車聯(lián)網(wǎng)高層協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)

（中興通訊股份有限公司，廣東 深圳 518057）

(ZTE Corporation, Shenzhen 518057, China)

隨著通信技術(shù)的發(fā)展及需求的豐富，無線通信的應(yīng)用場景日益廣泛，其中比較典型的是車聯(lián)網(wǎng)[1]。車聯(lián)網(wǎng)指車輛可以參與到無線通信中，通過利用先進的無線蜂窩通信技術(shù)，實現(xiàn)車到車（V2V）、車到基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）的實時信息交互，告知彼此的當前狀態(tài)（包括車輛的位置、速度、加速度、行駛路徑）及獲知的道路環(huán)境信息，協(xié)作感知道路危險狀況，及時提供多種碰撞預(yù)警信息，防止道路交通安全事故的發(fā)生。車聯(lián)網(wǎng)通信根據(jù)車輛對端通信節(jié)點類型具體分為4種通信模式：V2V、V2I、車到網(wǎng)絡(luò)（V2N）和車到人（V2P），如圖1所示，這4種統(tǒng)稱為車用無線通信（V2X）技術(shù)通信[2-4]。

在基于移動通信系統(tǒng)的V2X，為了區(qū)別于傳統(tǒng)的用戶設(shè)備（UE）終端與基站之間的上行鏈路和下行鏈路，車輛終端與其他節(jié)點（除基站）之間的通信鏈路被稱為Sidelink。本文中，我們主要針對V2X通信中的Sidelink資源分配進行分析。

1 車聯(lián)網(wǎng)資源分配方案

在V2X標準中，支持網(wǎng)絡(luò)側(cè)集中式調(diào)度Sidelink資源以及競爭式UE自主選擇Sidelink資源2種資源分配方案。其中，基于競爭的Sidelink資源方案可以更廣泛地應(yīng)用于沒有移動通信系統(tǒng)覆蓋的地區(qū)，從而保障了基于移動通信系統(tǒng)的V2X通信方案具有擴展性，適用于所有車聯(lián)網(wǎng)通信場景[5]。

1.1 基于網(wǎng)絡(luò)側(cè)調(diào)度的資源分配

對于基于網(wǎng)絡(luò)側(cè)調(diào)度的資源分配，UE須進入無線資源控制（RRC）連接狀態(tài)向基站請求Sidelink傳輸資源[6]。UE通過向基站發(fā)送Sidelink UE信息來請求資源，基站接收到該消息后得知該UE為車聯(lián)網(wǎng)UE，則為該UE執(zhí)行相關(guān)授權(quán)，授權(quán)通過后為UE分配用于車聯(lián)網(wǎng)通信的Sidelink資源?？紤]到V2X消息在很多情況下具有周期發(fā)送的特點，為了節(jié)省信令開銷并縮短延時，半靜態(tài)調(diào)度（SPS）成為一種較為合適的調(diào)度方式。UE可能同時需要發(fā)送多種V2X消息且各種消息的周期、大小不同。如果網(wǎng)絡(luò)側(cè)可以根據(jù)UE業(yè)務(wù)的產(chǎn)生情況，為其分配合適的周期、子幀偏置以及包大小，那么就可以最合理地分配資源且產(chǎn)生最小的延時。為達到這個目的，文章中我們提出UE上報輔助信息的方案，告知網(wǎng)絡(luò)側(cè)其期望的資源周期、大小等，用于幫助網(wǎng)絡(luò)側(cè)配置以及激活一個或多個合適的SPS進程，同時網(wǎng)絡(luò)側(cè)也可以為UE配置并且同時激活一個或多個SPS進程以滿足多業(yè)務(wù)的需求。

▲圖1 車聯(lián)網(wǎng)通信

1.2 UE自主資源選擇

UE進行自主資源選擇時，會基于一定的資源選擇規(guī)則自主地從資源池中選擇資源以傳輸Sidelink控制消息以及數(shù)據(jù)[7]。對于RRC空閑態(tài)UE，可以通過系統(tǒng)消息獲取V2X通信配置信息，具體包含V2X發(fā)送資源池信息、接收資源池信息及V2X Sidelink通信其他必要信息；對于RRC連接態(tài)UE，如果被基站配置為使用UE自主選擇資源的模式，則UE傳輸Sidelink控制消息以及數(shù)據(jù)的發(fā)送資源池通過基站的RRC專有信令獲得。為了讓相鄰區(qū)域的UE之間不會產(chǎn)生干擾同時減緩遠近效應(yīng)帶來的問題，第三代合作伙伴計劃（3GPP）將全世界范圍的區(qū)域劃分為一個個矩形區(qū)域，稱之為zone。若資源池被配置有相關(guān)聯(lián)的zone，則UE還需要通過網(wǎng)絡(luò)側(cè)獲取zone配置信息計算當前所處zone，并選擇當前所處zone對應(yīng)的V2X發(fā)送資源池。通過這種方式來實現(xiàn)鄰近的UE使用相同的資源池而相鄰區(qū)域的UE使用不同的資源池。

