車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用-第4章-車聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

第4章車聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)4.1車聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)成

4.2V2X的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展

4.3DSRC關(guān)鍵技術(shù)4.4LTE-V2X關(guān)鍵技術(shù)

4.1車聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)成

車聯(lián)網(wǎng)是以車內(nèi)網(wǎng)、車際網(wǎng)和車云網(wǎng)為基礎(chǔ)，按照約定的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)，在車與車、車與路、車與行人之間，進(jìn)行無(wú)線通信和信息交換的大系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。車內(nèi)網(wǎng)是指通過(guò)應(yīng)用成熟的總線技術(shù)建立的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的整車網(wǎng)絡(luò)；車際網(wǎng)是指基于專用短距離通信技術(shù)DSRC技術(shù)和LTE-V2X技術(shù)構(gòu)建的實(shí)現(xiàn)車與車和車與路邊的基礎(chǔ)設(shè)施之間中短程距離通信的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)；車云網(wǎng)（也稱車載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)）是指車載終端通過(guò)蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)與Internet或云端進(jìn)行遠(yuǎn)程無(wú)線連接的網(wǎng)絡(luò)。車內(nèi)網(wǎng)

車內(nèi)網(wǎng)也稱為車載局域網(wǎng)（LocalAreaNetwork，LAN）是指分布在汽車上的電器與電子設(shè)備在物理上互相連接，并按網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相互進(jìn)行通信，以共享硬件、軟件和信息等資源為目的的電子控制系統(tǒng)。車載局域網(wǎng)車際網(wǎng)

作為物聯(lián)網(wǎng)在交通行業(yè)領(lǐng)域的典型應(yīng)用，車際網(wǎng)從技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行定義，車車/車路之間的通信一般又被稱為V2X(VehicletoEverything)或C2X（CartoEverything），包含車與車(V2V)、車與路(V2I)、車與行人(V2P)和車與云(V2N)oV2X應(yīng)用分類車云網(wǎng)

車云網(wǎng)又稱車載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)2G/3G/4G等移動(dòng)蜂窩技術(shù)，可以將汽車變成一個(gè)快速移動(dòng)的互聯(lián)網(wǎng)終端，使得汽車的駕乘體驗(yàn)更為安全、舒適。車載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)第4章車聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)4.1車聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)成

4.2V2X的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展

4.3DSRC關(guān)鍵技術(shù)4.4LTE-V2X關(guān)鍵技術(shù)

V2X的優(yōu)勢(shì)

V2X技術(shù)采用車載自組織網(wǎng)等工作模式，突破網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的限制，其實(shí)質(zhì)即是通過(guò)提供實(shí)時(shí)、高可靠的和可操作的信息流來(lái)重新定義交通，以提高安全性、效率，實(shí)現(xiàn)環(huán)保要求。特別是在網(wǎng)絡(luò)時(shí)延方面，未來(lái)的V2X技術(shù)可以將端到端的通信時(shí)延控制在10ms以內(nèi)，這對(duì)于保障車輛在行駛過(guò)程中的安全至關(guān)重要?；诜涓C移動(dòng)通信系統(tǒng)的V2X工作的模式設(shè)備對(duì)設(shè)備(Device-to-Device，D2D)設(shè)備對(duì)基站(Device-to-BaseStation，D2B)設(shè)備對(duì)網(wǎng)絡(luò)(Device-to-Network，D2N)V2X的優(yōu)勢(shì)

蜂窩模式：隨著相關(guān)車輛數(shù)量的增加，當(dāng)需要相互通信的車輛數(shù)為N時(shí)，則需要的N*N個(gè)鏈路。N輛車首先需要將需要的BSM消息發(fā)送給基站，需要N份上行鏈路；然后基站需要將每個(gè)BSM消息發(fā)送給另外N-1輛汽車，需要N*(N-1)個(gè)下行鏈路。直通傳輸方式：每輛車只需要將BSM消息直接廣播出去即可，需要N個(gè)廣播鏈路。V2X的優(yōu)勢(shì)

