C-V2X和IEEE802.11p協(xié)議下高速公路V2V通信技術(shù)比較

摘要 在概述C-V2X和IEEE802.11p通信協(xié)議優(yōu)劣勢的基礎(chǔ)上，依托OMNET++和SUMO聯(lián)合仿真平臺，對不同車輛數(shù)目及運行速度影響通信性能的問題展開分析，并對C-V2X和IEEE802.11p通信協(xié)議的端到端時延、丟包率等進(jìn)行了比較研究。結(jié)果表明，C-V2X和IEEE802.11p通信協(xié)議均能滿足高速公路通信安全性方面的時延要求，但C-V2X在丟包率方面明顯較優(yōu)。

關(guān)鍵詞 C-V2X；IEEE802.11p；通信協(xié)議；高速公路；V2V

中圖分類號 U495 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）07-0024-03

0 引言

隨著車聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的迅猛發(fā)展，車輛也越來越智能。包括車輛與車輛、路邊設(shè)備等的彼此互聯(lián)以及對速度、位置、方向等信息共享在內(nèi)的V2X技術(shù)在緩解交通擁堵、事故預(yù)報、環(huán)境污染等方面較為適用。目前比較成熟的V2X標(biāo)準(zhǔn)是歐洲專用ITS-G5和美國專用DSRC，兩者均以IEEE802.11p技術(shù)為基礎(chǔ)。但I(xiàn)EEE802.11p技術(shù)缺乏性能保證，易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁堵，覆蓋范圍較為有限，實用性與應(yīng)用規(guī)模均受到較大限制。3GPP于2017年正式發(fā)布支持蜂窩網(wǎng)絡(luò)的C-V2X R14版本，該技術(shù)與5G移動技術(shù)實施部署完全兼容，技術(shù)優(yōu)勢也更為出眾，為更加安全高效及穩(wěn)定的車聯(lián)網(wǎng)通信提供了可能。為此，IEEE802.11p與C-V2X的比較也成為業(yè)內(nèi)頗為關(guān)注的熱點。通過分析現(xiàn)有研究成果，C-V2X會導(dǎo)致時延出現(xiàn)，但為遠(yuǎn)距離通信提供可靠保證的性能明顯優(yōu)于IEEE802.11p?；诖?，該文以O(shè)MNET++為環(huán)境平臺，結(jié)合SUMO和Veins對高速公路場景下C-V2X和IEEE 802.11p的V2V通信性能展開仿真分析，以驗證已有結(jié)論的準(zhǔn)確性，并為兩種通信協(xié)議在高速公路通信中的推廣應(yīng)用提供參考。

1 C-V2X和IEEE802.11p概述

1.1 C-V2X

C-V2X通信協(xié)議主要依托高速移動應(yīng)用設(shè)計技術(shù)，進(jìn)行了汽車應(yīng)用的專門優(yōu)化。3GPP的引入為C-V2X協(xié)議專門設(shè)計出兩種通信模式，具體見圖1。其中Mode3通信模式下車輛只能運行于eNodeB覆蓋范圍內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)督無線電資源的分配，而Mode4通信模式下無論車輛是否與網(wǎng)絡(luò)連接，均能自主選用無線電資源。該模式資源分配主要采用的是基于感知的半持續(xù)性調(diào)度算法，包括資源感知、可用資源選擇、重選資源等步驟。資源感知即監(jiān)測前1 000 ms內(nèi)車輛資源配置情況，并結(jié)合對接收信息強(qiáng)度閾值的設(shè)置，選擇可用資源；在可用資源中隨機(jī)選擇，以形成資源計數(shù)器；在每次廣播后將計數(shù)器值減1，直至扣減至0后通過重新選擇機(jī)制決定資源傳輸狀態(tài)[1]。

1.2 IEEE802.11p

該協(xié)議屬于車用環(huán)境所專用的無線通信技術(shù)，也是目前所公認(rèn)的最為成熟的C-V2X標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用經(jīng)驗較為豐富，但仍面臨些許挑戰(zhàn)。該協(xié)議在MAC子層上主要采用的是DCF層布式協(xié)調(diào)機(jī)制，并以載波偵聽多路訪問方式訪問信道，通過二進(jìn)制指數(shù)退避算法達(dá)到信道接入時間協(xié)調(diào)的目的，防止信息碰撞。在車輛發(fā)送數(shù)據(jù)前必須對信道空閑狀態(tài)實時監(jiān)聽，如果信道空閑，則即刻發(fā)出數(shù)據(jù)；如果信道忙碌，則在CW中選擇隨機(jī)數(shù)為退避計數(shù)器，且每監(jiān)聽到1個時隙，計數(shù)器便減1，到計數(shù)器減至0后退避過程結(jié)束，并發(fā)送數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)傳輸期間若與其余車輛碰撞，則可判定為競爭車輛數(shù)目增多[2]。基于商用視角，IEEE802.11p還面臨必須大量部署路邊設(shè)備以提供與V2N、V2I相關(guān)的速度警告、路線推薦等服務(wù)，進(jìn)而增加工程量及投資等方面的挑戰(zhàn)。

