蜂窩車聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)、關(guān)鍵技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的研究

朱紅梅，林奕琳

（中國電信股份有限公司廣州研究院，廣東 廣州 510630）

1 引言

伴隨著信息技術(shù)的發(fā)展，車聯(lián)網(wǎng)成為繼移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)后的一大熱點(diǎn)。2016年9月28日，主要由車企、運(yùn)營商與設(shè)備商成員共40多家公司組成的5G汽車聯(lián)盟（5GAA, 5G Automotive Association）正式成立。5GAA建立目的是希望共同定義蜂窩車聯(lián)網(wǎng)（C-V2X，Cellular Vehicle to X）的需求，通過多行業(yè)聯(lián)合共同推動(dòng)智能駕駛端到端解決方案實(shí)現(xiàn)，建立一個(gè)成功的車聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)，在開發(fā)、測(cè)試及促進(jìn)銷售方面展開全方位合作，制定標(biāo)準(zhǔn)，加快商用化和向全球市場(chǎng)推廣。本文重點(diǎn)解析3GPP制定的基于4G/LTE的V2X標(biāo)準(zhǔn)以及開始出現(xiàn)的5G V2X需求。

2 V2X標(biāo)準(zhǔn)概況

在2013年初，韓國LG、美國高通在3GPP SA1提出車聯(lián)網(wǎng)立項(xiàng)的申請(qǐng)，隨即展開了從需求到標(biāo)準(zhǔn)制定的研究工作。同時(shí)伴隨著車聯(lián)網(wǎng)是信息化和工業(yè)化的深度融合，催生一系列的產(chǎn)業(yè)變革，這是新的發(fā)展機(jī)遇，中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)CCSA也積極開展LTE V2X標(biāo)準(zhǔn)制定工作，具體如圖1所示。

圖1 LTE V2X的標(biāo)準(zhǔn)概況

蜂窩車聯(lián)網(wǎng)從3GPP R14版本開始引入，該版本是4G技術(shù)LTE的最后一個(gè)版本，因此稱為LTE-V2X，2017年第一季度標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)，年中完成；中國通信標(biāo)準(zhǔn)緊跟3GPP標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展，開展基于LTE系統(tǒng)的車聯(lián)網(wǎng)總體技術(shù)要求的研究。

LTE-eV2X將于R15的5G NR同步進(jìn)行，將于2018年中左右完成。

LTE-eV2X相對(duì)LTE-V2X，主要針對(duì)編隊(duì)駕駛、增強(qiáng)駕駛、擴(kuò)展傳感器、遙控駕駛等場(chǎng)景進(jìn)行了技術(shù)增強(qiáng)。LTE-V2X和LTE-eV2X旨在滿足未來10年的車聯(lián)網(wǎng)需求。

當(dāng)然如果有新增的應(yīng)用需求無法通過V2X和eV2X解決，3GPP也會(huì)在R16階段啟動(dòng)5G NR-V2X進(jìn)行增強(qiáng)，包括終端和基站之間Uu接口的增強(qiáng)，終端和終端之間接口的增強(qiáng)等。雖然這部分工作還沒有實(shí)際開展，但從5G的性能可看出：5G NR V2X將實(shí)現(xiàn)更短的時(shí)延、更高的可靠性，但是不會(huì)取代LTE V2X/eV2X，而是作為補(bǔ)充，提供更高級(jí)的V2X服務(wù)，并支持和LTE V2X/eV2X的互操作。

3 V2X關(guān)鍵技術(shù)

眾所周知，V2X誕生前，美國已經(jīng)有成熟的車聯(lián)網(wǎng)通信方案：基于IEEE 802.11p的特定短距離通信（DSRC, Dedicated Shorted Range）方案，也是V2V的通信協(xié)議。許多車企在DSRC系統(tǒng)上開展了幾乎10多年的研究和測(cè)評(píng)工作，幾乎是各個(gè)車企認(rèn)定車輛智能化的發(fā)展方向，但是進(jìn)展并不理想。蜂窩網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商期望進(jìn)入車聯(lián)網(wǎng)的陣營，因此標(biāo)準(zhǔn)的制定是在借鑒DSRC的基礎(chǔ)上逐步開展的。

3.1 LTE D2D技術(shù)

縱觀3GPP的發(fā)展史，所有的通信都是經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)的，用戶A到用戶B的任何一條信令，信息的發(fā)送都需要先通過基站，然后進(jìn)行后續(xù)節(jié)點(diǎn)的處理轉(zhuǎn)發(fā)等，沒有用戶A與用戶B的直接對(duì)話。但是到了車聯(lián)網(wǎng)，場(chǎng)景發(fā)生變化，需求隨著不同，如車輛的自動(dòng)駕駛場(chǎng)景下（ 如編隊(duì)行駛、并道等），收發(fā)車輛的距離近，車與車的直聯(lián)是更好的通訊模式。因此3GPP標(biāo)準(zhǔn)體系中一個(gè)全新的承載通信方式的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生了，即LTE D2D（Device To Device，又稱LTE Direct），該標(biāo)準(zhǔn)由美國高通公司于2011年9月在3GPP SA1提出并展開研究，后續(xù)延續(xù)到SA2以及RAN，開展了一系列從需求到架構(gòu)到具體信道、資源分配等的標(biāo)準(zhǔn)工作制定。

