魏垚 王慶揚

【摘 要】C-V2X（Cellular-Vehicle to Everything）是基于移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)的車聯(lián)網(wǎng)無線傳輸技術(shù)之一，是實現(xiàn)未來智慧交通和無人駕駛的關(guān)鍵所在。首先介紹了C-V2X的基本概念，跟蹤了最新標準進展，分析了應(yīng)用場景及業(yè)務(wù)指標需求，并對其關(guān)鍵技術(shù)進行了詳細的研究，最后給出了國內(nèi)C-V2X外場試驗進展和結(jié)論。

蜂窩車聯(lián)網(wǎng)；智能交通系統(tǒng)；LTE-V

1 引言

5G時代萬物將互聯(lián)，人與人、人與物、物與物可以通過無線網(wǎng)絡(luò)進行連接。車聯(lián)網(wǎng)作為物聯(lián)網(wǎng)的熱點應(yīng)用之一，是一個以交通為主要服務(wù)對象的綜合性網(wǎng)絡(luò)，它以保障交通安全和提高交通能效為目的，通過多種底層無線傳輸協(xié)議實現(xiàn)V2V、V2P、V2I以及V2N通信，它是物聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)在交通領(lǐng)域的具體應(yīng)用，對于保障交通安全，提高城市交通運行效率，降低污染排放都具有重要意義。車聯(lián)網(wǎng)以安全和能效為主要發(fā)展驅(qū)動力，將改變?nèi)藗儌鹘y(tǒng)駕駛習慣和出行模式，擁有極其廣闊的發(fā)展前景[1]。

美國和歐洲先后開展了車聯(lián)網(wǎng)標準的研究和制訂工作，而且采納了不同的車聯(lián)網(wǎng)標準體系。美國的DSRC車聯(lián)網(wǎng)標準體系由IEEE和SAE共同完成，包括了IEEE 802.11p、IEEE 1609和SAE J2735、J2945等標準。歐洲基于通信的智能交通ITS系統(tǒng)（ITSC）由ISO、ETSI和CEN共同完成。中國車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的主要組織包括工業(yè)與信息化部領(lǐng)導的TIAA、CCSA，交通部領(lǐng)導的C-ITS（China ITS Industry Alliance，中國智能交通產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟），未來移動通信論壇（Future Forum），中國汽車工程學會（SAE-China）以及全國汽車標準化委員會（NTCAS/TC485）等。

車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標準競爭早已在IEEE 802.11p和3GPP陣營的C-V2X間展開[2]。802.11p采用輕調(diào)度、無功控等簡單設(shè)計，標準于2010年發(fā)布，具有先發(fā)優(yōu)勢，芯片和終端具備準商用能力，已處于行業(yè)應(yīng)用前夕。3GPP近年來積極推動基于蜂窩的V2X（Cellular V2X）技術(shù)規(guī)范，特別是基于LTE技術(shù)體制的系列規(guī)范，3GPP系列標準具有更優(yōu)秀的系統(tǒng)設(shè)計，遠距離傳輸性能更好，同時繼承了蜂窩網(wǎng)運營管理的優(yōu)勢，具備后續(xù)演進能力。目前的C-V2X標準是基于LTE系統(tǒng)的V2X，以R14版本為基礎(chǔ)的車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成為LTE-V2X（Long Term Evolution-Vehicle to X），R15對其進行增強，即LTE-eV2X。LTE-V及其演進版本可以滿足未來10年的車聯(lián)需求，3GPP考慮將在5G系統(tǒng)R16版本中引入基于5G空口的車聯(lián)網(wǎng)，即NR-V2X，以解決R15版本中無法滿足的智能交通應(yīng)用需求。

2 C-V2X場景需求分析

3GPP對LTE-V2X的場景定義包括以下四種：車與車（V2V）、車與網(wǎng)絡(luò)（V2N）、車與基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）以及車與人（V2P）等[3]。3GPP SA1工作組發(fā)布的TR22.885需求文檔中，共定義了包含車車、車人、車路以及車與后臺通信的27個用例[4]?；谶@些用例，SA1定義了LTE-V支持的時延時間、可靠性、數(shù)據(jù)速率、通信覆蓋范圍、移動性、用戶密度、安全性、消息發(fā)送頻率、數(shù)據(jù)包大小等關(guān)鍵技術(shù)指標。

（1）移動速度：最高絕對速度160 km/h，最大相對速度500 km/h。

（2）數(shù)據(jù)包大?。旱湫偷闹芷谛詳?shù)據(jù)包為50～400字節(jié)，事件觸發(fā)數(shù)據(jù)包最大到1 200字節(jié)。

