車聯網場景下的低時延高可靠通信技術研究

尤琪越

（浙江工商大學，浙江 杭州 310018）

0 引 言

隨著智能化和互聯化的快速發展，車聯網已經成為了當今社會的一個重要趨勢。在車聯網應用中，低時延和高可靠性的通信技術對保證行車安全、提升用戶體驗以及實現智能交通等方面具有重要意義。然而，目前車聯網通信技術面臨著多種挑戰，如復雜的信道環境、高速移動的車輛以及多個用戶同時使用等，這些因素都會對通信質量造成不利影響。因此，為了滿足車聯網的應用需求，研究低時延和高可靠性的通信技術非常必要。文章對車聯網場景下低時延和高可靠性通信技術的研究進行探討，以期推動車聯網技術的發展和應用。

1 車聯網場景下的低時延高可靠通信技術研究概況

1.1 車聯網場景下的低時延高可靠通信技術概述

車聯網（Vehicular Ad Hoc Network，VANET）作為智能交通系統（Intelligent Transportation Systems，ITS）的重要組成部分，具有廣闊的應用前景。由于車輛移動的高度不確定性和動態性，以及多路徑傳播和信號干擾等因素，車聯網通信存在時延高、可靠性差的問題[1]。因此，低時延高可靠通信技術成為車聯網通信領域的重要研究方向。該技術采用多種方法來優化車聯網通信的可靠性和響應速度。

協作通信是指利用車輛之間的中繼傳輸，通過多個車輛之間的協作來縮短數據傳輸的時延，并提高通信可靠性。信道編碼是指采用編碼技術來提高信號傳輸的可靠性，如Turbo 碼、低密度奇偶校驗碼（Low Density Parity Check Code，LDPC）等[2]。多小區切換則是針對車聯網場景特點，設計了一種基于多小區切換的通信機制，實現車輛與基礎設施之間的高效通信。車聯網不僅能提供多樣化的、各種服務質量（Quality of Service，QoS）的智能交通信息服務，還促進了汽車網絡化、智能化發展，如圖1 所示。

圖1 車聯網發展

低時延高可靠通信技術的特點包括：第一，具有低時延、高可靠性、高吞吐量等優勢；第二，適用于車聯網的多種通信場景，如車輛對車輛通信（Vehicle-to-Vehicle，V2V）、車輛對基礎設施通信（Vehicle-to-Infrastructure，V2I）等；第三，可以采用多種技術手段進行優化，如協作通信、信道編碼、調制解調以及天線設計等[3]。依據第三代合作伙伴計 劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）5G標準，車聯網是5G 低時延、高可靠通信（ultra-Reliable Low-Latency Communication，uRLLC）重要的應用場景，如圖2 所示。

圖2 3GPP 車聯網通信場景

1.2 車聯網場景下的低時延高可靠通信技術研究概況

我國的車聯網發展起步較晚，但近年來取得了快速進展。根據中國信息通信研究院發布的《2021年中國車聯網行業發展報告》，我國車聯網用戶規模超過1.5億人，車聯網產業市場規模超過1 500億元[4]。目前，我國的車聯網應用主要集中在智能交通、智能網聯汽車、車載信息娛樂等領域。

國外車聯網發展已經相對成熟，發展速度也非常快。根據互聯網數據中心（Internet Data Center，IDC）數據顯示，全球車聯網市場規模在2021 年已經達到了905 億美元，預計到2025 年將達到1.6 萬億美元[5]。歐洲和美國是全球車聯網市場的主要發展地區，歐洲車聯網應用主要集中于汽車導航、車輛遠程診斷、車聯網支付等領域，而美國車聯網應用主要涉及車輛安全、交通管理以及車載娛樂等領域。

2 車聯網場景下的低時延高可靠通信技術探析

2.1 車聯網通信技術的系統組成

（1）車輛通信網絡。這是車聯網通信技術的核心組成部分，包括車輛之間的通信網絡和車輛與道路基礎設施（如交通信號燈、路邊單元等）之間的通信網絡。車輛通信網絡可以采用多種技術，如專用短程通信（Dedicated Short Range Communication，DSRC）、LTE-V、5G-V2X 等，來實現低時延高可靠的通信。

（2）車輛通信節點。車輛通信節點是車輛通信網絡的重要組成部分，可以將車輛與車輛之間、車輛與道路基礎設施之間的通信聯系起來。車輛通信節點可以是車輛上的通信設備，也可以是道路基礎設施上的通信設備。

（3）車輛通信協議。車輛通信協議是車聯網通信技術的重要組成部分，可以確保車輛之間的通信順利進行。常用的車輛通信協議包括MAC 協議、網絡層協議、傳輸層協議等。

（4）車聯網應用系統。車聯網應用系統是車聯網通信技術的最終目的，可以利用車輛之間的通信來實現各種應用場景，如車輛安全、車輛診斷以及交通管理等。車聯網應用系統通常需要采用復雜的算法和模型來實現智能化的決策與控制。

