高負(fù)載場(chǎng)景中考慮噪聲及隱藏終端的C-V2X 模式4 性能分析

摘 要：為深入探究基于蜂窩通信的車聯(lián)網(wǎng)（C-V2X）模式4在高負(fù)載場(chǎng)景中的數(shù)據(jù)傳輸性能，提出了一個(gè)綜合考慮隨機(jī)噪聲、隨機(jī)陰影衰落及隱藏終端影響的數(shù)據(jù)傳輸分析模型。建立了一個(gè)融合噪聲與陰影衰落的雙重隨機(jī)信噪比和信干噪比模型，并采用Cauchy分布對(duì)該模型進(jìn)行求解；推導(dǎo)出數(shù)據(jù)傳輸過程中4種典型錯(cuò)誤概率的解析式，揭示噪聲、陰影衰落與數(shù)據(jù)沖突之間的耦合關(guān)系；基于4種錯(cuò)誤類型，進(jìn)一步構(gòu)建集噪聲、陰影衰落和隱藏終端影響于一體的數(shù)據(jù)包傳輸成功率（PDR）解析模型; 最后，利用數(shù)值仿真深入分析影響通信效率的關(guān)鍵參數(shù)，并探討各個(gè)參數(shù)對(duì)PDR的影響規(guī)律。結(jié)果表明：在高噪聲、高移速、高負(fù)載環(huán)境下，PDR較前期文獻(xiàn)降低了16.7%，驗(yàn)證了隨機(jī)噪聲和隱藏終端對(duì)通信造成的不良影響。

關(guān)鍵詞： 蜂窩通信的車聯(lián)網(wǎng)（C-V2X）模式；雙隨機(jī)信噪比模型；Cauchy 分布；數(shù)據(jù)包傳輸成功率（PDR）

中圖分類號(hào)： TN 929.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A DOI： 10.3969/j.issn.1674-8484.2024.06.016

蜂窩車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（cellular vehicle-to-everything，C-V2X） 作為一種基于蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的新型車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)、通信、電子傳感器和人工智能等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車輛節(jié)點(diǎn)與其他所有對(duì)象（ 包括其他車輛、基礎(chǔ)設(shè)施、行人和網(wǎng)絡(luò)） 之間的信息傳輸和無線通信，極大地提升了智能交通系統(tǒng)的安全性、高效性和可靠性[1]。2016 年，3GPP 在R14 版本中發(fā)布了長期標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)（long term evolution，LTE），在該標(biāo)準(zhǔn)中引入了模式3 和模式4 [2]。其中，模式4 采用了分布式資源調(diào)度機(jī)制實(shí)現(xiàn)車輛間的直接通信，支持復(fù)雜多變的應(yīng)用需求，使通信過程更加靈活和高效，極大地滿足了通信需求。此外，模式4 減少了車輛對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的依賴，確保即使在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)較差或網(wǎng)絡(luò)覆蓋薄弱的區(qū)域，車輛之間也能保持穩(wěn)定的通信[3-4]。因此，該技術(shù)在車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域具有極其廣泛的應(yīng)用前景。

盡管C-V2X 模式4 通信技術(shù)具有許多優(yōu)勢(shì)，但在信道高負(fù)載場(chǎng)景下，它仍面臨著噪聲和隱藏終端的挑戰(zhàn)。在高負(fù)載場(chǎng)景下，隨著信道中傳輸數(shù)據(jù)的增加，噪聲對(duì)信號(hào)的影響會(huì)變得更加顯著，這不僅導(dǎo)致通信質(zhì)量的下降，還提高了誤碼率，造成數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤大幅上升。同時(shí)，隱藏終端的存在加劇了數(shù)據(jù)包的沖突與重傳現(xiàn)象，進(jìn)一步降低了網(wǎng)絡(luò)的吞吐效率并增加了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。這些因素的共同作用，可能導(dǎo)致通信鏈路的不穩(wěn)定性，甚至在極端情況下可能出現(xiàn)通信鏈路斷裂情況，增加了通信時(shí)延，從而妨礙車輛的即時(shí)決策和行動(dòng)，對(duì)道路交通安全構(gòu)成潛在風(fēng)險(xiǎn)。而現(xiàn)有研究工作對(duì)此類現(xiàn)象的探討較少。因此，深入研究信道高負(fù)載場(chǎng)景下，噪聲及隱藏終端對(duì)車輛通信性能的影響規(guī)律，對(duì)確保車輛通信和服務(wù)質(zhì)量，以及為后期通過優(yōu)化資源分配機(jī)制來提升車聯(lián)網(wǎng)的通信效率至關(guān)重要。

