車對車通信建模技術(shù)研究進展

余保睿

（廣西大學(xué)，廣西 南寧 530003）

0 引 言

車對車通信技術(shù)（簡稱V2V技術(shù)）是基于5G技術(shù)提出的。5G技術(shù)的迅猛發(fā)展，大大提升了通信速率，推進了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究發(fā)展。其中，車對車通信技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和V2X系列技術(shù)之一由此被提出并獲得研究。V2V技術(shù)主要研究移動狀態(tài)的車和車之間的通信，可實現(xiàn)車輛狀況信息的共享。車輛狀況信息包括車輛位置、行駛速度以及行駛狀態(tài)等。車輛可以借助該技術(shù)實時獲取附近車輛的行駛信息，并依照這些信息作出相應(yīng)的響應(yīng)，從而大大降低交通事故的發(fā)生概率。

我國和國外對于V2V技術(shù)的研究解決方案不同：我國的研究方案是將V2V技術(shù)與現(xiàn)有的蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，即C-V2X技術(shù)；國外推行的則是獨立于蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)、直接進行車對車通信連接的專用短程通信（DSRC）技術(shù)。

我國主推的C-V2X技術(shù)結(jié)合蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)進行，意味著該技術(shù)不僅能實現(xiàn)小范圍車對車的短程通信，而且可以實現(xiàn)道路車輛信息的實時共享。將實時處于某區(qū)域蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)的車輛數(shù)據(jù)上傳云端進行共享，可實現(xiàn)檢測道路狀態(tài)和建立大區(qū)域道路實時信息云庫等目的，十分契合大數(shù)據(jù)時代的核心思想，是國外DSRC技術(shù)無法實現(xiàn)的。但是，我國對C-V2X技術(shù)的研究處于起步階段，而國外對DSRC技術(shù)的研究歷史悠久，研究成果及相關(guān)應(yīng)用已十分成熟。這就決定了我國研究的主要重點在于如何完善和發(fā)展C-V2X技術(shù)，而國外的研究重點在于如何找尋相對DSRC技術(shù)而言性能更好的V2V技術(shù)。

1 國內(nèi)研究動態(tài)

V2V技術(shù)作為一種無線通信技術(shù)，核心是建立無線信道模型并進行仿真。車對車通信系統(tǒng)的信道特點是收發(fā)端具有移動性且通信環(huán)境復(fù)雜多變。由于收發(fā)端的移動性，信道相關(guān)參數(shù)也隨著時間在變化。

1.1 建 模

目前，國內(nèi)針對V2V技術(shù)研究最多的信道模型是3D幾何信道模型。該信道模型依照不同的通信場景建立不同的單個幾何信道模型，每個幾何信道模型都是依照具體通信場景放置且較為符合實際的三維幾何模型。這些模型的排布按照一定規(guī)律分布（如均勻分布和高斯分布），模型的種類和排布規(guī)律與具體場景有關(guān)，如在森林中放置分布密集的圓柱、橢球體等三維幾何模型[1]。

由于3D幾何信道模型需要大量實地勘測數(shù)據(jù)的支持，因此模型建立的工作量巨大且不能很好地契合V2V信道實時變化的特點和要求，同時對多入多出系統(tǒng)（MIMO）的模型處理較多且雜亂。因此，國內(nèi)針對V2V技術(shù)提出了一種新的信道模型——時變非平穩(wěn)的三維散射集群信道模型[1-3]。該模型是基于信號使用多入多出（MIMO）技術(shù)傳輸而設(shè)置的。對一個窄帶信道多入多出傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)建模如圖1所示。

