余保睿
(廣西大學(xué),廣西 南寧 530003)
車(chē)對(duì)車(chē)通信技術(shù)(簡(jiǎn)稱(chēng)V2V技術(shù))是基于5G技術(shù)提出的。5G技術(shù)的迅猛發(fā)展,大大提升了通信速率,推進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究發(fā)展。其中,車(chē)對(duì)車(chē)通信技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和V2X系列技術(shù)之一由此被提出并獲得研究。V2V技術(shù)主要研究移動(dòng)狀態(tài)的車(chē)和車(chē)之間的通信,可實(shí)現(xiàn)車(chē)輛狀況信息的共享。車(chē)輛狀況信息包括車(chē)輛位置、行駛速度以及行駛狀態(tài)等。車(chē)輛可以借助該技術(shù)實(shí)時(shí)獲取附近車(chē)輛的行駛信息,并依照這些信息作出相應(yīng)的響應(yīng),從而大大降低交通事故的發(fā)生概率。
我國(guó)和國(guó)外對(duì)于V2V技術(shù)的研究解決方案不同:我國(guó)的研究方案是將V2V技術(shù)與現(xiàn)有的蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合,即C-V2X技術(shù);國(guó)外推行的則是獨(dú)立于蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、直接進(jìn)行車(chē)對(duì)車(chē)通信連接的專(zhuān)用短程通信(DSRC)技術(shù)。
我國(guó)主推的C-V2X技術(shù)結(jié)合蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行,意味著該技術(shù)不僅能實(shí)現(xiàn)小范圍車(chē)對(duì)車(chē)的短程通信,而且可以實(shí)現(xiàn)道路車(chē)輛信息的實(shí)時(shí)共享。將實(shí)時(shí)處于某區(qū)域蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的車(chē)輛數(shù)據(jù)上傳云端進(jìn)行共享,可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)道路狀態(tài)和建立大區(qū)域道路實(shí)時(shí)信息云庫(kù)等目的,十分契合大數(shù)據(jù)時(shí)代的核心思想,是國(guó)外DSRC技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。但是,我國(guó)對(duì)C-V2X技術(shù)的研究處于起步階段,而國(guó)外對(duì)DSRC技術(shù)的研究歷史悠久,研究成果及相關(guān)應(yīng)用已十分成熟。這就決定了我國(guó)研究的主要重點(diǎn)在于如何完善和發(fā)展C-V2X技術(shù),而國(guó)外的研究重點(diǎn)在于如何找尋相對(duì)DSRC技術(shù)而言性能更好的V2V技術(shù)。
V2V技術(shù)作為一種無(wú)線通信技術(shù),核心是建立無(wú)線信道模型并進(jìn)行仿真。車(chē)對(duì)車(chē)通信系統(tǒng)的信道特點(diǎn)是收發(fā)端具有移動(dòng)性且通信環(huán)境復(fù)雜多變。由于收發(fā)端的移動(dòng)性,信道相關(guān)參數(shù)也隨著時(shí)間在變化。
目前,國(guó)內(nèi)針對(duì)V2V技術(shù)研究最多的信道模型是3D幾何信道模型。該信道模型依照不同的通信場(chǎng)景建立不同的單個(gè)幾何信道模型,每個(gè)幾何信道模型都是依照具體通信場(chǎng)景放置且較為符合實(shí)際的三維幾何模型。這些模型的排布按照一定規(guī)律分布(如均勻分布和高斯分布),模型的種類(lèi)和排布規(guī)律與具體場(chǎng)景有關(guān),如在森林中放置分布密集的圓柱、橢球體等三維幾何模型[1]。
由于3D幾何信道模型需要大量實(shí)地勘測(cè)數(shù)據(jù)的支持,因此模型建立的工作量巨大且不能很好地契合V2V信道實(shí)時(shí)變化的特點(diǎn)和要求,同時(shí)對(duì)多入多出系統(tǒng)(MIMO)的模型處理較多且雜亂。因此,國(guó)內(nèi)針對(duì)V2V技術(shù)提出了一種新的信道模型——時(shí)變非平穩(wěn)的三維散射集群信道模型[1-3]。該模型是基于信號(hào)使用多入多出(MIMO)技術(shù)傳輸而設(shè)置的。對(duì)一個(gè)窄帶信道多入多出傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)建模如圖1所示。
