多信道傳播模型下C-V2X模式4通信建模與性能分析

高 紳，韓 恒，陳萬培，張 濤，楊欽榕

(揚州大學 信息工程學院，江蘇 揚州225009)

0 引言

車聯網(Vehicular Communication Networks，VCN)作為智能交通系統的一部分，能夠提高道路安全和交通效率。Cellular Vehicle-to-Everything(C-V2X)作為一種新興的、應用在車聯網領域上的通信技術，其主要目的是將移動車輛與其他終端或用戶進行信息連接[1]。3rd Generation Partnership Project(3GPP)發布R14標準規范支持基礎V2X通信的LTE標準的演進，這種演進通常包含C-V2X，Cellular V2X，LTE-V和LTE-V2X[2]。C-V2X與IEEE 802.11.p標準相比，C-V2X可以更好地支持車輛之間使用PC5接口的直連通信。R14版本引入2種新的專為Vehicular to Vehicular(V2V)通信設計的通信模式(模式3和模式4)，這2種模式與R12版本Device-to-Device(D2D)通信技術中的模式1和模式2有很大不同[3]。模式1和模式2使用LTE側鏈協議延長電池的使用壽命，而模式3和模式4兩種模式的提出背景是為了滿足V2X高可靠性、低延遲和網絡可伸縮性等方面的需求。在模式3中，蜂窩設備用于選擇并管理車輛用于V2V直接通信的無線資源。在模式4中，車輛可以在無任何蜂窩設備的支持下自主選擇和管理無線資源，滿足實際應用場景中對低延遲和高可靠性的要求，在無蜂窩網絡覆蓋的區域內，模式4與V2V的安全應用高度相關。

文獻[4-5]對模式3和模式4性能進行比較，發現在網絡覆蓋不穩定或無網絡覆蓋時，模式4仍為最好的通信模式選擇方案。文獻[6]通過實驗分析模式4資源分配的分組傳輸率，證實了模式4的資源分配算法比隨機資源分配方式具有明顯的性能優勢。在文獻[7]中將模式4與受控資源分配方案進行比較。實驗結果表明，在一定距離內，模式4的資源分配方式更優。文獻[8]將模式4自主資源分配與多種資源分配方案進行比較，研究不同方案下的資源分配阻塞率和錯誤率。文獻[9]提出使用組合馬爾科夫鏈分析模型來評估C-V2X不同調度方案的性能。文獻[10]對C-V2X模式3進行建模分析，并將其與IEEE 802.11.p進行可擴展性比較。值得注意的是，以上研究大都關注模式4資源分配算法與不同資源分配方案的性能比較，且都是建立在簡單的仿真環境中。文獻[11-12]詳細分析了LTE-V模式4在高速公路場景中不同行駛速度下的性能，但研究方法仍局限于特定的幾個方面以及單個或少量的參數上。

分析模型作為一種重要的評估工具，可提供各種參數和條件下的性能信息[13-14]。為了克服以往工作在分析模型上的不足，本文借鑒文獻[6]提出的半雙工傳輸引起的錯誤、接收信號功率低于檢測功率閾值引起的錯誤、傳播效應引起的錯誤和分組沖突引起的錯誤這4種不同類型的C-V2X模式4性能分析參數，使用數學公式量化這4種性能分析參數，結合傳輸功率水平、傳輸信道模型和調制和解碼方案等傳輸參數，設計更為完備的分析模型，探索參數的影響并通過調整參數來進一步提升性能的可能性和可靠性。

1 C-V2X模式4

1.1 物理層

C-V2X模式4使用單載波頻分多址技術(SC-FDMA)，支持10，20 MHz帶寬傳輸。每個信道劃分為子幀、資源塊和子信道3部分，其中子信道定義為同一子幀中的一組資源塊。每個用于傳輸數據和控制信息的子信道資源塊根據數據分組的大小和使用的調制和編碼方案的變化而變化。數據分組通過物理側鏈共享物理側鏈控制信道在傳輸塊中傳輸，而控制信息通過物理側鏈控制信道在側鏈控制信息中傳輸。傳輸塊包含一個完整的數據分組(如信標或合作意識信息)，可以占用一個或幾個子信道，并且與其關聯的側鏈控制信息必須始終在同一子幀中傳輸。側鏈控制信息占用2個資源塊，該側鏈控制信息包括用于傳輸傳輸塊的調制和編碼方案、節點信息和已經用于半永久靜態傳輸的資源保留間隔等信息，其他節點只有正確接收側鏈控制信息才能夠接收和解碼傳輸塊。用于區分傳輸塊和側鏈控制信息傳輸的資源塊如圖1所示。