2 高速公路V2V通信仿真分析

NS3、OMNET++、OPNET等網(wǎng)絡(luò)仿真平臺各有利弊，結(jié)合分析要求，此處主要采用OMNET++仿真平臺，并結(jié)合SUMO與Veins構(gòu)建高速公路車聯(lián)網(wǎng)仿真分析場景，以比較分析IEEE 802.11p與C-V2X協(xié)議的通信性能。

2.1 仿真場景設(shè)計

該文基于OMNeT++網(wǎng)絡(luò)模擬器和SUMO道路交通模擬器構(gòu)建起無線通信場景庫。OMNeT++主要提供離散事件仿真環(huán)境，并在Tra CI中查詢并調(diào)度車輛運行狀態(tài)。在OMNeT++之上構(gòu)建Veins模塊，并借助交通管制模塊引入路邊節(jié)點和車載節(jié)點，同時依據(jù)SUMO場景下車輛信息組建通信網(wǎng)絡(luò)，對V2X通信展開模擬。Veins框架中未集成LET協(xié)議內(nèi)容，故在模擬Sumu LTE模塊時引入LET協(xié)議并和Veins橋接，保證能在Veins節(jié)點部署過程中應(yīng)用其所提供的LET協(xié)議展開相關(guān)通信模擬[3]。

2.2 Veins和OpenCV2X模塊

車載網(wǎng)絡(luò)仿真框架Veins主要依托OMNET++仿真平臺和SUMO交互運行的仿真事件，在對車輛間通信底層進(jìn)行詳細(xì)建模的基礎(chǔ)上，對仿真場景下車載節(jié)點通信展開模擬。Veins可對物理層和無線信道實施分組級模擬，準(zhǔn)確確定各分組是否能成功接收。Veins框架結(jié)構(gòu)見圖2。在OMNET++仿真平臺上以Veins框架為基礎(chǔ)展開車輛節(jié)點模擬開發(fā)，通過連接SUMO，得到車輛運行于道路場景的信息，并實時傳送至通信網(wǎng)絡(luò)；通過對路邊單元和車輛通信模擬，依據(jù)取得的車輛距離、建筑物遮擋等數(shù)據(jù)計算出通信丟包率，并衡量通信可行性。

OpenCV2X技術(shù)系統(tǒng)包含車載單元OBU、路測單元RSU、行人及基站eNB等，具體應(yīng)用時可采用集中式和分布式布置形式，前者通過廣域蜂窩式布局，后者則按照短程直通式蜂窩布局。在提供車載服務(wù)期間，OpenCV2X技術(shù)主要依賴Uu和PC5兩種接口形式實現(xiàn)通信。Uu接口通信形式主要在車載終端等設(shè)備支持OpenCV2X技術(shù)且位移蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋時適用，而PC5接口一般不受蜂窩網(wǎng)絡(luò)是否覆蓋的影響。

2.3 OMNet++仿真平臺

OMNet++屬于離散事件網(wǎng)絡(luò)仿真器，可為不同網(wǎng)絡(luò)及無線操作提供支持。在遵守3GPP仿真指南的基礎(chǔ)上設(shè)置仿真參數(shù)，構(gòu)建起車輛移動模型和通信模型，并為信道模型設(shè)置Nakagami衰落模型和Winner+B1 LOS路徑損耗模型[4]。

2.4 仿真方法

將Veins與OpenCV2X模塊導(dǎo)入OMNet++仿真平臺，通過編譯后在SUMO中構(gòu)建起場景，并將所生成的文件導(dǎo)入Veins，以廣播通信方式展開仿真，并保證應(yīng)用層頻率和發(fā)包方式的一致性。車輛運行期間必將向鄰車廣播運行狀況等自身信息，為防止仿真過程中同時廣播引發(fā)廣播風(fēng)暴，還必須在應(yīng)用層設(shè)計首次發(fā)包時設(shè)置1個隨機(jī)時延，以便錯開車輛發(fā)包時間，在此之后則直接按照250 ms的頻次展開發(fā)送。協(xié)議配置、仿真等相關(guān)參數(shù)均采取ini格式，參數(shù)取值詳見表1。

3 仿真結(jié)果

該文著重采用丟包率和端到端時延展開高速公路場景下C-V2X和IEEE802.11p通信性能的比較，為保證數(shù)據(jù)的隨機(jī)性和結(jié)果的可靠性，展開10次不同隨機(jī)種子仿真試驗計算典型性能，并取平均值。

