基于典型無線場景庫的LTE-V2X信道特性

蘇昭陽 劉留 馮毅

摘要：分析了基于長期演進的車用無線通信技術（LTE-V2X）的關鍵技術、面臨的挑戰和相關研究進展。詳細介紹了北京交通大學和中國聯合網絡通信集團有限公司在上海開展的實地測試工作，制定了測試方案，并基于實際測量的數據對信道特性進行了深入分析。

關鍵詞：蜂窩車用無線通信技術;LTE-V2X;無線信道;測試

Abstract：Thekeytechnologies，challenges，andrelatedresearchprogressoflongtermevolution-vehicletoeverything（LTE-V2X）areanalyzed.ThemeasurementcampaignscarriedoutinShanghaibyBeijingJiaotongUniversityandChinaUnicomareintroducedindetail，andthetestschemeisgiven.Basedontheactualmeasureddata，thechannelcharacteristicsareanalyzed.

Keywords：C-V2X;LTE-V2X;wirelesschannel;test

如今汽車已經成為人們日常生活中不可缺少的出行工具。然而，隨著汽車保有量的增加，一些潛在的問題也開始顯現出來，如交通安全、交通擁堵、環境污染等。在為人類帶來便利的同時，由汽車造成的負面影響已經不能忽視。于是車載無線通信技術（V2X）應運而生。V2X包括車與車通信（V2V）、車與物通信（V2I）、車與人通信（V2P）、車與網絡通信（V2N），它可以顯著提升駕駛的安全性與交通效率，降低事故發生率[1]。

V2X面臨著如何在無線傳播環境快速時變與網絡拓撲動態變化的情況下提供高可靠、低時延的通信服務等難題[2]。目前，世界上用于V2X的主流技術主要有兩種：一種是專用短程通信（DSRC）技術，該技術采用電氣與電子工程師協會（IEEE）802.11p定義的物理層協議;另一種是基于蜂窩車用無線通信技術（C-V2X），該技術包括基于長期演進（LTE）移動通信技術形成的LTE-V2X技術和基于5G新空口（NR）演進形成的NR-V2X技術。其中，DSRC可以提供多對多、低延時的通信，但是可靠性較差[2];C-V2X能提供更廣的通信范圍、更低的時延與更高的可擴展性[3]。對于這兩種技術，中國選擇使用C-V2X作為發展V2X的技術手段。

中國積極開展相關的研究與測試工作。C-V2X產業化程度和產品接受程度都在逐步提升。一方面，核心芯片、模組和終端產品的研發基本成熟;另一方面，交通運輸行業和汽車廠商開始主動推廣C-V2X，并開展了實地測試。2016年，工業和信息化部在重慶、武漢、長春進行了為期3年的LTE-V2X外場測試[4]。2018年，中國率先為LTE-V2X直連通信分配了5905～5925MHz的專用帶寬[5]，并于當年11月在上海完成世界首例C-V2X“三跨”展示，實現了通信模組、終端廠商、整車廠商3個不同方向的互聯互通[6]。2019年，在三跨的基礎上，“四跨”示范活動在上海舉辦，四跨重點增加了跨安全平臺的場景[7]。2020年，“新四跨”活動在上海舉辦，進一步推動了C-V2X相關技術和標準的測試驗證，同時增加了新技術元素，以不斷完善C-V2X。

除中國外，歐美國家和日本對相關技術的研究占據領先地位。美國主要基于DSRC開展研究工作，并支持C-V2X作為備選技術。高通與福特開展了美國的第一個C-V2X試驗。其中，高通設計了一款針對C-V2X的芯片（Qualcomm9150）。歐洲從支持IEEE802.11p逐漸轉為技術中立態度。5G汽車聯盟與寶馬集團等公司共同完成了第一個跨車型的C-V2X現場演示。此外，日本也將C-V2X作為備選技術。2018年，日本多個通信和車輛公司聯合進行了C-V2X直接通信測試[8]。

隨著5G的到來，C-V2X面臨著更多挑戰。一方面，更加豐富的應用場景與業務種類要求通信技術能提供更低的時延與更高的可靠性;另一方面，與新技術如超大規模多輸入多輸出（MIMO）、毫米波通信、移動邊緣計算等的結合也對C-V2X的發展提出了新要求。此外，V2X通信的安全性也是一個亟待解決的問題，包括V2X通信中的功能安全、網絡安全、隱私安全和數據安全[2]。對此，人們需要構建V2X通信的安全防護體系。

