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5G车联网中基于车载接入点的无蜂窝通信
摘要
智能交通系统的发展给当今的车联网通信提出了很多新的要求，比如在车辆安全通信中要求低时延、高连通性和大数据量等，为满足这些要求，针对车联网的5G通信系统必须进行相应改进。这篇文章提出了一种针对车联网的5G通信方案，在该方案中移动接入点被部署到车辆上以便于车辆的接入，并且相邻的移动车载接入点可以通过联合传输和接收实现协作通信。这样，车辆可以通过无蜂窝方式与一个或多个普通接入点进行协作通信而不是仅与一个接入点相联系。为满足上述网络的管理要求，提出移动局部SDN云来实现移动与固定接入相融合的传输管理和调度，初步演示性仿真验证表明，该方案能显著降低延时和提高连通性，是今后5G车联网研究的一个方向。
简介
为了驾驶的安全性，司机甚至是自动驾驶系统需要对车辆以及交通的实时状态进行监控。获取该状态的最重要的方式是通过车联网(VNETs)从其他车辆和公共服务来获取相关信息，驾驶相关的信息包括交通状况，安全驾驶和车辆故障诊断信息和服务商提供的导航信息。除了以上提到的重要的实时驾驶信息，娱乐信息、常见的通信服务信息和社会信息也需要通过车联网(VNETs)来发送。考虑到车联网(VNETs)的应用前景，构建一个强大的全球通信平台是十分必要的。将应用服务与网络设备配置到靠近移动车辆的位置是可行的，因为通过这种方式可以大大减少网络传输的时延和服务的响应时间。提供靠近移动车辆的服务的一个重要办法是移动边缘计算方案，通过该方案，计算和存储资源被配置到一系列边缘网络设备上来为移动用户提供快速服务。由于车辆具有高移动性，传统的移动计算方式面临效率和快速资源分配的挑战。同时，提供靠近移动车辆的通信服务方式实现了车辆的接入网络。基于尽可能近的配置策略，可以得到动态的、开放的、自组织、易部署、费用低的车联网(VNETs)，从而取代传统意义上以监测为主的辅助交通管理方式。因此，研究新的车联网架构对于未来的智能交通系统的发展是十分重要的。
车联网的概念是作为无线传感器网络(WSNs)的衍生应用而产生的，在诞生初期许多协议沿用了无线传感器网络或者移动自组织网络(MANETs)的相关协议, 但是车辆高速移动的特点使得支持MANET网络的ZigBee、Bluetooth 等协议并不适用于车联网，而IEEE 802.11p和LTE被视作是车联网(VNETs)的两个最重要的技术，基于这些技术发展出了不同架构的车联网(VNETs)。总的来说，这些不同的建构可以被分成两类，基于基础设施的架构和基于MANET网络的架构，在基于基础设施的架构中，基站和接入点配置在道路上作为路边单元为驾驶员提供接入服务，在基于MANET网络的架构中，车辆之间通过点对点的方式进行通信。由于MANET网络的自组织特性，规划路线和资源分配是十分重要的，对此已提出了很多解决方案，其中一个很有前景的方案是基于移动局部SDN云来实现局域中心规划路线和资源分配。在未来的5G网络中，可以同时应用基于基础设施的通信模式和点对点的通信模式，我们可以将传统蜂窝接入技术和D2D技术相结合来构建未来的VNETs，在研究中不可避免地要采用这两种技术来为新一代车联网提供易部署、费用低的方案，这些方案在安全通信的基础上还要满足低时延、高连通性和大数据量的要求。另外，如何将车联网和现有的移动通信系统有效地连接起来仍是一个待解决的问题。
虽然IEEE 802.11p和蜂窝网在车联网中均有广泛应用，也有很多研究涉及这两者并提出了基于IEEE 802.11p和LTE的分析车联网性能的理论准则，但是得出的结论表明现有的蜂窝网络的能力不足以支持车辆安全通信。另一方面，考虑5G移动通信与现有LTE相比在延时、数据率和可靠性方面服务质量更好，5G移动通信成为车联网通信的一个有竞争力的选项，而且基于5G通信的车联网与全球通信系统相连接的花费很小。
然而，在车联网中仅使用5G通信网络中的固定基站将会面临许多问题，包括由于车辆移动所导致的频繁切换问题、连通性问题和不可预估的延时问题。针对这些问题已经提出了许多方法，其中一些与移动中继和移动接入点有关，在这些方法中有两种典型的应用方案，第一种与公共交通系统有关，包括高铁(HSTs)和公交等,在高铁和公交上安装一个或多个中继，从而在高铁和公交上的移动终端可以通过与中继通信而接入核心网络。在一些情况下，用移动接入点取代移动中继，这样在高铁和公交上的移动小蜂窝与路边的固定蜂窝相比，由于避免了频繁的切换问题，可以提供更高的接入服务质量。这些基于移动接入点的方案的性能很大程度上取决于移动接入点和核心网之间的回传链路的性能。第二种方案是将中继和接入点安装在汽车上，在这种方案中在其它汽车上的用户甚至是行人都可以通过移动中继或移动接入点与核心网相连，但是由于移动中继或移动接入点与使用者之间存在相对运动，该方案不可避免存在切换问题。另外与第一种方案相比，第二种方案的性能被回传链路性能所限制。实际上，即使在固定基站的5G通信网络中，与切换相关的问题仍然是影响性能的主要因素。
