车对车通信建模技术研究进展

余保睿

（广西大学，广西 南宁 530003）

0 引 言

车对车通信技术（简称V2V技术）是基于5G技术提出的。5G技术的迅猛发展，大大提升了通信速率，推进了物联网技术的研究发展。其中，车对车通信技术作为物联网技术和V2X系列技术之一由此被提出并获得研究。V2V技术主要研究移动状态的车和车之间的通信，可实现车辆状况信息的共享。车辆状况信息包括车辆位置、行驶速度以及行驶状态等。车辆可以借助该技术实时获取附近车辆的行驶信息，并依照这些信息作出相应的响应，从而大大降低交通事故的发生概率。

我国和国外对于V2V技术的研究解决方案不同：我国的研究方案是将V2V技术与现有的蜂窝移动网络技术相结合，即C-V2X技术；国外推行的则是独立于蜂窝移动网络、直接进行车对车通信连接的专用短程通信（DSRC）技术。

我国主推的C-V2X技术结合蜂窝移动网络进行，意味着该技术不仅能实现小范围车对车的短程通信，而且可以实现道路车辆信息的实时共享。将实时处于某区域蜂窝移动网络的车辆数据上传云端进行共享，可实现检测道路状态和建立大区域道路实时信息云库等目的，十分契合大数据时代的核心思想，是国外DSRC技术无法实现的。但是，我国对C-V2X技术的研究处于起步阶段，而国外对DSRC技术的研究历史悠久，研究成果及相关应用已十分成熟。这就决定了我国研究的主要重点在于如何完善和发展C-V2X技术，而国外的研究重点在于如何找寻相对DSRC技术而言性能更好的V2V技术。

1 国内研究动态

V2V技术作为一种无线通信技术，核心是建立无线信道模型并进行仿真。车对车通信系统的信道特点是收发端具有移动性且通信环境复杂多变。由于收发端的移动性，信道相关参数也随着时间在变化。

1.1 建 模

目前，国内针对V2V技术研究最多的信道模型是3D几何信道模型。该信道模型依照不同的通信场景建立不同的单个几何信道模型，每个几何信道模型都是依照具体通信场景放置且较为符合实际的三维几何模型。这些模型的排布按照一定规律分布（如均匀分布和高斯分布），模型的种类和排布规律与具体场景有关，如在森林中放置分布密集的圆柱、椭球体等三维几何模型[1]。

由于3D几何信道模型需要大量实地勘测数据的支持，因此模型建立的工作量巨大且不能很好地契合V2V信道实时变化的特点和要求，同时对多入多出系统（MIMO）的模型处理较多且杂乱。因此，国内针对V2V技术提出了一种新的信道模型——时变非平稳的三维散射集群信道模型[1-3]。该模型是基于信号使用多入多出（MIMO）技术传输而设置的。对一个窄带信道多入多出传输的通信系统建模如图1所示。

图1 窄带信道MIMO通信系统模型

1.2 模型的演变

基于MIMO的V2V通信系统的收发双端具有移动性，且传输的是多径信号，因此信号在传输中会经历反射、散射以及衍射等物理过程。其中，最突出、出现概率最大的是信号在空气媒介中的散射。不同路径的散射角随着收发端的实时移动实时变化，因此研究时提出在信道建模中加入不同分布的散射簇，每一个散射簇包含不同角度的散射。通过尽可能多且广泛地在车与车的空间内放置散射簇，使散射后信号尽可能逼近实际信号，模型建立如图2所示。

图2 基于散射簇建立的模型

图2的模型中，信号通过直射LOS和散射SBC两种路径进行传播。模型中收发端连线的圆形节点对应图1模型中的接收串口S/P。假设H(t)为信道脉冲响应矩阵，Nt、Nr分别为发射天线和接收天线，则可得到信道模型公式：

由于接收双方的移动性，信道是随着时间变化的时变信道，但高速移动的情况与低速运动的情况不同。高速移动的情况下，可以忽略建筑物点对信号散射和反射的影响。基于这一因素对图2模型进行改正，赋予其以下的运作规律，在整个空间中广泛地放置散射簇。由于高速运动时忽略建筑物对信号传播的影响，因此设每一个散射簇的覆盖范围为一个圆形区域。当车辆进入该散射簇的覆盖范围时，该散射簇开始运作并参与信道模型的建立；当车辆离开覆盖范围时，该散射簇退出信道模型。信道模型由此具有时变非平稳的特性，更加契合V2V实际通信环境。完善后的模型如图3所示。

图3 时变非平稳的散射集群模型

2 国外研究动态

当前国内的V2V通信技术研究方向主要集中在探寻和研究比国外早已成熟且投入实际应用的DSRC技术而言性能更优的技术，候选技术包括基于VLC（可见光通信技术）的C2C通信技术[2]。

