C—V2X蜂窩車(chē)聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)分析與發(fā)展現(xiàn)狀

魏垚 王慶揚(yáng)

【摘 要】C-V2X（Cellular-Vehicle to Everything）是基于移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的車(chē)聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)之一，是實(shí)現(xiàn)未來(lái)智慧交通和無(wú)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展，分析了應(yīng)用場(chǎng)景及業(yè)務(wù)指標(biāo)需求，并對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的研究，最后給出了國(guó)內(nèi)C-V2X外場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)展和結(jié)論。

蜂窩車(chē)聯(lián)網(wǎng)；智能交通系統(tǒng)；LTE-V

1 引言

5G時(shí)代萬(wàn)物將互聯(lián)，人與人、人與物、物與物可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。車(chē)聯(lián)網(wǎng)作為物聯(lián)網(wǎng)的熱點(diǎn)應(yīng)用之一，是一個(gè)以交通為主要服務(wù)對(duì)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(guò)多種底層無(wú)線(xiàn)傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)V2V、V2P、V2I以及V2N通信，它是物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)在交通領(lǐng)域的具體應(yīng)用，對(duì)于保障交通安全，提高城市交通運(yùn)行效率，降低污染排放都具有重要意義。車(chē)聯(lián)網(wǎng)以安全和能效為主要發(fā)展驅(qū)動(dòng)力，將改變?nèi)藗儌鹘y(tǒng)駕駛習(xí)慣和出行模式，擁有極其廣闊的發(fā)展前景[1]。

美國(guó)和歐洲先后開(kāi)展了車(chē)聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的研究和制訂工作，而且采納了不同的車(chē)聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系。美國(guó)的DSRC車(chē)聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系由IEEE和SAE共同完成，包括了IEEE 802.11p、IEEE 1609和SAE J2735、J2945等標(biāo)準(zhǔn)。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(guó)車(chē)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(dǎo)的TIAA、CCSA，交通部領(lǐng)導(dǎo)的C-ITS（China ITS Industry Alliance，中國(guó)智能交通產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟），未來(lái)移動(dòng)通信論壇（Future Forum），中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)（SAE-China）以及全國(guó)汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)（NTCAS/TC485）等。

車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)競(jìng)爭(zhēng)早已在IEEE 802.11p和3GPP陣營(yíng)的C-V2X間展開(kāi)[2]。802.11p采用輕調(diào)度、無(wú)功控等簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)于2010年發(fā)布，具有先發(fā)優(yōu)勢(shì)，芯片和終端具備準(zhǔn)商用能力，已處于行業(yè)應(yīng)用前夕。3GPP近年來(lái)積極推動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)具有更優(yōu)秀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，遠(yuǎn)距離傳輸性能更好，同時(shí)繼承了蜂窩網(wǎng)運(yùn)營(yíng)管理的優(yōu)勢(shì)，具備后續(xù)演進(jìn)能力。目前的C-V2X標(biāo)準(zhǔn)是基于LTE系統(tǒng)的V2X，以R14版本為基礎(chǔ)的車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成為L(zhǎng)TE-V2X（Long Term Evolution-Vehicle to X），R15對(duì)其進(jìn)行增強(qiáng)，即LTE-eV2X。LTE-V及其演進(jìn)版本可以滿(mǎn)足未來(lái)10年的車(chē)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(chē)聯(lián)網(wǎng)，即NR-V2X，以解決R15版本中無(wú)法滿(mǎn)足的智能交通應(yīng)用需求。

2 C-V2X場(chǎng)景需求分析

3GPP對(duì)LTE-V2X的場(chǎng)景定義包括以下四種：車(chē)與車(chē)（V2V）、車(chē)與網(wǎng)絡(luò)（V2N）、車(chē)與基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）以及車(chē)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(chē)車(chē)、車(chē)人、車(chē)路以及車(chē)與后臺(tái)通信的27個(gè)用例[4]?；谶@些用例，SA1定義了LTE-V支持的時(shí)延時(shí)間、可靠性、數(shù)據(jù)速率、通信覆蓋范圍、移動(dòng)性、用戶(hù)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(biāo)。

