车联网场景下的低时延高可靠通信技术研究

尤琪越

（浙江工商大学，浙江 杭州 310018）

0 引 言

随着智能化和互联化的快速发展，车联网已经成为了当今社会的一个重要趋势。在车联网应用中，低时延和高可靠性的通信技术对保证行车安全、提升用户体验以及实现智能交通等方面具有重要意义。然而，目前车联网通信技术面临着多种挑战，如复杂的信道环境、高速移动的车辆以及多个用户同时使用等，这些因素都会对通信质量造成不利影响。因此，为了满足车联网的应用需求，研究低时延和高可靠性的通信技术非常必要。文章对车联网场景下低时延和高可靠性通信技术的研究进行探讨，以期推动车联网技术的发展和应用。

1 车联网场景下的低时延高可靠通信技术研究概况

1.1 车联网场景下的低时延高可靠通信技术概述

车联网（Vehicular Ad Hoc Network，VANET）作为智能交通系统（Intelligent Transportation Systems，ITS）的重要组成部分，具有广阔的应用前景。由于车辆移动的高度不确定性和动态性，以及多路径传播和信号干扰等因素，车联网通信存在时延高、可靠性差的问题[1]。因此，低时延高可靠通信技术成为车联网通信领域的重要研究方向。该技术采用多种方法来优化车联网通信的可靠性和响应速度。

协作通信是指利用车辆之间的中继传输，通过多个车辆之间的协作来缩短数据传输的时延，并提高通信可靠性。信道编码是指采用编码技术来提高信号传输的可靠性，如Turbo 码、低密度奇偶校验码（Low Density Parity Check Code，LDPC）等[2]。多小区切换则是针对车联网场景特点，设计了一种基于多小区切换的通信机制，实现车辆与基础设施之间的高效通信。车联网不仅能提供多样化的、各种服务质量（Quality of Service，QoS）的智能交通信息服务，还促进了汽车网络化、智能化发展，如图1 所示。

图1 车联网发展

低时延高可靠通信技术的特点包括：第一，具有低时延、高可靠性、高吞吐量等优势；第二，适用于车联网的多种通信场景，如车辆对车辆通信（Vehicle-to-Vehicle，V2V）、车辆对基础设施通信（Vehicle-to-Infrastructure，V2I）等；第三，可以采用多种技术手段进行优化，如协作通信、信道编码、调制解调以及天线设计等[3]。依据第三代合作伙伴计 划（3rd Generation Partnership Project，3GPP）5G标准，车联网是5G 低时延、高可靠通信（ultra-Reliable Low-Latency Communication，uRLLC）重要的应用场景，如图2 所示。

图2 3GPP 车联网通信场景

1.2 车联网场景下的低时延高可靠通信技术研究概况

我国的车联网发展起步较晚，但近年来取得了快速进展。根据中国信息通信研究院发布的《2021年中国车联网行业发展报告》，我国车联网用户规模超过1.5亿人，车联网产业市场规模超过1 500亿元[4]。目前，我国的车联网应用主要集中在智能交通、智能网联汽车、车载信息娱乐等领域。

国外车联网发展已经相对成熟，发展速度也非常快。根据互联网数据中心（Internet Data Center，IDC）数据显示，全球车联网市场规模在2021 年已经达到了905 亿美元，预计到2025 年将达到1.6 万亿美元[5]。欧洲和美国是全球车联网市场的主要发展地区，欧洲车联网应用主要集中于汽车导航、车辆远程诊断、车联网支付等领域，而美国车联网应用主要涉及车辆安全、交通管理以及车载娱乐等领域。

2 车联网场景下的低时延高可靠通信技术探析

2.1 车联网通信技术的系统组成

（1）车辆通信网络。这是车联网通信技术的核心组成部分，包括车辆之间的通信网络和车辆与道路基础设施（如交通信号灯、路边单元等）之间的通信网络。车辆通信网络可以采用多种技术，如专用短程通信（Dedicated Short Range Communication，DSRC）、LTE-V、5G-V2X 等，来实现低时延高可靠的通信。

（2）车辆通信节点。车辆通信节点是车辆通信网络的重要组成部分，可以将车辆与车辆之间、车辆与道路基础设施之间的通信联系起来。车辆通信节点可以是车辆上的通信设备，也可以是道路基础设施上的通信设备。

（3）车辆通信协议。车辆通信协议是车联网通信技术的重要组成部分，可以确保车辆之间的通信顺利进行。常用的车辆通信协议包括MAC 协议、网络层协议、传输层协议等。

（4）车联网应用系统。车联网应用系统是车联网通信技术的最终目的，可以利用车辆之间的通信来实现各种应用场景，如车辆安全、车辆诊断以及交通管理等。车联网应用系统通常需要采用复杂的算法和模型来实现智能化的决策与控制。

