P05 车辆V2X通信方面
P05 车辆V2X通信方面
Target
- 车联网的网络类型 Les moyens de communications des véhicules connectés
- “网状网络（Mesh）”和“基础设施网络（Infrastructure）”。
- 现有车联网通信技术的比较 technologies de communications véhiculaires existantes
- V2X应用的安全要求 Exigences de sécurité pour les applications V2X
- V2V（车对车）和V2I（车对基础设施）链路预算的建立 Établissement du bilan de liaison V2V et V2I
- 通过信噪比（SNR）进行覆盖范围的设计 Dimensionnement en couverture par SNR
- 计算不同接入方法的丢包率：包括ALOHA和CSMA/CA方法 Calcul de taux de perte de paquets pour les différentes méthodes d’accès : ALOHA, et CSMA/CA.
车联网的网络类型 [1]
- 车对环境（V2E，Vehicle-to-Environment）：
- 车对基础设施（V2I，Vehicle-to-Infrastructure）：车辆与交通灯
les feux de circulation、路边单元les unités de bord de route（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
Communication directe entre véhicules，用于提高交通安全和优化交通流量améliorer la sécurité routière et à optimiser le flux de circulation.。 - 车对行人（V2P，Vehicle-to-Pedestrian）：车辆与行人之间的通信
Communication entre le véhicule et les piétons，保障行人安全assurer leur sécurité。
- 车对基础设施（V2I，Vehicle-to-Infrastructure）：车辆与交通灯
- 车对用户（V2U，Vehicle-to-User）：
- 车辆与车内用户之间的通信
le véhicule et les utilisateurs，例如通过车载娱乐系统、导航等功能与乘客互动。système de divertissement, la navigation et autres fonctionnalités pour interagir avec les passagers.
- 车辆与车内用户之间的通信
- 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
l'Internet et les services en nuage via le réseau cellulaire，获取实时数据、导航信息和其他联网服务。données en temps réel, des informations de navigation et d’autres services connectés.
- 车辆通过蜂窝网络与互联网、云服务进行通信
两大类车载网络 Réseaux véhiculaires [2]
Mesh型车载网络 Réseau véhiculaire de type Mesh
- 车辆之间相互连接，形成一个去中心化的网络。 Les véhicules sont connectés les uns aux autres, formant un réseau décentralisé.
- 多跳环境 Environnement
multi-sauts：信息可以通过多个中间车辆节点进行传输
transmises via plusieurs véhicules intermédiaires，以延长通信距离étendre la portée de la communication。 - 无基础设施
Sans infrastructure：无需依赖固定的基础设施Aucun besoin d’infrastructure fixe，车辆本身充当网络节点nœuds de réseau，确保网络的灵活性和自组织能力la flexibilité et l’auto-organisation du réseau。
基于基础设施的车载网络 Réseau véhiculaire basé sur l’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
réseaux cellulaires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
une connexion stable et une couverture étendue，车辆可以与其他车辆、云服务或互联网资源进行通信。
现有解决方案 solutions technologiques [3]
移动运营商频段Bande de fréquences des opérateurs mobiles |
5.9 GHz 频段Bande 5.9 GHz |
移动运营商频段 + 5.9 GHz 频段
Bande des opérateurs mobiles + Bande 5.9 GHz |
|
|---|---|---|---|
| 技术 | 2G, 3G, 4G, 5G | ITS-G5（源于 Wi-Fi）ITS-G5 (dérivé du Wi-Fi) |
C-V2X（蜂窝车联网）C-V2X (Cellular Vehicle-to-Everything) |
| 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） |
| 分类 | ITS-G5 | Direct C-V2X |
|---|---|---|
| 范围 (Portée) | 范围为500米至1公里Portée de 500 mètres à 1 km，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la puissance d’émission autorisée plus élevée dans la bande ITS de 5,9 GHz.。 |