圖1 C-V2X：子幀、子信道、選擇和感知窗Fig.1 C-V2X:sub-frames,sub-channels,selection and sensing windows

1.2 基于感知的半靜態調度協議

在C-V2X模式4中，車輛可以在無蜂窩設備的幫助下自主選擇資源，為了實現這個目的，3GPP R14版本中使用基于感知的半靜態資源調度協議選擇子信道。車輛為選定的子信道預留了與重選計數器數量相等的連續傳輸的數據包。每當必須保留新的子信道，以及每100 ms發送一次數據包時，重選計數器就會在5～15隨機重新設置[12]，每次發送數據包后，重選計數器遞減1，當值為零時，以1-P的概率選擇是保留資源還是重新選擇資源。通常P可以設置為0～0.8的任意值，P值越高，表明車輛越有可能長時間保留其選定的資源。車輛選擇和保留資源所遵循的過程如下：

(1) 當必須選擇新資源時，車輛V必須在一個選擇窗口內預留新的資源，選擇窗口是數據包生成時間和定義的最大等待時間(≤100 ms)之間的時間窗口。在選擇窗口車輛V選擇想要保留的候選單子幀資源(Candidate Single-Subframe Resources，CSR)。

(2) 車輛V連續檢測感知T時刻之前的1 000子幀(如圖1所示)，此時，車輛V會創建一個列表L1，記錄包含以下2個條件的所有CSR：① 車輛V已經在感知窗口中正確接收來自另外一輛車的SCI，表明其他節點將利用該資源進行下一次傳輸；② 車輛V排除資源塊RB上的平均參考信號接收功率(Reference Signal Received Power，RSRP)測量值高于給定閾值的資源。RSRP為可配置的參數。執行步驟②后，L1必須在選擇窗口中至少包含20%的選擇窗口資源總戶數。如果不是，則迭代執行步驟②，直到實現20%的目標，并且在每次迭代中RSRP閾值增加3 dB。

(3) 車輛V創建候選列表L2，其中包括L1中低于平均接收信號強度指示(Received Signal Strength Indicator，RSSI)的資源，車輛V隨機選擇列表L2中一個CSR，根據帶寬分配資源計數器，并將其保留用下一次重選計數器傳輸。

2 分析模型參數

C-V2X模式4的操作和性能取決于文中的一組參數。本節討論這些參數，并說明它們對C-V2X的操作和性能的相關性和影響。

2.1 傳輸錯誤

文獻[6]提出了4種不同類型的C-V2X傳輸錯誤：半雙工傳輸引起的錯誤δHD、接收信號功率低于檢測功率閾值引起的錯誤δSEN、傳播效應引起的錯誤δPRO和分組沖突引起的錯誤δCOL。建立分析模型，假設車輛Vt是發送方，車輛Vr是接收方，2車之間的距離為dt,r，可以認為，如果不出現任何已知的錯誤類型(上述4種錯誤模型)，則車輛Vr可以正確接收數據分組。由于錯誤具有排他性，使用分組傳輸率PDR描述這種可能性：

PDR(dt,r)=(1-δHD)·(1-δSEN(dt,r))·

(1-δPRO(dt,r))·(1-δCOL(dt,r))，

(1)

歸一化后，PDR可以表示為：

(2)

式中，

(3)

(4)

(5)

(1-δPRO(dt,r))·δCOL(dt,r)，

(6)

(7)

(8)

2.1.1 半雙工傳輸引起的錯誤δHD

由于半雙工效應，2個車輛節點有一定的概率選擇相同的子幀來傳輸TB，會導致接收車輛無法接收TB，該概率取決于2個車輛節點每秒傳輸的數據包數量λ：

(9)

2.1.2 接收信號功率低于檢測功率閾值引起的錯誤δSEN

考慮路徑損耗和陰影對信號衰落的影響，以及陰影衰落符合正態分布，那么接收信號功率Pr也符合正態隨機分布，使用均值為0且方差為σ的對數正態隨機分布對收信號功率Pr進行建模?？紤]路徑損耗和陰影對信號衰落的影響，接收信號功率Pr可以表示為：

(10)

式中，Pt為發射功率；PL為路徑損耗；PSH為陰影，因為陰影衰落是符合正態分布的，且發射節點和接收節點距離給定處,PL為定值，那么Pr整體也符合正態分布的。使用均值為0且方差為σ的對數正態隨機分布對其建模，則接收信號功率的概率分布函數(PDF)可以表示為：