為了避免不同UE選擇的資源產(chǎn)生沖突，在V2X UE選擇確定所使用的資源之前，UE需要在資源檢測窗口內(nèi)對Sidelink可用資源進行檢測，判斷出其中已被其他UE使用的資源以及可能空閑的資源。然后，在滿足Sidelink數(shù)據(jù)發(fā)送需求的資源選擇窗口中選擇合適的資源進行發(fā)送。Sidelink業(yè)務(wù)具有一定的周期性，其資源控制指示信息中包含對后續(xù)資源使用的預(yù)留指示；因此，發(fā)送UE能夠通過對檢測窗口內(nèi)檢測到的Sidelink信號及信息情況來預(yù)測后續(xù)資源選擇窗口中的資源使用情況，并基于此選擇資源，從而達到盡可能避免資源選擇沖突的目的。如果UE預(yù)留多個資源，那么UE可以根據(jù)業(yè)務(wù)到達規(guī)律選擇合適的傳輸間隔。如果UE無法預(yù)估數(shù)據(jù)到達的準確時間，也可以根據(jù)時延需求來預(yù)留資源。對于時延敏感型業(yè)務(wù)，即使數(shù)據(jù)還未到達，也可以通過一個單獨的資源控制指示信息提前預(yù)留資源，并在該資源控制指示信息中攜帶預(yù)留資源將承載的業(yè)務(wù)的優(yōu)先級信息。當其他UE檢測到該資源控制信息時，則根據(jù)彼此待傳業(yè)務(wù)之間的優(yōu)先級高低來選擇是否避讓該預(yù)留。

當UE處于異常情況時，例如UE檢測發(fā)生了無線鏈路失敗、UE正在執(zhí)行RRC連接重建、UE在切換過程中或UE發(fā)現(xiàn)資源檢測的結(jié)果不可用時，如果網(wǎng)絡(luò)側(cè)配置了異常資源池，UE可以使用異常資源池中的資源進行V2X通信。為了減少異常情況下V2X通信中斷時間，滿足V2X業(yè)務(wù)時延需求，異常資源池使用隨機選擇方式選擇資源，對異常資源池進行監(jiān)聽。

1.3 擁塞控制

在車輛高密度場景下，如出行高峰期、交通路口或發(fā)生交通事故的地方，較多車輛會產(chǎn)生較多的V2X消息且有些V2X消息的發(fā)送頻率較高，那么就會有大量V2X消息需要傳輸。而V2X資源是有限的，那么就可能出現(xiàn)擁塞。為了緩解并控制擁塞，車聯(lián)網(wǎng)為Sidelink擁塞測量定義了信道繁忙度（CBR）參數(shù)，即Sidelink在其資源池中一段時間內(nèi)的接收信號強度（S-RSSI）超過（預(yù)）配置門限值的子信道的比例。UE可通過基站配置或預(yù)配置的方式獲得CBR測量配置信息，具體包括S-RSSI門限值、要執(zhí)行CBR測量的資源池信息、用于發(fā)送參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整的映射表等?？臻e態(tài)以及連接態(tài)的UE都可進行CBR測量，并根據(jù)CBR的測量結(jié)果和業(yè)務(wù)的優(yōu)先級來自適應(yīng)調(diào)整發(fā)送參數(shù)。其中，發(fā)送參數(shù)包括最大發(fā)送功率、重傳次數(shù)范圍、資源塊數(shù)量范圍、調(diào)制編碼方式范圍等。此外，連接態(tài)UE可根據(jù)基站配置進行CBR測量結(jié)果上報，以使基站可獲得Sidelink資源池的使用情況并調(diào)整資源池配置。通過這種方式，UE能夠基于Sidelink資源池的擁塞情況來調(diào)整Sidelink發(fā)送參數(shù)配置，從而達到擁塞控制的目的。

2 Sidelink載波聚合

隨著第1階段支持V2X通信基本功能的標準制訂完成，V2X應(yīng)用場景進一步擴展以支持更高的業(yè)務(wù)性能需求，如更低時延、更高可靠性、更高數(shù)據(jù)率需求。為了滿足高級V2X業(yè)務(wù)的更高性能需求，V2X標準提出支持Sidelink載波聚合的目標。