（1）移動(dòng)速度：最高絕對(duì)速度160 km/h，最大相對(duì)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(shí)延：安全類(lèi)時(shí)延≤20 ms，非安全類(lèi)時(shí)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(hù)的匿名性并保護(hù)用戶(hù)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(chǎng)景的業(yè)務(wù)性能要求參考（如表1所示），給出了每個(gè)場(chǎng)景中對(duì)通信距離、時(shí)延、可靠度等關(guān)鍵指標(biāo)的定義。其中，“對(duì)向碰撞”是要求最高的應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)提出了更高的要求。在這個(gè)場(chǎng)景中，當(dāng)汽車(chē)從發(fā)現(xiàn)前方有狀況到自動(dòng)實(shí)施緊急制動(dòng)的過(guò)程，按照最大時(shí)延和最高汽車(chē)速度計(jì)算，在20 ms的時(shí)延下，車(chē)輛的反應(yīng)時(shí)間所對(duì)應(yīng)的前移距離僅為0.44 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于駕駛員在反應(yīng)時(shí)間所產(chǎn)生的行駛距離，有效地提高了駕駛安全性。SA1對(duì)時(shí)延指標(biāo)的要求在5G標(biāo)準(zhǔn)中將會(huì)進(jìn)一步提升，其時(shí)延對(duì)應(yīng)的移動(dòng)距離為2.2 cm，安全水平將進(jìn)一步提高。新發(fā)布的TR22.886為eLTE-V2X定義了共計(jì)25個(gè)use case，可分為5大類(lèi)，包括整體需求、編隊(duì)駕駛、半/全自動(dòng)駕駛、支持?jǐn)U展傳感、遠(yuǎn)程駕駛。eV2X對(duì)車(chē)聯(lián)網(wǎng)提出了更高的性能要求，其中遠(yuǎn)程駕駛場(chǎng)景要求端到端時(shí)延少于20 ms，可靠性要求達(dá)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(biāo)準(zhǔn)分析

2015年2月，3GPP LTE-V的標(biāo)準(zhǔn)化研究工作正式立項(xiàng)，并于2016年9月發(fā)布了車(chē)車(chē)通信（V2V）標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)情況。

3.1 解調(diào)參考信號(hào)（DMRS）與DCI格式

為了滿(mǎn)足車(chē)輛在高速移動(dòng)下的多普勒?qǐng)鼍埃ㄏ鄬?duì)速度達(dá)500 km/h）中的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)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(jìn)行增強(qiáng)演進(jìn)，將導(dǎo)頻序列DMRS進(jìn)行加密，將V2V子幀的DMRS符號(hào)從2個(gè)增加為4個(gè)，如圖1所示。此外，為了在高速移動(dòng)場(chǎng)景下能夠更好地進(jìn)行信道狀態(tài)跟蹤，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定將每個(gè)V2V子幀的最后一個(gè)符號(hào)作為T(mén)x-Rx turnaround符號(hào)。

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(dòng)態(tài)調(diào)度），調(diào)度PSCCH和PSSCH傳輸?shù)臅r(shí)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(lái)安排PSSCH傳輸?shù)臅r(shí)間/頻率資源，指示SL傳輸優(yōu)先級(jí)，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(gè)V2X消息傳輸（PSSCH）都與一個(gè)控制信號(hào)（PSCCH）相關(guān)聯(lián)。在相同的子幀上傳輸控制信號(hào)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(jí)和時(shí)頻域資源信息。Sidelink鏈路支持的可擴(kuò)展系統(tǒng)帶寬最高為20 MHz。

