文摘

的主流技术之一vehicle-to-everything (V2X)沟通,Cellular-V2X (C-V2X)提供了高可靠性和低延迟V2X通信。移动蜂窝系统的发展,C-V2X发展从长期evolution-V2X (LTE-V2X)新radio-V2X (NR-V2X)。然而,C-V2X测试规范尚未完全建立。为了促进相关标准的制定,加快实现工业化,现场试验和分析基于LTE-V2X在工业园区的场景中进行。首先,介绍了LTE-V2X的关键技术。然后,具体提出了这个测试的方法和内容,包括功能和网络性能测试,全面评估通信LTE-V2X的属性。静态和动态测试是必需的视线外视距(LOS)和场景来评估网络性能仿真结果)。接下来,验证所有功能的测试结果是正常的,和性能评价指标是评价和分析。最后,总结了整个论文,提出了未来的工作。

1。介绍

互联网的车辆(IoV)指的是实现一个全面的网络连接vehicle-to-everything (V2X)的帮助下,新一代的信息和通信技术。它可以提高智能水平和自主驾驶车辆的能力,从而提高交通效率,构建运输服务的新格式,提供智能、舒适、高效的综合服务为用户(1]。V2X通信技术用于实现车辆和外部世界之间的信息共享,促进的进化IoV情报和云的方向(2]。在未来自主驾驶,V2X通讯技术是实现环境感知的重要技术之一。它可以补充传统的车载激光雷达的优点,相机,和其他车载设备,为车辆提供超视距和复杂环境意识到无法实现的雷达。这样,汽车的感知范围的交通和环境可以扩展维度的时间和空间,以便车辆有能力做出multi-information融合决策(3]。

目前,世界上V2X通信的主要技术包括专用短程通信(DSRC)技术基于IEEE 802.11标准p和V2X技术基于蜂窝移动通信系统(C-V2X) [4,5]。美国在1999年完成了DSRC标准的制定,和大量的测试工作也验证了DSRC的有效性,但它具有明显的缺点像可怜的可靠性,隐藏节点,延迟高,间歇V2I连接(6]。从行业的角度来看,广泛部署DSRC网络基础设施需要大量投资。为了解决DSRC的缺陷检测和工业应用,3 gpp C-V2X设计,完成了第一阶段的制定其基于lte网络的标准(3 gpp释放14)在2016年。C-V2X技术的手机网络可以重用移动网络基础设施,降低部署成本和更广泛的网络覆盖。它可以实现场景中车辆可以相对快速的旅行。在密集的情况下,C-V2X支持延长通信距离,更大的容量,更好的视线外的通信性能和拥塞控制。此外,C-V2X可以提高沟通效率通过GPS节点同步之后,也没有在短距离微波系统中,但在路边单元C-V2X仍有问题(RSU)信息交互,安全证书管理和商业应用的长期动态维护。从垂直行业的角度,消除相关行业的关注,C-V2X尚未大规模测试,同时提高标准尽快结算商业技术壁垒,这也是时间准备测试工作,符合C-V2X标准来验证C-V2X通信系统的性能(7- - - - - -9]。

到目前为止,制造商和机构在一些国家和地区积极开展C-V2X通信技术研究和试验验证。欧洲国家已经推出了C2X驾驶,因为这个corridorl, simTD,和其他项目测试和验证应用程序(如道路安全,交通管理和环境保护(10,11]。2012年2月,日本公布了还有STD-T109规范10 MHz的700 MHz频带V2V碰撞安全的应用程序。和日本在广岛和东京开始大规模的实地测试,分别为(1]。尽管V2X通信的研究在美国主要关注DSRC、国内SAE(汽车工程师协会)也建立了C-V2X工作组2017年6月实施增强的应用研究和直接沟通12]。2010年,中国大唐电信科技产业集团带头IoV技术对于智能交通应用的研究并提出了LTE-V标准在2013年,目前已成为标准的3 gpp LTE-V2X [3,11]。自2015年以来,中国C-V2X行业发展迅速,非标准体系已经初步建立,产业链已经形成。同时,相关企业IoV已经有很高的技术实力以及大规模部署和工业化的条件。因此,CATRC(中国汽车技术研究中心),连同CAICT(中国科学院信息和通信技术)7)和其他研究机构和设备制造商,积极进行实验室和现场试验工作在无锡,上海和其他地方。测试地点覆盖公园,开放的道路、高速公路等。

