V2V通信关键技术

2014年6月3日福特公司发布了V2V通信技术，V2V可以监测道路上行驶的其他车辆的速度、位置等对其他驾驶员无法开放的“隐藏”数据。这是一种不受限于固定式基站的通信技术，为移动中的车辆提供直接的一端到另一端的无线通信。并且V2V技术是V2X技术中发展最为成熟的。

同时，由于V2V通信具有高速、高密度等特点，给设计带来了诸多挑战。如何避免相邻车辆的严重干扰是V2V通信面临的技术挑战之一。对于V2V通信中的随机资源分配中的数据冲突问题，应避免或减轻，并应限制资源选择延迟，以支持服务质量(QoS)要求，特别是对安全消息的要求。

隐蔽性终端(HT)问题极大地限制了交叉口周围车辆间通信(V2VC)的可靠性。为了减轻这些影响，提出了一种具有扇形接收中继站的中继辅助V2VC方案，即SR-V2VC。通过扇形接收提高了RS处的分组接收速率，从而增加了要中继的分组的数量,这导致RS传输队列中有大量等待数据包。因此，当业务负载较高时，SR-V2VC方案面临另一个问题，即由于RS上的数据包溢出/拥堵而导致的分组丢弃。如果出现丢包，则SR-V2VC方案获得的可实现增益可能受到限制。为了减少这种丢包现象，一些研究人员提出了一种包有效负载级联转发(PCF)概念。采用PCF的SRV2VC(SR-V2VC/PCF)可以显著降低丢包概率，从而提高分组投递率(PDR)。然而，随着业务量的进一步增加，分组拥堵仍可能发生在RS。

本文通过几篇文章总结了以下几点：旁道干扰对通信系统的影响、V2V通信资源分配方案、车载网络实现方案、中继辅助通信、有效负载级联转发（PCF）等。

1 旁道干扰对定向天线毫米波/太赫兹波段V2V通信系统的影响[1]

最近，提出了要求在毫米波（mm Wave）和太赫兹（THz）频带中工作的通信系统能够在5G及更高的无线网络中实现高数据速率的车辆到车辆（V2V）通信的建议。然而，大规模部署此类系统可能会导致重大干扰，影响信息传输的性能。虽然文献中对道路信号反射引起的多径干扰进行了广泛的讨论，但目前对侧车道上车辆引起的多径干扰的研究还不够充分。本文采用测量、仿真和分析相结合的方法（图1），对典型的乡村道路和城市道路环境中的侧车道干扰进行了综合描述，并同时考虑了侧车道上发射车辆的多径干扰和直接干扰。

本文重点研究了通信系统的干扰、信号干扰比(SIR)和链路容量。特别是作者Vitaly Petrov揭示了车辆在侧车道上引起的干扰可以用二维随机过程很好地近似，而大多数三维分量可以被忽略而不损失精度。然后利用这些结果建立了公路和城市布设干扰的分析模型，最后给出了链路层的性能分析。

作者在文章中介绍V2V场景(图2)、路径损耗和天线模型，详细介绍了所执行的测量和基于射线的模拟工作，建立了干涉的解析模型，最后对数值结果进行了讨论。

图1 混合评价方法

图2 Illustrations of the considered V2V communications scenario[1].

结果表明：二维随机模型可以很好地逼近侧线干扰；所分析的结构中的干扰水平在很大程度上取决于天线辐射方向图的角度。当角度大于40度时，侧车道上的车辆所引起的干扰成为必须考虑的关键问题；当角度小于20度时，即使在没有干扰缓解技术的情况下，车辆密集部署的干扰通常也是边际的。

2 基于位置的V2V通信资源分配方案[2]

最近，第三代合作项目开发了车载通信，以管理和促进未来的交通安全和移动性。本研究提出了一种基于位置的车辆间通信资源分配方案，该方案根据车辆的速度、密度、方向和位置分配不同的频率和时间资源(图3和图4)。作者研究的性能分析基于城市和高速公路的案例，涉及周期性的信息传输。

图3 Resource allocation for periodic traffic[2]

图4 Resource allocation for event-triggered traffic[2]

本文作者Jihyung Kim[2]介绍了V2V系统的结构，描述了随机资源分配，详细介绍了基于位置的资源分配方案和流程（见图5），基于仿真给出了该方案的性能分析，最后Jihyung Kim给出了结论。

图5 Flow chart of the proposed resource allocation[2]

