基于NOMA的车联网系统架构的探索与设计

倪亚凡，曾连荪

(上海海事大学 信息工程学院，上海 201306)



基于NOMA的车联网系统架构的探索与设计

倪亚凡，曾连荪

(上海海事大学 信息工程学院，上海 201306)

5G(Fifth Generation Mobile Communication Network)时代的到来加快了各行业的发展和改革。将5G与物联网、车联网、工业互联网等产业相结合成为了必然的趋势。首先结合车联网介绍了5G的核心技术NOMA(Non-Orthogonal Multiple Access)，并将其与传统的OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)进行了比较。随后探讨了基于5G的车联网架构。最后对5G车联网进行了展望。

5G；车联网；NOMA；OFDM

0 引言

我国的车联网发展是从2009年开始的,作为物联网在汽车行业的重要应用，已经被国家列为重大项目之一。预计到2019年，全球的汽车销售量将达到1.5亿，随着汽车爆炸式的增长，交通事故成了一个必须面对的问题。而车联网的应用能很好地解决这个问题。由此更加促进了车联网的发展。

5G通信技术[1-2]，在原来4G的基础上可提供更快速、更稳定的数据传输，从而大大提高了车联网的服务质量。目前我国华为参加了5G研发的METIS(Mobile and wireless communications Enablers for the Twenty-twenty Information Society)项目，我国预期在2020年开始将5G作为移动通信标准，那时将会有更多的互联网设备加入5G通信系统。所以将5G运用到车联网中是历史的必然趋势，将会为车联网带来一股新鲜的力量。

1 结合车联网谈5G的关键技术NOMA

5G作为新一代通信技术，面向2020年以后的移动通信需求，具有低成本、低能耗、安全可靠的特点。5G的核心技术包括大规模MIMO技术、基于滤波器组的多载波技术[3]、超密集异构网络技术等。下面就其中的NOMA技术展开讨论。图1为NOMA系统[4-5]的下行链路基本原理图。

图1 NOMA系统下行链路图

如图1所示，假设有一个基站，两个用户各有一根天线，在NOMA系统下，两个用户需要接收到的信号为X1和X2。在发送端发射的两用户叠加信号为X，其表达式为：

(1)

则用户UE—i接收到的信号为：

Yi=HiX+Wi

(2)

其中Hi表示第i个用户的信道增益，Wi表示第i个用户信道上的噪声。其中噪声的功率谱密度表示为N0。

(3)

(4)

从上面两式可以看出基站可以通过功率分配P1/P2来灵活控制用户的传输速率。因此功率分配直接影响到小区的吞吐量和用户的公平性问题。

NOMA与OFDM相比，OFDM系统是基站对于不同的用户采用(频率、时隙、正交码字等资源)正交复用方式向中继或者用户端传送信息，而NOMA是基站对于不同的用户同时利用相同的频率资源向中继或用户端传送信息。所以在相同带宽的情况下，非正交系统能提供更高的系统容量。其代价就是增加了设备的复杂度。表1列出了OFDM与NOMA的差异。

表1 OFDM与NOMA的差异

从表1中很明显可以看出，NOMA在频谱利用率方面有了极大的提升。

此外在4G中，采用的OFDM技术虽然具有良好的抗噪声性能和抗多径信道干扰的能力，但是此技术要求各载波之间满足正交关系，因此对同步要求较高。而在车辆网中，汽车处于高速运动的状态，会产生严重的多普勒效应，导致滑码产生，各子载波很难保证相互正交。而NOMA在继承了OFDM的抗多径干扰的优点上采用了SIC(Successive Interference Cancellation)技术[6]，对正交性降低了要求，因此更加适合于高速环境下车与车之间的通信。

2 5G车联网系统架构

在5G车联网系统[7]中主要包括的设备有5G基站、移动终端、车载传感器、车辆自组网AP[8]、服务器、汽车电子控制模块(ECU)等。其中汽车电子控制模块是利用装载在汽车上的各种传感器来获取汽车的各种动、静态数据，如车速、发动机工作状态、周边的车辆分布情况等。汽车电子控制模块将收集到的数据传送到移动终端，通过移动终端的各种通信模块将数据发送给路边的AP、5G基站或者其他终端设备，形成车辆自组网、5G移动通信网、无线局域网的三合一通信网络。如图2所示。