范围为500米至1公里。得益于最新的编码技术Grâce aux technologies de codage récentes，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forte densité de véhicules.下会导致更多的碰撞和更长的延迟davantage de collisions et des délais plus longs。 |
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certains d’entre eux peuvent réserver les mêmes blocs de temps-fréquence, provoquant des collisions.。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plusieurs puces commerciales disponibles sur le marché。 |
该技术较新，目前已有测试板原型可供车辆试验des prototypes de cartes de test sont disponibles pour des essais en conditions réelles，需遵循芯片制造商的严格条件。 |
| 成熟度 (Maturité) | 该技术非常成熟
très mature，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。 |
V2X应用的安全要求 [4]
认证和授权authentification et
autorisation：必须确保发射方的认证和授权assurer l’authentification et l’autorisation de l’émetteur，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données envoyées ne puissent pas être altérées par des entités malveillantes。
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le contenu des messages envoyés doit rester confidentiel.。
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empêcher le suivi des véhicules ou l’association de leurs identités temporaires par des entités malveillantes internes ou externes.。
V2V（车对车）和V2I（车对基础设施）链路预算的建立 [5][6]
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：
\[ P_r=P_t+G-A-B \log _{10}(d)-s \]
为了正确接受信号，要求：
\[ S N R=P_r-N>S N R_{cible} \Rightarrow d<10^{\left(P_t+G-A-s-N-S N R_{cible}\right) / B} \]
得到最大传输距离为\(341m\)。
计算不同接入方法的丢包率：包括ALOHA和CSMA/CA方法 [7]
Aloha
假设每个发射器平均每秒生成 \(\lambda\) 个数据包，且遵循一个泊松过程 processus de Poisson（平均间隔时间为 \(1/\lambda\) 的指数分布）。其他 \(N-1\) 个设备的总到达过程也是一个泊松过程，其参数为 \((N-1)\lambda\)。
在时间窗口 \(2T_f\) 内的数据包到达数量服从参数为 \(2T_f(N-1)\lambda\) 的泊松分布。成功的概率为在 \(2T_f\) 时间窗口内没有任何其他数据包到达的概率
\[ P_{\text {success }}=e^{-2(N-1) \lambda T_f} \]
时隙Aloha slotté
- 时间可以被划分为时隙，形成时隙ALOHA协议：
- 当发射器有数据包时，它将在下一个时隙开始时进行传输。
- 脆弱时间等于时隙的长度，设为 \(T_f\)。
\[ P_{\text {succès }}=e^{-(N-1) \lambda T_f} \]
CSMA/CA
然后考虑\(p_c\)和\(\pi(i d l e)\)的联系，假设总共有\(N\)辆车。那么信号占用的唯一一种可能就是有一辆车正在发送信号。那么，唯一一种信号不被占用的可能就是除自己之外所有的汽车都没有在发送信号：
\[ p_c=1-(1-\pi(0))^{N-1}=1-(1-q \pi(idle))^{N-1} \]
从而有；
\[ \pi(i d l e)=\left[1+q+\frac{q\left(W_0-1\right)}{2(1-q \pi(i d l e))^{N-1}}\right]^{-1} \]
Exemple 计算丢包与N的关系
考虑汽车每秒发送\(10\)个包，每个包持续\(0.4ms\)，分别考虑\(W_0 = [2,10,20]\)
首先计算\(q=1-e^{-\lambda T_f} = 1-e^{-10\cdot0.0004}=0.004\)
假设初始状态下，\(p_c=0\)，有：
- \(\pi(idle)=\left(1+q \frac{W_0+1}{2}\right)^{-1}=0.9982\)
- \(\pi(0)=q \pi(i d l e)=0.0039\)
- 此时，\(p_c=1-(1-\pi(0))^{N-1}=0.0905>0\)
然后迭代，设\(p_c =0.0905\)，重新计算，得到：
\[ \pi(\text { idle })=0.9874, \pi(0)=0.0039, p_c=0.0904 \]
可认为系统收敛。
有重传机制的CSMA/CA avec retransmissions
此时，丢包率等于直到第\(m\)次重试都在占用的概率：
\[ P_{\text {loss }}=p_c^m \]
而此时，\(p_c\)的概率则需要考虑所有正在准备发送的情况，即所有的状态\((i,0)\)：
\[ p_c=1-(1-\tau)^{N-1} ,\quad\tau=\sum_{i=0}^{m-1} \Pi_{i, 0}=q \Pi_{i n} \frac{1-p_c^m}{1-p_c} \]
即：
\[ p_c=1-\left(1-q \Pi_{i n} \frac{1-p_c^m}{1-p_c}\right)^{N-1} \]