LTE-V首份標(biāo)準(zhǔn)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(lèi)似，UE從eNodeB（基站）請(qǐng)求傳輸資源，eNodeB采用半持續(xù)、動(dòng)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(chēng)UE autonomous resource selection。車(chē)輛/UE通過(guò)在專(zhuān)用頻段上探測(cè)資源占用情況并執(zhí)行半持續(xù)調(diào)度的傳輸機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)V2X流量的檢測(cè)和定期資源預(yù)留。SA解碼和能量測(cè)量用于感知。SA中的消息到達(dá)周期將用于接收者預(yù)知下一個(gè)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(dòng)感應(yīng)窗口：保持對(duì)其他用戶(hù)的SA進(jìn)行解碼并測(cè)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(jìn)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(shí)間/頻率資源，可以在其中進(jìn)行PC5傳輸。控制信息Scheduling Assignment（SA或者PSCCH）在基于PC5接口的V2V場(chǎng)景中是需要的，每個(gè)數(shù)據(jù)傳輸都由一個(gè)SA進(jìn)行調(diào)度。在解碼了相關(guān)的SA之后，一個(gè)UE至少知道了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)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(hào)在時(shí)間上重疊而在頻譜上不重疊?？朔薘12版本TDM方式帶來(lái)的時(shí)延較長(zhǎng)的缺點(diǎn)。數(shù)據(jù)池總是與SA池相關(guān)聯(lián)，兩個(gè)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(gè)子信道，一個(gè)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(gè)或多個(gè)子信道。數(shù)據(jù)資源與SA占用同一子幀內(nèi)的相鄰RB進(jìn)行傳輸，從而降低了接收端的處理時(shí)延。此外，3GPP標(biāo)準(zhǔn)也納入了SA與數(shù)據(jù)資源可以使用不相鄰的RB進(jìn)行傳輸[7]。

UE在PC5上測(cè)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(guò)了在100 ms中觀(guān)察到的一個(gè)預(yù)配置的閾值。CR是在1 000 ms的測(cè)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(cè)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(mǎn)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(jí)進(jìn)行調(diào)整?？烧{(diào)傳輸參數(shù)：Tx power、RBs、ReTx、MCS。UE進(jìn)行CBR測(cè)量并向eNB報(bào)告，以協(xié)助eNB的調(diào)度或傳輸參數(shù)調(diào)整。

4 我國(guó)C-V2X外場(chǎng)測(cè)試進(jìn)展

基于LTE-V的車(chē)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(chǎng)商、運(yùn)營(yíng)商等積極聯(lián)合，開(kāi)展LTE-V2X外場(chǎng)試驗(yàn)。2016年11月，工信部無(wú)線(xiàn)電管委會(huì)將5 905 MHz—5 925 MHz分配給了LTE-V2X作為試驗(yàn)頻譜，加速了我國(guó)無(wú)線(xiàn)車(chē)聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。2016年，工信部在重慶、武漢、長(zhǎng)春進(jìn)行LTE-V外場(chǎng)測(cè)試，并將測(cè)試分為三個(gè)階段。第一階段為2016年進(jìn)行LTE-V2X調(diào)研和理論仿真；第二階段為2017年進(jìn)行LTE-V2X頻率和兼容性研究，包括測(cè)試規(guī)范的制定和部分實(shí)驗(yàn)室和外場(chǎng)測(cè)試；第三階段將在2018年開(kāi)啟小規(guī)模示范。其中，2017年的測(cè)試包括實(shí)驗(yàn)室射頻測(cè)試、城區(qū)LOS場(chǎng)景性能測(cè)試、高速NLOS場(chǎng)景性能測(cè)試等典型的V2V、V2I場(chǎng)景。

國(guó)內(nèi)外通信廠(chǎng)家也聯(lián)合運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行了無(wú)人駕駛試驗(yàn)，并積極部署開(kāi)展車(chē)聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn)。包括高優(yōu)先級(jí)車(chē)輛放行、緊急剎車(chē)告警、交叉路口讓行、信息分享和車(chē)速引導(dǎo)等技術(shù)，如大唐電信研發(fā)了基于LTE-V技術(shù)的芯片級(jí)預(yù)商用產(chǎn)品LTE-V車(chē)載單元（OBU）和路側(cè)單元（RSU）。華為與沃達(dá)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(dòng)大會(huì)上演示了紅綠燈車(chē)速引導(dǎo)、緊急剎車(chē)、行人告警等車(chē)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)蜂窩車(chē)聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展進(jìn)行了詳細(xì)的分析，不可否認(rèn)，3GPP陣營(yíng)的C-V2X采用了LTE系統(tǒng)的優(yōu)秀設(shè)計(jì)，繼承了蜂窩網(wǎng)運(yùn)營(yíng)管理的優(yōu)勢(shì)，在遠(yuǎn)距離傳輸、可靠性等能力上更具優(yōu)勢(shì)，同時(shí)兼?zhèn)湎?G NR演進(jìn)的能力，是未來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)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(shí)現(xiàn)城市間乃至省際的無(wú)人駕駛能力，還任重道遠(yuǎn)。

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