基于典型无线场景库的LTE-V2X信道特性

苏昭阳 刘留 冯毅

摘要：分析了基于长期演进的车用无线通信技术（LTE-V2X）的关键技术、面临的挑战和相关研究进展。详细介绍了北京交通大学和中国联合网络通信集团有限公司在上海開展的实地测试工作，制定了测试方案，并基于实际测量的数据对信道特性进行了深入分析。

关键词：蜂窝车用无线通信技术;LTE-V2X;无线信道;测试

Abstract：Thekeytechnologies，challenges，andrelatedresearchprogressoflongtermevolution-vehicletoeverything（LTE-V2X）areanalyzed.ThemeasurementcampaignscarriedoutinShanghaibyBeijingJiaotongUniversityandChinaUnicomareintroducedindetail，andthetestschemeisgiven.Basedontheactualmeasureddata，thechannelcharacteristicsareanalyzed.

Keywords：C-V2X;LTE-V2X;wirelesschannel;test

如今汽车已经成为人们日常生活中不可缺少的出行工具。然而，随着汽车保有量的增加，一些潜在的问题也开始显现出来，如交通安全、交通拥堵、环境污染等。在为人类带来便利的同时，由汽车造成的负面影响已经不能忽视。于是车载无线通信技术（V2X）应运而生。V2X包括车与车通信（V2V）、车与物通信（V2I）、车与人通信（V2P）、车与网络通信（V2N），它可以显著提升驾驶的安全性与交通效率，降低事故发生率[1]。

V2X面临着如何在无线传播环境快速时变与网络拓扑动态变化的情况下提供高可靠、低时延的通信服务等难题[2]。目前，世界上用于V2X的主流技术主要有两种：一种是专用短程通信（DSRC）技术，该技术采用电气与电子工程师协会（IEEE）802.11p定义的物理层协议;另一种是基于蜂窝车用无线通信技术（C-V2X），该技术包括基于长期演进（LTE）移动通信技术形成的LTE-V2X技术和基于5G新空口（NR）演进形成的NR-V2X技术。其中，DSRC可以提供多对多、低延时的通信，但是可靠性较差[2];C-V2X能提供更广的通信范围、更低的时延与更高的可扩展性[3]。对于这两种技术，中国选择使用C-V2X作为发展V2X的技术手段。

中国积极开展相关的研究与测试工作。C-V2X产业化程度和产品接受程度都在逐步提升。一方面，核心芯片、模组和终端产品的研发基本成熟;另一方面，交通运输行业和汽车厂商开始主动推广C-V2X，并开展了实地测试。2016年，工业和信息化部在重庆、武汉、长春进行了为期3年的LTE-V2X外场测试[4]。2018年，中国率先为LTE-V2X直连通信分配了5905～5925MHz的专用带宽[5]，并于当年11月在上海完成世界首例C-V2X“三跨”展示，实现了通信模组、终端厂商、整车厂商3个不同方向的互联互通[6]。2019年，在三跨的基础上，“四跨”示范活动在上海举办，四跨重点增加了跨安全平台的场景[7]。2020年，“新四跨”活动在上海举办，进一步推动了C-V2X相关技术和标准的测试验证，同时增加了新技术元素，以不断完善C-V2X。

除中国外，欧美国家和日本对相关技术的研究占据领先地位。美国主要基于DSRC开展研究工作，并支持C-V2X作为备选技术。高通与福特开展了美国的第一个C-V2X试验。其中，高通设计了一款针对C-V2X的芯片（Qualcomm9150）。欧洲从支持IEEE802.11p逐渐转为技术中立态度。5G汽车联盟与宝马集团等公司共同完成了第一个跨车型的C-V2X现场演示。此外，日本也将C-V2X作为备选技术。2018年，日本多个通信和车辆公司联合进行了C-V2X直接通信测试[8]。

随着5G的到来，C-V2X面临着更多挑战。一方面，更加丰富的应用场景与业务种类要求通信技术能提供更低的时延与更高的可靠性;另一方面，与新技术如超大规模多输入多输出（MIMO）、毫米波通信、移动边缘计算等的结合也对C-V2X的发展提出了新要求。此外，V2X通信的安全性也是一个亟待解决的问题，包括V2X通信中的功能安全、网络安全、隐私安全和数据安全[2]。对此，人们需要构建V2X通信的安全防护体系。

