基于LTE-V2X的車聯(lián)網(wǎng)關鍵技術研究

1 引言

車聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)在汽車與交通中的應用，是車與人，車與車，車與路，車與云之間進行數(shù)據(jù)和信息交換的信息通信網(wǎng)絡。在5G時代，將通信技術與汽車的電子化、智能化相融合，通過協(xié)同通信交換，可以彌補原有車載傳感設備只能感知視距范圍車輛數(shù)據(jù)和交通運行環(huán)境數(shù)據(jù)的不足，構建一張實時的高精度地圖，以支撐汽車電子智能系統(tǒng)的駕駛決策和駕駛操作與控制。車聯(lián)網(wǎng)按照約定的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)交互標準，在車與車、車與路、車與行人之間，進行無線通信和信息交換，其采用的通信技術主要包括基于專用短距離通信技術（ Dedicated Short Range Communication，DSRC）技術和中國力推的基于蜂窩移動通信的LTE-V2X技術，本文在車聯(lián)網(wǎng)概念和應用的基礎上，對LTE-V2X關鍵技術進行了研究。

2 車聯(lián)網(wǎng)的概念

汽車的智能化趨勢推動了傳統(tǒng)汽車和交通行業(yè)的變革，同時也推動了車、路、人之間的信息共享。將現(xiàn)代通信技術與網(wǎng)絡技術結合起來實現(xiàn)這些信息共享，就形成了車聯(lián)網(wǎng)的概念。車聯(lián)網(wǎng)是能夠實現(xiàn)智能化交通管理、智能動態(tài)信息服務和車輛智能化控制的一體化網(wǎng)絡，是物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）技術在交通系統(tǒng)領域的典型應用。車聯(lián)網(wǎng)這個概念就是來自于物聯(lián)網(wǎng)。傳統(tǒng)的車聯(lián)網(wǎng)定義是指裝載在車輛上的電子標簽通過無線射頻等識別技術，實現(xiàn)在信息網(wǎng)絡平臺上對所有車輛的屬性信息和靜、動態(tài)信息進行提取和有效利用，并根據(jù)不同的功能需求對所有車輛的運行狀態(tài)進行有效的監(jiān)管和提供綜合服務的系統(tǒng)。

根據(jù)中國信息通信研究院發(fā)布的《車聯(lián)網(wǎng)白皮書》（2017），車聯(lián)網(wǎng)的定義是：借助新一代信息和通信技術，實現(xiàn)車內(nèi)、車與車、車與路、車與人、車與服務平臺的全方位網(wǎng)絡連接，提升汽車智能化水平和自動駕駛能力，構建汽車和交通服務新業(yè)態(tài)，從而提高交通效率，改善汽車駕乘感受，為用戶提供智能、舒適、安全、節(jié)能、高效的綜合服務。網(wǎng)絡連接、汽車智能化、服務新業(yè)態(tài)是車聯(lián)網(wǎng)的3個核心。

根據(jù)中國智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟的定義，車聯(lián)網(wǎng)是以車內(nèi)網(wǎng)、車際網(wǎng)和車云網(wǎng)為基礎，按照約定的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)交互標準，在車與車、車與路、車與行人之間，進行無線通信和信息交換的大系統(tǒng)網(wǎng)絡。其中車內(nèi)網(wǎng)是指通過應用成熟的總線技術建立的一個標準化的整車網(wǎng)絡；車際網(wǎng)是指基于DSRC技術和LTE-V2X技術構建的實現(xiàn)車與車和車與路邊的基礎設施之間中短程距離通信的動態(tài)網(wǎng)絡；車云網(wǎng)是指車載終端通過蜂窩移動通信技術與互聯(lián)網(wǎng)和云端進行遠程無線連接的網(wǎng)絡。三者之間的關系和整體架構如圖1所示。本文重點研究實現(xiàn)車輛與一切可能影響車輛的外部實體實現(xiàn)信息交互的車際網(wǎng)所采用的LTE-V2X技術。

圖1 車內(nèi)網(wǎng)、車際網(wǎng)和車云網(wǎng)的整體架構

3 LTE-V2X關鍵技術

如前所述，基于V2X協(xié)同通信的車際網(wǎng)是車聯(lián)網(wǎng)的一種基本通信方式。V2X協(xié)同通信是車輛與車輛、行人和路側設備之間進行數(shù)據(jù)和信息交換的通信方式。與基于蜂窩移動通信的通信方式相比，V2X協(xié)同通信包含在車輛、道路和行人之間直接進行數(shù)據(jù)和信息交換的通信方式，它將一個個獨立的車輛通過信息通信連成一體，采用自組網(wǎng)技術，通過車輛間或車輛與路側通信設施之間多跳無線通信，使駕駛員能夠在超視距范圍內(nèi)獲得其他車輛的狀況信息（如車輛位置、行使駛方向、行車速度、剎車操作等）和實時路況信息，還可以通過路邊的站點接入互聯(lián)網(wǎng)，使司機和乘客可以方便地獲取天氣狀況，實時交通狀況，商店購物或網(wǎng)絡娛樂等相關信息。