蜂窩模式：A車首先需要把安全消息發(fā)送給基站，用時(shí)T1；然后基站將該消息解調(diào)，甚至還需要核心網(wǎng)和應(yīng)用服務(wù)器處理，用時(shí)T2；最后基站將安全消息發(fā)送給B車，用時(shí)T3。直通傳輸方式：A車可直接將安全消息發(fā)送給B車、用時(shí)T0。短距直通時(shí)延T0將遠(yuǎn)小于通常蜂窩網(wǎng)的所用時(shí)延T1+T2+T3V2X的應(yīng)用場(chǎng)景

基于PC5的V2X應(yīng)用場(chǎng)景基于Uu接口的V2X應(yīng)用場(chǎng)景V2X的應(yīng)用場(chǎng)景

基于PC5和Uu接口的V2X應(yīng)用場(chǎng)景A基于PC5和Uu接口的V2X應(yīng)用場(chǎng)景BV2X的發(fā)展預(yù)測(cè)

在未來(lái)，結(jié)合5G技術(shù)，5G-NRV2X能夠提供更高的可靠性、數(shù)據(jù)傳輸率和更低的時(shí)延實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)駕駛的應(yīng)用。V2X通信系統(tǒng)要能夠滿足如下條件：特別低的時(shí)延（比如1ms的端到端時(shí)延）；特別高的可靠性（比如接近100％）；較高的上行數(shù)據(jù)速率（比如車流量較大場(chǎng)景下每輛車達(dá)到10Mbps）；較高的下行數(shù)據(jù)速率（比如車流量較大場(chǎng)景下每輛車達(dá)到10Mbps）；較高的移動(dòng)性（比如絕對(duì)速度超過(guò)200km／h，相對(duì)速度超過(guò)400km／h）；支持一點(diǎn)到多點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸（比如多播業(yè)務(wù)和廣播業(yè)務(wù)）；支持較高的定位精度（比如達(dá)到0.1m）。支持大數(shù)量車輛連接（比如應(yīng)用場(chǎng)景中車輛可以超過(guò)10000輛）。第4章車聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)4.1車聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)成

4.2V2X的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展

4.3DSRC關(guān)鍵技術(shù)4.4LTE-V2X關(guān)鍵技術(shù)

DSRC通信模式

DSRC系統(tǒng)包含車載裝置（OnBoardUnit，OBU）與路側(cè)裝置（RoadSiteUnit,RSU）兩項(xiàng)重要組件。DSRC的通信通過(guò)兩種類型的無(wú)線信道進(jìn)行傳輸：?jiǎn)我坏目刂菩诺篮投鄬哟畏?wù)信道?？刂菩诺乐饕糜趥鬏擶AVE短消息和系統(tǒng)管理消息，如WAVE服務(wù)公告（WAVEServiceAdvertisements，WSA）；服務(wù)信道一般常見(jiàn)于常見(jiàn)的應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸。在實(shí)際的通信中，通過(guò)WAVE的控制接口，使得信息在不同的實(shí)體之間進(jìn)傳遞。DSRC幀結(jié)構(gòu)

IEEE802.l1p采用正交頻分復(fù)用(OFDM)調(diào)制技術(shù)，是IEEE802.11a標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展?！獋€(gè)完整的802.l1p的幀結(jié)構(gòu)包括3部分，PLCP導(dǎo)頻（PhysicalLayerConvergenceProtocolPreamble）、信號(hào)域（SignalField）與數(shù)據(jù)域（DataField）。

DSRC幀結(jié)構(gòu)

PLCP頭中包含了后續(xù)PLCP服務(wù)數(shù)據(jù)單元（PLCPServiveDataUnit，PSDU）的基本信息：長(zhǎng)度（LENGTH）、調(diào)制速率（RATE）、奇偶校驗(yàn)位（Parity），以及服務(wù)域（SERVICE）等物理層PLCP協(xié)議數(shù)據(jù)單元DSRC物理層關(guān)鍵過(guò)程