面對這些挑戰，進行V2X信道特性研究顯得尤為重要。目前V2X信道特性的研究存在一些不足。相比于傳統的蜂窩通信系統，V2X信道具有工作頻段高、發射端天線高度低、終端移動性高、受環境影響大的特點[9]。通信雙方的高速移動使信道狀態變化劇烈，統計特性難以預測。雖然目前標準組織定義了V2X相關信道模型，但是這些模型有著場景覆蓋不豐富、參數不合適等問題。因此，在更多場景下對V2X信道開展實地測量與建模是非常有必要的。

1LTE-V2X關鍵技術

1.1LTE-V2X無線通信特點

LTE-V2X無線通信具有以下特點[10]：

（1）低延時高可靠通信

在V2X場景中，通信系統內個體處于高速移動狀態，導致多普勒頻移嚴重，無線傳播環境復雜且快時變，網絡拓撲具有高度動態性。LTE-V2X依托現有LTE蜂窩通信系統，對物理層、資源分配、同步等關鍵技術進行改進，具備低延時高可靠的通信能力。

（2）遠距離數據傳輸可靠性高

相比于IEEE802.11p采用的多跳中繼進行遠距離數據傳輸的方式，LTE-V2X采用基站與云端服務器連接的方式傳輸遠距離數據，可以有效避免中繼節點的影響，提高遠距離數據的可達性。

（3）非視距場景傳輸可靠性高

由于利用了基站轉發數據的方式進行通信，且基站天線架設高度一般較高，因此LTE-V2X可以很好地支持非視距場景，提高非視距場景下數據傳輸可靠性。

（4）網絡建設和維護成本低

由于是基于LTE蜂窩網絡發展而來的，因此LTE-V2X可以在進行網絡部署時在現有設備上升級擴展，方便快捷地實現LTE-V2X的網絡建設，同時也可以利用現有商用網絡進行安全證書的更新和設備的維護。

由此可見，LTE-V2X能夠最大程度利用已部署網絡等資源，具有部署成本低、網絡覆蓋廣的優勢，并且在密集的環境下具有更遠的通信距離、更大的容量、更佳的非視距通信性能和擁塞控制能力。

1.2工作模式

LTE-V2X針對車輛通信定義了直通模式和蜂窩模式兩種通信模式。直通模式是指車輛之間的直接通信。這種模式引入設備到設備（D2D）PC5接口，采用V2X專用頻段，可以使鄰近的終端在近距離范圍內無需中心節點就可進行通信，從而實現車、路、人之間的短距離直連通信，有效達成V2X通信終端之間的低時延、高可靠傳輸，保證車輛安全駕駛。直通模式適合蜂窩網絡覆蓋有限的環境，但需要有良好的資源配置及擁塞控制算法。蜂窩模式使終端和基站通過5G空口（Uu）接口通信，工作在傳統移動通信授權頻段，由基站負責資源集中分配與數據轉發，以具備集中控制、資源調度、統一協調的功能，可顯著提高LTE-V2X的接入能力和組網效率。兩種模式的協同工作、優勢互補，可以使車輛在不同場景中實現低延時、高可靠通信[11]。

1.3物理信道設計

LTE-V2X采用單載波頻分多址接入技術，可以有效降低峰均功率比，在相同功放情況下有更大的發射功率。LTE-V2X在頻域上支持10～20MHz的可變帶寬，物理信道設計為子幀、資源塊和子信道。在LTE-V2X中，如果繼續使用傳統蜂窩通信的幀結構，車輛的高速移動和高頻段工作造成的多普勒頻偏就會對信道估計產生嚴重影響，因此需要對幀結構進行增強設計。如圖1所示，每個子幀長度為1ms，包含14個正交頻分復用調制（OFDM）符號。其中，第一個符號用于自動增益控制（AGC），最后一個符號作為保護間隔（GP）。將原本子幀中的2列解調參考信號（DMRS）增加到4列，能夠有效處理典型高速場景高頻段的信道檢測、估計與補償[12]。資源塊是分配給用戶的最小時頻資源，在時域上占1ms，在頻域上占180kHz，并包含了12個子載波，是所有控制信令和數據信息的基本單元。子信道是具有相同子幀的資源塊的組合，用于傳輸數據信息和控制信息兩種信息。這兩種信息被安置在同一子幀內，以達到降低時延的目的。

1.4資源調度

LTE-V2X支持Mode3和Mode4兩種資源分配方式。合理進行資源調度可以有效避免資源碰撞，提高通信的可靠性。Mode3基于Uu接口，由基站對資源集中控制。用戶需要在通信前向基站發送資源分配請求，基站根據用戶的地理位置和資源利用情況將資源分配給用戶。Mode3是一種基于終端地理信息的半持續調度方式。Mode4是基于PC5接口的“感知+預約的半持續調度”的方案，如圖2所示。此方案充分利用V2X業務的周期性特點。終端會自行選擇子信道接入，在資源池中感知資源占用情況。在選擇合適的資源后，終端會在這些資源上周期性地發送一定次數，直到觸發資源重選。Mode4的資源分配過程不需要基站參與，是一個完全自組網的方案，既可以承載周期性的V2X業務，又可以利用對資源狀態的感知以避免沖突，提高資源利用率和傳輸可靠性[10]。