V2X Sidelink通信支持至多8個載波的載波聚合。Sidelink載波聚合中沒有主載波單元與輔載波單元的概念。Sidelink載波聚合包括Sidelink數(shù)據(jù)分流和Sidelink數(shù)據(jù)復(fù)制2種應(yīng)用場景。如果支持Sidelink載波聚合的UE使用競爭式資源選擇，UE須首先選擇用于V2X Sidelink通信的一個或多個載波。

2.1 載波選擇及重選

V2X業(yè)務(wù)類型與V2X頻點之間的映射關(guān)系由上層配置。UE基于高層提供的V2X業(yè)務(wù)類型與V2X頻點之間的映射關(guān)系，確定待傳輸V2X數(shù)據(jù)所在Sidelink邏輯信道的可用載波集合。媒體接入控制（MAC）子層基于可用載波上的CBR及待傳輸V2X數(shù)據(jù)所在Sidelink邏輯信道的優(yōu)先級進行載波選擇，確定Sidelink邏輯信道所使用的一個或多個載波。具體來看，UE分別測量Sidelink邏輯信道的可用載波集合中各個可用載波上的CBR，并與基站配置或預(yù)配置的載波選擇CBR閾值進行比較。其中，該載波選擇CBR閾值是與當前Sidelink邏輯信道優(yōu)先級相關(guān)聯(lián)的。若可用載波上的CBR測量值小于載波選擇CBR閾值，則將當前載波作為一個候選載波；若有多個候選載波，則按照候選載波CBR測量值升序（由小到大）選擇一個或多個最終所使用的載波，具體選擇多少個載波由UE基于自身能力決定。

Sidelink資源重選觸發(fā)時會觸發(fā)載波重選。為了避免因頻繁地在不同載波間切換而導(dǎo)致的轉(zhuǎn)換時間及資源浪費，UE應(yīng)盡可能繼續(xù)使用當前所使用的載波即重選當前載波，在當前載波上進行Sidelink資源重選。具體來看，當載波重選觸發(fā)時，UE首先檢測是否可繼續(xù)使用當前所使用的載波，并將當前載波CBR測量值與基站配置或預(yù)配置的載波保持CBR閾值進行比較。其中，該載波保持CBR閾值是與當前Sidelink邏輯信道優(yōu)先級相關(guān)聯(lián)的。若當前載波CBR測量值小于載波保持CBR閾值，則UE可繼續(xù)使用當前載波，否則，當前載波處于擁塞狀態(tài)不適宜繼續(xù)被使用，UE會按照上述載波選擇機制重選新的載波。

2.2 Sidelink數(shù)據(jù)分流

高級V2X業(yè)務(wù)具有更高的端到端數(shù)據(jù)傳輸速率需求。通過載波聚合方式，將V2X數(shù)據(jù)包分流到多個載波傳輸，可以實現(xiàn)更大的傳輸帶寬，有效提高Sidelink數(shù)據(jù)傳輸速率。Sidelink數(shù)據(jù)分流具體如圖2所示。

如果支持Sidelink載波聚合的UE使用競爭式資源選擇，UE則按照載波選擇及重選機制確定Sidelink邏輯信道所使用的一個或多個載波。若選擇了多個可使用的載波，則UE可將該Sidelink邏輯信道的V2X數(shù)據(jù)分流到這多個載波上進行傳輸。

▲圖2 Sidelink數(shù)據(jù)分流示例圖

如果支持Sidelink載波聚合的UE被配置基站調(diào)度資源，基站基于UE上報的感興趣的發(fā)送頻點和V2X業(yè)務(wù)標識信息，以及Sidelink緩存狀態(tài)報告（BSR）中的V2X業(yè)務(wù)標識索引信息、邏輯信道組和緩存數(shù)據(jù)量，自主確定Sidelink邏輯信道對應(yīng)的可用頻點，并在可用頻點上為UE分配Sidelink資源，具體在哪些可用載波上各分配多少資源屬于基站決策。

2.3 Sidelink數(shù)據(jù)復(fù)制

對于具有超可靠低時延需求的高級V2X業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)復(fù)制可以利用頻域分集增益在多個載波上傳輸相同的V2X數(shù)據(jù)包提高可靠性。

Sidelink數(shù)據(jù)復(fù)制在分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議（PDCP）層執(zhí)行[8]。1個PDCP實體對應(yīng)2個RLC實體并關(guān)聯(lián)2個邏輯信道。對于數(shù)據(jù)復(fù)制傳輸，每個PDCP 協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）在PDCP實體中被復(fù)制，原PDCP PDU和復(fù)制的PDCP PDU分別遞交到關(guān)聯(lián)的2個RLC實體及邏輯信道進行傳輸，并且只能通過不同的載波傳輸[9]。圖3給出了Sidelink數(shù)據(jù)復(fù)制示例。