（3）消息發(fā)送頻率：1 Hz～10 Hz。

（4）時延：安全類時延≤20 ms，非安全類時延≤100 ms。

（5）峰值速率：上行500 Mb/s、下行1 Gb/s。

（6）安全：通信設(shè)備需要被網(wǎng)絡(luò)授權(quán)才能支持V2X業(yè)務(wù)，要能支持用戶的匿名性并保護用戶隱私。

（7）通信范圍：TTC（Time To Collision）為4 s的通信距離[5]。

3GPP SA1還給出了7種特定場景的業(yè)務(wù)性能要求參考（如表1所示），給出了每個場景中對通信距離、時延、可靠度等關(guān)鍵指標的定義。其中，“對向碰撞”是要求最高的應(yīng)用場景，對關(guān)鍵技術(shù)指標提出了更高的要求。在這個場景中，當汽車從發(fā)現(xiàn)前方有狀況到自動實施緊急制動的過程，按照最大時延和最高汽車速度計算，在20 ms的時延下，車輛的反應(yīng)時間所對應(yīng)的前移距離僅為0.44 m，遠遠小于駕駛員在反應(yīng)時間所產(chǎn)生的行駛距離，有效地提高了駕駛安全性。SA1對時延指標的要求在5G標準中將會進一步提升，其時延對應(yīng)的移動距離為2.2 cm，安全水平將進一步提高。新發(fā)布的TR22.886為eLTE-V2X定義了共計25個use case，可分為5大類，包括整體需求、編隊駕駛、半/全自動駕駛、支持擴展傳感、遠程駕駛。eV2X對車聯(lián)網(wǎng)提出了更高的性能要求，其中遠程駕駛場景要求端到端時延少于20 ms，可靠性要求達到99.999%，上行均值速率25 Mb/s，下行均值速率1 Mb/s[6]。

3 PC5接口與標準分析

2015年2月，3GPP LTE-V的標準化研究工作正式立項，并于2016年9月發(fā)布了車車通信（V2V）標準，LTE based V2V是基于LTE R12和R13版本的終端直通D2D技術(shù)。下面主要介紹一下R14最新的V2X標準情況。

3.1 解調(diào)參考信號（DMRS）與DCI格式

為了滿足車輛在高速移動下的多普勒場景（相對速度達500 km/h）中的數(shù)據(jù)傳輸，同時考慮LTE-V2X工作于ITS 5.9 GHz的高載波頻段，在R12版本D2D基礎(chǔ)上進行增強演進，將導頻序列DMRS進行加密，將V2V子幀的DMRS符號從2個增加為4個，如圖1所示。此外，為了在高速移動場景下能夠更好地進行信道狀態(tài)跟蹤，標準規(guī)定將每個V2V子幀的最后一個符號作為Tx-Rx turnaround符號。

另外，在DCI格式上也有新的變化，包括：

（1）DCI格式0的變化（UL V2X SPS），定義了與傳統(tǒng)SPS C-RNTI不同的V2X UL SPS RNTI，DCI 0（用于傳統(tǒng)UL SPS激活/釋放）中的循環(huán)移位DMRS（3 bits）被重新用于指示V2X UL SPS配置索引。

（2）定義新的DCI格式5A（SL V2X SPS和動態(tài)調(diào)度），調(diào)度PSCCH和PSSCH傳輸?shù)臅r間/頻率資源，激活/釋放特定的SL SPS配置，DCI格式5A的位應(yīng)填充（如果需要）以匹配映射在同一海域的DCI格式0的大小。

（3）定義新的SCI格式1（調(diào)度PSSCH傳輸）來安排PSSCH傳輸?shù)臅r間/頻率資源，指示SL傳輸優(yōu)先級，指示資源預(yù)留間隔（用于半持續(xù)傳輸）。

3.2 V2X傳輸模式（Sidelink）

每一個V2X消息傳輸（PSSCH）都與一個控制信號（PSCCH）相關(guān)聯(lián)。在相同的子幀上傳輸控制信號和數(shù)據(jù)，減少了頻內(nèi)輻射，優(yōu)化了信道的使用。PSCCH（Physical Sidelink Control Channel）占用48 bits，其中包含優(yōu)先級和時頻域資源信息。Sidelink鏈路支持的可擴展系統(tǒng)帶寬最高為20 MHz。

LTE-V首份標準引入了Sidelink傳輸模式3和模式4。模式3與傳統(tǒng)LTE調(diào)度類似，UE從eNodeB（基站）請求傳輸資源，eNodeB采用半持續(xù)、動態(tài)調(diào)度方法支持定期、非定期的V2X消息，可以提高資源利用率，增加系統(tǒng)的業(yè)務(wù)容量。模式4又稱UE autonomous resource selection。車輛/UE通過在專用頻段上探測資源占用情況并執(zhí)行半持續(xù)調(diào)度的傳輸機制，可實現(xiàn)對V2X流量的檢測和定期資源預(yù)留。SA解碼和能量測量用于感知。SA中的消息到達周期將用于接收者預(yù)知下一個消息，并預(yù)留可用資源。感知和資源預(yù)留步驟如下所示：

