对5G蜂窝车联网组网性能的分析

沈阳市电信规划设计院股份有限公司 郝 鹏

本文对5G蜂窝车联网特点进行分析，并对车联网组网技术加以阐述，最后通过仿真分析的方式，在PC5接口基础上进行组网性能评估。根据仿真结果可知，在PC5接口下通信系统运行受限，车辆密度过大会导致同频干扰提升。对于非周期业务来说，可利用有效措施规避干扰；但在城区场景中，因车辆长期处于高密度行驶状态，相同时段内发送状态车辆过多，需要采集更多频率资源，利用多种传输技术才可满足通信需求。

5G蜂窝网拥有低时延、高性能的通信优势，对车载组织网络发展起到促进作用，成为物联网最具发展潜力的领域之一，在安全驾驶、智慧城市中得到广泛普及。在当前交通场景中，因车辆节点高速移动导致节点之间链路存在时间较短，网络拓扑变化频繁。对此，可创建PC5通信架构弥补上述缺陷，与以往的GPSR路由协议相比，在路由跳数、持续时间等方面拥有良好的性能。

1 5G蜂窝车联网特点

从长远发展角度来看，在5G场景基础上的车联网拓扑结构具有立体化、智能化特点。在终端数据层中，车辆可通过PC接口实现节点之间的短距离数据传输，在高密度5G小基站中的覆盖范围更大，通过PC5接口实现车辆与基站间的数据传输，与DSRC短程通信相比，5G基础上的车联网通信技术时延更短，更加可靠。在网络层与虚拟层中，在5G基础上低时延通信技术、云计算、干扰管理等技术得到充分实现，为实际交通场景中的数据请求、大规模计算、数据包传输与网络切换等提供技术支持，有效减少时延，增强可靠性。在业务平台上，通过对软件、数据与设备的综合管理，可为路、车与用户提供全方位服务，在道路服务中包括盲目检查、交通流检查、信号检查等等；在车辆服务中有车辆设备管理、健康检测与应用管理等等；在用户服务中包括精准定位、车载娱乐与紧急呼叫等。在通信速度方面，5G车联网采用全双工通信技术，将不同车载终端设置在相同频谱上，支持同时收发信号，有效突破频谱应用方面的限制，促进频率利用率提升。

2 蜂窝车联网的组网技术

当前汽车数量不断增加，车流量也随之提升，这就要求车联网系统的数据处理、服务功能与计算量不断强化，以往通信架构已经难以满足当前高要求。在大数据、人工智能技术发展下，车联网组网技术更加成熟，通信架构更加立体，支持多种接入模式，如PC5、Uu等等，无论车辆节点是否位于基站辐射范围内，均可实现低时延、高性能的通信目标。现阶段，蜂窝车联网在可靠性、时延等方面拥有较大提升空间，可在5G技术基础上得到弥补和优化。

2.1 LTE D2D技术

根据3GPP发展历程可知，全部通信均是以网络为基础而实现，用户1到2的任何指令信息都要经过基站，再对后续节点进行处理转发，无法实现用户双方的直接交流。但是，车联网技术的诞生使应用场景发生改变，通信需求也不尽相同，如车辆自动驾驶场景，传收车辆距离较近，车辆之间直接通讯效果更加显著。在3GPP标准体系中，为满足新的通信需求对承载通信方式的标准进行优化，即LTE 2D2，在该标准基础上开展一系列研究，使资源分配、信道分配、需求架构等得以明确，实现PC5接口的直通方式。

2.2 LTE MBMS技术

在5G白皮书中指出，与4G相比5G性能更高，时延达到毫秒级，用户体验速率加快。在IPv6部署后，一个脚掌的位置便可设置数十个IP地址，以往传输是以应答确认单播点为基础进行通信，现已经无法满足车联网通信需求，应将广播多播技术应用其中，更加全面的分享周围信息。可见，LTE MBMS属于车联网中的重要内容之一。

2.3 LTE V2X技术

以往技术因无法有效解决干扰、拥塞、覆盖等问题，如同两个平级用户出现矛盾后，没有第三方上级进行仲裁，导致二者陷入僵局。在此背景下，LTE-V技术应运而生，该技术可通过直连方式，利用蜂窝网络扮演仲裁者的角色，使干扰和堵塞问题得到有效解决。在PC5基础上，LTE V2X技术的应用采用半持续调度方式，将无线资源划分为多个子帧，有效降低频内辐射，促进信道优化利用，使传输效率得到显著提升；还具有时钟同步功能，在网络不覆盖的情况下，缺少同步源，V2X同时支持基站与GNSS时间同步；专业的Qos技术中V2X消息适用于单播传输，只能在MBMS中传递V2X信息，通过QCI的应用可使传输可靠性得到显著提升。