1、自動(dòng)增益控制(AutomaticGainControl,AGC)模擬功率估計(jì)單元、數(shù)字功率估計(jì)單元和控制單元是自動(dòng)增益控制AGC的3個(gè)主要構(gòu)成能部分。模擬功率估計(jì)單元由接收信號(hào)濾波器（RSSIFilter）、模擬濾波器（AnalogRSSI）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog-to-DigitalConverter，ADC）6bit構(gòu)成。模擬功率估計(jì)單元計(jì)算信道濾波后模擬信號(hào)的功率均值、對(duì)功率均值取對(duì)數(shù)、對(duì)將對(duì)數(shù)值采用6比特的ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后將6比特的RSSI輸入控制模塊。數(shù)字功率估計(jì)單元由10比特的ADCADC10bit-、總功率估計(jì)器（TotalPowerEstimation）構(gòu)成。數(shù)字功率估計(jì)單元將PGA輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)10比特ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后計(jì)算數(shù)字信號(hào)的功率均值，并將該功率均值輸入到控制模塊?？刂茊卧饕巧蒐NA和PGA的增益系數(shù)，并且控制相關(guān)設(shè)備的激活與休眠。DSRC物理層關(guān)鍵過(guò)程

2、DSRC的前導(dǎo)序列檢測(cè)802.11p是異步系統(tǒng)，所以接收端并不知道待接收信號(hào)什么時(shí)候到達(dá)，因此需要進(jìn)行前導(dǎo)序列檢測(cè)，大致判斷有無(wú)信號(hào)到達(dá)。由Schmidl和Cox提出的前導(dǎo)序列檢測(cè)，在當(dāng)前被認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)的算法。DSRC物理層關(guān)鍵過(guò)程

2、DSRC的前導(dǎo)序列檢測(cè)802.11p是異步系統(tǒng)，所以接收端并不知道待接收信號(hào)什么時(shí)候到達(dá)，因此需要進(jìn)行前導(dǎo)序列檢測(cè)，大致判斷有無(wú)信號(hào)到達(dá)。由Schmidl和Cox提出的前導(dǎo)序列檢測(cè)，在當(dāng)前被認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)的算法。該時(shí)延與相關(guān)算法利用了前導(dǎo)序列的周期性DSRC物理層關(guān)鍵過(guò)程

3、DSRC的凈信道估計(jì)當(dāng)接收信號(hào)功率等于或大于最小接收靈敏度(-85dBmfor10MHzchannelspacing)并且檢測(cè)到前導(dǎo)序列，那么將在一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)通過(guò)CCA指示>90%的概率信道處于忙狀態(tài)。如果沒(méi)有檢測(cè)到前導(dǎo)序列，但是接收信號(hào)功率大于最小接收靈敏度20dB以上，CCA也將指示信道處于忙狀態(tài)。DSRC物理層關(guān)鍵過(guò)程

4、DSRC的定時(shí)估計(jì)雖然802.11p是異步系統(tǒng)，但是僅有知道OFDM符號(hào)的準(zhǔn)確到達(dá)時(shí)間，才能正確解調(diào)，所以在接收端需要定時(shí)估計(jì)。定時(shí)估計(jì)分為粗定時(shí)估計(jì)和精確的定時(shí)估計(jì)。其中粗定時(shí)估計(jì)利用短前導(dǎo)序列，精確的定時(shí)估計(jì)利用長(zhǎng)前導(dǎo)碼來(lái)完成。粗定時(shí)估計(jì)精定時(shí)估計(jì)DSRC的資源調(diào)度

802.11p從802.11e那里借用了增強(qiáng)分布式信道接入(EDCA)機(jī)制，是分布式協(xié)調(diào)功能(DCF)的增強(qiáng)版本，用于支持無(wú)中心的直通傳輸模式。

其主要采用載波監(jiān)聽(tīng)多址接入及沖突避免(CSMA/CA)機(jī)制，解決共享信道上多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送時(shí)造成資源沖突的問(wèn)題，并在CSMA/CA的基礎(chǔ)上引入不同的接入類型，為不同業(yè)務(wù)類型提供不同的訪問(wèn)優(yōu)先級(jí)。不同的優(yōu)先級(jí)由不同的EDCA參數(shù)加以區(qū)分，EDCA參數(shù)包括仲裁幀間間隔(AIFS)和競(jìng)爭(zhēng)窗口(CW)oDSRC的擁塞控制CSMA/CA機(jī)制中，在接入車載終端數(shù)較少、信道忙碌比率(CBR)較低時(shí)，信號(hào)可以被快速地發(fā)送出去。但是當(dāng)車載終端增加過(guò)多時(shí)，會(huì)出現(xiàn)3個(gè)問(wèn)題。忙轉(zhuǎn)閑狀態(tài)下信道忙碌比率過(guò)高時(shí)車載終端較多時(shí)擁塞控制的基本策略為：每個(gè)終端都基于Cc-Ct確定信號(hào)的最大發(fā)送功率和發(fā)送速率,其中Cc為系統(tǒng)的當(dāng)前CBR值。DSRC的通信安全