（1）滑動感應(yīng)窗口：保持對其他用戶的SA進行解碼并測量相應(yīng)的PSSCH能量。

（2）收集包含PSSCH-RSRP和S-RSSI的傳感信息。

（3）排除高能量資源。

（4）從候選資源集中選擇Tx資源。

（5）在選定的資源上進行半持續(xù)傳輸。

3.3 資源分配與擁塞控制

資源池是一組時間/頻率資源，可以在其中進行PC5傳輸?？刂菩畔cheduling Assignment（SA或者PSCCH）在基于PC5接口的V2V場景中是需要的，每個數(shù)據(jù)傳輸都由一個SA進行調(diào)度。在解碼了相關(guān)的SA之后，一個UE至少知道了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間和頻率位置。在V2V中，SA和數(shù)據(jù)資源從系統(tǒng)的角度上看總是頻分復(fù)用的，兩路信號在時間上重疊而在頻譜上不重疊?？朔薘12版本TDM方式帶來的時延較長的缺點。數(shù)據(jù)池總是與SA池相關(guān)聯(lián)，兩個SA池不能在相鄰信道上相疊加。定義了子信道概念為同一子幀中的一組連續(xù)RB（資源塊）的集合。資源占用以子信道為例，子信道大小可配，如圖2所示，頻帶劃分為三個子信道，一個子信道就包含數(shù)據(jù)資源和控制（SA）資源，UE可以占用一個或多個子信道。數(shù)據(jù)資源與SA占用同一子幀內(nèi)的相鄰RB進行傳輸，從而降低了接收端的處理時延。此外，3GPP標準也納入了SA與數(shù)據(jù)資源可以使用不相鄰的RB進行傳輸[7]。

UE在PC5上測量信道忙碌率（CBR）和信道占用率（CR）。CBR是子信道的一部分，它的s-rssi度量超過了在100 ms中觀察到的一個預(yù)配置的閾值。CR是在1 000 ms的測量周期內(nèi)由UE用于其傳輸?shù)淖有诺赖目倲?shù)量除以配置的子信道的總數(shù)。UE基于CBR測量獲得相應(yīng)的信道占用率限制值（CR_limit），并適應(yīng)其Tx參數(shù)以滿足CR_limit。

支持eNB輔助和UE自主擁塞控制，傳輸參數(shù)可以根據(jù)不同的優(yōu)先級進行調(diào)整。可調(diào)傳輸參數(shù)：Tx power、RBs、ReTx、MCS。UE進行CBR測量并向eNB報告，以協(xié)助eNB的調(diào)度或傳輸參數(shù)調(diào)整。

4 我國C-V2X外場測試進展

基于LTE-V的車聯(lián)網(wǎng)在全球范圍內(nèi)得到了廣泛的研究，各大通信設(shè)備廠商、運營商等積極聯(lián)合，開展LTE-V2X外場試驗。2016年11月，工信部無線電管委會將5 905 MHz—5 925 MHz分配給了LTE-V2X作為試驗頻譜，加速了我國無線車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化進程。2016年，工信部在重慶、武漢、長春進行LTE-V外場測試，并將測試分為三個階段。第一階段為2016年進行LTE-V2X調(diào)研和理論仿真；第二階段為2017年進行LTE-V2X頻率和兼容性研究，包括測試規(guī)范的制定和部分實驗室和外場測試；第三階段將在2018年開啟小規(guī)模示范。其中，2017年的測試包括實驗室射頻測試、城區(qū)LOS場景性能測試、高速NLOS場景性能測試等典型的V2V、V2I場景。

國內(nèi)外通信廠家也聯(lián)合運營商進行了無人駕駛試驗，并積極部署開展車聯(lián)網(wǎng)試驗。包括高優(yōu)先級車輛放行、緊急剎車告警、交叉路口讓行、信息分享和車速引導等技術(shù)，如大唐電信研發(fā)了基于LTE-V技術(shù)的芯片級預(yù)商用產(chǎn)品LTE-V車載單元（OBU）和路側(cè)單元（RSU）。華為與沃達豐、奧迪聯(lián)合攜手展示LTE-V技術(shù)，并在今年巴塞羅那世界移動大會上演示了紅綠燈車速引導、緊急剎車、行人告警等車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景。

5 結(jié)束語

本文對蜂窩車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀和標準進展進行了詳細的分析，不可否認，3GPP陣營的C-V2X采用了LTE系統(tǒng)的優(yōu)秀設(shè)計，繼承了蜂窩網(wǎng)運營管理的優(yōu)勢，在遠距離傳輸、可靠性等能力上更具優(yōu)勢，同時兼?zhèn)湎?G NR演進的能力，是未來實現(xiàn)無人駕駛的必然之路。然而，目前的C-V2X技術(shù)只提供了初步的解決方案，要真正實現(xiàn)城市間乃至省際的無人駕駛能力，還任重道遠。

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[6] 3GPP TSG SA1 TR 22.886. Study on enhancement of 3GPP Support for 5G V2X Services[R]. 2017.

[7] 3GPP TSG RAN1 TR 36.885. Study on LTE-based V2X Services 14.0.0[R]. 2016.