3 蜂窝车联网组网性能仿真分析

3.1 基于PC5通信架构

在PC5接口基础上，用户传输采用半双工数据模式，在副链路中利用广播机制将V2V信息传递给特定距离内的用户，该模式可满足基本需求服务，例如通知过往车辆路边障碍等，还可应用于可靠性与时延要求较高，但吞吐量要求较低的业务中。通信信道可将C-V2X分配到实际测试20MHz带宽中，在频域上可细致划分为多个子信道，在时域中分为子帧，也就是TTI，一个子帧中分别带有一个子信道，各个子信道中均带有数量相同的RB。在相同子信道中，数据可经过PSSCH进行传输，副链路控制信息还可在PSCCH中传输。在PC5接口基础上，可将V2V通信业务模型分成周期性、非周期性两种，前者包括三种负载模型，后者为两种模型。在该系统中，因全部副链路在同一时频上传输资源，所占用的时频资源块相同，发送用户间产生同频干扰。因此，在多种业务模型中，不同负载对系统性能产生的影响也有所区别。此外，在不同车辆密度状态下，所承受的同频干扰程度也不尽相同。对此，本文在OPNET下进行系统仿真，对PC5模接口下车联网通信性能进行检验。

3.2 仿真设计

在高速场景下，用户在长度为10395m，宽度为24m的双向六车道中行驶。在城区场景中模拟曼哈顿网格，共计包括9个街区，各个街区的面积分别为250m×433m，每个街道的宽度均为14m，为双向四车道，且包括3m宽的人行道。在高速与城区两个场景中，车辆前后距离服从均值为λ＝2V车的分布，V车代表的是车辆行驶速度，不同速度对车辆密度具有较大影响。在PC5接口下进行车联网通信，接收用户信号干扰值的计算公式为：

式中，SINR代表的接收用户信号干扰值；P代表的是传送信号功率；G代表的是天线增益；P1代表的是干扰功率；P2代表的是噪声功率。在PC5接口场景下，因车辆采用的频率资源相同，用户受到的干扰来源以其他用户相同频率干扰为主，也就是当前发射用户受到在相同频率资源块中传输信息的其他用户干扰。

3.3 仿真结果

在PC5接口基础上，针对特定仿真区域中的多个场景进行业务模型、车辆密度与业务负载等性能评估，探究系统覆盖性能。以基础业务模型为例，制定广播通信机制，对通信系统的可靠性进行探究，以接收用户分组接收率为重要指标。3GPP下通信目标可靠性达到90%，在高速场景下目标通信距离为320m，在城区场景下为150m。在仿真平台中，调试方式为QPSK，非周期模型依据业务分组情况对调制编码方式进行更改；在资源调度方式上，周期性业务采用半持续调度、非周期业务采用随机资源选择。

（1）有效通信距离中分组接收率

在高速与城区两个场景中，车辆的天线配置、行驶速度不尽相同，分组接收率与距离之间存在线性关系，接收率性能与车辆密度间具有反比关系，随着前者的增加后者不断降低，究其原因，主要因车辆密度增加导致资源碰撞，进而对性能产生不良影响。此外，城区场景性能低于高速场景，究其原因，城区中车辆密度相对较大，且路径损耗相对严重，特别是在非视域状态下损耗更加显著。与之相比，城区性能提升方案应得到高度重视。根据仿真目标下分组接收率可知，城区场景因车辆密度较高，性能难以满足通信要求，即便利用8×8的天线配置也难以达到通信目标。

（2）不同业务模型下分组接收率

根据仿真结果可知，两种场景下不同业务模型下分组接收率与距离间关系密切。周期性业务模型的性能低于非周期性，究其原因，一是受业务量影响，业务量增加导致资源碰撞问题加剧；二是因数据分组增加，只适用于高阶调制度，误比特率增加，导致系统性能降低。在周期与非周期业务混合应用情况下，二者融合导致业务负载快速增加，且非周期模型数据分组较大，只适用于高阶调制。同时，因非周期业务具有稳定性不足，只可利用随机资源选择模式，难以避免周期业务带来的影响，且周期业务也难以感知干扰，对其业务性能同样会产生不良影响，导致整体性能变弱。根据仿真场景中混合模型下的分组接收率可知，业务场景难以在有效通信范围中实现有效通信，但在混合场景下，只有在高速场景中，车辆以每小时140km的速度行驶时才可达成通信目标，剩余场景均无法满足通信基本需求。根据上述仿真结果可知，在PC5接口下通信系统运行受限，车辆密度过大会导致同频干扰提升。对于非周期业务来说，可利用有效措施规避干扰，由此提高性能，但在城区场景中，因车辆长期处于高密度行驶状态，相同时段内发送状态车辆过多，干扰屏蔽机制的效果受到影响，需要采集更多频率资源，利用多种传输技术才可满足通信需求。此外，针对城区中路径损耗的问题，可将RSU转发机制应用到长距离运输中，由此提高系统性能。

结论：综上所述，在5G时代即将到来之际，车联网作为全新网络逐渐得到普及。作为蜂窝车联网运营商，在强化基础网络建设的基础上，还应根据应用层需求做好网络信息配合工作，实现信息准确高效传递。借助5G技术促进产业融合，丰富蜂窝车联网服务平台功能，降低不良因素干扰，促进车载终端与V2X平台优化升级，大力推动车联网事业发展。