在城市情况下，由于车辆密度高，交叉口区域存在严重的车辆间干扰。为了解决这个问题，作者Ji⁃hyung Kim在交集区域中根据交通密度分配特殊的子资源库。此外，在非交汇处，街道是水平和垂直分开的。对于高速公路的情况，Jihyung Kim根据车辆的位置和方向分配资源。在基于位置的资源分配中，不同的区域有不同的子资源库，车辆进入不同的区域必须在新的子资源库中分配资源。这可能会增加延迟，因为车辆必须分配可用的资源，并可能造成额外的碰撞。这种情况对于高速行驶的车辆来说是至关重要的，因为它们更频繁地进入不同的区域。特殊的子资源库不会像正常的子资源库那样经常发生变化。相反，特殊的子资源库是独立于位置的，并且总是为那些特殊的高速车辆服务。

仿真结果表明，该方案能够改善分组接收比(PRR)和平均PRR的累积分布函数。

3 基于V2V的车载传感器网络实现方案调查[3]

车辆将很快连接起来，并且车辆之间、车辆与基础设施之间将直接相互作用，从而在安全和交通效率方面带来重大效益。在过去的十年里，各种不同的无线接入技术在车载到一切(V2X)通信中得到了发展，并起草了一套广泛的相关用例，每个用例都有自己的要求。图6是V2X和ETSI优先渗透率路线图。

图6 Applications roadmap of penetration of connected vehicles and ETSI priorities

本文以短距离通信为研究对象，分析了推动新道路用户互联发展的技术和经济动因，探讨了国际上对V2X通信设备的授权意图。作者Barbara M.Masini[3]还深入研究了支持无线接入技术，从IEEE 802.11p到短距离蜂窝-V2X和其他补充技术，如可见光通信(VLC)和毫米波，直至混合通信和5G。在总结调查时，Barbara M.Masini[3]对城市现实情景中的一些性能进行了比较，认为未来授权技术的选择并不容易预测，主要取决于国际一级的强制性法律。

本论文的目的是从经济动机到需求和相关的授权技术出发，深入了解基于车辆到车辆(V2V)的车载传感器网络(VSNs)所带来的挑战，并概述国际一级正在讨论的整合车载连接的潜在强制性规则。与已经发表的其他调查不同的是：

(1)Barbara M.Masini[3]将注意力集中在基于V2V的短程应用上；

(2)Barbara M.Masini[3]讨论了决定不同无线辅助技术发展的设计选择和因素；

(3)Barbara M.Masini[3]讨论了车载无线技术的潜在经济动机；

(4)Barbara M.Masini[3]概述了国际组织和国家如何采取行动提供适当的商业模式和潜在的强制性规则，以推动车载连接，从而有效地支持制造商开发使用V2V通信的应用程序。

4 一种仅使用V2V通信的车辆网络的分簇方案[4]

车载网络的发展引发了大量的新应用，这些应用已经成为驾驶员和协同车辆必不可少的部分。保证这些新服务的连续性的重要条件之一是存在持续的网络接入，这种接入无法得到完全保证。在这种情况下，开发可靠的临时车对车通信是一个很好的选择，也是强制性的。

该工作提出了一种新的聚类方案，称为链枝-叶(CBL)，它将道路配置、车辆移动性和链路质量方面的信息结合起来，以建立类似于车辆网络基础设施的结构，同时只依赖车辆（图7）。它们可概括如下：

（1）CBL是一种混合聚类方案，导致VANET中出现虚拟骨干，类似于沿着配备车辆通信的道路的路边单元（RSU）获得的骨干。因此，它可以在基于基础设施和无基础设施的VANET中运行。

（2）与大多数基于地理的路由协议不同，CBL中不需要全局了解节点的位置，并且不需要任何需要基础设施的全球定位服务。

（3）基于仿真的CBL研究表明，大多数时候它在每个驱动方向（链）上构建一个主干，由有限数量的继电器（分支）形成，其作用类似于簇头。

（4）与OLSR的本机聚类方案相比，CBL在全局上选择更少的中继，从而产生较少的路由流量。

这种聚类方案可以集成到任何反应式、主动式或地理自组织路由协议中，以便优化消息泛滥和简化路由操作。通过仿真实现的评估表明，所提出的聚类方案允许在相当长的时间内创建和维护稳定的主干。此外，仿真结果表明，所提出的聚类方案与现有技术如多点中继相比，显著减少了广播业务泛滥的影响。

图7 CBL functional nodes and links:at the bottom,the road traffic;at the middle,the CBL nodes and links;at the top,upstream and downstream zones on both sides a branch node.