2典型場景庫分類

根據調研，V2X通信主要涉及11個場景：城區直道、城區彎道、城區路口、城區環島、高速直道、高速彎道、隧道、路塹、地上停車場、地下停車場、三岔路口。

各場景參數如表1所示。表中同時給出了各場景的示意圖。

3信道測量與特性分析

無線信道是無線通信系統設計的基礎，會在很大程度上影響通信的性能。準確認識V2X信道特點是研究V2X通信的首要問題。信道測量是無線信道傳播特征統計和參數提取的前提，有助于充分了解所關注場景的信道特性。為了測量LTE-V2X信道并分析其特性，本文研究組在上海臨港智能網聯汽車綜合測試示范區開展了實地測量工作。

3.1測試方案

外場測試地點為上海臨港智能網聯汽車綜合測試示范區。選擇了上述11個典型場景進行測試。測試系統如圖3所示，基本參數配置如表2所示。

在外場測試中，要保證所使用的頻段無其他頻率干擾，收發信機之間要保持同步。發射端采用多載波信號序列作為探測信號，接收端使用頻譜儀聯調。測試過程中，還需要用全球定位系統（GPS）軌跡記錄儀記錄車輛的行駛狀態，便于后續的數據分析與處理。圖4給出了V2I高速直道場景與V2I城區直道場景下的測試實景圖。

3.2測試結果展示與分析

下面選擇V2I高速直道場景與V2I城區直道場景進行路徑損耗的對比，如圖5所示。

本文研究組采取最小二乘法對實測路損進行擬合，并與自由空間路徑損耗模型、WINNER模型對比，得到了較好的擬合效果。經計算得知，V2I與V2V的路損值分別為2.27與2.67。城區直道路損值較大，這主要是因為城區直道環境反散射體較多，信號經過反射的次數也較多。

在對V2I高速直道場景有效徑數進行分析后得到，平均有效徑數為1.81，如圖6所示;而V2I城區直道場景的平均有效徑數為2.87，明顯多于高速直道場景。這主要是因為城區場景下較多的反散射體使得發射信號在到達接收信號前發生了更多次的反射，從而產生了更多的多徑。

從圖7中可以看出，V2I高速直道場景的多普勒功率譜存在快變特性。發生此快變的位置均為收發端距離最近的位置，且存在一定程度的多普勒擴展。

經過對測試數據的分析，我們初步得出以下結論：對于大尺度衰落，V2V場景下的路徑損耗指數大于V2I場景下的;對于小尺度衰落，V2V場景的有效多徑數大于V2I場景下的，且對向行駛場景大于同向行駛場景;無論是V2V還是V2I，不同的測試場景得到的結果均有較大差異，需要對每個測試場景進行深入分析。

4結束語

本文從C-V2X的全球發展態勢出發，介紹了LTE-V2X的關鍵技術、面臨的挑戰，詳細描述了本文研究組在上海臨港智能網聯汽車綜合測試示范區開展的實地測試工作，給出了相應的測試方案，并分析了測試結果。C-V2X作為中國車聯網產業發展的關鍵技術，必將推動中國汽車產業、智能交通等領域的改革創新。由于目前C-V2X無線通信場景的實地測試較少，我們希望本文起到拋磚引玉的作用，以所做的測試為行業同仁開展相關工作提供參考，為車聯網產業在中國的大規模部署提供幫助。

致謝

本研究得到了北京交通大學樊圓圓和中國聯合網絡通信集團有限公司邱佳慧、林曉伯工程師的幫助，謹致謝意！

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作者簡介

蘇昭陽，北京交通大學電子信息工程學院在讀博士研究生;研究方向為車聯網通信、信道測量與建模。

劉留，北京交通大學電子信息工程學院教授、博士生導師;研究方向為電波傳播與無線信道建模、時變信道信號處理、5G關鍵技術、高鐵寬帶接入物理層關鍵技術等;主持國家自然科學基金、北京市自然科學基金等多項科研課題;2016年入選北京市科技新星;發表論文130余篇，申請專利30余項（授權20余項）。

馮毅，中國聯合網絡通信集團有限公司智網創新中心總監、教授級高工，享受國家級特殊津貼;長期從事通信行業網絡技術研究、建設規劃、產品創新研發工作;帶領團隊先后完成8項國際標準和9項中國標準;發表論文10余篇，10余項。