對5G蜂窩車聯網組網性能的分析

沈陽市電信規劃設計院股份有限公司 郝 鵬

本文對5G蜂窩車聯網特點進行分析，并對車聯網組網技術加以闡述，最后通過仿真分析的方式，在PC5接口基礎上進行組網性能評估。根據仿真結果可知，在PC5接口下通信系統運行受限，車輛密度過大會導致同頻干擾提升。對于非周期業務來說，可利用有效措施規避干擾；但在城區場景中，因車輛長期處于高密度行駛狀態，相同時段內發送狀態車輛過多，需要采集更多頻率資源，利用多種傳輸技術才可滿足通信需求。

5G蜂窩網擁有低時延、高性能的通信優勢，對車載組織網絡發展起到促進作用，成為物聯網最具發展潛力的領域之一，在安全駕駛、智慧城市中得到廣泛普及。在當前交通場景中，因車輛節點高速移動導致節點之間鏈路存在時間較短，網絡拓撲變化頻繁。對此，可創建PC5通信架構彌補上述缺陷，與以往的GPSR路由協議相比，在路由跳數、持續時間等方面擁有良好的性能。

1 5G蜂窩車聯網特點

從長遠發展角度來看，在5G場景基礎上的車聯網拓撲結構具有立體化、智能化特點。在終端數據層中，車輛可通過PC接口實現節點之間的短距離數據傳輸，在高密度5G小基站中的覆蓋范圍更大，通過PC5接口實現車輛與基站間的數據傳輸，與DSRC短程通信相比，5G基礎上的車聯網通信技術時延更短，更加可靠。在網絡層與虛擬層中，在5G基礎上低時延通信技術、云計算、干擾管理等技術得到充分實現，為實際交通場景中的數據請求、大規模計算、數據包傳輸與網絡切換等提供技術支持，有效減少時延，增強可靠性。在業務平臺上，通過對軟件、數據與設備的綜合管理，可為路、車與用戶提供全方位服務，在道路服務中包括盲目檢查、交通流檢查、信號檢查等等；在車輛服務中有車輛設備管理、健康檢測與應用管理等等；在用戶服務中包括精準定位、車載娛樂與緊急呼叫等。在通信速度方面，5G車聯網采用全雙工通信技術，將不同車載終端設置在相同頻譜上，支持同時收發信號，有效突破頻譜應用方面的限制，促進頻率利用率提升。

2 蜂窩車聯網的組網技術

當前汽車數量不斷增加，車流量也隨之提升，這就要求車聯網系統的數據處理、服務功能與計算量不斷強化，以往通信架構已經難以滿足當前高要求。在大數據、人工智能技術發展下，車聯網組網技術更加成熟，通信架構更加立體，支持多種接入模式，如PC5、Uu等等，無論車輛節點是否位于基站輻射范圍內，均可實現低時延、高性能的通信目標。現階段，蜂窩車聯網在可靠性、時延等方面擁有較大提升空間，可在5G技術基礎上得到彌補和優化。

2.1 LTE D2D技術

根據3GPP發展歷程可知，全部通信均是以網絡為基礎而實現，用戶1到2的任何指令信息都要經過基站，再對后續節點進行處理轉發，無法實現用戶雙方的直接交流。但是，車聯網技術的誕生使應用場景發生改變，通信需求也不盡相同，如車輛自動駕駛場景，傳收車輛距離較近，車輛之間直接通訊效果更加顯著。在3GPP標準體系中，為滿足新的通信需求對承載通信方式的標準進行優化，即LTE 2D2，在該標準基礎上開展一系列研究，使資源分配、信道分配、需求架構等得以明確，實現PC5接口的直通方式。

2.2 LTE MBMS技術

在5G白皮書中指出，與4G相比5G性能更高，時延達到毫秒級，用戶體驗速率加快。在IPv6部署后，一個腳掌的位置便可設置數十個IP地址，以往傳輸是以應答確認單播點為基礎進行通信，現已經無法滿足車聯網通信需求，應將廣播多播技術應用其中，更加全面的分享周圍信息。可見，LTE MBMS屬于車聯網中的重要內容之一。

2.3 LTE V2X技術

以往技術因無法有效解決干擾、擁塞、覆蓋等問題，如同兩個平級用戶出現矛盾后，沒有第三方上級進行仲裁，導致二者陷入僵局。在此背景下，LTE-V技術應運而生，該技術可通過直連方式，利用蜂窩網絡扮演仲裁者的角色，使干擾和堵塞問題得到有效解決。在PC5基礎上，LTE V2X技術的應用采用半持續調度方式，將無線資源劃分為多個子幀，有效降低頻內輻射，促進信道優化利用，使傳輸效率得到顯著提升；還具有時鐘同步功能，在網絡不覆蓋的情況下，缺少同步源，V2X同時支持基站與GNSS時間同步；專業的Qos技術中V2X消息適用于單播傳輸，只能在MBMS中傳遞V2X信息，通過QCI的應用可使傳輸可靠性得到顯著提升。