5 移动PEV时空协同V2V能量交换策略[5]

一种车辆到车辆的(V2V)能量交换策略可以为插入式电动汽车(PEVS)提供一种可替代的快速充电方式，以缓解电力系统在高峰需求时间内的充电过载问题。本文旨在利用移动车辆位置和可用能量的实时信息，设计一种高效的时空协同V2V能量交换策略。设计这种能量交换策略的主要挑战是：激励移动PEV参与平衡聚集器供需平衡的能量交换交易；实现最佳的能量利用和单个PEV的利润。

与传统的协调策略不同，V2V策略除了协调对需要能量的PEV的充电外，还应该激励剩余能量的PEV放电。在电网中存在一组聚集器的情况下，由于不同聚集器上的与充电需求和放电相关的空间和时间波动，可以为移动PEV实现空间和时间的充放电协调。通过时空协调，可以使总供给和总需求相匹配。此外，对于移动PEV充电/放电，由于电池中的可用能量与到达聚合器所需的能量之间的张力，所分配的聚合器必须在给定PEV的当前位置和电池能量水平的各个移动PEV的范围内。

图8 Illustration of V2V energy swapping framework in the smart grid.

在本文中，作者WANG Miao[5]提出了一种新的智能电网体系结构，通过异构无线网络-增强智能电网，增强了移动PEV的通信能力（图8）。提出了一种基于价格控制的在线V2V能量交换策略。具体来说，有剩余能量的移动PEV通过提供V2V能量交换交易的方式在聚集器上与耗能的PEV进行交易。为了评估所提出的V2V能量交换策略的性能，在VISSIM中开发了一个真实的郊区脚本，利用生成的仿真轨迹跟踪PEV的流动性。大量的仿真结果验证了V2V能量交换策略的有效性。

6 V2V干扰下的协同中继通信和过时的CSI[6]

本文研究了一种在双Nakagami(DN)衰减信道上工作的具有解码转发功能的协作车载(V2V)干扰受限通信系统。在发射机和接收机都在运行的情况下，这种分配被作为衰减模型提出，如V2V通信中的情况。为了便于分析，作者Bithas Petros S[6]引入了二元DN分布，模拟选择接收信号的信道增益与数据传输实例之间的相关性，并导出了这种分布的统计度量，如概率密度函数、累积分布函数。由于无线介质的快速时变特性以及中继选择和数据传输实例之间自然存在的延迟，提出了一种新的信道状态信息(CSI)模型。

分析考虑了两种基于中继目的地信道质量的中继选择方案，即著名的最佳中继选择方案(BRS)和一种新的基于阈值的中继选择方案，与BRS相比具有更低的复杂度。利用Bithas Petros S的分析框架，得到了中断和平均符号错误概率的精确和渐近性能结果，并使用性能指标OP和SEP对分集阶进行了估计。

数值和仿真结果证实了Bithas Petros S的理论，并量化了过时的CSI、干扰水平以及中继节点与最终目的地之间的不同距离对系统性能的影响。两种中继选择方案的中继越接近目的地，系统性能越好。在许多情况下，新方案在性能和复杂性交换方面优于BRS。最后，基于导出的DN RVS之和的一个近似表达式，表明过时的CSI对系统性能的影响比累积干扰更严重。

7 采用有效载荷方案的扇区中继站的分组中继辅助V2V通信[7]

可靠的车载通信(V2VC)对于实现安全和高度自动化的驾驶系统是必不可少的，采用中继站(RS)可以提高基于CSMA/CA的V2VC的分组传送速率(PDR)，见图9。然而，由于隐藏终端(HT)的存在，RS的分组冲突限制了这种改进。在RS上采用扇形接收天线，即扇形中继辅助(SR-)V2VC，可以解决这一问题。然而，由于分组接收速率的提高，SR-V2VC仍然面临着另一个问题，即在高流量条件下的分组拥堵。这导致RS处的分组丢失，从而限制了SR-V2VC带来的改进。因此，在RS中引入一种避免交通拥挤的方法就显得尤为重要。

