高负载场景中考虑噪声及隐藏终端的C-V2X 模式4 性能分析

摘 要：为深入探究基于蜂窝通信的车联网（C-V2X）模式4在高负载场景中的数据传输性能，提出了一个综合考虑随机噪声、随机阴影衰落及隐藏终端影响的数据传输分析模型。建立了一个融合噪声与阴影衰落的双重随机信噪比和信干噪比模型，并采用Cauchy分布对该模型进行求解；推导出数据传输过程中4种典型错误概率的解析式，揭示噪声、阴影衰落与数据冲突之间的耦合关系；基于4种错误类型，进一步构建集噪声、阴影衰落和隐藏终端影响于一体的数据包传输成功率（PDR）解析模型; 最后，利用数值仿真深入分析影响通信效率的关键参数，并探讨各个参数对PDR的影响规律。结果表明：在高噪声、高移速、高负载环境下，PDR较前期文献降低了16.7%，验证了随机噪声和隐藏终端对通信造成的不良影响。

关键词： 蜂窝通信的车联网（C-V2X）模式；双随机信噪比模型；Cauchy 分布；数据包传输成功率（PDR）

中图分类号： TN 929.2 文献标识码： A DOI： 10.3969/j.issn.1674-8484.2024.06.016

蜂窝车联网技术（cellular vehicle-to-everything，C-V2X） 作为一种基于蜂窝移动通信网络的新型车联网技术，利用先进的计算机、通信、电子传感器和人工智能等技术，实现车辆节点与其他所有对象（ 包括其他车辆、基础设施、行人和网络） 之间的信息传输和无线通信，极大地提升了智能交通系统的安全性、高效性和可靠性[1]。2016 年，3GPP 在R14 版本中发布了长期标准的演进（long term evolution，LTE），在该标准中引入了模式3 和模式4 [2]。其中，模式4 采用了分布式资源调度机制实现车辆间的直接通信，支持复杂多变的应用需求，使通信过程更加灵活和高效，极大地满足了通信需求。此外，模式4 减少了车辆对基础设施的依赖，确保即使在网络服务较差或网络覆盖薄弱的区域，车辆之间也能保持稳定的通信[3-4]。因此，该技术在车联网技术领域具有极其广泛的应用前景。

尽管C-V2X 模式4 通信技术具有许多优势，但在信道高负载场景下，它仍面临着噪声和隐藏终端的挑战。在高负载场景下，随着信道中传输数据的增加，噪声对信号的影响会变得更加显著，这不仅导致通信质量的下降，还提高了误码率，造成数据传输错误大幅上升。同时，隐藏终端的存在加剧了数据包的冲突与重传现象，进一步降低了网络的吞吐效率并增加了数据传输时延。这些因素的共同作用，可能导致通信链路的不稳定性，甚至在极端情况下可能出现通信链路断裂情况，增加了通信时延，从而妨碍车辆的即时决策和行动，对道路交通安全构成潜在风险。而现有研究工作对此类现象的探讨较少。因此，深入研究信道高负载场景下，噪声及隐藏终端对车辆通信性能的影响规律，对确保车辆通信和服务质量，以及为后期通过优化资源分配机制来提升车联网的通信效率至关重要。

近年来，诸多学者对C-V2X 模式4 开展了大量研究工作以期提高车辆通信性能。 M. Gonzalez-Martín等[5] 首次提出通过分析车辆介质访问控制层的资源选择方式，构建了传输成功率（packet delivery ratio，PDR） 函数，以支撑评估车辆通信性能。B. Toghi 等[6]在高负载车载网络下对C-V2X 通信系统的传输性能进行评估，并研究了资源分配参数对传输延迟和PDR 等关键性能指标的影响。A. Nabil 等[7] 通过分析资源预留间隔对C-V2X 通信性能的影响，发现资源预约间隔显著影响PDR 性能。F. Eckermann 等[8] 设计出一种开源C-V2X 模拟器，并基于模式4 的关键参数对系统性能进行研究。上述成果通过理论或仿真，获得C-V2X模式4 的主要性能指标，但评估指标较为单一。

在此基础上，为了实现C-V2X 模式4 数据传输性能的动态分析，LI Wenfeng 等[9] 通过建立Markov 链模型来评估C-V2X 性能，提出将C-V2X 中的闲置无线电资源用于车辆安全服务。P. G. Wijesiri 等[10-11] 通过考虑周期性协作感知消息和事件驱动的分散环境通知消息，对C-V2X 模式4 的介质访问控制层建立离散Markov 链模型，以评估C-V2X 模式4 的性能。为了降低基于感知的半静态调度（sensing based semipersistentscheduling，S-SPS） 机制在车辆高速移动过程中出现的数据包冲突，一些学者致力于资源分配优化方面研究。HE Xinxin 等[12] 提出一种基于短期感知的资源调度（short-term sensing-based resource selection，STS-RS） 机制， 以降低资源争用引起的分组冲突。YANG Jiaxin 等[13] 根据车辆行驶方向将资源池划分为2 部分，提出一种基于行车方向的S-SPS 机制，以降低相反方向车辆间干扰。S.Y. Jung 等[14] 提出一种基于资源交替调度的S-SPS 机制，通过交替预留和分配2 个资源，实现连续数据碰撞率的降低。上述研究分别从多个角度对C-V2X 模式4 开展大量研究，并获得了丰富的研究成果。然而大多研究成果只适用于特定的车联网场景，很难应对通用车联网所面临的挑战。同时，对于信道高负载场景下噪声、阴影衰落及隐藏终端对通信性能的影响尚未得到充分的研究，对于不同参数对PDR 的影响亦未得到具体规律。

在模式4 通信中，车辆周期性的上传安全类基础信息（ 如车辆位置信息、速度信息及环境感知信息），实现车联网对车辆动态地实时监测。由于周期性信息的发送间隔是固定的，因此，当车辆节点增多，安全类消息的周期传输将造成信道负载升高，资源竞争加剧。此外，当车辆节点增多且速度较低时，基于事件驱动的非周期紧急消息（ 如交通事故，紧急刹车等） 相对较少，使得该类消息的通信需求可能降低。因此，本文只考虑周期性信息的传输，不考虑一些非周期性事件驱动的消息。研究C-V2X 模式4 在信道高负载场景中的数据传输问题，以噪声、阴影衰落和隐藏终端对于通信的影响为主要研究对象，结合S-SPS 资源调度机制，提出了模式4 数据传输分析模型，得到噪声、阴影衰落和隐藏终端等对模式4 通信性能的具体影响规律，并据此对车辆通信性能进行评估。