圖1 窄帶信道MIMO通信系統(tǒng)模型

1.2 模型的演變

基于MIMO的V2V通信系統(tǒng)的收發(fā)雙端具有移動性，且傳輸?shù)氖嵌鄰叫盘枺虼诵盘栐趥鬏斨袝?jīng)歷反射、散射以及衍射等物理過程。其中，最突出、出現(xiàn)概率最大的是信號在空氣媒介中的散射。不同路徑的散射角隨著收發(fā)端的實時移動實時變化，因此研究時提出在信道建模中加入不同分布的散射簇，每一個散射簇包含不同角度的散射。通過盡可能多且廣泛地在車與車的空間內(nèi)放置散射簇，使散射后信號盡可能逼近實際信號，模型建立如圖2所示。

圖2 基于散射簇建立的模型

圖2的模型中，信號通過直射LOS和散射SBC兩種路徑進行傳播。模型中收發(fā)端連線的圓形節(jié)點對應(yīng)圖1模型中的接收串口S/P。假設(shè)H(t)為信道脈沖響應(yīng)矩陣，Nt、Nr分別為發(fā)射天線和接收天線，則可得到信道模型公式：

由于接收雙方的移動性，信道是隨著時間變化的時變信道，但高速移動的情況與低速運動的情況不同。高速移動的情況下，可以忽略建筑物點對信號散射和反射的影響。基于這一因素對圖2模型進行改正，賦予其以下的運作規(guī)律，在整個空間中廣泛地放置散射簇。由于高速運動時忽略建筑物對信號傳播的影響，因此設(shè)每一個散射簇的覆蓋范圍為一個圓形區(qū)域。當車輛進入該散射簇的覆蓋范圍時，該散射簇開始運作并參與信道模型的建立；當車輛離開覆蓋范圍時，該散射簇退出信道模型。信道模型由此具有時變非平穩(wěn)的特性，更加契合V2V實際通信環(huán)境。完善后的模型如圖3所示。

圖3 時變非平穩(wěn)的散射集群模型

2 國外研究動態(tài)

當前國內(nèi)的V2V通信技術(shù)研究方向主要集中在探尋和研究比國外早已成熟且投入實際應(yīng)用的DSRC技術(shù)而言性能更優(yōu)的技術(shù)，候選技術(shù)包括基于VLC（可見光通信技術(shù)）的C2C通信技術(shù)[2]。

C2C通信技術(shù)是基于可見光的通信技術(shù)（VLC），通過發(fā)光二極管發(fā)出的可見光傳輸數(shù)據(jù)信息，從而達到端到端通信的目的。在電燈早已廣泛普及的今天，發(fā)光二極管在車輛的行駛環(huán)境中隨處可見，為VLC技術(shù)的實踐研究提供了很好的應(yīng)用基礎(chǔ)。C2C通信技術(shù)不僅使車與車之間可通過可見光實現(xiàn)通信連接，還使車、路燈以及路邊擁有可見光光源的建筑物等通過可見光進行通信成為可能。基于VLC的C2C通信技術(shù)不僅在V2V通信系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景，而且在V2I通信系統(tǒng)中亦是如此。此外，光沿直線傳播的特性，使得VLC技術(shù)的傳播質(zhì)量很高。由于光無法直射過障礙物，所以VLC技術(shù)在一定程度上具有較高的安全性[4]。

2.1 初步建模

對基于VLC的V2V通信系統(tǒng)的信道建立一個大致的模型，在車與車通過車燈發(fā)出的可見光進行通信連接時，信道中的信號包括發(fā)端發(fā)出的直射可見光、經(jīng)過路面反射后的可見光以及周圍通信環(huán)境產(chǎn)生的干擾光。初步建立的基于VLC的V2V通信系統(tǒng)模型如圖4所示。

圖4 初步建立的基于VLC的V2V通信系統(tǒng)模型

2.2 精確建模

通信系統(tǒng)的信道建模重點在于可見光傳播特性的研究。直射光的傳播特性無需多做研究，所以建模的重點放在反射光傳播模型的建立。反射光的傳播受反射體表面的粗糙程度和反射體材質(zhì)等因素的影響，且V2V通信環(huán)境具有移動性和時變非平穩(wěn)特性。這些因素是實時變化的，因此反射光傳播特性也是實時變化的[5]。建模的重點在于建立反射模型，但由于高速運動的物體可忽略建筑物對信號的傳播影響，因此只需考慮路面對可見光的反射。建立的車燈發(fā)射光照射到路面的傳播模型如圖5所示。