(11)

則δSEN為：

(12)

式中，PSEN為檢測功率閾值。把式(10)帶入式(12)，則：

(13)

式中，Pt為發射功率；PL為路徑損耗；PSH為陰影；erf為錯誤函數。

2.1.3 傳播效應引起的錯誤δPRO

當接收的數據分組的信噪比低于感知信噪比閾值，會造成接收節點無法正確解碼的錯誤，這種類型的錯誤只源于傳播效應。該錯誤的產生取決于傳輸功率、檢測功率閾值、噪聲、傳輸距離和調制編碼方案MCS[1]。在發射節點和接收節點距離給定的情況下，信噪比是常數，因此信噪比遵循和陰影相同的隨機正態分布，假設接收節點的信噪比是一個隨機變量(跟節點之間的距離有關)，單位dB，表示為：

(14)

式中，n0為噪聲功率。由式(10)可知，式(14)可以表示為：

(15)

同理，在發射節點和接收節點距離給定處，PL為定值，因此SNR遵循和陰影相同的隨機分布。則SNR的概率分布函數可以表示為：

(16)

則δPRO可以表示為：

(17)

當Pr

2.1.4 分組沖突引起的錯誤δCOL

在實際信號傳播場景中，由于其他車輛的干擾(信號功率與干擾和噪聲的比值(SINR)不足)/碰撞(同一資源在相同子幀或相同子信道上傳輸)，導致接收節點無法正確接收來自發射節點的數據分組，這種分組沖突引起的錯誤主要取決于C-V2X模式4的SPS方案的配置和操作，以及傳輸參數、傳播、發射節點和接收節點之間的距離以及交通密度[6]。假設接收節點車輛接收到的其他車輛干擾信息等效于附加噪聲，則接收節點的SINR表示為：

(18)

式中，di,r為干擾節點和接收節點之間的距離；Pi為接收節點接收到的其他車輛干擾信息功率。SINR概率分布函數fSINR,dt,r(p)為：

(19)

則pinterfere表示為：

(20)

(21)

式中，

(22)

τ為每個車輛必須使用同一資源進行傳輸的平均數，PSR(dt,i)=1-δSEN為分組檢測速率，則PSR(dt,i)可以表示為：

(23)

則δCOL可以表示為：

(24)

式中，pinterfere為干擾車輛在接收節點上產生的干擾大于檢測功率閾值的概率；psome為發射節點和接收節點使用同一資源傳輸的概率。

2.2 傳輸功率

傳輸功率顯著影響通信范圍和車輛產生的干擾。原則上在信道負載較高時增加發射功率，在信道負載均衡時或者不高時降低發射功率是合理的。事實上，較低的低傳輸功率在一定程度上可以減少分組沖突發生的可能性，降低分組沖突引起的錯誤δCOL。然而，降低傳輸功率會降低通信范圍和減少接收方與發射機的通信距離。

2.3 調制和編碼方案

C-V2X使用QPSK、16-QAM調制方式和Turbo碼編碼方案傳輸傳輸塊，而合適的調制和編碼方案(Modulation and Coding Scheme，MCS)對于車對車或者車對多點通信系統至關重要，調制和編碼方案能夠確保整個通信系統具有最佳的系統容量和較高的魯棒性[12]。因此，MCS的頻譜效率(SE)計算如下：

(25)

式中，S為數據包的大小；R為數據包的發送方式；N為接收端用戶數量；BW為分配帶寬。為了使通信系統具有較高的傳輸魯棒性，MCS需要較低的頻譜效率。不同編碼方案、同一編碼方案使用不同的編碼速率所帶來的頻譜效率是不同的，C-V2X使用不同的調制方式，就會存在不同C-V2X系統容量和魯棒性方面的差異。

2.4 信道模型

蜂窩網絡的信道傳播模型具有多樣性，而對C-V2X信道傳播模型的研究還處于探索階段。文獻[6]指出傳播效應引起的錯誤δPRO和分組沖突引起的錯誤δCOL與信號的傳播信道類型高度相關，信號經過不同傳播模型，對應不同路徑損失，其δPRO，δCOL表現出差異。為了驗證分析模型，本文只考慮以下大范圍傳播信道模型，考慮路徑損失疊加、陰影和多徑效應對信號衰減的影響。