C2C通信技术是基于可见光的通信技术（VLC），通过发光二极管发出的可见光传输数据信息，从而达到端到端通信的目的。在电灯早已广泛普及的今天，发光二极管在车辆的行驶环境中随处可见，为VLC技术的实践研究提供了很好的应用基础。C2C通信技术不仅使车与车之间可通过可见光实现通信连接，还使车、路灯以及路边拥有可见光光源的建筑物等通过可见光进行通信成为可能。基于VLC的C2C通信技术不仅在V2V通信系统中具有广阔的应用前景，而且在V2I通信系统中亦是如此。此外，光沿直线传播的特性，使得VLC技术的传播质量很高。由于光无法直射过障碍物，所以VLC技术在一定程度上具有较高的安全性[4]。

2.1 初步建模

对基于VLC的V2V通信系统的信道建立一个大致的模型，在车与车通过车灯发出的可见光进行通信连接时，信道中的信号包括发端发出的直射可见光、经过路面反射后的可见光以及周围通信环境产生的干扰光。初步建立的基于VLC的V2V通信系统模型如图4所示。

图4 初步建立的基于VLC的V2V通信系统模型

2.2 精确建模

通信系统的信道建模重点在于可见光传播特性的研究。直射光的传播特性无需多做研究，所以建模的重点放在反射光传播模型的建立。反射光的传播受反射体表面的粗糙程度和反射体材质等因素的影响，且V2V通信环境具有移动性和时变非平稳特性。这些因素是实时变化的，因此反射光传播特性也是实时变化的[5]。建模的重点在于建立反射模型，但由于高速运动的物体可忽略建筑物对信号的传播影响，因此只需考虑路面对可见光的反射。建立的车灯发射光照射到路面的传播模型如图5所示。

图5 基于VLC的V2V通信系统初步模型

由图5模型得出可计算任意位置的光照强度值的公式：

路面的污垢也会影响可见光反射的传播特性。研究通过MATLAB拟合无污垢路面反射情况，实测数据如图6所示，进而比较路面有无污垢沉积对可见光传输的影响。

研究得出，污垢沉积在反射发射光的同时削弱了可见光的一部分光强。经合理猜测，在这个过程中反射减弱、散射增强。当通信双方在有污垢沉积现象的路面上行驶时，应依照实测数据，考虑在发光强度小于400 cd时增加光输出功率。

由于实际行驶的路面反射情况复杂多变，因此漫反射和镜面反射比例不同。因此，将道路情况进行分类，对典型的特定路面进行反射试验，记录实测参数，建立反射模型。研究最终得到了一种典型的反射模型公式：

图6 路面有无污垢沉积对可见光传输影响对照

其中，β是入射垂直平面与观测垂直平面的夹角，γ是入射光与法线的夹角。

此外，还应考虑平均亮度系数Q0和镜面因子S1对反射特性的影响，可依照这两个变量的大小划分道路类型，得到的划分情况如表1所示。

表1 依照Q0、S1对路面类型划分

综合考虑上述因素，最终建立的模型如图7所示。

4 国内外研究对比及建议

国内对V2V通信系统的研究是基于5G技术下的NGN网络。车载通信与大区域的蜂窝移动网络结合，使得V2V通信系统更加契合未来大数据时代发展，也为该技术和6G时代的发展奠定了坚实基础。国外研究V2V通信系统的目的是使车与车之间的通信质量更高、速率尽可能快以及安全性更高。

相比国外V2V技术的发展，国内的研究方向更具发展前景。如何规避或降低毫米波由自身特性而造成的传播衰落损耗是一个很大的问题，对该问题的改善方法有：在传播途径中增加反射装置，以应对毫米波无法绕开障碍物的问题；利用波束赋形技术，将毫米波能量集中于一个方向发送；基于5G大规模多天线技术，沿不同路径发送多个携带相同信息的毫米波，增加中继数量。

图7 基于VLC的V2V通信系统最终信道模型

由于国内研究的V2V通信系统位于蜂窝移动网络构架体系，意味着V2V传输的通信系统需要MAC层控制信息和信令的传输，使传输协议更加复杂化，也增加了通信传输的处理时延。针对这个问题，可以合并V2V的研究与资源分配算法的研究，以解决高层系统中的资源分配问题，降低处理时延[6]。此外，基于VLC技术的V2V研究虽然具有信号传输质量高、效率高以及时延小等优点，但也存在诸多问题。例如，在白天日光较强时，光源需发送更强的光以降低日光对信息传输的干扰，十分浪费资源，因此针对不同的环境应该相应地调整发射光频率。此时，可通过研究一种按照环境和路况动态控制发射光频率的算法或增加其他通信方式，同时分析路况，当路况参数达到某一个临界值时，更换更加适宜的通信方式[4-7]。