LTE D2D為車聯(lián)網(wǎng)的V2V通信提供了一種全新的通信方式，即基于PC5接口（車-車的接口）的直通方式。

3.2 LTE MBMS

眾所周知，ITU提出的5G白皮書提到，5G有著比4G更高的性能要求：毫秒級(jí)的時(shí)延、0.1 Gbit·s-1～1 Gbit·s-1的用戶體驗(yàn)速率及每平方公里一百萬的連接數(shù)密度。隨著IPv6的部署，一個(gè)腳掌就有數(shù)十個(gè)IP地址。因此原來傳統(tǒng)意義的基于應(yīng)答確認(rèn)式的單播點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式（Unicast）已經(jīng)不能滿足車聯(lián)網(wǎng)通信的需求，而要引入廣播多播技術(shù)（MBMS, Multi Broadcast Multi Service），以更高效地分享周邊的信息。因此可見，LTE MBMS只是車聯(lián)網(wǎng)的一環(huán)，是車聯(lián)網(wǎng)的一種使用場(chǎng)景。

3.3 LTE V2X

前面提到DSRC早于LTE-V十年多出現(xiàn)，但是并沒有贏得市場(chǎng)，主要原因在于車車直接通信時(shí)，擁塞、干擾和覆蓋等很多問題沒有解決。就如同兩個(gè)平級(jí)的用戶出現(xiàn)矛盾，沒有第三方上級(jí)來仲裁，那么兩個(gè)平級(jí)之間就會(huì)陷入僵局。LTE-V在實(shí)現(xiàn)直連，即車與車直接通信的時(shí)候，又利用蜂窩網(wǎng)絡(luò)充當(dāng)起仲裁的角色，很好地解決了擁塞及干擾等問題。

以下先介紹基于PC5直連的LTE V2V關(guān)鍵技術(shù)：

（1）為V2V子幀增加了4個(gè)DMRS（DemodulaTIon Reference Signal）符號(hào)。這些符號(hào)與500 kph以下的速度和智能交通系統(tǒng)（ITS, Intelligent Transport Systems）頻段（主要是5.9 GHz頻段）相關(guān)聯(lián)，進(jìn)行高速信道追蹤，解決了高速移動(dòng)導(dǎo)致的多普勒效應(yīng)和頻率偏移帶來的問題。

（2）導(dǎo)入了采用半持續(xù)調(diào)度（SPS, Semi-Persistent Scheduling）方式的分散型調(diào)度技術(shù)。一次無線資源分配可以使用多個(gè)子幀，減少了頻內(nèi)輻射，可以優(yōu)化信道的使用，提高傳輸效率。

（3）導(dǎo)入了新調(diào)度分配功能。這樣便可在車輛多通信節(jié)點(diǎn)密度更高的環(huán)境下進(jìn)行恰當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)資源處理，延遲時(shí)間也面向V2V得到改善。

（4）時(shí)鐘同步，在網(wǎng)絡(luò)不覆蓋的情況下，缺少同步源。V2X同時(shí)支持基站和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）的時(shí)間同步。

（5）專業(yè)的QoS技術(shù)：V2X消息可以通過non-GBR和GBR承載傳輸：QCI 3（GBR）和QCI 79（non-GBR）可以用于V2X消息的單播傳輸，QCI 75（GBR）只能用于MBMS承載的V2X消息，通過專用的QCI極大提升了傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

通過PC5接口新增加的DMRS符號(hào)、新的信道結(jié)構(gòu)以及調(diào)度分配功能，使得網(wǎng)絡(luò)參與到V2V的通信中，避免了干擾、擁塞等問題的出現(xiàn)，成為一個(gè)事實(shí)上可產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)。

雖然LTE-V比DSRC起步晚，但基因好，系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)良，繼承移動(dòng)蜂窩網(wǎng)的技術(shù)和運(yùn)營優(yōu)勢(shì)，同時(shí)有中國和歐洲政府支持，預(yù)期產(chǎn)業(yè)規(guī)模較大。

