04 V2X 智能车辆的通信上

Les Technologies V2X

基础概念

联网汽车voiture connectée是一种可以访问互联网的车辆，配备了多种传感器（LiDAR、雷达）和摄像头，能够与其他车辆、道路基础设施以及在同一网络基础设施上互联的实体进行通信。

V2X系统指车辆到万物vehicle to everything的通信方式，自动驾驶和联网车辆将配备新的设备，使它们能够接收和传输来自其他车辆和基础设施的信息，当前的基础设施（Wi-Fi、蜂窝网络等）以及未来的基础设施将成为自动驾驶车辆的主要通信渠道

通信链路基本原理

发射端换能器（传感器，Transducteur émission）→ 发射器（émetteur）→ 传输通道（canal de transmission）→ 接收器（récepteur）→ 接收端换能器（transducteur réception）

发射器要调整来自传感器的信号，以便发送到传输通道，进行编码，调制，放大。

接收器要接收发射的信号并使其与换能器兼容，执行信号过滤，解码，解调，放大信号。

调制 modulation

调制是将要传输的信息调整以适应通信通道的过程。在以下情况下，调制是必要的：

为了在同一传输通道中同时传输多条信息；
为了在较远距离上传输信息；
为了减少信息在传输过程中受到的噪声干扰。

传输质量指标：indicateurs de la qulité de la transmission

SNR（Signal to Noise Ratio，信噪比）是信号signal与噪声bruit的比率：

\[ \mathrm{SNR}=\frac{P_r}{N} \]

SINR（Signal to Interference + Noise Ratio，信号干扰噪声比）是信号与干扰interférence及噪声的比率：

\[ \mathrm{SINR}=\frac{P_r}{N+I} \]

香农Shannon公式

带宽（单位：Hz）上可以获得的最大传输速率（单位：比特每秒）：

\[ D_{\max }=B \cdot \log _2(1+\text { SINR }) \]

块错误概率 BLER, Probabilité d’erreur d’un paquet

块错误率（Block Error Rate, BLER）是指接收到的错误块数量与接收的总块数量之比，是衡量数据传输质量的指标。

BLER 用负幂表示，例如 BLER 为 \(10^{−2}\) 表示平均每传输 100 个分组中有 1 个分组出错。

SNR与接收信号质量的关系

信噪比的另一个公式为：

\[ \mathrm{SNR}=\frac{E_b}{N_0} \cdot \frac{D_b}{B} \]

\(E_b\) 是每比特的能量（以焦耳或每赫兹的瓦特为单位）。
\(N_0\) 是噪声功率谱密度，表示在1赫兹带宽内的噪声功率，单位为每赫兹的瓦特或焦耳。
\(D_b\) 是比特率（数据速率）。
\(B\) 是信道带宽。

SNR 越高，表示信号相对于噪声更强，从而提高接收质量。

两大类车载网络 Réseaux véhiculaires

Mesh型车载网络

车辆之间相互连接，形成一个去中心化的网络。
多跳环境：信息可以通过多个中间车辆节点进行传输，以延长通信距离。
无基础设施：无需依赖固定的基础设施，车辆本身充当网络节点，确保网络的灵活性和自组织能力。

基于基础设施的车载网络 de type infrastructure

车辆连接到外部基础设施，这些基础设施与互联网相连。

车辆通过路边单元（RSU）或蜂窝网络等固定基础设施进行通信。
基础设施提供稳定的连接和广域覆盖，车辆可以与其他车辆、云服务或互联网资源进行通信。

V2X通信方式与现有技术 Les motens

联网车辆的通信方式

车对环境（V2E，Vehicle-to-Environment）：
- 车对基础设施（V2I，Vehicle-to-Infrastructure）：车辆与交通灯、路边单元（RSU）等基础设施之间的通信。
- 车对车（V2V，Vehicle-to-Vehicle）：车辆之间直接通信，用于提高交通安全和优化交通流量。
- 车对行人（V2P，Vehicle-to-Pedestrian）：车辆与行人之间的通信，保障行人安全。
车对用户（V2U，Vehicle-to-User）：
- 车辆与车内用户之间的通信，例如通过车载娱乐系统、导航等功能与乘客互动。
车对网络（V2N，Vehicle-to-Network）：
- 车辆通过蜂窝网络与互联网、云服务进行通信，获取实时数据、导航信息和其他联网服务。