为了克服与切换相关的性能问题，一些研究者提出在基站或者接入点之间进行协作通信的方案，我们之前的研究提出了基于协作通信的无蜂窝通信架构，不同于传统的蜂窝架构，一个用户不是仅仅只与一个基站或接入点相连，而是可以通过同等数量的多点发射接收来与多个协作基站和接入点进行通信。配置SDN网络控制器来安排交通和分配全球资源从而使得无蜂窝网络克服了由切换导致的问题，增强了连通性，减小了时延。如何实现移动中继或移动接入点之间的协作通信，如何选择其中一些进行协作通信是基于协作通信的车联网中的重要问题。参考文献提出了一个中继协作通信方案，该方案中市区里的选用大量汽车作为中继协作为行人提供服务，作者在协作通信中运用了基于信噪比(SNR)的中继选择方法并且分析了相关性能。然而考虑到车联网中对于通信时延和连通性的要求，协作车载接入点如何为路上的其他车辆提供接入服务仍是一个重要问题。
在本文中，考虑到汽车高速运动导致的频繁切换和通信中断问题，我们讨论了5G车联网接入技术及其应用，提出了一个基于移动接入点的5G无蜂窝车联网方案，给出了选择车辆担任协作移动接入点的三个简单有效的原则，来构建一个5G无蜂窝移动接入网络。在仿真结果中，我们提出并比较了不同移动接入点选择方法下的连通性和时延，并选择出了最佳方案。
从固定蜂窝通信到基于移动接入点的无蜂窝通信
当前，车联网的一个最重要的作用是发送各种交通安全信息，例如车辆状态、附近车辆类型、车辆移动状况和交通事故信息。当发送包含这些信息的消息时，时延是非常重要的因素，消息的延迟或丢失可能会导致严重的交通事故。因此在5G车联网中，严格的时延和连通性是必不可少的。这种情况下，在车联网中采用传统的蜂窝移动网络结合D2D的方式可能会带来一些问题，例如频繁的切换、高延时、低连通性和负载不均衡。在这些问题中，时延是最重要的一个问题，而切换和连通性问题也会导致时延增加。另外，在D2D多跳中继系统的通信路径中，中继接收、处理和发送数据的时间是不可忽略的，因此在通信路径中跳跃越多，时延就越长。
如果5G技术直接应用于车联网中，那么由车辆的移动性带来的时延问题无法解决。为了解决这个问题，如图1，我们提出了一种方案，在部分车辆上配置车载接入点，这些车辆可以是预先部署了移动接入点的车辆，也可以是配有车载收发器的通过一些方法提高了发射功率和接收灵敏度的车辆。例如微波技术可能是未来5G网络的关键技术，由于它的波长很短，它可以将天线缩短到毫米级别，使得将多个MIMO天线配备到车辆上成为可能。考虑到当车辆作为普通节点时这部分天线有大量的MIMO，在需要时我们可以在大规模MIMO的备用天线中启用更多天线，这样车辆就可以作为移动接入点了。没有被选作移动接入点的车辆保持原有发射功率不变以避免增加通信范围内的干扰。同时考虑到远离移动接入点收发信号强度不够或者处于两个相邻接入点的覆盖区域之间的边界地段遭受接入点间的干扰，采取相邻两移动接入点进行协作，采用联合接收以及联合发送，共同提供车辆的接入。这样对每个移动接入点并存在固定的覆盖区域，它可以与之前或之后的相邻移动接入点协作，构成无蜂窝的5G移动通信网络。这种方案的优点如下。
- 更少的切换和中断。与车辆和固定基站之间的通信相比，当选中的移动接入点与汽车以相同速度沿着道路一起运动时，能保持较长时间的可用通信链路。更具体地说，由于协作通信，大部分切换都是软切换，其它不可避免的切换会被车辆或移动接入点与固定5G基站间的D2D通信取代。
- 低时延。与接入固定5G基站或者D2D多跳通信需要多余时间相比，某一范围内的车辆间通过附近的移动接入点进行通信带来的时延要小得多。
- 更好的连通性。基于移动接入点的无蜂窝接入与固定基站接入和D2D多跳传输相比，可以提供更好的连通性有两个原因。一是接入固定基站会带来频繁的切换，二是传输跳跃次数增加时多跳D2D通信会增加中断可能性。
- 更均衡的负载。由于车载移动接入点是从路上行驶的同方向的车辆中选出，因而在车辆拥挤、负债重的路段，接入点密度也越大，所以与接入固定基站相比，移动接入点的数据负载量更均衡。