面对这些挑战，进行V2X信道特性研究显得尤为重要。目前V2X信道特性的研究存在一些不足。相比于传统的蜂窝通信系统，V2X信道具有工作频段高、发射端天线高度低、终端移动性高、受环境影响大的特点[9]。通信双方的高速移动使信道状态变化剧烈，统计特性难以预测。虽然目前标准组织定义了V2X相关信道模型，但是这些模型有着场景覆盖不丰富、参数不合适等问题。因此，在更多场景下对V2X信道开展实地测量与建模是非常有必要的。

1LTE-V2X关键技术

1.1LTE-V2X无线通信特点

LTE-V2X无线通信具有以下特点[10]：

（1）低延时高可靠通信

在V2X场景中，通信系统内个体处于高速移动状态，导致多普勒频移严重，无线传播环境复杂且快时变，网络拓扑具有高度动态性。LTE-V2X依托现有LTE蜂窝通信系统，对物理层、资源分配、同步等关键技术进行改进，具备低延时高可靠的通信能力。

（2）远距离数据传输可靠性高

相比于IEEE802.11p采用的多跳中继进行远距离数据传输的方式，LTE-V2X采用基站与云端服务器连接的方式传输远距离数据，可以有效避免中继节点的影响，提高远距离数据的可达性。

（3）非视距场景传输可靠性高

由于利用了基站转发数据的方式进行通信，且基站天线架设高度一般较高，因此LTE-V2X可以很好地支持非视距场景，提高非视距场景下数据传输可靠性。

（4）网络建设和维护成本低

由于是基于LTE蜂窝网络发展而来的，因此LTE-V2X可以在进行网络部署时在现有设备上升级扩展，方便快捷地实现LTE-V2X的網络建设，同时也可以利用现有商用网络进行安全证书的更新和设备的维护。

由此可见，LTE-V2X能够最大程度利用已部署网络等资源，具有部署成本低、网络覆盖广的优势，并且在密集的环境下具有更远的通信距离、更大的容量、更佳的非视距通信性能和拥塞控制能力。

1.2工作模式

LTE-V2X针对车辆通信定义了直通模式和蜂窝模式两种通信模式。直通模式是指车辆之间的直接通信。这种模式引入设备到设备（D2D）PC5接口，采用V2X专用频段，可以使邻近的终端在近距离范围内无需中心节点就可进行通信，从而实现车、路、人之间的短距离直连通信，有效达成V2X通信终端之间的低时延、高可靠传输，保证车辆安全驾驶。直通模式适合蜂窝网络覆盖有限的环境，但需要有良好的资源配置及拥塞控制算法。蜂窝模式使终端和基站通过5G空口（Uu）接口通信，工作在传统移动通信授权频段，由基站负责资源集中分配与数据转发，以具备集中控制、资源调度、统一协调的功能，可显著提高LTE-V2X的接入能力和组网效率。两种模式的协同工作、优势互补，可以使车辆在不同场景中实现低延时、高可靠通信[11]。

1.3物理信道设计

LTE-V2X采用单载波频分多址接入技术，可以有效降低峰均功率比，在相同功放情况下有更大的发射功率。LTE-V2X在频域上支持10～20MHz的可变带宽，物理信道设计为子帧、资源块和子信道。在LTE-V2X中，如果继续使用传统蜂窝通信的帧结构，车辆的高速移动和高频段工作造成的多普勒频偏就会对信道估计产生严重影响，因此需要对帧结构进行增强设计。如图1所示，每个子帧长度为1ms，包含14个正交频分复用调制（OFDM）符号。其中，第一个符号用于自动增益控制（AGC），最后一个符号作为保护间隔（GP）。将原本子帧中的2列解调参考信号（DMRS）增加到4列，能够有效处理典型高速场景高频段的信道检测、估计与补偿[12]。资源块是分配给用户的最小时频资源，在时域上占1ms，在频域上占180kHz，并包含了12个子载波，是所有控制信令和数据信息的基本单元。子信道是具有相同子帧的资源块的组合，用于传输数据信息和控制信息两种信息。这两种信息被安置在同一子帧内，以达到降低时延的目的。

1.4资源调度

LTE-V2X支持Mode3和Mode4两种资源分配方式。合理进行资源调度可以有效避免资源碰撞，提高通信的可靠性。Mode3基于Uu接口，由基站对资源集中控制。用户需要在通信前向基站发送资源分配请求，基站根据用户的地理位置和资源利用情况将资源分配给用户。Mode3是一种基于终端地理信息的半持续调度方式。Mode4是基于PC5接口的“感知+预约的半持续调度”的方案，如图2所示。此方案充分利用V2X业务的周期性特点。终端会自行选择子信道接入，在资源池中感知资源占用情况。在选择合适的资源后，终端会在这些资源上周期性地发送一定次数，直到触发资源重选。Mode4的资源分配过程不需要基站参与，是一个完全自组网的方案，既可以承载周期性的V2X业务，又可以利用对资源状态的感知以避免冲突，提高资源利用率和传输可靠性[10]。