现有解决方案 solutions technologiques

车载自组网络（VANET） 是专为车辆间通信而开发的技术。
影响 VANET 的主要无线通信技术包括：
- 蜂窝系统（Cellular Technologies）
- WiMAX
- 微波（Microwave Communication）
- Wi-Fi
- DSRC（专用短程通信，Dedicated Short-Range Communications，）
- ZigBee
- 蓝牙
- 毫米波通信
蜂窝技术 和 DSRC 被认为是支持联网汽车的潜在通信技术。

通信方式 les modes de communication

	移动运营商频段	5.9 GHz 频段	移动运营商频段 + 5.9 GHz 频段
技术	2G, 3G, 4G, 5G	ITS-G5（源于 Wi-Fi）	C-V2X（蜂窝车联网）
通信模式	车对网络（V2N）	车对车（V2V）、车对基础设施（V2I）、车对行人（V2P）	车对网络（V2N）、车对车（V2V）、车对基础设施（V2I）、车对行人（V2P）

短程通信（"直接"通信）directes, de courte portée：
- 使用5.9 GHz频段的短距离通信，适合车辆间（V2V）和车辆与基础设施（V2I）的直接数据交换。
长程通信 de longue porté：
- 利用移动运营商的蜂窝网络，使用分配给它们的频段，适合远距离的数据传输，例如车对网络（V2N）通信。

5.9 GHz 频段的直接通信 les communications directes dans la bande des 5.9 GHz（用于 V2V 和 V2I）可为驾驶员提供有关其他车辆、交通状况和道路环境的额外信息。这些信息补充了车辆通过其自身传感器（雷达、摄像头、激光雷达）检测到的数据。

通信距离：

V2I 通信约为 1 公里；
V2V 通信约为 500 米。

低延迟 latence relativement faibles：

延迟较低，大约在十几毫秒左右。

相对较低的数据速率 débits relativement faibles：

由于可用带宽较窄，数据传输速率相对较低。

无干扰保障 absence de garantie de non brouillage：

通信过程中没有避免干扰的保障。

目前有两种主要技术能够使用5.9 GHz频段：

➢ ITS-G5（智能交通系统-G5） / DSRC（专用短程通信）

➢ C-V2X（蜂窝车联网通信，Cellular Vehicle-to-Everything）

ITS-G5/DSRC

ITS-G5 是一种源自 WiFi 的技术，更具体地说，它基于 IEEE 802.11p 标准。
该技术专为在 5.9 GHz 的免许可频段运行，依赖路边单元（UBR），如交通信号灯、交叉路口或停车标志，这些由道路管理者部署。
它使用 10 MHz 的频段宽度。相比之下，标准无线网络（WiFi）通常使用至少 20 MHz 的频段，这使得 ITS 应用的频谱宽度较小。

IEEE 802.11p 标准

IEEE 802.11p 是一种无线局域网连接协议，专为车载无线网络设计，类似于 WiFi 或无线局域网（WLAN），但在通信范围上有所增强，且更能抵抗多普勒效应。这使它能在高达 200 km/h 的速度下工作。
在欧洲，该协议被标准化为 ITS-G5，在美国则称为 DSRC。
它能够控制消息的真实性，并确保处理数据（尤其是个人数据）的匿名性。
由于具有极低的延迟，该协议几乎可以实现实时操作。其广播通信为圆形传播（broadcast），通信范围可达几百米，甚至 1 公里。

IEEE 802.11p 到 IEEE 802.11bd 的扩展

IEEE 802.11p：
- 相对速度：最高支持 200 km/h
- 通信距离：可达 1 公里
IEEE 802.11bd：
- 相对速度：最高支持 500 km/h
- 通信距离：可达 2 公里
- 兼容性：必须能够与 IEEE 802.11p 互操作 interpérer
IEEE 802.11p 仅使用 前导码（preambles）来定义整个帧的通信信道，主要用于帧的同步。