DSRC使用應(yīng)用層安全機(jī)制來(lái)保證V2X通信的安全，針對(duì)V2X應(yīng)用層安全設(shè)計(jì)了一套管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)全名為SecurityCredentialManagementSystem（SCMS）,包含了證書(shū)頒發(fā)、證書(shū)撤銷、終端安全信息收集、數(shù)據(jù)管理、異常分析等一系列與安全相關(guān)的功能，以此確保V2X的安全通信。LocationObscurerProxy（位置模糊化代理服務(wù)器，LOP）MisbehaviorAuthority（異常分析系統(tǒng)，MA）RequestCoordination（請(qǐng)求同步服務(wù)器，RC）SCMSManager（SCMS管理服務(wù)器）DeviceConfigManager（設(shè)備配置管理器，DCM）RootCA（根CA，RCA）EnrollmentCA（登記CA，ECA）PseudoymCA（匿名CA，PCA）RegistrationAuthority（注冊(cè)認(rèn)證服務(wù)器，RA）IntermediateCA（中級(jí)CA，ICA）LinkageAuthority（鏈接值服務(wù)器，LA）第4章車聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)4.1車聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)成

4.2V2X的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展

4.3DSRC關(guān)鍵技術(shù)4.4LTE-V2X關(guān)鍵技術(shù)

LTE-V2X關(guān)鍵技術(shù)

LTE-V2X是以LTE蜂窩網(wǎng)絡(luò)為V2X基礎(chǔ)的車聯(lián)網(wǎng)專有協(xié)議。我國(guó)于2017年底完成LTE-V2X標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定等工作,包括制定完成《基于LTE的車聯(lián)網(wǎng)無(wú)線通信技術(shù)總體技術(shù)要求》《基于LTE的車聯(lián)網(wǎng)無(wú)線通信技術(shù)空中接口技術(shù)要求》《基于LTE的車聯(lián)網(wǎng)無(wú)線通信技術(shù)安全總體技術(shù)要求》等中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以及《合作式智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)專用短程通信網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層技術(shù)要求》等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。LTE-V2X的通信模式

LTE-V2X分為兩種工作方式，一種是終端之間直通傳輸通信方式，其中終端之間的空中接口稱為PC5接口；另一種是終端與基站之間的上/下行鏈路通信方式，其中終端和基站之間的空中接口稱為Uu接口。LTE-V2X的幀結(jié)構(gòu)

基于PC5接口的直通鏈路的發(fā)送由長(zhǎng)度為Tf的無(wú)線幀組成，每個(gè)無(wú)線幀包含20個(gè)長(zhǎng)度為Tslot的時(shí)隙。一個(gè)直通鏈路子幀包含兩個(gè)連續(xù)的時(shí)隙，并從偶數(shù)時(shí)隙起始。其中：Tf=307200Ts=10ms，Tslot=15360Ts=0.5ms，Ts=l/30720000LTE-V2X的幀結(jié)構(gòu)

一個(gè)子幀長(zhǎng)度為1ms，一個(gè)子幀包含兩個(gè)時(shí)隙，一個(gè)時(shí)隙包含7個(gè)SC-FDMA符號(hào)。頻域上的12個(gè)連續(xù)的子載波和時(shí)域上的7個(gè)連續(xù)的SC-FDMA符號(hào)構(gòu)成一個(gè)資源塊，子載波間隔為15KHz，對(duì)應(yīng)頻域中的180KHz和時(shí)域中的一個(gè)時(shí)隙。頻域上的一個(gè)子載波和時(shí)域上的一個(gè)符號(hào)構(gòu)成一個(gè)資源單元車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延比較敏感，為了實(shí)現(xiàn)快速的信號(hào)發(fā)送與接收，對(duì)子幀結(jié)構(gòu)做了增強(qiáng)。子幀的第一個(gè)符號(hào)在接收端可用于AGC調(diào)整，子幀的最后一個(gè)符號(hào)用作GP，GP采用puncture的方法進(jìn)行RE的映射，該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)子幀級(jí)的收發(fā)轉(zhuǎn)換LTE-V2X的物理信道