2.4.1 two-ray信道模型

在真實場景，車輛Vt和Vr在移動過程中，會存在2條信號傳播路徑，一條是車輛間的直接傳播路徑，另一條是路面反射路徑。因此考慮two-ray干擾模型是很有必要的，其路徑損失PL計算過程如下：

(26)

(27)

式中，HTx，HRx分別為車輛Vt和Vr的天線高度；d為車輛Vt和Vr之間的距離；dc為車輛Vt和Vr之間交叉距離，計算如下：

(28)

2.4.2 WINNERII信道模型

使用WINNERII信道模型可以進行通信系統在鏈路水平和系統層面的仿真，WINNERII信道模型包含14種信號傳播場景，例如室內辦公廳、城市微小區和室內外等。不同場景的延遲是不一致的。本文考慮車輛在城市和郊區2種運動場景。城市場景分析使用WINNERII B1信道模型，郊區場景使用WINNERII D1信道模型。WINNERII B1信道模型的路徑損失計算如下：

PL=22.7lg(dt,r)+20lg(fc)，dt,r

(29)

PL=40lg(dt,r)+7.56-17.3lg(dt,r)×(HTx-Eh)-

17.3lg(HRx-Eh)-2.7lg(fc)，dt,r≥dBP，

(30)

式中，dt,r為車輛Vt和Vr之間的距離；fc=5.9 GHz；HTx，HRx分別代表車輛Vt和車輛Vr的天線高度；Eh為環境高度；dBP為breakpoint距離，其計算過程如下：

(31)

式中，c=3×108m/s

WINNERII D1信道模型的路徑損失計算如下：

PL=21.5lg(dt,r)+20lg(fc)，dt,r

(32)

PL=40lg(dt,r)+10.5-18.5lg(HTx)-18.5lg(HRx)+

1.5lg(fc)，dt,r≥dBP。

(33)

2.4.3 3GPP信道模型

在3GPP R15版本標準中提出新的信道模型，將路徑損耗劃分為視距(LOS)和非視距(NLOS)2種情況，根據其建議，仿真時采用LOS場景下的路徑損耗計算公式：

(34)

在路徑損失的具體計算過程中，還需要考慮陰影的值，在LOS情況下，同樣服從對數正態分布，標準差為3 dB。NLOS情況下，陰影同樣服從對數正態分布，此時的標準差為4 dB。本文是在LOS情況下分析模型性能，故采用標準差為3 dB的設置。

3 模型驗證

本文使用Matlab2019a搭建實驗分析模型，將仿真結果與文獻[15]中通過仿真器模擬得到的結果進行比較，先驗證分析模型的準確性和可靠性。車輛以λ=10 Hz傳輸數據分組，傳輸功率分別為Pt=20 dBm，Pt=23 dBm，使用QPSKr=0.5，QPSKr=0.7，16-QAMr=0.5和16-QAM more[15]四種信號調制與編碼方案。表1總結了驗證所考慮的主要參數，這些參數的設置遵循3GPP C-V2X模式4評估指南[16-17]。

表1 仿真參數設置

3.1 性能評估標準

本文采用分組傳輸率PDR和平均絕對離(偏)差(Mean Absolute Deviation，MAD)2組參數量化評估模型性能。由式(1)可知，PDR表示一定通信范圍內接收節點無差錯成功正確接收的數據分組可能性。而MAD用來比較分析模型仿真結果和仿真器模擬結果之間的平均絕對誤差，使得二者之間的差異可視化。PDR和MAD的計算過程偽代碼見算法1。

3.2 分析驗證

根據算法1可以計算出不同傳輸功率、不同MCS、不同信道模型下不同傳輸距離的PDR和MAD。從上述對不同傳輸參數對通信性能可能引起的錯誤進行的分析可以發現，不同的傳輸參數可能共同導致錯誤的發生，為了簡化問題，本文采用組合交叉分析的方式，在同一維度下，分析在相同傳輸功率、相同MCS等仿真參數下的不同信道模型的PDR分析結果。