图2 5G车联网三合一网络架构

根据图2可知，车A要从服务器获取服务，可以从三合一网络的任意一种网络获得。图3给出3种网络的通信流程图。

图3 三种通信网流程图

在无线局域网中，移动终端A通过无线局域网通信链路将数据传送给路边的AP，然后通过有线链路将数据传给基站，最后通过基站与服务器的连接获得互联网服务。

在5G移动通信网中，移动端直接通过5G移动网通信链路与基站进行通信，然后再由基站和服务器通信。

在车辆自组网中，用户的通信方式有多种。移动终端A可以先通过车辆自组网通信链路将数据传送给另一移动终端设备B。设备B可以根据当时的具体情况选择是通过AP与基站通信还是直接与基站进行通信。

利用以上3种通信方式最终实现了基于5G的车联网整体的系统架构。每辆车既可当作终端设备，也可以当作中继器进行数据的转发，从而大大提高了网络的灵活性，车辆可以根据自身的情况选择最恰当的接入方式，有效地提高了整个网络的效率。

3 5G车联网展望

随着国家对5G的大力支持，5G时代即将到来，5G通信技术凭借其快速性、稳定性将大大提高服务质量，为用户带来全新的极速体验。用户可以在不同的地点选择不同的方式接入互联网。毫无疑问，5G的最终模式还没有确定，所有的模型结构只是一个假设。各种通信协议还有待讨论确定。随着5G的核心技术逐渐确定下来，5G的真面目将逐渐浮出水面，到时将真正进入极速、安全、高效的信息化时代。

4 结束语

本文首先介绍了5G中的NOMA技术，并将其与传统的OFDM技术进行了比较。随后在此基础上构想了基于5G的三合一车联网架构。最后对5G车联网进行了美好的展望。随着5G时代的到来，越来越多的人将加入到5G车辆网的研究中，使5G车联网更加完善。

[1] 魏克军，万屺，王志勤．5G无线传输技术发展趋势[J/OL].(2014-7-17)[2016-11-10].http：∥www.cttl.cn/tegd/jshqsh/201407/t20140717_1027247.html.

[2] 尤肖虎，潘志文，高西奇，等. 5G移动通信发展趋势与若干关键技术[J].中国科学:信息科学，2014，44(5)：551-563.

[3] BENJEBBOUR A, SAITO Y, KISHIYAMA Y, et al. Concept and practical consideration of non-orthogonal multiple access (NOMA) for future radio access[C].Intelligent Signal Processing and Communications Systems (ISPACS),2013 International Symposium on. IEEE,2013:770-774.

[4] SAITO Y, KISHIYAMA Y, BENJEBBOUR A, et al. Non-orthogonal multiple access (NOMA) for cellular future radio access[C].Vehicular Technology Conference(VTC Spring), 2013 77th IEEE,2013:1-5.

[5] LAN Y, BENJEBBOIU A, CHEN X, et al. Considerations on downlink non-orthogonal multiple access (NOMA) combined with closed-loop SU-MIMO[C]. Signal Processing and Communication Systems (ICSPCS), 2014 8th International Comference on, IEEE,2014:1-5.

[6] LI P, PAUL D, NARASIMHAN R, et al. On the distribution of sinr for the mmse mimo receiver and performance analysis[J]. IEEE Transactions on Information Theory, 2006,52(1):167-177.

[7] 任开明，李纪舟，刘玲艳，等. 车联网通信技术发展状况及趋势研究[J].通信技术，2015，48(5)：507-513.

[8] HEKMAT R. Ad-hoc networks: fundamental properties and network topologies[M]. Springer, 2006.

Exploration and design of Internet of Vehicles system structure based on NOMA

Ni Yafan, Zeng Liansun

(College of Information Engineering,Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

The arrival of the 5G accelerated the development and reformation in different industries. It is a trend to combine 5G with Internet of Things, Internet of Vehicles, Industrial Internet and other industries. In this paper, firstly we introduced one of the several core technologies in 5G combined with Internet of Vehicles,which is NOMA, and compared it with the traditional OFDM. Then we talked about the structure of 5G based Car Networking. At last, we looked into the good future of the 5G Internet of Vehicles.

5G; Internet of Vehicles; NOMA; OFDM

TN915

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.11.019

倪亚凡，曾连荪.基于NOMA的车联网系统架构的探索与设计[J].微型机与应用，2017,36(11)：64-65，70.

2016-11-14)

倪亚凡(1990-)，男，在读硕士研究生，主要研究方向：港口无线通信与计算机测控。

曾连荪(1962-)，男，博士，教授，主要研究方向：移动通信与无线接入。