C-V2X技术是通信技术的3 gpp全球统一标准,包括LTE-V2X辅助驾驶和自动驾驶的5 g NR-V2X [12,13]。为了加速IoV行业的大规模实施,技术和标准从多个水平不断提高。作为当前C-V2X通信网络技术,LTE-V2X可以满足多样化IoV应用场景和需求。此外,还协助下td - lte (1,3),它可以充分利用资源,比如LTE部署网络和终端芯片平台,以节省网络投资和减少芯片成本。因此,为了促进LTE-V2X,加快其产业化应用程序作为vehicle-road协作的综合通信解决方案,有必要实施大规模现场试验前LTE-V2X正式商用。

虽然测试基于LTE-V2X已经在世界许多地区进行的,测试方法不统一,大多数研究机构不愿公布最终的测试数据和结果。另一方面,技术成熟度的关键和商业用途,评价方法的讨论和研究起到至关重要的作用在促进技术成熟度和商业用途14,15]。自己的科学性和可能性的关键因素,确定某种技术或某种产品是否可以认证。基于现实的现场测量数据,本文旨在功能验证和网络性能评价的典型业务场景LTE-V2X网络在重庆,中国。本文的贡献可以概括如下:(1)针对直接车辆通信LTE-V2X独有的应用场景,本文详细介绍了关键技术应用于LTE-V2X物理层,三个方面的资源调度和同步机制(2)考虑到当前IoV测试方法的不一致,本文提供了IoV外场的测试方案。测试内容包括功能和性能测试,全面评估LTE-V2X的通信特性,性能测试包括静态和动态的测试。本文还显示详细的过程领域设备的测试和部署在典型场景(3)在智能交通系统的设计,要求LTE-V2X可以应用于道路安全和交通效率的提高。因此,本文显示设备支持LTE-V2X的实际应用结果,以验证LTE-V2X在应用程序层的性能。更重要的是,本文验证和评价网络性能的LTE-V2X从两个评价指标的延迟和丢包率(PLR)和暴露的部分测试数据吗

本文的其余部分组织如下。部分2介绍了LTE-V2X的关键技术。部分3描述方法,为这个测试环境和设备。评价结果和分析提出了部分4。部分5画了一个结论,为未来的工作提供了思路。

2。的关键技术

2.1。物理层

LTE-V2X是一种先进的信息和通信技术应用在道路交通系统中,使车辆之间的信息交换的目的,人力、基础设施和网络。因此,如图1,LTE-V2X由V2V (vehicle-to-vehicle) V2I (vehicle-to-infrastructure) V2P (vehicle-to-person)和V2N (vehicle-to-network)沟通15]。车辆与车辆建立沟通,RSU或基站在LTE(进化节点B, eNB)通过一个车载单元(酸)。按照不同的传播模式,LTE-V2X可分为两个通信方法:LTE-V2X-Direct LTE-V2X-Celluar。通过PC5接口,V2X-Direct不仅可以使用的专用频段IoV(比如5.9 GHz)实现V2V, V2I, V2P还与手机用户共享蜂窝频谱资源。在这种模式下,延迟低,车辆的移动速度高,但需要良好的资源分配和拥塞控制算法。V2X-Cellular通过蜂窝网络的Uu接口传输信息的频带,采用蜂窝网络(如1.8 GHz)使V2X通信范围更宽、更稳定。

