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详解IEEE802.11p与LTE-V2V谁会抢先?

2、LTE-V2V模式4和IEEE802.11p的比较

IEEE802.11p和LTE-V2X都采用众所周知的正交频分复用(OFDM)调制技术,其中的数据块安排用等距的子载波传输。然而,

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如表2所示那样,它们选择了非常不同的参数。LTE-V2X继承了很多LTE的机制,适合具有功率控制、同步调整功能的集中式(即非自组织)和同步网络,并且工作在低速到中等速度。正如后面章节将要讨论的那样,它不太适合自组网通信模式,无法应用于多个重要的V2X使用场合。

2.1 同步

与IEEE802.11p相比,LTE-V2X对频率误差和时序误差更为敏感。在不精确的频率同步状态下,残留频率误差会导致载波差拍干扰(ICI)。在LTE-V2X中,OFDM的子载波间距要比IEEE802.11p的子载波间距近10倍,因此相同的绝对频率误差在LTE-V2X中的影响要远大于在IEEE802.11p中的影响。这将导致LTE-V2X性能会受限,相同的绝对频率误差将产生大100倍的干扰功率[10]。表3对IEEE802.11p和LTE-V2X的时序精度和频率精度要求进行了量化。

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*  时序精度在针对信道切换的IEEE 1609.4标准中有规定

IEEE802.11p的操作对时序没有依赖性;频率精度在IEEE802.11中有规定

** 时序精度在3GPP TS 36.133中有规定;频率精度在3GPP TS 36.101中有规定

有两个明显的主要区别:

1.LTE-V2X要求要严格得多;

2.LTE-V2X的要求与用户的同步源有关。当用户使用不同的同步源时,比如锁定到不同的基站,同步的要求将无法满足,从而影响汽车彼此之间的通信性能。

为了满足这些同步要求,LTE-V2X用户需要依赖于全球导航卫星系统(GNSS)信号。然而,这又会带来其它挑战。举例来说,事实上GNSS信号在隧道、地下停车场和城市峡谷等位置有可能丢失或不足够可靠。在没有GNSS覆盖的情况下,在要求的精度范围内保持同步取决于用户的本振漂移。精度越高,就像严格子载波间距要求的那样,成本就越高。在没有可靠的GNSS信号或根本没有GNSS信号的情况下,用户不得不选择替代源实现同步,这会影响通信的可靠性。

IEEE802.11p工作时不需要依靠GNSS信号。IEEE1609.4也需要GNSS信号,但只用于从一个信道切换到另一个信道,也就是说需要低得多的时序和频率精度。

2.2高速状况

移动中的汽车在传输信号时会发生多普勒频移,这个频移可以被看作(除了同步误差之外)额外的频率误差。在高速状况下,这些多普勒频移可能两倍于甚至四倍于同步误差(随着汽车相对速度的增加而增加),并成为主要部分。

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如图1所示,LTE-V2X中的符号周期要比IEEE802.11p长10倍,这会限制最大可检测的多普勒频移,并因此对速度有最大值的限制(除了跟踪快速变化的信道以外)。事实上,在3GPP仿真结果内已经观察到了这种缺点,即当速度超过140km/h时,就不再能可靠地检测消息,性能也很差[19]。3GPP解决这个问题的方法是引入复杂的处理方法,但该方法被证明不够强大[20];或者减少调制和编码方案(MCS),但并不能解决问题。建议修改先导符号图案或缩短符号周期[21]是不被接受的,因此最终LTE-V2X被严格限制用于速度在140km/h以下的应用。

而IEEE802.11p受益于很短的符号周期和精选的符号先导图案,因此对高速时的性能没有任何限制。虽然LTE-V2X受限于工作在140km/h以下,但IEEE802.11p性能在250km/h甚至更高的速度时都可圈可点。

2.3 近-远端问题

LTE-V2X对于用户接收来自两个或更多个具有不同功率电平的发射机的信号场合非常敏感,即近-远问题,如图2所示。这种功率差可能发生在两个相邻的发射机其中一个被阻挡的时候。IEEE802.11p允许每个OFDM符号传输单个用户消息,而接收机可以针对每个用户单独以最佳的方式设置其参数,比如自动增益控制器(AGC)、时间偏移估计和频率偏移估计等,因为符号是不共享的。

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LTE-V2X允许用户共享相同OFDM符号内的资源(图3),但接收机只根据单个组合信号设置其自动增益控制器的增益值。因此,LTE-V2X接收机在存在强信号的条件下接收弱信号的能力是受限制的6。但弱信号的重要性可能比强信号大。举例来说,强信号可能来自与安全决策的关联度较低的车辆后面的发射机,而弱信号也许来自可能会引起真正风险的正在接近的发射机。

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为了解决近-远问题,LTE-V2X引入了地球分区的概念,其中包括根据用户所在的绝对地理位置建立空间隔离,不同位置的用户只能限于从特定的时间-频率集中选择发射用的资源。这种解决方案当然非常有趣,但需要进行现场验证,以评估不均匀分布的用户以及他们快速移动位置带来的影响。

2.4最大通信距离

比较V2X技术的一种方法是比较在室外相同条件下测试得到的实际性能。IEEE802.11p已被证明在各种现场试验中可以达到很大的通信距离,在高速公路情况下已经能够达到几公里[8]。遗憾的是,LTE-V2X现场试验还没有可用于比较的结果。但LTE-V2X同步概念对用户之间的通信距离有限制,反映在分配给循环前缀(CP)的不同角色中,见表4。