圖5 基于VLC的V2V通信系統(tǒng)初步模型

由圖5模型得出可計算任意位置的光照強度值的公式：

路面的污垢也會影響可見光反射的傳播特性。研究通過MATLAB擬合無污垢路面反射情況，實測數(shù)據(jù)如圖6所示，進而比較路面有無污垢沉積對可見光傳輸?shù)挠绊憽?/p>

研究得出，污垢沉積在反射發(fā)射光的同時削弱了可見光的一部分光強。經(jīng)合理猜測，在這個過程中反射減弱、散射增強。當通信雙方在有污垢沉積現(xiàn)象的路面上行駛時，應(yīng)依照實測數(shù)據(jù)，考慮在發(fā)光強度小于400 cd時增加光輸出功率。

由于實際行駛的路面反射情況復(fù)雜多變，因此漫反射和鏡面反射比例不同。因此，將道路情況進行分類，對典型的特定路面進行反射試驗，記錄實測參數(shù)，建立反射模型。研究最終得到了一種典型的反射模型公式：

圖6 路面有無污垢沉積對可見光傳輸影響對照

其中，β是入射垂直平面與觀測垂直平面的夾角，γ是入射光與法線的夾角。

此外，還應(yīng)考慮平均亮度系數(shù)Q0和鏡面因子S1對反射特性的影響，可依照這兩個變量的大小劃分道路類型，得到的劃分情況如表1所示。

表1 依照Q0、S1對路面類型劃分

綜合考慮上述因素，最終建立的模型如圖7所示。

4 國內(nèi)外研究對比及建議

國內(nèi)對V2V通信系統(tǒng)的研究是基于5G技術(shù)下的NGN網(wǎng)絡(luò)。車載通信與大區(qū)域的蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，使得V2V通信系統(tǒng)更加契合未來大數(shù)據(jù)時代發(fā)展，也為該技術(shù)和6G時代的發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。國外研究V2V通信系統(tǒng)的目的是使車與車之間的通信質(zhì)量更高、速率盡可能快以及安全性更高。

相比國外V2V技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)的研究方向更具發(fā)展前景。如何規(guī)避或降低毫米波由自身特性而造成的傳播衰落損耗是一個很大的問題，對該問題的改善方法有：在傳播途徑中增加反射裝置，以應(yīng)對毫米波無法繞開障礙物的問題；利用波束賦形技術(shù)，將毫米波能量集中于一個方向發(fā)送；基于5G大規(guī)模多天線技術(shù)，沿不同路徑發(fā)送多個攜帶相同信息的毫米波，增加中繼數(shù)量。

圖7 基于VLC的V2V通信系統(tǒng)最終信道模型

由于國內(nèi)研究的V2V通信系統(tǒng)位于蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架體系，意味著V2V傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)需要MAC層控制信息和信令的傳輸，使傳輸協(xié)議更加復(fù)雜化，也增加了通信傳輸?shù)奶幚頃r延。針對這個問題，可以合并V2V的研究與資源分配算法的研究，以解決高層系統(tǒng)中的資源分配問題，降低處理時延[6]。此外，基于VLC技術(shù)的V2V研究雖然具有信號傳輸質(zhì)量高、效率高以及時延小等優(yōu)點，但也存在諸多問題。例如，在白天日光較強時，光源需發(fā)送更強的光以降低日光對信息傳輸?shù)母蓴_，十分浪費資源，因此針對不同的環(huán)境應(yīng)該相應(yīng)地調(diào)整發(fā)射光頻率。此時，可通過研究一種按照環(huán)境和路況動態(tài)控制發(fā)射光頻率的算法或增加其他通信方式，同時分析路況，當路況參數(shù)達到某一個臨界值時，更換更加適宜的通信方式[4-7]。