的物理通道LTE-V2X可以分为子帧,资源块(RBs)和子信道(16]。在LTE-V2X,子帧是最基本的系统的时间序列。资源块是指一个物理资源单位占用的带宽180千赫(十二15 kHz副载波)在频域和时域1毫秒的时间。所有控制信号和数据信息的LTE是基于苏格兰皇家银行。LTE-V2X支持可变带宽10 - 20 MHz的灵活分配苏格兰皇家银行在物理层。子通道是指苏格兰皇家银行的结合具有相同的子帧,并且每个子通道可能有不同数量的苏格兰皇家银行。子通道用于传输数据信息和控制信息。数据信息传输在传输块(TB)的物理sidelink共用信道(PSSCH)和sidelink控制信息(SCI)传播的物理sidelink控制通道(PSCCH)。结核病包含完整的数据包传输,像灯塔指引和信息传输协议。节点想要传播结核病也必须传输相关的科学,包括信息,如用于传输的调制和编码方案结核病和苏格兰皇家银行。 Since TB and its associated SCI must be transmitted in the same subframe, LTE-V2X can use either frequency division multiplexing or time division multiplexing for resources reuse. Consequently, the LTE-V2X supports HARQ (hybrid automatic repeat request transmission) which allows the same transmission to be repeated at time offset either on same frequency resources or different resources to convey the same data as needed.

显然图的检查2,两个资源池配置LTE-V2X中定义的方法。第一个是相邻PSSCH PSCCH,第二个是不相邻PSSCH PSCCH。SCI的两个资源池配置占据2苏格兰皇家银行为了提高可靠性,而结核病可以占领多个苏格兰皇家银行。在第一个配置模式,科学首先占据了前两苏格兰皇家银行、苏格兰皇家银行和结核病占据多个之后,这样可以形成一个辅助通道。当然,结核病也可以占领多个后续子信道(取决于它的大小)。在第二个配置模式,资源块分为多个池,其中一个是致力于科学传播。其余池是用来传播结核和分为服务子信道(15,16]。

LTE-V2X使用单载波频分多址(SC-FDMA)技术来减少过度的影响peak-to-average功率比(地表铺面),以便有更大的传输在相同功率放大器功率。为了提高频谱利用率条件下的高流动性,LTE-V2X传送一个OFDM波形与传统循环前缀(CP)和副载波间距设置为15 kHz。子帧的结构直接联系基于PC5界面如图3。每个子帧的长度的长度是1 ms,子帧中的每个符号是什么 ,每个子帧的直接联系可以包含14个OFDM符号。子帧,第一个和最后一个符号用于自动增益控制(AGC)和警卫时期(GP),分别。更重要的是,为了减少多普勒效应的影响,解调参考信号的设计(dmr)列结构LTE-D2D LTE-V2X(设备间)。每个子帧的dmr从2列增加到4列,这就增加了飞行员密度在时域,这通道检测、估计和补偿典型的高频高速场景可以有效地处理。剩下的8个符号是用来传输数据信息。此外,LTE-V2X使用涡轮码,可以获得更高的可靠性在相同的传输距离。LTE-V2X与涡轮码是为了促进解码能力即使在较低的信噪比(信噪比),而对于短距离与卷积码需要更高的信噪比成功解码(17,18]。

2.2。资源调度

LTE-V2X既支持集中式调度(模式3)和分布式调度模式(模式4)。3实现集中式调度基于Uu接口。的选择和编码方法的通信链接的子通道直接控制的eNB蜂窝网络。eNB提供动态调度或激活semipersistent调度(SPS)根据服务类型的终端。为了减少造成的延迟信号交互,第四模式为车辆提供了分布式资源调度。这个调度计划使用“传感+预订SPS”的方法,如图4。用户设备(UE)选择子通道访问本身然后感知资源占用通过测量接收信号强度指示(RSSI)的能源资源池。资源选择措施RSSI能源资源和每个能级在降序排列。然后选择最低的20%的能源资源和随机挑选资源从这些传输(18]。在选择合适的资源,这些资源问题将定期发送一定数量的次触发或直到资源重新选择。该方法可以进行没有任何蜂窝基站的支持,利用周期性V2X服务的特点。这种分布式调度方案基于PC5接口不仅可以携带周期性V2X服务等待发送,还充分利用遥感结果避免资源冲突,这有助于提高资源利用率和传输可靠性。