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在LTE-V2X这样的同步系统中,所有用户的信号必须在时间上同步到达接收机,以防止连续的OFDM符号之间出现码间干扰。在实际应用中这种要求是无法满足的,因为要么来自不同发射机的信号传播时间不相等,要么每位用户用于自己传输的时序基准不相等。当用户处于覆盖范围内、并将eNB用作他们的时序基准(在GNSS不可用的情况下)时就是这样的例子。在这种情况下,每位用户的传输时间都是基于自己的下行链路时序基准7。自然而然的,一些用户靠eNB近一些(具有较短的传播延时),一些用户比较远。近的用户要比远的用户更早地开始传输,而邻近近用户的接收(RX)用户也会设置相应的接收窗口。远用户的传输将在往返传播延时之后到达接收机。在远程发射机太远的情况下,它可能到达的太晚而超出接收窗口,导致接收侧无法检测到消息,见图4。

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从图中可以看出,对通信距离有限制,超出这个范围接收机将无法检测到远用户发的消息。表5列出了LTE-V2X可以实现的最大距离。某些情况下不能满足[17]中定义的Do-No-Pass-Warning消息提出的NPRM要求。

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2.5 资源分配

实际的V2X业务图案是用具有可变大小的数据包来表征的。诸如(由ETSI规定的)CAM和基本安全消息(BSM,由SAE规定)等消息组是周期性(通常是每隔100ms)产生的,包括比如地理位置、速度、朝向等汽车状态信息和其它相关信息。汽车偶然也会将一组路径预测和/或近来的路径历史点附加到这些消息上。点的数量取决于道路状况,但在每个点用大约10个字节描述的情况下,这种增加的信息就会很容易在负荷中占据额外数10个字节。另外一个改变消息长度的例子与安全有关:对BSM来说,整个安全证书每隔500ms发送一次,会给默认的消息长度再增加100个字节。 IEEE802.11p的资源分配方案可以很轻松地支持可变数据包大小。一旦某位用户占用了信道它就会自己用一个OFDM符号的分辨率(即8微秒)判断传输时长,以便负载传输时间变得更短/更长。在LTE-V2X中,用户会以半永久的方式保留资源,也就是说在知道确切的数据包大小之前。在应用层的负荷大小还没有确定前就提前保留资源会导致资源大小的超分配(没有效率)或欠分配(要求更密集的编码,降低对消息的检测概率)。不管怎样,适合IEEE802.11p的简单资源分配机制在处理可变负荷尺寸时会更加高效。

2.6 半双工

从图3可以明显看出,LTE下的两个用户可以使用不同的频率资源在相同的OFDM符号中传送消息。在某一给定时刻,用户要么发送,要么接收,因为他们的无线系统工作在半双工模式。这样,两位用户即使靠得很近也不会收到彼此的消息,从而错过安全关键决策所必需的信息。他们不得不等待直到其中一位或两位为传输选中新的资源。

2.7 物理层效率

重载设计的LTE波形和帧格式在单用户下将转换为更高的开销,详见下面这张表。

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2.8容量

V2X适合用于高业务密度的场合。容量的定义是在某个区域内所有车辆能够在不竞争相同资源的条件下实现通信的能力,因为竞争最终将导致通信距离的缩短和延时的增加。在等效条件下IEEE802.11p和LTE-V2X具有相似的容量和距离。

表7表明,LTE-V2X和IEEE802.11p的容量基本相同,一个给定10MHz的信道可以在1ms时间内容纳大约2条消息。

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2.9 消息冲突

在一条道路的指定区段会有多个用户,每个用户以有规律的间隔发送消息。IEEE802.11p通过实现CSMA-CA协议解决潜在的冲突问题,它会在开始新的传送之前检查无线信道是否在使用状态。LTE-V2X没有等效的机制,如果发生冲突也不会被检测到。两个用户可能使用相同的资源块发送消息。在重新选择资源之前资源会通过半永久分配技术保持用于多次传输。因此这两个用户的多次传输将丢失。

LTE-V2X通过增加一定程度的随机性在用户之间重新选择事件时间来减轻这个问题,但不能完全解决冲突风险。

举例来说,两辆汽车都在接近交叉路口。一旦进入有效通信范围,IEEE802.11p将确保无冲突操作,必要时会发出警告。LTE-V2X则无法这样做,从而白白失去宝贵的时间。

2.10 网络安全保护

ISO26262中针对上路汽车定义的功能性安全认证提出了采取验证和确认措施来确保达到足够和可接受的安全水平的要求。风险和危险分析通过衡量威胁生命的潜在可能性来确定汽车安全完整性水平(ASIL)等级。由于V2X可能控制汽车,比如在车队应用中,因此可以假设V2X要求ASIL B等级的ISO26262。达到ASIL B等级要求付出额外的成本,因此强烈建议将非安全关键域和安全关键域在软件和硬件方面分隔开来。如果系统的非安全部分没有被隔离,那就也要进行ISO26262认证,那将变得特别困难,成本也会特别高。另外,域的隔离有助于更强大更好地防止潜在的网络攻击,见图5。硬件和软件的隔离清楚地表明,无法通过简单地重复使用标准LTE调制解调器覆盖LTE-V2X应用空间。

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高度复杂的LTE-V2X解决方案意味着比IEEE802.11p解决方案更高的成本。因此用LTE-V2X满足安全应用将变得更加昂贵。

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未完待续…

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