IEEE 802.11bd 引入了 中导码（midambles），用于在帧内进行同步。这种机制允许在帧的整个传输过程中保持高质量的通信信道。

ITS-G5 的物理层

正交频分复用（OFDM）：ITS-G5 采用 OFDM 技术进行信号的传输。
传输速率：依赖于 802.11p 标准的实现，传输速率会根据不同的应用和场景而变化。
调制方案和编码速率：
- 在 802.11p 中使用了不同的调制方案（如 BPSK、QPSK、16-QAM 和 64-QAM），根据信道状况自动选择。
- 编码速率（coding rate）也会随之调整，以平衡数据传输速率和信号的可靠性。

\(\begin{array}{|c|c|c|}\hline \begin{array}{c}\text { Transfer rate } \\\text { [Mbit/s] }\end{array} & \begin{array}{c}\text { Modulation } \\\text { scheme }\end{array} & \text { Coding rate } \\\hline 3 & \text { BPSK } & 1 / 2 \\\hline 4,5 & \text { BPSK } & 3 / 4 \\\hline 6 & \text { QPSK } & 1 / 2 \\\hline 9 & \text { QPSK } & 3 / 4 \\\hline 12 & \text { 16-QAM } & 1 / 2 \\\hline 18 & \text { 16-QAM } & 3 / 4 \\\hline 24 & \text { 64-QAM } & 2 / 3 \\\hline 27 & \text { 64-QAM } & 3 / 4 \\\hline\end{array}\)

C-V2X（蜂窝车联网通信）

C-V2X（蜂窝车联网通信）是一种较新的技术，由 3GPP（第三代合作伙伴计划）定义。该技术可以使用 5.9 GHz 频段进行直接通信，同时也利用移动运营商的蜂窝网络（尤其是低频段，提供比 5.9 GHz 频段更广的覆盖范围）与车辆通信。

当前的 C-V2X 基于 LTE 技术，不仅用于 5.9 GHz 频段的直接通信，还用于蜂窝网络通信（即 LTE-V2X）。
C-V2X 正在发展以集成 5G（即 5G-V2X）

蜂窝技术 LTE

现阶段的 Direct C-V2X 基于 LTE（4G）技术。
LTE 是一种蜂窝通信技术，通常通过天线塔进行通信，并在专用的频谱上运行，移动运营商为这些频谱需支付许可费用。
在正常工作模式下，LTE 设备需要 SIM 卡（结合用户的订阅）才能连接到天线塔，后者协调频谱的使用和时间调度，按照二维网格的形式重复执行。
该网格由多个基本块组成，每个块涵盖一部分频谱（通常为 180 KHz）和一个时间单位（通常为 1 毫秒）

Direct C-V2X 使用 5.9 GHz ITS 频段中的 10 MHz 免许可信道运行。设备会以分布式方式提前预定时频块 bloc de temps-fréquence，以确保 ITS 消息能够及时交换，避免多个设备预定相同的时频块。如果 ITS 应用生成消息的时间与预定时间不一致，预定机制可能会导致额外的延迟。

通过移动运营商网络的 C-V2X 通信 via les réseaux des opérateurs mobiles

联网车辆还可以使用移动运营商的网络（即蜂窝网络）连接到互联网并交换信息。车辆需配备 ****SIM 卡（嵌入车内或通过用户的智能手机），并与移动运营商签订网络使用合同。此外，行驶路线必须有移动网络覆盖。

与 5.9 GHz 频段不同，移动网络使用被分配的不同频段，且这些频段需要获得个人授权。

移动运营商网络通信的特性 caractéristique des communications cellulaires va les réseux des opérateurs mmobiles

更高的传输速率：支持更多服务，例如互联网娱乐、兴趣点提示、远程启动引擎、被盗车辆定位等功能。
更远的通信距离 communication sur de ples longues distances：支持车辆之间的远距离通信。
抗干扰保障 garantie de non brouillage：在发生干扰时，可以启动程序来终止干扰源，从而保证通信质量。