圖1 窄帶信道MIMO通信系統(tǒng)模型
基于MIMO的V2V通信系統(tǒng)的收發(fā)雙端具有移動(dòng)性,且傳輸?shù)氖嵌鄰叫盘?hào),因此信號(hào)在傳輸中會(huì)經(jīng)歷反射、散射以及衍射等物理過(guò)程。其中,最突出、出現(xiàn)概率最大的是信號(hào)在空氣媒介中的散射。不同路徑的散射角隨著收發(fā)端的實(shí)時(shí)移動(dòng)實(shí)時(shí)變化,因此研究時(shí)提出在信道建模中加入不同分布的散射簇,每一個(gè)散射簇包含不同角度的散射。通過(guò)盡可能多且廣泛地在車(chē)與車(chē)的空間內(nèi)放置散射簇,使散射后信號(hào)盡可能逼近實(shí)際信號(hào),模型建立如圖2所示。
圖2 基于散射簇建立的模型
圖2的模型中,信號(hào)通過(guò)直射LOS和散射SBC兩種路徑進(jìn)行傳播。模型中收發(fā)端連線的圓形節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)圖1模型中的接收串口S/P。假設(shè)H(t)為信道脈沖響應(yīng)矩陣,Nt、Nr分別為發(fā)射天線和接收天線,則可得到信道模型公式:
由于接收雙方的移動(dòng)性,信道是隨著時(shí)間變化的時(shí)變信道,但高速移動(dòng)的情況與低速運(yùn)動(dòng)的情況不同。高速移動(dòng)的情況下,可以忽略建筑物點(diǎn)對(duì)信號(hào)散射和反射的影響。基于這一因素對(duì)圖2模型進(jìn)行改正,賦予其以下的運(yùn)作規(guī)律,在整個(gè)空間中廣泛地放置散射簇。由于高速運(yùn)動(dòng)時(shí)忽略建筑物對(duì)信號(hào)傳播的影響,因此設(shè)每一個(gè)散射簇的覆蓋范圍為一個(gè)圓形區(qū)域。當(dāng)車(chē)輛進(jìn)入該散射簇的覆蓋范圍時(shí),該散射簇開(kāi)始運(yùn)作并參與信道模型的建立;當(dāng)車(chē)輛離開(kāi)覆蓋范圍時(shí),該散射簇退出信道模型。信道模型由此具有時(shí)變非平穩(wěn)的特性,更加契合V2V實(shí)際通信環(huán)境。完善后的模型如圖3所示。
圖3 時(shí)變非平穩(wěn)的散射集群模型
當(dāng)前國(guó)內(nèi)的V2V通信技術(shù)研究方向主要集中在探尋和研究比國(guó)外早已成熟且投入實(shí)際應(yīng)用的DSRC技術(shù)而言性能更優(yōu)的技術(shù),候選技術(shù)包括基于VLC(可見(jiàn)光通信技術(shù))的C2C通信技術(shù)[2]。
C2C通信技術(shù)是基于可見(jiàn)光的通信技術(shù)(VLC),通過(guò)發(fā)光二極管發(fā)出的可見(jiàn)光傳輸數(shù)據(jù)信息,從而達(dá)到端到端通信的目的。在電燈早已廣泛普及的今天,發(fā)光二極管在車(chē)輛的行駛環(huán)境中隨處可見(jiàn),為VLC技術(shù)的實(shí)踐研究提供了很好的應(yīng)用基礎(chǔ)。C2C通信技術(shù)不僅使車(chē)與車(chē)之間可通過(guò)可見(jiàn)光實(shí)現(xiàn)通信連接,還使車(chē)、路燈以及路邊擁有可見(jiàn)光光源的建筑物等通過(guò)可見(jiàn)光進(jìn)行通信成為可能?;赩LC的C2C通信技術(shù)不僅在V2V通信系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景,而且在V2I通信系統(tǒng)中亦是如此。此外,光沿直線傳播的特性,使得VLC技術(shù)的傳播質(zhì)量很高。由于光無(wú)法直射過(guò)障礙物,所以VLC技術(shù)在一定程度上具有較高的安全性[4]。
對(duì)基于VLC的V2V通信系統(tǒng)的信道建立一個(gè)大致的模型,在車(chē)與車(chē)通過(guò)車(chē)燈發(fā)出的可見(jiàn)光進(jìn)行通信連接時(shí),信道中的信號(hào)包括發(fā)端發(fā)出的直射可見(jiàn)光、經(jīng)過(guò)路面反射后的可見(jiàn)光以及周?chē)ㄐ怒h(huán)境產(chǎn)生的干擾光。初步建立的基于VLC的V2V通信系統(tǒng)模型如圖4所示。
圖4 初步建立的基于VLC的V2V通信系統(tǒng)模型
通信系統(tǒng)的信道建模重點(diǎn)在于可見(jiàn)光傳播特性的研究。直射光的傳播特性無(wú)需多做研究,所以建模的重點(diǎn)放在反射光傳播模型的建立。反射光的傳播受反射體表面的粗糙程度和反射體材質(zhì)等因素的影響,且V2V通信環(huán)境具有移動(dòng)性和時(shí)變非平穩(wěn)特性。這些因素是實(shí)時(shí)變化的,因此反射光傳播特性也是實(shí)時(shí)變化的[5]。建模的重點(diǎn)在于建立反射模型,但由于高速運(yùn)動(dòng)的物體可忽略建筑物對(duì)信號(hào)的傳播影響,因此只需考慮路面對(duì)可見(jiàn)光的反射。建立的車(chē)燈發(fā)射光照射到路面的傳播模型如圖5所示。