表1 無線通信系統 MAC 技術類型

2.2 車聯網通信技術的系統運作方式

車聯網通信技術的系統運作方式可以大致分為以下3 個步驟[6]。

（1）數據采集和傳輸。車輛和道路基礎設施上的傳感器、攝像頭等采集到的數據，需要通過低時延高可靠的通信技術傳輸到車聯網應用系統。這個過程需要保證數據的實時性和可靠性，以便車聯網應用系統能夠及時獲取有價值的數據。

（2）數據處理和應用決策。車聯網應用系統對傳輸過來的數據進行處理、挖掘等，提取有價值的信息，然后根據復雜的算法和模型進行智能化的決策與控制。例如，車聯網應用系統可以分析交通流量、路況等信息，進行交通信號燈控制、車輛導航、車輛自動駕駛等決策。

（3）反饋控制。車聯網應用系統將決策結果反饋到車輛或道路基礎設施上，以實現對車輛和交通信號燈的控制。例如，在車輛自動駕駛場景下，車聯網應用系統可以控制車輛的速度和方向，確保車輛安全駕駛。此外，反饋控制還可以使交通信號燈和道路基礎設施更加智能化，以滿足城市交通管理的需求。

3 車聯網場景下的低時延高可靠通信技術應用研究

3.1 數據傳輸協議

車聯網網絡主要由車輛通信子系統、道路基礎設施子系統、云端平臺子系統和應用子系統組成。其中，車輛通信子系統是車聯網網絡的核心部分，實現了車輛之間的協同和信息交換。道路基礎設施子系統提供了車輛通信的基礎設施，包括道路邊緣設備、路側單元和基站等。云端平臺子系統則提供了數據存儲、處理和管理等功能。應用子系統則是車聯網的應用場景，包括了智能交通、智能駕駛、車輛管理等。

3.2 信道編碼

在車聯網中，信道編碼技術是確保通信數據可靠傳輸的關鍵技術之一。由于車聯網中通信環境復雜，容易受到多種干擾因素的影響，如信道衰落、多徑效應以及噪聲等，因此需要使用信道編碼技術來提高數據傳輸的可靠性。

目前，車聯網中常用的信道編碼技術包括卷積碼、RS 碼、Turbo 碼和LDPC 碼等。其中，卷積碼是一種常用的線性碼，具有簡單的結構和較好的譯碼性能，在低信噪比情況下表現良好，常被用來進行信道編碼。RS 碼是一種糾錯碼，能夠有效地處理通信中的隨機誤差。Turbo 碼和LDPC 碼是目前應用最為廣泛的編碼方式，它們的譯碼性能較為優秀，在高速數據傳輸和低信噪比環境下表現出色。

現以車輛自組網VANET 為例，來說明卷積碼及糾錯碼中Turbo 碼在車聯網中常用的信道編碼技術。在實際道路中，車輛之間需要進行實時通信來傳遞交通信息、行車狀態等信息。在車輛之間進行數據傳輸時，使用卷積碼將數據進行編碼，并將編碼后的數據發送給接收端車輛。在接收端車輛，使用相應的譯碼算法對接收到的信號進行譯碼，從而將原始的數據信息恢復。圖3 為Turbo 碼編碼。

圖3 Turbo 碼編碼

3.3 調制解調

調制解調技術對車聯網至關重要，可以將數字信息信號轉換成模擬信號，并將模擬信號傳輸到接收端進行解調，從而恢復出原始數字信號。車聯網中的調制解調技術主要應用于無線通信系統，如VANET、車載廣播以及ITS 等。

在車聯網中，常用的調制解調技術有2 種：單載波調制和多載波調制。單載波調制主要包括二進制相移鍵控、四進制相移鍵控等調制方式，而多載波調制則包括正交振幅調制、正交頻分復用等調制方式。這些調制方式各有特點，可根據不同的應用場景進行選擇。

現以VANET 為例來說明單載波調制在車聯網調制解調技術中的應用。在VANET 中，車輛之間需要進行實時通信，因此需要使用低延遲、高可靠的調制解調技術。正交相移鍵控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）調制方式可以滿足VANET 中的實時通信需求，因為它具有良好的抗噪聲性能和低誤碼率，且可以在較低的信噪比下工作。

3.4 天線設計

天線設計在車聯網中也是至關重要的，是無線信號從發送端發送到接收端的重要媒介。在車聯網中，天線設計主要應用于VANET、ITS 等無線通信系統中，以提高數據傳輸的可靠性和穩定性。

針對車聯網中的通信需求，天線設計技術主要需要考慮方向性、天線增益、頻段、極化方式、多徑干擾等。方向性和天線增益是天線設計的關鍵參數，可以決定信號傳輸的方向和強度。頻段決定了天線所適用的無線通信標準和協議，極化方式決定了天線接收和發送信號的傳輸方式，而多徑干擾則需要天線設計師考慮天線與周圍環境的交互，以降低信號的干擾和失真。

4 結 論

車聯網通信技術的發展對智能交通和智能化城市的建設至關重要。文章首先介紹了車聯網場景下低時延和高可靠性通信技術的含義及特點，并探討了該領域的研究進展。其次，討論了車聯網通信技術的系統組成及運作方式。最后，對數據傳輸協議、信道編碼、調制解調以及天線設計等方面的研究內容和應用進行詳細討論。該研究為進一步探討車聯網通信技術的基礎理論、通信算法和系統架構提供了經驗。