2.3。同步机制

在LTE-V2X,有三个同步来源:eNB,全球导航卫星系统(GNSS),和问题。当eNB用作同步源,细胞中的节点覆盖率与eNB同步。一些发现节点可以接收的同步信号转发节点在细胞覆盖,所以部分覆盖节点转发节点的同步信息在细胞外的节点覆盖细胞覆盖。LTE-V2X系统、通信节点支持GNSS模块,定时和频率精度高。因此,节点可以直接获得可靠GNSS信号可以直接作为同步源周围的节点提供同步信息。当LTE-V2X股票运营商与LTE等蜂窝系统,传输的信号LTE-V2X通过沟通可能会干扰细胞网络的上行。在这种情况下,eNB仍视为主要的同步源,然后eNB可以广播eNB之间的时间偏差和GNSS为调整补偿问题。一般来说,同步源和配置模式的eNB细胞覆盖,和同步源是由preconfiguration模式外细胞覆盖,从而达到统一整个网络的同步时间3,12]。

按照传统LTE-D2D机制,增强同步源的优先级可以通过建立一个新的连接支持sidelink同步信号(sls)和物理sidelink广播频道(PSBCH) [19]。考虑到保护LTE-Uu上行传输的准确性,确保的时间和频率同步源,应该实现同步源的优先级规则根据eNB或GNSS同步配置。换句话说,eNB可以配置优先GNSS或问题。此外,GNSS有更高的优先级,当问题没有发现任何细胞在任何载体,问题并没有发现任何sls eNB直接同步传输。

3所示。测试计划

3.1。方法和内容

近年来,随着LTE-V2X标准的逐步改善,特别重要的是加快实施标准。因此,目前迫切需要验证LTE-V2X-related产品,这是一个必要阶段每个标准和技术的推广和改进20.,21]。相当大的实验室评估和现场的测试是在很多地方进行(22]。实验室评价模块的测试对象,主要探讨通信协议的一致性和互操作性。一致性测试包括射频一致性(信号传输、接收和解调性能),无线资源管理的一致性和通信协议一致性。射频一致性测试主要是检查是否接待,LTE-V2X无线电频率的传输,解调性能符合国家无线电管理和LTE-V2X通信需求。通信协议的一致性测试包括基本层协议的一致性测试和上层协议,确保双方的沟通有一个统一和明确的对协议的理解和相应的实现。外场测试的对象是车辆,主要来自以下几方面。一方面,需要验证设计的功能是否符合预期。LTE-V2X系统的应用层的功能测试开放道路的重庆汽车研究所。具体测试内容展示在表1可分为交通安全,交通效率和信息服务。

另一方面,通信系统的性能在不同的环境中,路况和车辆速度需要检查。验证性能指标包括数据包接收成功概率,通信延迟和覆盖率。网络测量方法包括主动测量和被动测量。主动测量是将探测数据包发送到网络和测量网络性能分析的变化影响的数据包。被动测量是捕获和分析网络中的数据包通过测量仪器来测量网络性能。被动测量不发送数据包,不会影响网络的正常流动,但其实现更复杂,要求更高的性能测量装置。因此,被动测量更适合网络流量测量和主动测量适用于网络性能测量(22]。性能测试的方法是将探测数据包发送到网络,分析网络性能是衡量的变化发生在数据包在传输过程中受到影响,如图5。首先,发射机和接收机的GPS信息应该读。然后,OBU / RSU发射机积极发送探测包发送日志和记录。每个数据通信的时间是1秒。OBU在接收端接收数据包,并结合GPS接收日志记录信息,然后统计分析模型是用来推断PLR和平均延迟的内部链接。

单向测量端到端延迟需要时钟同步,更难以实现在实际测量。因此,网络延迟的测量通常需要使用往返时间(RTT),所需的时间间隔一个数据包从源节点到目标节点,以避免时钟同步的问题。具体方法是计算每个数据包RTT通过添加一个时间戳。在发送消息之前,OBU发射端添加一个时间戳,每个消息和记录壹空间。当收到消息,OBU在接收端增加了第二个时间戳和记录为TS2;然后,它与ACK回复消息,标志着第三TS3时间戳。OBU / RSU发射机接收到应答消息的第四个时间戳,这是记录为TS4。因此,RTT计算如下:

为了测试结果的准确性,有必要计算往返时间从发送端到接收端和发送端减去消息处理等待时间在接收端。因此,端到端延迟是RTT的一半。

PLR的比率被定义为所有数据包丢失数据包传输,主要与网络流量有关,和包丢失将由网络拥塞造成的。

在哪里是收到的数据包的数量在一个测试时间窗口中,未收到的数据包的数量, 是丢失的数据包,是PLR, 是最大似然函数的丢包率 。接下来,我们两边取对数方程(2),

然后,我们需要双方的导数的方程(3)对和导数的值设置为0。

指的是上面的方程,最大似然估计PLR可以获得如下:

性能测试的外场可分为静态测试和动态测试,静态测试和动态测试的视距(LOS)场景显示在图6。洛杉矶的静态测试,定点测试实现。简而言之,让两辆车进行V2V性能测试每50米(直线距离),记录数据在这个距离。类似地,执行V2I性能测试每50米。当测试车辆运动期间无法建立通信,它被认为超过V2V / V2I的通信覆盖。动态测试的洛杉矶,在初始状态,一个车辆(发射机)保持静止不动的,和其他车辆(接收器)远离20/30/40kmph静止车辆,分别。当两辆车之间的相对距离超过他们的通信范围内,车辆在发射机接收机走向汽车。上述过程需要重复几次,和完整的测试日志记录为了测试LTE-V2X速度不同的网络性能。

视线外的测试(仿真结果类似于它的,除了这两个测试车辆在十字路口互相垂直。在图7V2V在仿真结果的静态测试,定点测试也实现,这意味着两辆车测试网络性能的V2V每50米的直线距离。动态测试中,一个车辆保持静止,另远离固定车辆在20/30/40kmph通信范围(在这种情况下,车辆不需要返回),还需要重复延迟和PLR的记录。V2I测试方法是V2V的相似之处,这也需要的运动车辆在接收端。此外,需要评估不同厂家的同一设备之间的互操作性和不同设备的制造商在不同的工作条件和环境。

3.2。环境和设备

这个测试发生在中国开设工业园区道路。OBU及其显示设备被安装在测试车辆,和两个天线安装在每辆车的屋顶上。为了更好地感知环境,RSU和相机一起被部署在十字路口的交通信号灯。基于多路存取设备边缘计算(MEC)部署在室内基带处理单元(BBU)房间,见图8 (c)。实际的测试环境如图9。

整个测试系统分为三个部分:“终端”,“边缘设备,”和“V2X服务平台。“终端包含酸,人,和车辆。设备包括RSU和边缘MEC-based设备。从V2X RSU收到消息平台或边缘设备和多播到终端设备通过PC5接口(23- - - - - -25]。此外,RSU可以收集来自俄勒冈州立大学的信息到上层通过PC5或Uu接口。从RSU设备基于MEC收到消息RSU和分布式处理消息。可以减少端到端网络延迟Uu模式通过减少路由节点的数据传输通过建设基于MEC的LTE网络架构。V2X云服务平台被用来处理从终端和MEC-based设备的信息,实现综合调度和优化,提高驾驶安全性和交通效率。到目前为止,七个LTE基站的建设基于2600 MHz频段,MEC设备一套,一组进化包(EPC)核心网络设备在工业园区(已经完成26]。

测试设备可以实时监控V2X的通信状态,发送日志或接收日志的记录功能。在测试期间,天线是垂直安装的中心的屋顶。单天线传输和双天线接收模式被使用在交流。这个测试网络和V2X大唐所提供的设备(3,11]。基站的参数配置和酸/ RSU展示在表2。