车辆接入蜂窝网络后，可受益于移动运营商网络的技术进步，尤其是 5G（第五代移动网络）的引入。

使用移动运营商网络的新要求

➢ 移动运营商需确保在大部分道路网络上提供可靠的通信服务。

➢ 移动运营商需与外国运营商达成 漫游协议，以支持跨境通信。

ITS-G5通信和DIRECR C_V2X通信之间的比较

分类	ITS-G5	Direct C-V2X
范围 (Portée)	范围为500米至1公里，比标准无线网络的Wi-Fi更远，这是由于在5.9 GHz ITS频段内允许的发射功率更高。	范围为500米至1公里。得益于最新的编码技术，在良好条件下Direct C-V2X的范围略大于ITS-G5/DSRC。
可扩展性 (Évolutivité)	由于Wi-Fi技术使用随机等待时间，在高车辆密度下会导致更多的碰撞和更长的延迟。	在高车辆密度下，某些车辆可能会预留相同的时间-频率块，从而导致冲突。附近车辆在相同时间段内使用相邻频率块可能会造成干扰，降低通信可靠性。
可用性 (Disponibilité)	该技术已有10年历史，市场上有多个商用芯片。	该技术较新，目前已有测试板原型可供车辆试验，需遵循芯片制造商的严格条件。
成熟度 (Maturité)	该技术非常成熟，已经通过深度测试，包括大规模车辆测试。	已经进行过几次小规模的车辆测试，但大规模测试仅在实验室中完成。
互操作性 (Interopérabilité)	ITS-G5和C-V2X目前不具备互操作性，即使用一种技术的车辆无法与使用另一种技术的车辆通信。	当前正在进行相关工作以使ITS-G5和C-V2X互操作，并解决它们在同一频段内共存的问题。
其他演进 (Autres Évolutions)	IEEE 802.11bd工作组负责未来对现有IEEE 802.11p标准的升级，新标准将包括更高的数据速度和更高的车辆速度支持。	未来将引入与LTE基站协同的模式，用于时间同步和时间-频率块分配，但需要SIM卡和运营商的订阅服务。5G-V2X标准已经定义。

5G承诺相比4G在技术性能上有一个飞跃：

速度提高10倍
延迟（响应时间）减少10倍
提高可靠性
即使在移动中也能保持更稳定的连接
能够同时连接大量设备
更高的能源效率

制造商的技术选择 Les technologies actuellement itilisées par les constructeurs

全球范围内还远未实现技术的统一：

日本已经开始部署路边单元（UBR），利用ITS-G5技术向车辆发送信息。
韩国已完成了一段88公里的I2V（基础设施与车辆）、V2I（车辆与基础设施）和V2V（车辆与车辆）的ITS-G5试点项目。
美国为DSRC技术保留了5.9 GHz频段，但C-V2X可以在某些区域进行试验。

安全要求 exigences de sécurité

认证和授权authentification et autorisation：必须确保发射方的认证和授权，仅允许可信实体参与V2X通信系统。

数据完整性intégrité des données：安全机制必须确保发送的数据不会被恶意实体篡改。

保密性 confidentialité：某些V2X应用可能需要保密性，发送的消息内容必须是保密的。

隐私保护 protection de la vie privée：必须实施隐私保护机制，以防止追踪车辆或通过内部或外部恶意实体关联其临时身份。

车载通信网络的设计 - 性能Conception de réseaux de communications véhiculiares - Performances

通讯链路设计 conception d’un lien de communication

链路设计原理

无线链路质量取决于以下因素：

发射机和接收机之间的距离：例如，车辆1发送的包更有可能被车辆2解码，而非车辆3（V2V链路）。
两者之间障碍物的存在：例如，车辆5遮挡了车辆4和车辆6之间的通信（V2V链路）。
沿道路部署的中继设备：在V2I链路中，道路边单元（RSU）充当车辆之间的中继。