图9 Relay-assisted V2VC system

图10 Packet reception at RS when there is an interfering VS

本文提出了采用有效载荷组合转发(PCF)方法的SR-V2VC/PCF方法（图10），并利用CSMA/CA碰撞模型对系统性能进行了理论评价。还进行了大规模的计算机仿真，验证了SR-V2VC/PCF所带来的性能改善。结果表明，SR-V2VC/PCF将非中继系统最低传送PDR从62%提高到81%以上，扇形天线的方向性影响了该方案的效益。

同时，本文作者的主要贡献是：

(1)考虑多干扰源的影响，导出了RS下分组接收速率的解析表达式。

(2)综合推导了所提出的SRV2VC/PCF的分组投递率(PDR)表达式，并利用CSMA/CA碰撞模型对该方案进行了评价。

(3)利用分析了两种方法，讨论了车辆位置对V2VC性能的影响。仿真结果对该方案的安全性评价是必要的。

(4)将模拟面积扩大一倍，设置更严格的天线条件，改善计算机仿真条件，从而得到更真实的结果。结果表明，扇形接收和PCF方案的联合使用，可以有效地缓解单频系统的HT问题和RS包的拥堵问题，显著改善V2VC的PDR。

8 基于网络编码的中继辅助V2V通信有效载荷级联[8]

可靠的车对车(V2V)通信是安全和高度自动化驾驶系统必不可少的。研究了利用路边中继站(RSS)辅助V2V通信，提高V2V通信的可靠性。然而，它的改进受到RS中可能出现的分组拥堵的限制。为了缓解RS中的数据包拥堵问题，本文提出了一种基于网络编码的有效负载级联转发算法。

网络编码(NC)是解决网络拥堵的一种很有前途的解决方案。作为NC在车载通信中的一种应用，提出了一种基于车辆到基础设施(V2I)通信的协作内容下载方案。一些工作利用了NC在V2VC安全信标方面的优势。提出了一种基于NC的丢包恢复方案，并在公路场景中证明了该方案的有效性。针对交叉路口环境，提出了一种基于NC的方案，该方案利用交叉路口车辆对接收到的所有信标信息进行编码和重播。结果表明，该方案不仅可以减少重传时间，而且可以减少重播时隙的数目。然而，它不能保证PDR可以得到显著改善，特别是在多节点环境中。本文提出了一种基于NC的PCF(PCF-NC)方案，该方案采用有效载荷排序和选择算法，以适应交叉路口多节点环境（图11）。作者提出的用于SR-V2VC的PCF-NC(SRV2VC/PCF-NC)方案可以缓解拥堵，进一步提高V2VC的性能。

大规模仿真结果表明，该方案能有效地缓解V2V通信中的拥堵问题，显著提高V2V通信的可靠性。

图11 The operations of normal PCF scheme and PCF-NC scheme using a street-based grouping method with G=4.

9 用于V2V通信的众包辅助无线电环境数据库[9]

为了实现可靠的车载自动驾驶(V2V)通信系统，无线传播识别成为一项重要的技术。然而，在目前的无线分布式网络系统中，由于周围建筑物和地理特征所引起的无线传播的局部性，很难准确估计无线传播特性。

本文提出了一种基于测量的无线分布式网络环境数据库的体系结构（图12），以提高V2V通信系统中无线电环境估计的精度。该数据库首先收集与V2V系统的发送/接收位置相关的接收信号强度指示器(RSSI)的测量数据集，利用这些数据集生成与发射机和接收机位置相连的平均接收功率映射。分布式用户启用的这种数据集称为众包，通过使用众包，可以从大量的位置收集大量的数据集。

图12 Concept of a radio environment database for wireless distributed networks

为了评估数据库的准确性，在日本郊区进行了车辆与车辆（V2V）通信的测量。在现有的V2V通信标准IEEE802.11p中，为了支持交通安全，通常将发射机位置包括在传输包中。因此，通过在接收车辆上使用全球定位系统，接收信号强度指示器(RSSI)和发射机/接收机位置都可以被存储，而无需额外的操作。通过观测实验，利用MySQL服务器创建了与传输位置相关的无线电环境图(REMS)。

评估结果表明，与包括基于测量的路径损耗模型和ITU-R P.1411在内的一些路径损耗模型相比，所提出的数据库能够准确估计无线电环境波动。此外，本文还将该数据库应用于单播系统的功率控制中，讨论了该数据库对通信效率的影响。评价结果表明，该方法在保证所需通信质量的同时，最大限度地减小了传输功率，即对目的地以外车辆的干扰。