UE根據(jù)基站配置或預(yù)配置的可靠性閾值決定激活或去激活Sidelink數(shù)據(jù)復(fù)制。當V2X數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的可靠性級別高于基站配置或預(yù)配置的可靠性閾值時，則激活Sidelink數(shù)據(jù)復(fù)制；對于之前正在進行數(shù)據(jù)復(fù)制傳輸?shù)腣2X數(shù)據(jù)，如果其關(guān)聯(lián)的可靠性級別低于當前配置的可靠性閾值，則去激活Sidelink數(shù)據(jù)復(fù)制。

對于基站調(diào)度資源模式，基站基于UE上報的V2X業(yè)務(wù)對應(yīng)的可靠性級別列表、感興趣的發(fā)送頻點和V2X業(yè)務(wù)標識信息[10]，配置可靠性級別與邏輯信道組的映射關(guān)系，并配置允許進行Sidelink數(shù)據(jù)復(fù)制的可靠性閾值，并為每個V2X業(yè)務(wù)標識配置2組互不重疊的載波集合用于Sidelink數(shù)據(jù)復(fù)制傳輸。UE將對應(yīng)同一PDCP實體的2個邏輯信道分別關(guān)聯(lián)到這2組載波集合，這2個邏輯信道分別關(guān)聯(lián)到哪個載波集合由UE自主實現(xiàn)。

UE通過Sidelink BSR上報一個或多個可靠性級別的緩存數(shù)據(jù)量及數(shù)據(jù)所屬V2X業(yè)務(wù)標識?；就ㄟ^Sidelink BSR中的邏輯信道組標識獲知對應(yīng)的可靠性級別，并根據(jù)配置的可靠性閾值，知道邏輯信道組中的邏輯信道是否要進行數(shù)據(jù)復(fù)制傳輸。如果邏輯信道組關(guān)聯(lián)的可靠性級別高于可靠性閾值則要進行數(shù)據(jù)復(fù)制傳輸，基站在對應(yīng)的2組互不重疊的載波集合上分別配置所請求的資源量，具體各個載波上分配多少Sidelink資源由基站決策。

用于原PDCP PDU和復(fù)制的PDCP PDU傳輸?shù)?個邏輯信道是一一對應(yīng)的，接收端UE根據(jù)邏輯信道標識可識別哪2個邏輯信道用于同一數(shù)據(jù)復(fù)制傳輸，從而將關(guān)聯(lián)的2個邏輯信道的數(shù)據(jù)遞交到對應(yīng)的同一PDCP實體。接收端UE PDCP實體進行重復(fù)包檢測，丟棄重復(fù)的數(shù)據(jù)包，并進行重排序，將數(shù)據(jù)包按序遞交給上層協(xié)議實體。

▲圖3 Sidelink數(shù)據(jù)復(fù)制示例圖

3 結(jié)束語

本文中，我們闡述了基于移動通信網(wǎng)絡(luò)的車聯(lián)網(wǎng)通信中的Sidelink資源分配方案，包括移動通信網(wǎng)絡(luò)中傳統(tǒng)的基站調(diào)度式資源分配方案以及基于競爭的UE自主資源選擇方案。

為了提高車聯(lián)網(wǎng)通信的資源效率，對于網(wǎng)絡(luò)側(cè)調(diào)度式資源分配的方式，提出了上報UE輔助信息，同時配置和激活多個半靜態(tài)調(diào)度資源的方案；對于UE自主選擇資源方式，提出了降低資源沖突概率的資源選擇策略。另外，我們還提出了擁塞控制方案和支持Sidelink載波聚合方案以進一步提高車聯(lián)網(wǎng)資源利用效率和可靠性等性能。

在長期演進（LTE）-V2X Sidelink廣播通信的基礎(chǔ)上，5G 新空口（NR）-V2X針對5G NR Sidelink單播和組播通信進行了設(shè)計，以進一步增強資源分配方案性能。我們建議下一步工作可以重點研究支持Sidelink單播和組播的反饋機制以提高傳輸?shù)目煽啃裕С指泳毣姆?wù)質(zhì)量（QoS）管理機制以優(yōu)化資源分配方案，支持UE之間的協(xié)調(diào)調(diào)度方案，以及包括非連續(xù)接收在內(nèi)的車聯(lián)網(wǎng)節(jié)能方案。