基于LTE-V2X的车联网关键技术研究

1 引言

车联网是物联网在汽车与交通中的应用，是车与人，车与车，车与路，车与云之间进行数据和信息交换的信息通信网络。在5G时代，将通信技术与汽车的电子化、智能化相融合，通过协同通信交换，可以弥补原有车载传感设备只能感知视距范围车辆数据和交通运行环境数据的不足，构建一张实时的高精度地图，以支撑汽车电子智能系统的驾驶决策和驾驶操作与控制。车联网按照约定的通信协议和数据交互标准，在车与车、车与路、车与行人之间，进行无线通信和信息交换，其采用的通信技术主要包括基于专用短距离通信技术（ Dedicated Short Range Communication，DSRC）技术和中国力推的基于蜂窝移动通信的LTE-V2X技术，本文在车联网概念和应用的基础上，对LTE-V2X关键技术进行了研究。

2 车联网的概念

汽车的智能化趋势推动了传统汽车和交通行业的变革，同时也推动了车、路、人之间的信息共享。将现代通信技术与网络技术结合起来实现这些信息共享，就形成了车联网的概念。车联网是能够实现智能化交通管理、智能动态信息服务和车辆智能化控制的一体化网络，是物联网（Internet of Things，IoT）技术在交通系统领域的典型应用。车联网这个概念就是来自于物联网。传统的车联网定义是指装载在车辆上的电子标签通过无线射频等识别技术，实现在信息网络平台上对所有车辆的属性信息和静、动态信息进行提取和有效利用，并根据不同的功能需求对所有车辆的运行状态进行有效的监管和提供综合服务的系统。

根据中国信息通信研究院发布的《车联网白皮书》（2017），车联网的定义是：借助新一代信息和通信技术，实现车内、车与车、车与路、车与人、车与服务平台的全方位网络连接，提升汽车智能化水平和自动驾驶能力，构建汽车和交通服务新业态，从而提高交通效率，改善汽车驾乘感受，为用户提供智能、舒适、安全、节能、高效的综合服务。网络连接、汽车智能化、服务新业态是车联网的3个核心。

根据中国智能网联汽车产业创新联盟的定义，车联网是以车内网、车际网和车云网为基础，按照约定的通信协议和数据交互标准，在车与车、车与路、车与行人之间，进行无线通信和信息交换的大系统网络。其中车内网是指通过应用成熟的总线技术建立的一个标准化的整车网络；车际网是指基于DSRC技术和LTE-V2X技术构建的实现车与车和车与路边的基础设施之间中短程距离通信的动态网络；车云网是指车载终端通过蜂窝移动通信技术与互联网和云端进行远程无线连接的网络。三者之间的关系和整体架构如图1所示。本文重点研究实现车辆与一切可能影响车辆的外部实体实现信息交互的车际网所采用的LTE-V2X技术。

图1 车内网、车际网和车云网的整体架构

3 LTE-V2X关键技术

如前所述，基于V2X协同通信的车际网是车联网的一种基本通信方式。V2X协同通信是车辆与车辆、行人和路侧设备之间进行数据和信息交换的通信方式。与基于蜂窝移动通信的通信方式相比，V2X协同通信包含在车辆、道路和行人之间直接进行数据和信息交换的通信方式，它将一个个独立的车辆通过信息通信连成一体，采用自组网技术，通过车辆间或车辆与路侧通信设施之间多跳无线通信，使驾驶员能够在超视距范围内获得其他车辆的状况信息（如车辆位置、行使驶方向、行车速度、刹车操作等）和实时路况信息，还可以通过路边的站点接入互联网，使司机和乘客可以方便地获取天气状况，实时交通状况，商店购物或网络娱乐等相关信息。

V2X协同通信包括专用短距离通信DSRC方式和蜂窝-V2X（cellular-V2X，C-V2X）协同通信方式。C-V2X结合了蜂窝移动通信和V2X协同通信的优势，既包括有蜂窝网络覆盖的场景，也包括没有蜂窝网络部署的场景，可以提供两种通信接口：蜂窝通信接口和直连通信接口，以此形成有效的冗余来保障通信可靠性。C-V2X是基于3GPP全球统一标准的通信技术，包含LTE-V2X和5G-V2X，从技术演进角度讲，LTE-V2X支持向5G-V2X平滑演进。LTE-V2X的准化已经完成。

LTE-V2X是以LTE蜂窝网络为V2X基础的车联网专有协议，分为两种工作方式：终端之间直通传输通信方式，其中终端之间的空中接口称为PC5接口；终端与基站之间的上/下行链路通信方式，其中终端和基站之间的空中接口称为Uu接口。基于Uu接口的LTE-V2X主要是在LTE的上下行传输上做了一些增强，例如下行缩短MBMS的周期以降低延迟，上行引入多个SPS进程等。

LTE-V2X物理层的关键技术主要包括：自动增益控制AGC、同步信号检测/定时估计、频偏估计。

在车辆短距通信系统的工作环境中，接收端在相邻子帧中可能收到不同终端所发送的传输距离差异很大的信号。由于近距路损小、远距路损大的因素导致接收信号强度在不同接收子帧之间波动极大；高速时，通信目标的通信距离可能大于300 m，也可能小于2 m，除考虑不同距离的路损差外，还需要考虑阴影衰落，瑞利衰落的抖动等余量，那么AGC需要支持的增益调整范围需要达到80 dB以上。在LTE-V2X系统中需要实现快速AGC调整，否则会影响后续信号的接收。

在LTE-V2X系统，采用了重复的PSS和SSS设计，这样可以采用前一符号与后一符号相关的方法来初步锁定PSS或SSS的位置，基于最大相关值可实现PSS或SSS的检测，并基于最大相关值的位置可实现接收信号的定时估计。

LTE-V2X的工作频点可达5.9 GHz，当车辆间的相对移动速度达到240 km/h时，需要应对的多普勒频移远大于当前LTE系统的2.6 GHz频段和120 km/h移动速度，将引起更严重的性能衰减。因此LTE-V2X不能使用LTE系统中通常采用的频域频偏估计法，而是采用变换域频偏估计法来估计，即通过估计接收信号的到达时间，计算与本地基准接收时间的时间差；将接收的频域导频序列变换到时域，与经过圆周旋转的本地存储时域导频序列进行对应位的共轭相乘，得到了反映信道相位变化的序列，从而计算出频率偏移。该偏移可以估计绝对值小于15 kHz的频偏，满足车联网的通信需求。

4 结束语

车联网不仅改变汽车产品的形态，也将改变交通运输和人们的出行模式，其发展对我国汽车行业的发展以及制造业强国的打造具有重大战略意义。LTE-V2X作为中国力推的车联网标准，最大的好处在于能够重复使用现有的蜂窝基础建设和频谱资源。LTE网络基础建设已经存在，运营商无需进行大规模的专用路侧设备RSU布点，并提供专用的频谱；在另一方面，终端设备可以和手机共用同一类型的芯片，为汽车厂商大大降低整合成本。结合目前5G的提速，更容易推动LTE-V2X技术的继承和演进，推动车联网技术的商用推广。