影响链路质量的因素：

更好的可视性（无遮挡）
更复杂的天线（带有增益）
使用运营商频谱的可能性（干净的、受许可的频段）

用于计算信号接受功率的电子信息方程 quation des télecommunications pour calculer la puissance au niveau du récepteur

\[ P_r(d B m)=P_t(d B m)+G(d B)-P L(d B) \]

\(P_t\)：发射功率，范围为23到33 dBm

\[ P_{\mathrm{dBm}}=10 \log \left(P_{\mathrm{mWatt}}\right) \]
\(G\)：天线增益 gain d’antennes（由方向性决定），范围为0到9 dB
- 全向天线：0 dB
- 定向天线：> 0 dB
\(PL\)：传输信道上的信号衰减 affaiblissement du signal（pathloss）

信号衰减模型 modèle d’atténuation du canal

认为信号衰减是距离的函数

自由空间传播模型：

\[ \text { Pathloss }=\left(\frac{4 \pi d}{\lambda}\right)^2=\left(\frac{4 \pi d f}{c}\right)^2 \]

其中，\(d\) 是距离，\(f\) 是载波频率，\(\lambda\) 是波长，\(c\) 是光速。

基于测量数据的统计模型（如 Okumura-Hata 模型）：

\[ \text { Pathloss }=10^A d^{\frac{B}{10}} \]

在此基础上的对数路径损耗模型：

\[ \text { Pathloss }[d B]=A+B \cdot \log (d) \]

其中 \(B\) 的取值范围为 \(20 \leq B \leq 40\)。

考虑阴影余量 marge de shadowing

考虑信号路径上的障碍物，添加阴影余量\(s\)：

\[ P_r=P_t+G-A-B \log _{10}(d)-s \]

考虑噪音的影响 bruit

噪音是一种在整个频谱上都有分布，其功率谱密度是常量的干扰。其经验值为：

\[ -174 \mathrm{dBm} / \mathrm{Hz}=10^{-17.4} \mathrm{mWatt} / \mathrm{Hz} \]

因此对于带宽为\(W\)的频段，其噪音功率（单位：dBm）为：

\[ N=10^{-17.4}*W \mathrm{mWatt} \Leftrightarrow N = -174+10log_{10}(W)(dBm) \]

覆盖假设 dimensionnement en converture认为，当\(\operatorname{SNR}(\mathrm{dB})>\mathrm{SNR}_{\min }\)，系统可以被正确解码，否则传输信息丢失。信噪比的定义为：

\[ S N R=\frac{P_{\text {received }}}{\text { Noise }} \]

对于给定的SNR，数据包丢失的概率由PER（Packet Error Rate, 数据包错误率）表示。

Exemple 01：最大传输距离

已知：

\[ \begin{array}{|l|l|}\hline \text { Paramètre } & \text { Valeur } \\\hline \begin{array}{l}\text { Largeur de bande des } \\\text { canaux: W }\end{array} & 10 \mathrm{MHz} \\\hline \text { Puissance du bruit } & -174 \mathrm{dBm} / \mathrm{Hz} \\\hline \text { SNR cible } & 30 \mathrm{~dB} \\\hline \begin{array}{l}\text { Puissance émise max } \\\text { du véhicule }\end{array} & 32.5 \mathrm{dBm} \\\hline \begin{array}{l}\text { Modèle de Path loss } \\\text { Winner II }\end{array} & \mathrm{A}=41 \\\begin{array}{l}\text { A+B*log(distance) } \\\text { Distance en m }\end{array} & \mathrm{B}=22.7 \\\hline \begin{array}{l}\text { Marge de shadowing } \\\text { s }\end{array} & 8 \mathrm{~dB} \\\hline \begin{array}{l}\text { Gain d'antenne à la } \\\text { réception }\end{array} & 0 \mathrm{dBi} \\\hline\end{array} \]

求最大传输距离。

根据表格前两行，可以计算噪音功率：

\[ N=-174+10 \log _{10}(W)=-104 \mathrm{dBm} \]

然后根据发射功率，\(A\)，\(B\)和阴影余量，可以计算接受信号功率随距离\(d\)的函数：