為支持基于LTE的V2X直通鏈路發(fā)送，PC5接口應(yīng)支持直通鏈路共享信道(SL-SCH)等傳輸信道、直通鏈路廣播信道(SL-BCH)和直通鏈路控制信息(SCI)。作用如下：直通鏈路物理共享信道，PSSCH，用于承載業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)直通鏈路物理廣播信道，PSBCH，用于同步控制及調(diào)整直通鏈路物理控制信道，PSCCH，用于承載PSSCH解調(diào)所需的控制信息LTE-V2X的物理層關(guān)鍵過(guò)程

LTE-V2X物理層的關(guān)鍵技術(shù)主要包括自動(dòng)增益控制（AGC）、同步信號(hào)檢測(cè)/定時(shí)估計(jì)、頻偏估計(jì)。在LTE-V協(xié)議中，并沒(méi)有像802.11P系統(tǒng)設(shè)計(jì)專用的導(dǎo)頻用于AGC。在實(shí)現(xiàn)中，就需要使用每一子幀的第一個(gè)符號(hào)來(lái)估計(jì)本子幀的接收信號(hào)功率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)本子幀的接收增益調(diào)整。在AGC完成前，接收信號(hào)可能因?yàn)榻邮赵鲆孢^(guò)大而發(fā)生飽和，或是接收增益過(guò)小而導(dǎo)致量化誤差過(guò)大，所以在LTE-V系統(tǒng)中需要實(shí)現(xiàn)快速AGC調(diào)整，否則會(huì)影響后續(xù)信號(hào)的接收。

LTE-V2X的物理層關(guān)鍵過(guò)程

LTE-V2X物理層的關(guān)鍵技術(shù)主要包括自動(dòng)增益控制（AGC）、同步信號(hào)檢測(cè)/定時(shí)估計(jì)、頻偏估計(jì)。在LTE-V2X系統(tǒng)，采用了重復(fù)的PSSS和SSSS設(shè)計(jì)，這樣可以采用前一符號(hào)與后一符號(hào)相關(guān)的方法來(lái)初步鎖定PSSS或SSSS的位置，相關(guān)計(jì)算的滑動(dòng)步長(zhǎng)是一個(gè)符號(hào)LTE-V2X的物理層關(guān)鍵過(guò)程

LTE-V2X物理層的關(guān)鍵技術(shù)主要包括自動(dòng)增益控制（AGC）、同步信號(hào)檢測(cè)/定時(shí)估計(jì)、頻偏估計(jì)。LTE-V的工作頻點(diǎn)可達(dá)5.9GHz，當(dāng)車輛間的相對(duì)移動(dòng)速度達(dá)到240km/h時(shí)，需要應(yīng)對(duì)的多普勒頻移遠(yuǎn)大于當(dāng)前LTE系統(tǒng)的2.6GHz頻段和120km/h移動(dòng)速度，將引起更嚴(yán)重的性能衰減。雖然LTE-V系統(tǒng)將導(dǎo)頻在時(shí)域上做了加密，但是受限于信令開(kāi)銷不能過(guò)高，只能一定程度上的增加。載頻為5.9GHz，相對(duì)移動(dòng)速度達(dá)到240km/h時(shí)，最大多普勒頻移為1.3KHz。終端的發(fā)送頻率通常與標(biāo)稱頻率有一定的偏差，基于3GPP的假設(shè)，這個(gè)量是±0.1ppm，對(duì)應(yīng)的最大相對(duì)頻率偏移是1180Hz。從接收端來(lái)看，最大的頻率偏移可以到2.49KHz，對(duì)應(yīng)的相干時(shí)間為0.2ms。LTE-V2X的同步過(guò)程

LTE-V2X支持多用戶頻分并發(fā)，可有效提高系統(tǒng)容量和信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?，而支持這一