與路、車與行人之間，進行無線通信和信息交換，其采用的通信技術主要包括基于專用短距離通信技術（ Dedicated Short Range Communication，DSRC）技術和中國力推的基于蜂窩移動通信的LTE-V2X技術，本文在車聯網概念和應用的基礎上，對LTE-V2X關鍵技術進行了研究。

2 車聯網的概念

汽車的智能化趨勢推動了傳統汽車和交通行業的變革，同時也推動了車、路、人之間的信息共享。將現代通信技術與網絡技術結合起來實現這些信息共享，就形成了車聯網的概念。車聯網是能夠實現智能化交通管理、智能動態信息服務和車輛智能化控制的一體化網絡，是物聯網（Internet of Things，IoT）技術在交通系統領域的典型應用。車聯網這個概念就是來自于物聯網。傳統的車聯網定義是指裝載在車輛上的電子標簽通過無線射頻等識別技術，實現在信息網絡平臺上對所有車輛的屬性信息和靜、動態信息進行提取和有效利用，并根據不同的功能需求對所有車輛的運行狀態進行有效的監管和提供綜合服務的系統。

根據中國信息通信研究院發布的《車聯網白皮書》（2017），車聯網的定義是：借助新一代信息和通信技術，實現車內、車與車、車與路、車與人、車與服務平臺的全方位網絡連接，提升汽車智能化水平和自動駕駛能力，構建汽車和交通服務新業態，從而提高交通效率，改善汽車駕乘感受，為用戶提供智能、舒適、安全、節能、高效的綜合服務。網絡連接、汽車智能化、服務新業態是車聯網的3個核心。

根據中國智能網聯汽車產業創新聯盟的定義，車聯網是以車內網、車際網和車云網為基礎，按照約定的通信協議和數據交互標準，在車與車、車與路、車與行人之間，進行無線通信和信息交換的大系統網絡。其中車內網是指通過應用成熟的總線技術建立的一個標準化的整車網絡；車際網是指基于DSRC技術和LTE-V2X技術構建的實現車與車和車與路邊的基礎設施之間中短程距離通信的動態網絡；車云網是指車載終端通過蜂窩移動通信技術與互聯網和云端進行遠程無線連接的網絡。三者之間的關系和整體架構如圖1所示。本文重點研究實現車輛與一切可能影響車輛的外部實體實現信息交互的車際網所采用的LTE-V2X技術。

圖1 車內網、車際網和車云網的整體架構

3 LTE-V2X關鍵技術

如前所述，基于V2X協同通信的車際網是車聯網的一種基本通信方式。V2X協同通信是車輛與車輛、行人和路側設備之間進行數據和信息交換的通信方式。與基于蜂窩移動通信的通信方式相比，V2X協同通信包含在車輛、道路和行人之間直接進行數據和信息交換的通信方式，它將一個個獨立的車輛通過信息通信連成一體，采用自組網技術，通過車輛間或車輛與路側通信設施之間多跳無線通信，使駕駛員能夠在超視距范圍內獲得其他車輛的狀況信息（如車輛位置、行使駛方向、行車速度、剎車操作等）和實時路況信息，還可以通過路邊的站點接入互聯網，使司機和乘客可以方便地獲取天氣狀況，實時交通狀況，商店購物或網絡娛樂等相關信息。

V2X協同通信包括專用短距離通信DSRC方式和蜂窩-V2X（cellular-V2X，C-V2X）協同通信方式。C-V2X結合了蜂窩移動通信和V2X協同通信的優勢，既包括有蜂窩網絡覆蓋的場景，也包括沒有蜂窩網絡部署的場景，可以提供兩種通信接口：蜂窩通信接口和直連通信接口，以此形成有效的冗余來保障通信可靠性。C-V2X是基于3GPP全球統一標準的通信技術，包含LTE-V2X和5G-V2X，從技術演進角度講，LTE-V2X支持向5G-V2X平滑演進。LTE-V2X的準化已經完成。

LTE-V2X是以LTE蜂窩網絡為V2X基礎的車聯網專有協議，分為兩種工作方式：終端之間直通傳輸通信方式，其中終端之間的空中接口稱為PC5接口；終端與基站之間的上/下行鏈路通信方式，其中終端和基站之間的空中接口稱為Uu接口。基于Uu接口的LTE-V2X主要是在LTE的上下行傳輸上做了一些增強，例如下行縮短MBMS的周期以降低延遲，上行引入多個SPS進程等。

LTE-V2X物理層的關鍵技術主要包括：自動增益控制AGC、同步信號檢測/定時估計、頻偏估計。

在車輛短距通信系統的工作環境中，接收端在相鄰子幀中可能收到不同終端所發送的傳輸距離差異很大的信號。由于近距路損小、遠距路損大的因素導致接收信號強度在不同接收子幀之間波動極大；高速時，通信目標的通信距離可能大于300 m，也可能小于2 m，除考慮不同距離的路損差外，還需要考慮陰影衰落，瑞利衰落的抖動等余量，那么AGC需要支持的增益調整范圍需要達到80 dB以上。在LTE-V2X系統中需要實現快速AGC調整，否則會影響后續信號的接收。

在LTE-V2X系統，采用了重復的PSS和SSS設計，這樣可以采用前一符號與后一符號相關的方法來初步鎖定PSS或SSS的位置，基于最大相關值可實現PSS或SSS的檢測，并基于最大相關值的位置可實現接收信號的定時估計。

LTE-V2X的工作頻點可達5.9 GHz，當車輛間的相對移動速度達到240 km/h時，需要應對的多普勒頻移遠大于當前LTE系統的2.6 GHz頻段和120 km/h移動速度，將引起更嚴重的性能衰減。因此LTE-V2X不能使用LTE系統中通常采用的頻域頻偏估計法，而是采用變換域頻偏估計法來估計，即通過估計接收信號的到達時間，計算與本地基準接收時間的時間差；將接收的頻域導頻序列變換到時域，與經過圓周旋轉的本地存儲時域導頻序列進行對應位的共軛相乘，得到了反映信道相位變化的序列，從而計算出頻率偏移。該偏移可以估計絕對值小于15 kHz的頻偏，滿足車聯網的通信需求。

4 結束語

車聯網不僅改變汽車產品的形態，也將改變交通運輸和人們的出行模式，其發展對我國汽車行業的發展以及制造業強國的打造具有重大戰略意義。LTE-V2X作為中國力推的車聯網標準，最大的好處在于能夠重復使用現有的蜂窩基礎建設和頻譜資源。LTE網絡基礎建設已經存在，運營商無需進行大規模的專用路側設備RSU布點，并提供專用的頻譜；在另一方面，終端設備可以和手機共用同一類型的芯片，為汽車廠商大大降低整合成本。結合目前5G的提速，更容易推動LTE-V2X技術的繼承和演進，推動車聯網技術的商用推廣。