4所示。评价结果与分析

安全类业务,高效的交通,基于业务和视频播放MEC在桌子上1进行了测试。图10显示了测试期间车辆和显示设备测试。确认所有业务功能是正常的。图10 ()表明,当主机车辆(高压)和前面的车相同的车道车辆追尾的危险或前面的车辆在紧急制动,车载设备将发送预警信息,提醒后方车辆,以避免碰撞。当高压开车去十字路口有一个旅行与遥远的车辆发生碰撞的危险,司机提醒警告以避免碰撞,如图10 (b)。当车辆迅速接近主机车从后面,高压的司机提醒,表现出图10 (c)。在高压运行时,紧急车辆在后面问题提醒警报主机前面车辆,显示在图10 (d)。如图10 (e),RSU多播实时信息的车辆,然后OBU提醒司机执行操作,如加速或减速通过当前车辆速度,位置,和信号相位的剩余时间。

在性能测试,静态测试结果的V2V V2I表中演示了洛杉矶3和表4。表3表明不同的距离和洛杉矶/延迟的变化,仿真结果几乎没有影响和延迟大约是7 ~ 8毫秒。在洛杉矶的性能测试,丢包现象在V2V和V2I罕见的距离小于250米,但是明显的包丢失时高于250米的距离。(网站仅限于290米,所以不能测试PLR在更长的距离。)

在测试期间,发现仿真结果有更大影响的沟通距离,视为表4。当V2I之间的距离和V2V大于70和75米,分别沟通无法建立,但是没有通信失败的现象,当到达路的尽头在洛杉矶。换句话说,通信距离V2I V2V是70米和75米,分别仿真结果。除此之外,不难发现V2V PLR的仿真结果有显著增加。

经历多个动态测试后,测试结果显示在表5可以获得,它包含的平均延迟和最大延迟V2V V2I在洛杉矶和仿真结果。从表可以看出5,不同的场景和速度有一个相对较小的影响延迟的变化。平均延迟是维持在7 ~ 8,女士和女士的最大延迟是9。

动态测试的平均和最大PLR表现出图11。从图可以看出11最大PLR的V2V和V2I洛杉矶不超过10%,平均PLR仍约为5% ~ 6%。的最大PLR V2I和V2V仿真结果是28.08%和37.00%,分别。的平均PLR V2I是17.5%左右,PLR的V2V平均在30%以上。

从表可以看出5和图11,V2I的性能仿真结果明显优于V2V,其中的原因可能是RSU设备和OBU设备之间的区别,这意味着前者有更高的天线增益。此外,通过比较动态测试和静态测试结果,PLR的动态测试与静态测试相比有一个明显的增加,而延迟的变化不明显。

5。结论和未来的工作

的LTE-V2X网络解决方案,本文进行了实地测试和验证在开阔的道路在中国重庆汽车研究所。首先,介绍了关键技术应用于LTE-V2X。介绍了在物理层,四个dmr信号在每个子帧计数器高速运动引起的多普勒效应和资源重用的两种方法(FDM和TDM)和资源分配(不相邻PSSCH和PSCCH)采用。资源调度,LTE-V2X提出了一个基于PC5接口的分布式调度方法。同步的同步机制,三个来源包括基站、GNSS和选择问题的自主权。然后,介绍了框架IoV测试,并提供测试的具体方法和内容的功能和网络性能IoV需要。具体地说,系统的功能测试三个方面的交通安全,交通效率和信息服务,端到端延迟和丢包率作为评价指标的性能测试。验证结果的有效性和可靠性应用层通信性能。我们希望整体测试方案和测试结果可以为今后的研究奠定基础。

由于空间和设备的限制,我们只进行了测试在开放道路部分,选择延迟和丢包率作为评估网络性能的指标。因此,在未来的工作中,我们希望进行测试在各种经典场景,如高架桥、隧道、multivehicles,煤矿,设计适当的测试方法根据特定的场景。更重要的是,评价指标也可以从多个维度展开,如信噪比,信号接收功率和数据传输速度。当然,它也需要实现合理的设备部署在特定场景的基础上。如何部署RSU使网络性能更好的需要测试的组合在典型情况下,semiphysical模拟在实验室,严格的理论分析。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现正在禁运,所以不能免费提供。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究是由北京市自然科学基金(不支持。L172030)和国家自然科学基金委项目批准号61931001。作者要感谢编辑和审稿人的宝贵意见,有助于提高文章的质量。