V2X協(xié)同通信包括專用短距離通信DSRC方式和蜂窩-V2X（cellular-V2X，C-V2X）協(xié)同通信方式。C-V2X結合了蜂窩移動通信和V2X協(xié)同通信的優(yōu)勢，既包括有蜂窩網(wǎng)絡覆蓋的場景，也包括沒有蜂窩網(wǎng)絡部署的場景，可以提供兩種通信接口：蜂窩通信接口和直連通信接口，以此形成有效的冗余來保障通信可靠性。C-V2X是基于3GPP全球統(tǒng)一標準的通信技術，包含LTE-V2X和5G-V2X，從技術演進角度講，LTE-V2X支持向5G-V2X平滑演進。LTE-V2X的準化已經(jīng)完成。

LTE-V2X是以LTE蜂窩網(wǎng)絡為V2X基礎的車聯(lián)網(wǎng)專有協(xié)議，分為兩種工作方式：終端之間直通傳輸通信方式，其中終端之間的空中接口稱為PC5接口；終端與基站之間的上/下行鏈路通信方式，其中終端和基站之間的空中接口稱為Uu接口?；赨u接口的LTE-V2X主要是在LTE的上下行傳輸上做了一些增強，例如下行縮短MBMS的周期以降低延遲，上行引入多個SPS進程等。

LTE-V2X物理層的關鍵技術主要包括：自動增益控制AGC、同步信號檢測/定時估計、頻偏估計。

在車輛短距通信系統(tǒng)的工作環(huán)境中，接收端在相鄰子幀中可能收到不同終端所發(fā)送的傳輸距離差異很大的信號。由于近距路損小、遠距路損大的因素導致接收信號強度在不同接收子幀之間波動極大；高速時，通信目標的通信距離可能大于300 m，也可能小于2 m，除考慮不同距離的路損差外，還需要考慮陰影衰落，瑞利衰落的抖動等余量，那么AGC需要支持的增益調(diào)整范圍需要達到80 dB以上。在LTE-V2X系統(tǒng)中需要實現(xiàn)快速AGC調(diào)整，否則會影響后續(xù)信號的接收。

在LTE-V2X系統(tǒng)，采用了重復的PSS和SSS設計，這樣可以采用前一符號與后一符號相關的方法來初步鎖定PSS或SSS的位置，基于最大相關值可實現(xiàn)PSS或SSS的檢測，并基于最大相關值的位置可實現(xiàn)接收信號的定時估計。

LTE-V2X的工作頻點可達5.9 GHz，當車輛間的相對移動速度達到240 km/h時，需要應對的多普勒頻移遠大于當前LTE系統(tǒng)的2.6 GHz頻段和120 km/h移動速度，將引起更嚴重的性能衰減。因此LTE-V2X不能使用LTE系統(tǒng)中通常采用的頻域頻偏估計法，而是采用變換域頻偏估計法來估計，即通過估計接收信號的到達時間，計算與本地基準接收時間的時間差；將接收的頻域導頻序列變換到時域，與經(jīng)過圓周旋轉的本地存儲時域導頻序列進行對應位的共軛相乘，得到了反映信道相位變化的序列，從而計算出頻率偏移。該偏移可以估計絕對值小于15 kHz的頻偏，滿足車聯(lián)網(wǎng)的通信需求。

4 結束語

車聯(lián)網(wǎng)不僅改變汽車產(chǎn)品的形態(tài)，也將改變交通運輸和人們的出行模式，其發(fā)展對我國汽車行業(yè)的發(fā)展以及制造業(yè)強國的打造具有重大戰(zhàn)略意義。LTE-V2X作為中國力推的車聯(lián)網(wǎng)標準，最大的好處在于能夠重復使用現(xiàn)有的蜂窩基礎建設和頻譜資源。LTE網(wǎng)絡基礎建設已經(jīng)存在，運營商無需進行大規(guī)模的專用路側設備RSU布點，并提供專用的頻譜；在另一方面，終端設備可以和手機共用同一類型的芯片，為汽車廠商大大降低整合成本。結合目前5G的提速，更容易推動LTE-V2X技術的繼承和演進，推動車聯(lián)網(wǎng)技術的商用推廣。