3.1 丟包率

通信過程中所丟失數(shù)據(jù)包數(shù)量在所應(yīng)接收數(shù)據(jù)包數(shù)量中的占比即為丟包率，按下式確定：

PDR=RP/（RP+DP） （1）

式中，PDR——丟包率；RP——通信過程中所丟失數(shù)據(jù)包數(shù)量；DP——通信過程中所應(yīng)接收數(shù)據(jù)包數(shù)量。

通過圖3中對高速公路場景下C-V2X和IEEE802.11p丟包率的比較看出，隨著車輛數(shù)量的增多，丟包率呈增大趨勢，在車輛數(shù)量不超出80輛時C-V2X的丟包率低于IEEE802.11p，IEEE802.11p的丟包率最大達(dá)到50%，而C-V2X的丟包率最大僅為30%；當(dāng)車輛數(shù)量超出80輛時，兩者丟包率基本趨于一致。根據(jù)比較結(jié)果，C-V2X和IEEE802.11p協(xié)議均體現(xiàn)出較好的高速適應(yīng)性能，運行速度的增大對丟包率基本無影響。

在車輛數(shù)量較少的情況下，通信網(wǎng)絡(luò)基本呈稀疏狀態(tài)，因為車輛間距遠(yuǎn)，噪聲干擾信道引發(fā)路徑損耗，衰落引起誤碼等均增大丟包發(fā)生的可能；而當(dāng)車輛數(shù)量增多后，通信網(wǎng)絡(luò)便呈擁堵狀態(tài)，因車輛無法感知通信隱藏節(jié)點，資源傳輸競爭增大等所引發(fā)的信息碰撞同樣使丟包率增大。IEEE802.11p通信協(xié)議中缺乏防碰撞機(jī)制，車輛數(shù)據(jù)的發(fā)送只能在信道空閑時進(jìn)行，如果信道忙碌，只能等待；在傳輸期間如果與其余車輛節(jié)點發(fā)生碰撞，便會進(jìn)入退避狀態(tài)。以上情況會在節(jié)點數(shù)量增多時愈發(fā)嚴(yán)重。而C-V2X通信協(xié)議中車輛節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)前會獲取前1 000 ms內(nèi)所接收到的數(shù)據(jù)信息，在排除資源占用的同時，便于展開傳輸資源的隨機(jī)選擇，有效避免資源沖突，即使在網(wǎng)絡(luò)擁堵和信道忙碌狀態(tài)，也能確保數(shù)據(jù)可靠傳輸。

3.2 端到端時延

高速公路通信領(lǐng)域，數(shù)據(jù)從發(fā)送端發(fā)出到接收端接收所需要的時間即為端到端時延，可通過下式計算：

D=T1?T2 （2）

式中，D——端到端時延；T1——數(shù)據(jù)到達(dá)接收端的時間；T2——數(shù)據(jù)發(fā)送的時間。根據(jù)圖4中結(jié)果可以看出，IEEE802.11p的車輛端到端時延基本維持在0.24 ms；而C-V2X的車輛端到端時延則位于50～55 ms之間；此外，兩種技術(shù)下車輛端到端時延分布均較為集中，受車輛數(shù)量和運行速度的影響不大。

按照道路交通安全法及實施條例的相關(guān)規(guī)定，假定機(jī)動車運行速度為100 km/h，與前車保持100 m的車距，則剎車距離應(yīng)按下式確定：

S=V2/2gμ （3）

式中，S——剎車距離；V——車輛實際運行速度；g——重力加速度，取9.8 m/s；μ——摩擦系數(shù)，取0.8。將相關(guān)參數(shù)取值代入式（3）可以得出剎車距離為46.50 m，加上考慮延時的0.805～1.055 s的反應(yīng)時間后，100 km/h車速下制動距離為75 m，未超出100 m的限制間距。在端到端時延的影響下車輛會前行1.5 m，比剎車距離小，故C-V2X的50～55 ms的時延能滿足通信安全要求。

通過以上對C-V2X和IEEE802.11p通信協(xié)議下端到端時延及丟包率的仿真分析看出，IEEE802.11p通信協(xié)議時延小，但C-V2X丟包率較低，對于車輛數(shù)目較少的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境而言，IEEE802.11p通信協(xié)議更為適用，而對于車輛密集的公路場景，C-V2X雖然會造成一定延遲，但數(shù)據(jù)傳輸更為可靠，網(wǎng)絡(luò)性能也更好。

4 結(jié)論

綜上所述，該文依托OMNET++仿真平臺對高速公路場景下IEEE802.11p和C-V2X通信協(xié)議性能展開比較，結(jié)果表明，IEEE802.11p協(xié)議下端到端時延基本維持在0.24 ms，丟包率較高；而C-V2X協(xié)議端到端時延長，丟包率則在30%以下。兩個通信協(xié)議各有利弊，但從我國當(dāng)前高速公路通信長期發(fā)展趨勢及要求看，C-V2X協(xié)議能更好地保證V2V通信的實施，并能為車輛擁堵網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的可靠傳輸提供保障。

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