3 蜂窩車聯網組網性能仿真分析

3.1 基于PC5通信架構

在PC5接口基礎上，用戶傳輸采用半雙工數據模式，在副鏈路中利用廣播機制將V2V信息傳遞給特定距離內的用戶，該模式可滿足基本需求服務，例如通知過往車輛路邊障礙等，還可應用于可靠性與時延要求較高，但吞吐量要求較低的業務中。通信信道可將C-V2X分配到實際測試20MHz帶寬中，在頻域上可細致劃分為多個子信道，在時域中分為子幀，也就是TTI，一個子幀中分別帶有一個子信道，各個子信道中均帶有數量相同的RB。在相同子信道中，數據可經過PSSCH進行傳輸，副鏈路控制信息還可在PSCCH中傳輸。在PC5接口基礎上，可將V2V通信業務模型分成周期性、非周期性兩種，前者包括三種負載模型，后者為兩種模型。在該系統中，因全部副鏈路在同一時頻上傳輸資源，所占用的時頻資源塊相同，發送用戶間產生同頻干擾。因此，在多種業務模型中，不同負載對系統性能產生的影響也有所區別。此外，在不同車輛密度狀態下，所承受的同頻干擾程度也不盡相同。對此，本文在OPNET下進行系統仿真，對PC5模接口下車聯網通信性能進行檢驗。

3.2 仿真設計

在高速場景下，用戶在長度為10395m，寬度為24m的雙向六車道中行駛。在城區場景中模擬曼哈頓網格，共計包括9個街區，各個街區的面積分別為250m×433m，每個街道的寬度均為14m，為雙向四車道，且包括3m寬的人行道。在高速與城區兩個場景中，車輛前后距離服從均值為λ＝2V車的分布，V車代表的是車輛行駛速度，不同速度對車輛密度具有較大影響。在PC5接口下進行車聯網通信，接收用戶信號干擾值的計算公式為：

式中，SINR代表的接收用戶信號干擾值；P代表的是傳送信號功率；G代表的是天線增益；P1代表的是干擾功率；P2代表的是噪聲功率。在PC5接口場景下，因車輛采用的頻率資源相同，用戶受到的干擾來源以其他用戶相同頻率干擾為主，也就是當前發射用戶受到在相同頻率資源塊中傳輸信息的其他用戶干擾。

3.3 仿真結果

在PC5接口基礎上，針對特定仿真區域中的多個場景進行業務模型、車輛密度與業務負載等性能評估，探究系統覆蓋性能。以基礎業務模型為例，制定廣播通信機制，對通信系統的可靠性進行探究，以接收用戶分組接收率為重要指標。3GPP下通信目標可靠性達到90%，在高速場景下目標通信距離為320m，在城區場景下為150m。在仿真平臺中，調試方式為QPSK，非周期模型依據業務分組情況對調制編碼方式進行更改；在資源調度方式上，周期性業務采用半持續調度、非周期業務采用隨機資源選擇。

（1）有效通信距離中分組接收率

在高速與城區兩個場景中，車輛的天線配置、行駛速度不盡相同，分組接收率與距離之間存在線性關系，接收率性能與車輛密度間具有反比關系，隨著前者的增加后者不斷降低，究其原因，主要因車輛密度增加導致資源碰撞，進而對性能產生不良影響。此外，城區場景性能低于高速場景，究其原因，城區中車輛密度相對較大，且路徑損耗相對嚴重，特別是在非視域狀態下損耗更加顯著。與之相比，城區性能提升方案應得到高度重視。根據仿真目標下分組接收率可知，城區場景因車輛密度較高，性能難以滿足通信要求，即便利用8×8的天線配置也難以達到通信目標。

（2）不同業務模型下分組接收率

根據仿真結果可知，兩種場景下不同業務模型下分組接收率與距離間關系密切。周期性業務模型的性能低于非周期性，究其原因，一是受業務量影響，業務量增加導致資源碰撞問題加劇；二是因數據分組增加，只適用于高階調制度，誤比特率增加，導致系統性能降低。在周期與非周期業務混合應用情況下，二者融合導致業務負載快速增加，且非周期模型數據分組較大，只適用于高階調制。同時，因非周期業務具有穩定性不足，只可利用隨機資源選擇模式，難以避免周期業務帶來的影響，且周期業務也難以感知干擾，對其業務性能同樣會產生不良影響，導致整體性能變弱。根據仿真場景中混合模型下的分組接收率可知，業務場景難以在有效通信范圍中實現有效通信，但在混合場景下，只有在高速場景中，車輛以每小時140km的速度行駛時才可達成通信目標，剩余場景均無法滿足通信基本需求。根據上述仿真結果可知，在PC5接口下通信系統運行受限，車輛密度過大會導致同頻干擾提升。對于非周期業務來說，可利用有效措施規避干擾，由此提高性能，但在城區場景中，因車輛長期處于高密度行駛狀態，相同時段內發送狀態車輛過多，干擾屏蔽機制的效果受到影響，需要采集更多頻率資源，利用多種傳輸技術才可滿足通信需求。此外，針對城區中路徑損耗的問題，可將RSU轉發機制應用到長距離運輸中，由此提高系統性能。

結論：綜上所述，在5G時代即將到來之際，車聯網作為全新網絡逐漸得到普及。作為蜂窩車聯網運營商，在強化基礎網絡建設的基礎上，還應根據應用層需求做好網絡信息配合工作，實現信息準確高效傳遞。借助5G技術促進產業融合，豐富蜂窩車聯網服務平臺功能，降低不良因素干擾，促進車載終端與V2X平臺優化升級，大力推動車聯網事業發展。