4 V2X系統(tǒng)架構(gòu)

V2X通信有兩種互為獨(dú)立、相互補(bǔ)充的工作模式，即基于PC5直通模式的V2X通信和基于LTE-Uu的V2X通信?；贚TE-Uu的工作模式可以是單播Unicast也可以是MBMS方式。UE可以分別使用這兩種工作模式進(jìn)行接收和發(fā)送。例如：一個(gè)UE可以使用MBMS組播方式接收V2X消息，但發(fā)送V2X消息不使用LTEUu。一個(gè)UE也可以通過LTE-Uu下行單播來接收V2X消息?；旧蟅2X應(yīng)用服務(wù)器之間，可以相互通信以交換V2X信息。合法的偵聽行為適用于V2X業(yè)務(wù)。

4.1 基于PC5和LTE-Uu的V2X通信架構(gòu)

基于PC5和LTE-Uu的V2X的通信架構(gòu)如圖2所示。

（1）接口網(wǎng)元

車聯(lián)網(wǎng)是移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)全新應(yīng)用，因此涉及到的接口網(wǎng)元眾多，下面逐一解釋：

V1：V2X應(yīng)用（內(nèi)置在UE里）和V2X應(yīng)用服務(wù)器之間的接口。很明顯，V1是應(yīng)用層的接口，相關(guān)信息不在3GPP范圍內(nèi)定義。

V2：V2X應(yīng)用服務(wù)器和V2X控制功能（V2X Control Function）之間的接口。V2X應(yīng)用服務(wù)器可以連接多個(gè)PLMN的V2X控制功能。

圖2 基于PC5和LTE-Uu的V2X的通信架構(gòu)

V3：UE和歸屬PLMN中的V2X控制功能之間的接口，適用于基于PC5和基于LTE-Uu的V2X通信，基于LTE-Uu的V2X通信可選支持MBMS。

V4：運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)中HSS和V2X控制功能之間的接口。

V5：UE中V2X應(yīng)用之間的接口。

V6：不同PLMN中的V2X控制功能間的接口（本文不涉及）。

PC5：使用V2X業(yè)務(wù)UE之間用戶面進(jìn)行D2D（Device to Device）直接通信的接口。

S6a：在V2X場(chǎng)景下，在E-UTRAN附著過程期間，S6a接口可用于向MME可以下載V2X通信相關(guān)的簽約信息，或者當(dāng)HSS中的簽約信息改變時(shí)通知MME。

S1-MME：在V2X場(chǎng)景下，該接口可將V2X業(yè)務(wù)授權(quán)從MME傳送到eNodeB。

LTE-Uu：UE和E-UTRAN之間的接口。

（2）功能要求

對(duì)V2X直通鏈路通信，PC5接口是無連接的。支持V2X直通鏈路通信的UE可工作于兩種資源分配模式：

1）資源調(diào)度分配（直通鏈路發(fā)送模式3），其特點(diǎn)是：

◆發(fā)送數(shù)據(jù)前，UE需先處于RRC_Connected狀態(tài)；

◆UE從eNB請(qǐng)求傳輸資源，eNB調(diào)度傳輸資源給UE進(jìn)行直通鏈路控制信息和數(shù)據(jù)的傳輸，并支持直通鏈路半持續(xù)調(diào)度（SPS）。

2）UE自主資源選擇（直通鏈路發(fā)送模式4），其特點(diǎn)是：

◆UE自主從資源池中選擇資源、執(zhí)行傳輸格式選擇，發(fā)送直通鏈路控制信息和數(shù)據(jù)；

◆如果配置了地理區(qū)域和發(fā)送資源池的映射關(guān)系，則UE基于所處的地理區(qū)域選擇V2X直通鏈路發(fā)送資源池。

UE執(zhí)行感知以選擇/或重新選擇資源?；诟兄Y(jié)果，UE選擇/或重新選擇一些直通鏈路資源，并預(yù)留多個(gè)直通鏈路資源。UE可最多支持2個(gè)并行而且獨(dú)立的資源預(yù)留過程，UE也可以執(zhí)行單次的資源選擇。

對(duì)于V2X直通通信，切換過程中，發(fā)送資源池的配置，包括用于目標(biāo)小區(qū)的異常發(fā)送資源池配置可以在切換信令中發(fā)送給UE，以減少發(fā)送中斷。

為了避免因捕獲目標(biāo)小區(qū)廣播的接收資源池而帶來的V2X消息接收的中斷時(shí)間，目標(biāo)小區(qū)的同步配置和接收資源池配置可在切換命令中通知給RRC_Conneted狀態(tài)的UE。對(duì)于處于空閑狀態(tài)的UE，由UE實(shí)現(xiàn)最小化與捕獲目標(biāo)小區(qū)SIB21相關(guān)的直通鏈路發(fā)送和接收中斷的時(shí)間。

4.2 基于MBMS LTE-Uu的V2X通信架構(gòu)