圖5 基于VLC的V2V通信系統(tǒng)初步模型
由圖5模型得出可計(jì)算任意位置的光照強(qiáng)度值的公式:
路面的污垢也會(huì)影響可見(jiàn)光反射的傳播特性。研究通過(guò)MATLAB擬合無(wú)污垢路面反射情況,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖6所示,進(jìn)而比較路面有無(wú)污垢沉積對(duì)可見(jiàn)光傳輸?shù)挠绊憽?/p>
研究得出,污垢沉積在反射發(fā)射光的同時(shí)削弱了可見(jiàn)光的一部分光強(qiáng)。經(jīng)合理猜測(cè),在這個(gè)過(guò)程中反射減弱、散射增強(qiáng)。當(dāng)通信雙方在有污垢沉積現(xiàn)象的路面上行駛時(shí),應(yīng)依照實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),考慮在發(fā)光強(qiáng)度小于400 cd時(shí)增加光輸出功率。
由于實(shí)際行駛的路面反射情況復(fù)雜多變,因此漫反射和鏡面反射比例不同。因此,將道路情況進(jìn)行分類(lèi),對(duì)典型的特定路面進(jìn)行反射試驗(yàn),記錄實(shí)測(cè)參數(shù),建立反射模型。研究最終得到了一種典型的反射模型公式:
圖6 路面有無(wú)污垢沉積對(duì)可見(jiàn)光傳輸影響對(duì)照
其中,β是入射垂直平面與觀測(cè)垂直平面的夾角,γ是入射光與法線的夾角。
此外,還應(yīng)考慮平均亮度系數(shù)Q0和鏡面因子S1對(duì)反射特性的影響,可依照這兩個(gè)變量的大小劃分道路類(lèi)型,得到的劃分情況如表1所示。
表1 依照Q0、S1對(duì)路面類(lèi)型劃分
綜合考慮上述因素,最終建立的模型如圖7所示。
國(guó)內(nèi)對(duì)V2V通信系統(tǒng)的研究是基于5G技術(shù)下的NGN網(wǎng)絡(luò)。車(chē)載通信與大區(qū)域的蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合,使得V2V通信系統(tǒng)更加契合未來(lái)大數(shù)據(jù)時(shí)代發(fā)展,也為該技術(shù)和6G時(shí)代的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。國(guó)外研究V2V通信系統(tǒng)的目的是使車(chē)與車(chē)之間的通信質(zhì)量更高、速率盡可能快以及安全性更高。
相比國(guó)外V2V技術(shù)的發(fā)展,國(guó)內(nèi)的研究方向更具發(fā)展前景。如何規(guī)避或降低毫米波由自身特性而造成的傳播衰落損耗是一個(gè)很大的問(wèn)題,對(duì)該問(wèn)題的改善方法有:在傳播途徑中增加反射裝置,以應(yīng)對(duì)毫米波無(wú)法繞開(kāi)障礙物的問(wèn)題;利用波束賦形技術(shù),將毫米波能量集中于一個(gè)方向發(fā)送;基于5G大規(guī)模多天線技術(shù),沿不同路徑發(fā)送多個(gè)攜帶相同信息的毫米波,增加中繼數(shù)量。
圖7 基于VLC的V2V通信系統(tǒng)最終信道模型
由于國(guó)內(nèi)研究的V2V通信系統(tǒng)位于蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架體系,意味著V2V傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)需要MAC層控制信息和信令的傳輸,使傳輸協(xié)議更加復(fù)雜化,也增加了通信傳輸?shù)奶幚頃r(shí)延。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題,可以合并V2V的研究與資源分配算法的研究,以解決高層系統(tǒng)中的資源分配問(wèn)題,降低處理時(shí)延[6]。此外,基于VLC技術(shù)的V2V研究雖然具有信號(hào)傳輸質(zhì)量高、效率高以及時(shí)延小等優(yōu)點(diǎn),但也存在諸多問(wèn)題。例如,在白天日光較強(qiáng)時(shí),光源需發(fā)送更強(qiáng)的光以降低日光對(duì)信息傳輸?shù)母蓴_,十分浪費(fèi)資源,因此針對(duì)不同的環(huán)境應(yīng)該相應(yīng)地調(diào)整發(fā)射光頻率。此時(shí),可通過(guò)研究一種按照環(huán)境和路況動(dòng)態(tài)控制發(fā)射光頻率的算法或增加其他通信方式,同時(shí)分析路況,當(dāng)路況參數(shù)達(dá)到某一個(gè)臨界值時(shí),更換更加適宜的通信方式[4-7]。