圖2分析了不同信道模型下，仿真參數設置為Pt=20 dBm，λ=10 Hz，β=0.1，每子幀信道數為2時的不同編碼和調制方案時PDR(虛線)分析結果，與仿真器模擬的PDR(實線)結果之間的差異。仿真結果表明，在發射功率、傳輸速率和車輛密度等仿真參數相同時，不同信道模型在同一MCS與同一MCS在不同信道模型下的PDR的結果與仿真器模擬的PDR結果存在差異，這種差異主要是由路徑損耗PL帶來的。從圖2中可以看出，信道傳播模型和MCS對信號的廣播性能影響較大，PDR隨著傳播距離的增加而減少。WINNERII B1信道模型在MCS為16-QAM more，QPSKr=0.5和QPSKr=0.7的PDR分析結果更為匹配仿真器模擬的PDR結果，這一定程度佐證了分析的準確性和可靠性。而3GPP信道的PDR隨著傳播距離的增加而減少的趨勢較其他3種信道模型而言更為緩慢，WINNERII D1信道的PDR隨著傳播距離的增加而減少的趨勢較其他3種信道模型而言更為明顯。

在不同信道模型下，仿真參數設置為Pt=23 dBm，λ=10 Hz，β=0.1，每子幀信道數=2時，不同調制和編碼方案PDR(虛線)分析結果與仿真器模擬的PDR(實線)結果之間的差異如圖3所示。從圖3(a)中可以看出，在MCS為16-QAMr=0.5時，不同信道模型的PDR結果與仿真器模擬的PDR結果之間存在很大的差異，隨著傳播距離的增加，各信道模型的PDR減少趨勢更為明顯，與仿真器模擬值之間的差值變大，這樣的減少水平會損害系統的穩定性和可擴展性。WINNERII B1信道模型在MCS為QPSKr=0.7的PDR分析結果更為匹配仿真器模擬的PDR結果。

由圖2和圖3可以看出，不同傳輸功率下，模型的PDR是不同的，Pt=23 dBm的PDR隨著傳播距離的增加而下降，明顯弱于Pt=20 dBm。一定程度上，WINNERII B1信道模型的PDR比其他3種信道模型更為匹配仿真器模擬的PDR結果，誤差也最小。在Pt=23 dBm和Pt=20 dBm，MCS為QPSKr=0.7時，WINNERII B1信道模型的PDR更為匹配仿真器模擬的PDR結果。

(a) Pt=23 dBm，16-QAM r=0.5

表2～表5分析了模型的準確性。這些表格使用MAD度量了不同信道模型在不同傳輸功率和不同MCS下的PDR和4種不同傳輸錯誤。從表中的數據可以看出，與通過模擬獲得的預測數據相比，對于同一傳輸功率和同一MCS，不同傳輸功率和同一MCS，WINNERII B1信道模型的分析數據誤差低于其他3種信道模型，在許多情況下，誤差大于1%，而two-ray信道模型表現最差。在Pt=20 dBm，MCS為QPSKr=0.5時，WINNERII B1信道模型的分析數據與通過仿真獲得數據之間的差距最小，更為貼近仿真數據。半雙工傳輸引起的錯誤δHD所占的比例最小，且跟傳輸功率無關。傳播效應引起的錯誤δPRO所占比例較大，不同信道模型在同一傳輸功率和同一MCS、不同傳輸功率和不同MCS下的δPRO平均相差不到0.05%。組沖突引起的錯誤δCOL占比最大，由于C-V2X模式4采用基于感知的半靜態調度協議，可以認為基于感知的半靜態調度協議存在明顯的資源碰撞。

表2 PDR和4種不同類型錯誤的MAD(Pt=20 dBm，Pt=23 dBm,QPSK r=0.7)

表3 PDR和4種不同類型錯誤的MAD(Pt=20 dBm，Pt=23 dBm，QPSK r=0.5)

表4 PDR和4種不同類型錯誤的MAD(Pt=20 dBm，Pt=23 dBm，16-QAM r=0.5)

表5 PDR和4種不同類型錯誤的MAD(Pt=20 dBm，Pt=23 dBm，16-QAM more)

4 結束語

本文提出了多信道模型下C-V2X模式4的通信性能分析模型。對不同傳輸功率、不同信道模型和不同調制和編碼方案等傳輸參數結合傳輸過程中可能存在的4種錯誤進行建模分析。將分析模型獲得的結果與通過仿真器模擬獲得的結果進行比較。分析結果表明，分析模型能夠較為準確地模擬出C-V2X模式4的通信性能。信號在WINNERII B1信道模型不同實驗參數設置下分析得到的結果都更接近仿真模擬結果，驗證了分析模型的準確性和可靠性。結果還表明，基于感知的半靜態調度協議存在明顯的分組沖突，如果車輛需要頻繁地重新選擇資源，或者沒有充分利用保留的資源，這必然導致通信資源的損失，需要更為完善的資源分配方案，來提高C-V2X模式4的通信性能。