基于MBMS LTE-Uu的V2X通信架構(gòu)如圖3所示。

（1）接口

大部分接口與圖2相同，這里只描述不同的2個(gè)接口：

MB2：2X應(yīng)用服務(wù)器和BM-SC之間的接口。

SGmb/SGi-mb/M1/M3：MBMS系統(tǒng)內(nèi)的SGmb/SGi-mb/M1/M3接口。

（2）功能要求

如果UE配置了通過MBMS接收V2X應(yīng)用服務(wù)器信息，則通過相應(yīng)的廣播信道接收本地信息。本地信息包括本地V2X應(yīng)用服務(wù)器地址信息。另外如果下行使用MBMS，本地信息還可能包括V2X應(yīng)用服務(wù)器的USD（User Service Description，用戶業(yè)務(wù)描述）。

圖3 基于MBMS LTE-Uu的V2X通信架構(gòu)

UE根據(jù)收到的信息，獲取本地V2X應(yīng)用服務(wù)器地址，如果這過程中UE沒有收到USD，那么需要UE建立到V2X應(yīng)用服務(wù)器的連接后獲取用戶USD信息。

因?yàn)樯婕暗組BMS，因此V2X服務(wù)器需要將用戶的信息映射為MBMS能識(shí)別的信息再下發(fā)，即格式的匹配，此外UE可能提供地理位置信息，V2X應(yīng)用服務(wù)器通過這些信息來確定目標(biāo)MBMS廣播區(qū)域的MBMS業(yè)務(wù)區(qū)域。V2X應(yīng)用服務(wù)器向BM-SC（組播控制器）提供MBMS業(yè)務(wù)區(qū)域或者小區(qū)ID，以備后續(xù)LTE-Uu口的精確下發(fā)。同時(shí)為了減小時(shí)延，MBMS需要支持更短的下發(fā)/更新周期。

4.3 小結(jié)

縱觀上述的分析，車聯(lián)網(wǎng)對(duì)運(yùn)營商來說是一個(gè)全新的網(wǎng)絡(luò)，需要額外增加很多接口以及網(wǎng)元，運(yùn)營商在夯實(shí)自己基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的同時(shí)，要面向車企，將網(wǎng)絡(luò)信息更好地配合應(yīng)用層的需求，實(shí)現(xiàn)精確有效的傳遞，這無論在投資還是在技術(shù)上，都是一大挑戰(zhàn)。

隨著5G的推進(jìn)，會(huì)進(jìn)一步加大產(chǎn)業(yè)的融合，提升V2X服務(wù)平臺(tái)的功能，比如現(xiàn)有輔助的無線技術(shù)以及調(diào)度、干擾消除等原本移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的功能上移云端，同時(shí)配合5G的切片功能，運(yùn)營商會(huì)單獨(dú)為車聯(lián)網(wǎng)提供獨(dú)立的組網(wǎng)，使得V2X車載終端和V2X平臺(tái)功能分別演進(jìn)、各自創(chuàng)新及升級(jí)，加速車聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展。

5 結(jié)論

本文LTE V2X標(biāo)準(zhǔn)入手，詳述了標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀以及可能基于5G NR演進(jìn)版本的考慮。再從與DSRC的對(duì)比出發(fā)，詳述LTE V2X涉及到的關(guān)鍵技術(shù)，如LTE D2D、多播組播以及針對(duì)車聯(lián)網(wǎng)特點(diǎn)進(jìn)行的基于LTE結(jié)構(gòu)的技術(shù)增強(qiáng)。通過本文分析，可見LTE V2X技術(shù)具備卓越的性能，支持豐富的V2X業(yè)務(wù)，能面向5G演進(jìn)路線以支持不斷發(fā)展的V2X需求。當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)的試點(diǎn)逐步增加，隨著試點(diǎn)推行、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題這個(gè)閉環(huán)的出現(xiàn)，相信在不久的將來，車聯(lián)網(wǎng)不再停留在學(xué)習(xí)、報(bào)告，而是如同互聯(lián)網(wǎng)一樣，給廣大用戶帶來全新的體驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Recommendation ITU-R M.2083. IMT Vision-Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond[R]. 2015.

[2]ITU-R report M.2135. Guidelines for evaluation of radio interface technologies for IMT-Advanced[R]. 2015.

[3]3GPP TS 22.261. Service requirements for next generation new services and markets; Stage 1[S]. 2017.

[4]3GPP TR23.799. Study on Architecture for Next Generation System[S]. 2017.

[5]3GPP TR 38.912. Study on new radio access technology[S]. 2017.

[6]3GPP TR 38.913. Study on scenarios and requirements for next generation access technologies[S]. 2017.

[7]3GPP TS 23.502. System Architecture for the 5G System;Stage 2[S]. 2017.

[8]3GPP TS 23.501. Procedures for the 5G System; Stage 2[R]. 2017.

[9]3GPP TS 23.203. Policies and Charging control architecture; Stage 2[S]. 2017.

[10]中國信息通信研究院. 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)[S]. 2015. ★