近年來，諸多學(xué)者對(duì)C-V2X 模式4 開展了大量研究工作以期提高車輛通信性能。 M. Gonzalez-Martín等[5] 首次提出通過分析車輛介質(zhì)訪問控制層的資源選擇方式，構(gòu)建了傳輸成功率（packet delivery ratio，PDR） 函數(shù)，以支撐評(píng)估車輛通信性能。B. Toghi 等[6]在高負(fù)載車載網(wǎng)絡(luò)下對(duì)C-V2X 通信系統(tǒng)的傳輸性能進(jìn)行評(píng)估，并研究了資源分配參數(shù)對(duì)傳輸延遲和PDR 等關(guān)鍵性能指標(biāo)的影響。A. Nabil 等[7] 通過分析資源預(yù)留間隔對(duì)C-V2X 通信性能的影響，發(fā)現(xiàn)資源預(yù)約間隔顯著影響PDR 性能。F. Eckermann 等[8] 設(shè)計(jì)出一種開源C-V2X 模擬器，并基于模式4 的關(guān)鍵參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行研究。上述成果通過理論或仿真，獲得C-V2X模式4 的主要性能指標(biāo)，但評(píng)估指標(biāo)較為單一。

在此基礎(chǔ)上，為了實(shí)現(xiàn)C-V2X 模式4 數(shù)據(jù)傳輸性能的動(dòng)態(tài)分析，LI Wenfeng 等[9] 通過建立Markov 鏈模型來評(píng)估C-V2X 性能，提出將C-V2X 中的閑置無線電資源用于車輛安全服務(wù)。P. G. Wijesiri 等[10-11] 通過考慮周期性協(xié)作感知消息和事件驅(qū)動(dòng)的分散環(huán)境通知消息，對(duì)C-V2X 模式4 的介質(zhì)訪問控制層建立離散Markov 鏈模型，以評(píng)估C-V2X 模式4 的性能。為了降低基于感知的半靜態(tài)調(diào)度（sensing based semipersistentscheduling，S-SPS） 機(jī)制在車輛高速移動(dòng)過程中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)包沖突，一些學(xué)者致力于資源分配優(yōu)化方面研究。HE Xinxin 等[12] 提出一種基于短期感知的資源調(diào)度（short-term sensing-based resource selection，STS-RS） 機(jī)制， 以降低資源爭(zhēng)用引起的分組沖突。YANG Jiaxin 等[13] 根據(jù)車輛行駛方向?qū)①Y源池劃分為2 部分，提出一種基于行車方向的S-SPS 機(jī)制，以降低相反方向車輛間干擾。S.Y. Jung 等[14] 提出一種基于資源交替調(diào)度的S-SPS 機(jī)制，通過交替預(yù)留和分配2 個(gè)資源，實(shí)現(xiàn)連續(xù)數(shù)據(jù)碰撞率的降低。上述研究分別從多個(gè)角度對(duì)C-V2X 模式4 開展大量研究，并獲得了豐富的研究成果。然而大多研究成果只適用于特定的車聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景，很難應(yīng)對(duì)通用車聯(lián)網(wǎng)所面臨的挑戰(zhàn)。同時(shí)，對(duì)于信道高負(fù)載場(chǎng)景下噪聲、陰影衰落及隱藏終端對(duì)通信性能的影響尚未得到充分的研究，對(duì)于不同參數(shù)對(duì)PDR 的影響亦未得到具體規(guī)律。

在模式4 通信中，車輛周期性的上傳安全類基礎(chǔ)信息（ 如車輛位置信息、速度信息及環(huán)境感知信息），實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)對(duì)車輛動(dòng)態(tài)地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。由于周期性信息的發(fā)送間隔是固定的，因此，當(dāng)車輛節(jié)點(diǎn)增多，安全類消息的周期傳輸將造成信道負(fù)載升高，資源競(jìng)爭(zhēng)加劇。此外，當(dāng)車輛節(jié)點(diǎn)增多且速度較低時(shí)，基于事件驅(qū)動(dòng)的非周期緊急消息（ 如交通事故，緊急剎車等） 相對(duì)較少，使得該類消息的通信需求可能降低。因此，本文只考慮周期性信息的傳輸，不考慮一些非周期性事件驅(qū)動(dòng)的消息。研究C-V2X 模式4 在信道高負(fù)載場(chǎng)景中的數(shù)據(jù)傳輸問題，以噪聲、陰影衰落和隱藏終端對(duì)于通信的影響為主要研究對(duì)象，結(jié)合S-SPS 資源調(diào)度機(jī)制，提出了模式4 數(shù)據(jù)傳輸分析模型，得到噪聲、陰影衰落和隱藏終端等對(duì)模式4 通信性能的具體影響規(guī)律，并據(jù)此對(duì)車輛通信性能進(jìn)行評(píng)估。