2典型场景库分类

根据调研，V2X通信主要涉及11个场景：城区直道、城区弯道、城区路口、城区环岛、高速直道、高速弯道、隧道、路堑、地上停车场、地下停车场、三岔路口。

各场景参数如表1所示。表中同时给出了各场景的示意图。

3信道测量与特性分析

无线信道是无线通信系统设计的基础，会在很大程度上影响通信的性能。准确认识V2X信道特点是研究V2X通信的首要问题。信道测量是无线信道传播特征统计和参数提取的前提，有助于充分了解所关注场景的信道特性。为了测量LTE-V2X信道并分析其特性，本文研究组在上海临港智能网联汽车综合测试示范区开展了实地测量工作。

3.1测试方案

外场测试地点为上海临港智能网联汽车综合测试示范区。选择了上述11个典型场景进行测试。测试系统如图3所示，基本参数配置如表2所示。

在外场测试中，要保证所使用的频段无其他频率干扰，收发信机之间要保持同步。发射端采用多载波信号序列作为探测信号，接收端使用频谱仪联调。测试过程中，还需要用全球定位系统（GPS）轨迹记录仪记录车辆的行驶状态，便于后续的数据分析与处理。图4给出了V2I高速直道场景与V2I城区直道场景下的测试实景图。

3.2测试结果展示与分析

下面选择V2I高速直道场景与V2I城区直道场景进行路径损耗的对比，如图5所示。

本文研究组采取最小二乘法对实测路损进行拟合，并与自由空间路径损耗模型、WINNER模型对比，得到了较好的拟合效果。经计算得知，V2I与V2V的路损值分别为2.27与2.67。城区直道路损值较大，这主要是因为城区直道环境反散射体较多，信号经过反射的次数也较多。

在对V2I高速直道场景有效径数进行分析后得到，平均有效径数为1.81，如图6所示;而V2I城区直道场景的平均有效径数为2.87，明显多于高速直道场景。这主要是因为城区场景下较多的反散射体使得发射信号在到达接收信号前发生了更多次的反射，从而产生了更多的多径。

从图7中可以看出，V2I高速直道场景的多普勒功率谱存在快变特性。发生此快变的位置均为收发端距离最近的位置，且存在一定程度的多普勒扩展。

经过对测试数据的分析，我们初步得出以下结论：对于大尺度衰落，V2V场景下的路径损耗指数大于V2I场景下的;对于小尺度衰落，V2V场景的有效多径数大于V2I场景下的，且对向行驶场景大于同向行驶场景;无论是V2V还是V2I，不同的测试场景得到的结果均有较大差异，需要对每个测试场景进行深入分析。

4结束语

本文从C-V2X的全球发展态势出发，介绍了LTE-V2X的关键技术、面临的挑战，详细描述了本文研究组在上海临港智能网联汽车综合测试示范区开展的实地测试工作，给出了相应的测试方案，并分析了测试结果。C-V2X作为中国车联网产业发展的关键技术，必将推动中国汽车产业、智能交通等领域的改革创新。由于目前C-V2X无线通信场景的实地测试较少，我们希望本文起到抛砖引玉的作用，以所做的测试为行业同仁开展相关工作提供参考，为车联网产业在中国的大规模部署提供帮助。

致谢

本研究得到了北京交通大学樊圆圆和中国联合网络通信集团有限公司邱佳慧、林晓伯工程师的帮助，谨致谢意！

参考文献

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作者简介

苏昭阳，北京交通大学电子信息工程学院在读博士研究生;研究方向为车联网通信、信道测量与建模。

刘留，北京交通大学电子信息工程学院教授、博士生导师;研究方向为电波传播与无线信道建模、时变信道信号处理、5G关键技术、高铁宽带接入物理层关键技术等;主持国家自然科学基金、北京市自然科学基金等多项科研课题;2016年入选北京市科技新星;发表论文130余篇，申请专利30余项（授权20余项）。

冯毅，中国联合网络通信集团有限公司智网创新中心总监、教授级高工，享受国家级特殊津贴;长期从事通信行业网络技术研究、建设规划、产品创新研发工作;带领团队先后完成8项国际标准和9项中国标准;发表论文10余篇，10余项。