在上述方案，为实现联合接收和联合发送，有个关键因素是相邻移动接入点之间的回传链路如何实现的问题。一个可行的方法是与传统蜂窝链路和D2D链路相比，给接入点的回传链路分配更多的带宽，并且除了传统的微波传输方式，一般来说可以考虑最新的5G通信技术来实现，如毫米波传输，大规模MIMO，可见光等。可见光传输技术可以用于移动接入点间的回传链路中，但是对于移动接入点与核心网之间的回传链路最好采用传统的无线技术。
车联网中基于移动接入点的5G无蜂窝通信的结构和建模
我们提出的5G基于移动接入点的无蜂窝通信的结构分为三层，从下往上为，用户节点车辆层、移动接入点层和路边基站层。通信可以发生在层内或者跨层。
如图2，用户节点车辆层中，车辆间可通过D2D进行层内通信，尤其是当车辆无法接入邻近车载接入点或协作接入点时。当车辆无法与相邻车辆通过D2D链路进行连接或者在D2D链路上有太多跳跃时，车辆会尝试接入附近或路边的5G基站，它们通常有更大的覆盖范围。
一般来说，当通信链路满足通信要求时，普通车辆会接入离它最近的移动接入点。当接入一个移动接入点无法提供足够高的数据率或服务质量时，车辆会和与它相邻的移动接入点进行通信，联合发送和接收。这种协作通信可以减少移动接入点之间的通信道干扰，提高接收的信号与噪声和干扰之比，从而提高数据率和扩大移动接入点的覆盖范围。当信道状况更差，车辆无法接入协作移动接入点时，车辆会采用D2D通信来建立一个多跳路径。最后，如果D2D通信路径也会带来很大的时延，那么车辆接入附近的5G基站。
在中间层内，相互协作的相邻移动接入点需要建立无线回传链路交换信息以便完成联合发送与联合接收。如果很难在移动接入点间建立一个稳定的且能提供足够数据率的回传链路，那么5G固定基站和移动接入点之间的回传链路就会被用于传送协作通信的控制信息和数据。为了能够调整和管理移动接入点间的回传链路，需要在局部设立SDN云。具体来说，SDN云控制器会与一部分移动接入点配置在一起，我们在它们中间动态选择效率最高的来作为该区域的SDN云控制器。
5G核心网络层包括主干网和与主干网相连的传统固定基站，为了实现提出的基于移动接入点的方案，5G网络的移动管理实体可以同时对移动用户终端和移动接入点进行管理，在中间移动接入点层的云控制器起到了十分重要的作用，它会帮助核心网移动管理实体监视整个网络内的运动情况。
被选中担任移动接入点的车辆发送自己的信息有很多种方法，其中一种是使用空闲的收发器来发送自己的信息，另一种是虚拟的纯软件方式，在接入点中设置一个虚拟车辆终端并一直接入担任移动接入点的车辆自身来发送信息。
不同的点对点通信模型
车辆通常给距离自己不远的车辆发送信息，例如局部内车辆安全信息的转发。这说明即使两个通信车辆之间没有直接链路，它们之间的链路也只包含很少的跳跃。在基于车载移动接入点的5G无蜂窝车联网中，P2P通信的传输模式可被建模为以下几种模型，如图3。
图3a表明基于D2D的通信中，通信双方间的通信路径可能包含一个或多个跳跃。图3b是基于移动接入点的传输模式，通信双方接入一个接入点或接入一组协作通信接入点，从而通信双方间的通信路径包含两个跳跃。当通信双方之间的距离足够远时，它们需要分别接入不同的接入点，在这两个不同的接入点间建立回程链路来传输信息，因此通信双方间的通信路径包含三个跳跃，如图3c。当可以在两个访问接入点或者两组协作接入点之间建立回程链路时，它们间通过5G核心网传输信息，即在移动接入点与核心网间建立回程链路，这会导致通信路径中包含多个跳跃，如图3d。
移动接入点的连通性和时延选择方案
为了分析提出的5G无蜂窝车联网方案的性能，确定车载移动接入点的空间分布特征是十分必要的，而空间分布又是由所采用的移动接入点选择方法来决定的。移动接入点选择方法可被分为三种，预先固定设置、独立随机选择和协作选择。
最简单的选择方法是预先固定设置，在这种方法中，预先设置好需要担当移动接入点的车辆，与普通车辆相比，这些移动接入点车辆需要有更高的发射功率和接收灵敏度，这可以通过在部分车辆上配备强大的车载单元来实现。为了简化性能分析，将预先设置好需要担当移动接入点的车辆分布视为独立随机分布，从而可以合理假设移动接入点也遵循泊松点过程。预先固定设置的方法很容易实现且在进行选择时没有任何额外开销，但是这种方法不适用于不断变化的交通状况和通信需求。
与预先固定设置方法相比，独立随机选择和协作选择方法适用于实际的交通状况。在独立随机选择方法中，进行选择时车辆间不需要交换信息，而是按照一定的选取概率，每个车辆都独立地决定自己是否成为移动接入点。这种方法更直接和容易实现，并且不需要额外的通信和计算开销。与预先固定设置方法相似，为了简化分析，我们可以假设候选车辆遵循泊松点过程。
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