表1 无线通信系统 MAC 技术类型

2.2 车联网通信技术的系统运作方式

车联网通信技术的系统运作方式可以大致分为以下3 个步骤[6]。

（1）数据采集和传输。车辆和道路基础设施上的传感器、摄像头等采集到的数据，需要通过低时延高可靠的通信技术传输到车联网应用系统。这个过程需要保证数据的实时性和可靠性，以便车联网应用系统能够及时获取有价值的数据。

（2）数据处理和应用决策。车联网应用系统对传输过来的数据进行处理、挖掘等，提取有价值的信息，然后根据复杂的算法和模型进行智能化的决策与控制。例如，车联网应用系统可以分析交通流量、路况等信息，进行交通信号灯控制、车辆导航、车辆自动驾驶等决策。

（3）反馈控制。车联网应用系统将决策结果反馈到车辆或道路基础设施上，以实现对车辆和交通信号灯的控制。例如，在车辆自动驾驶场景下，车联网应用系统可以控制车辆的速度和方向，确保车辆安全驾驶。此外，反馈控制还可以使交通信号灯和道路基础设施更加智能化，以满足城市交通管理的需求。

3 车联网场景下的低时延高可靠通信技术应用研究

3.1 数据传输协议

车联网网络主要由车辆通信子系统、道路基础设施子系统、云端平台子系统和应用子系统组成。其中，车辆通信子系统是车联网网络的核心部分，实现了车辆之间的协同和信息交换。道路基础设施子系统提供了车辆通信的基础设施，包括道路边缘设备、路侧单元和基站等。云端平台子系统则提供了数据存储、处理和管理等功能。应用子系统则是车联网的应用场景，包括了智能交通、智能驾驶、车辆管理等。

3.2 信道编码

在车联网中，信道编码技术是确保通信数据可靠传输的关键技术之一。由于车联网中通信环境复杂，容易受到多种干扰因素的影响，如信道衰落、多径效应以及噪声等，因此需要使用信道编码技术来提高数据传输的可靠性。

目前，车联网中常用的信道编码技术包括卷积码、RS 码、Turbo 码和LDPC 码等。其中，卷积码是一种常用的线性码，具有简单的结构和较好的译码性能，在低信噪比情况下表现良好，常被用来进行信道编码。RS 码是一种纠错码，能够有效地处理通信中的随机误差。Turbo 码和LDPC 码是目前应用最为广泛的编码方式，它们的译码性能较为优秀，在高速数据传输和低信噪比环境下表现出色。

现以车辆自组网VANET 为例，来说明卷积码及纠错码中Turbo 码在车联网中常用的信道编码技术。在实际道路中，车辆之间需要进行实时通信来传递交通信息、行车状态等信息。在车辆之间进行数据传输时，使用卷积码将数据进行编码，并将编码后的数据发送给接收端车辆。在接收端车辆，使用相应的译码算法对接收到的信号进行译码，从而将原始的数据信息恢复。图3 为Turbo 码编码。

图3 Turbo 码编码

3.3 调制解调

调制解调技术对车联网至关重要，可以将数字信息信号转换成模拟信号，并将模拟信号传输到接收端进行解调，从而恢复出原始数字信号。车联网中的调制解调技术主要应用于无线通信系统，如VANET、车载广播以及ITS 等。

在车联网中，常用的调制解调技术有2 种：单载波调制和多载波调制。单载波调制主要包括二进制相移键控、四进制相移键控等调制方式，而多载波调制则包括正交振幅调制、正交频分复用等调制方式。这些调制方式各有特点，可根据不同的应用场景进行选择。

现以VANET 为例来说明单载波调制在车联网调制解调技术中的应用。在VANET 中，车辆之间需要进行实时通信，因此需要使用低延迟、高可靠的调制解调技术。正交相移键控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）调制方式可以满足VANET 中的实时通信需求，因为它具有良好的抗噪声性能和低误码率，且可以在较低的信噪比下工作。

3.4 天线设计

天线设计在车联网中也是至关重要的，是无线信号从发送端发送到接收端的重要媒介。在车联网中，天线设计主要应用于VANET、ITS 等无线通信系统中，以提高数据传输的可靠性和稳定性。

针对车联网中的通信需求，天线设计技术主要需要考虑方向性、天线增益、频段、极化方式、多径干扰等。方向性和天线增益是天线设计的关键参数，可以决定信号传输的方向和强度。频段决定了天线所适用的无线通信标准和协议，极化方式决定了天线接收和发送信号的传输方式，而多径干扰则需要天线设计师考虑天线与周围环境的交互，以降低信号的干扰和失真。

4 结 论

车联网通信技术的发展对智能交通和智能化城市的建设至关重要。文章首先介绍了车联网场景下低时延和高可靠性通信技术的含义及特点，并探讨了该领域的研究进展。其次，讨论了车联网通信技术的系统组成及运作方式。最后，对数据传输协议、信道编码、调制解调以及天线设计等方面的研究内容和应用进行详细讨论。该研究为进一步探讨车联网通信技术的基础理论、通信算法和系统架构提供了经验。