5G NR-V2X直連通信頻率需求研究

（高通無線通信技術(shù)（中國）有限公司，北京 100013）

(QUALCOMM Wireless Communication Technologies (China) Limited, Beijing 100013, China)

自動駕駛是目前汽車產(chǎn)業(yè)乃至整個(gè)科技行業(yè)中最受關(guān)注的技術(shù)之一，將會在不久的將來出現(xiàn)在我們的生活中。車車直連通信對于支持安全可靠的自動駕駛業(yè)務(wù)至關(guān)重要，自動駕駛的感知、決策和執(zhí)行3個(gè)層面都將受益于車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)而得到增強(qiáng)。基于蜂窩網(wǎng)車用無線通信（C-V2X）技術(shù)作為車輛中其他車載傳感器的補(bǔ)充而在全球范圍內(nèi)被廣泛接受，并將成為5G的先導(dǎo)性應(yīng)用得到部署。C-V2X通過提供360°非視距（NLOS）感知，大大擴(kuò)展車輛檢測道路參與者的能力。尤其在盲點(diǎn)交叉路口或惡劣天氣狀況下，更能體現(xiàn)其相對傳統(tǒng)車載傳感器的優(yōu)勢。

2017年6月，第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）完成并發(fā)布了長期演進(jìn)（LTE）-V2X R14標(biāo)準(zhǔn)。R14 LTE-V2X可以支撐汽車基礎(chǔ)安全應(yīng)用。對于車輛來說，具備這些通信要求，就能可靠地與其他附近車輛、基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)點(diǎn)（路邊單元）以及行人交換狀態(tài)信息，例如位置、速度和航向，并且還能夠及時(shí)向鄰近實(shí)體傳播告警消息。LTE-V2X的頻譜需求在中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（CCSA）以及5G 汽車協(xié)會（5GAA）等全球標(biāo)準(zhǔn)化組織已得到充分研究，得出的共識是需要為LTE-V2X分配20～30 MHz以支持基礎(chǔ)安全應(yīng)用，包括車到車（V2V）、車到基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）和車到行人（V2P）應(yīng)用[1-2]。

3GPP R16開展了C-V2X演講技術(shù)的研究，并且在5G新空口（NR）的框架上制訂5G NR-V2X標(biāo)準(zhǔn)，其靈活的設(shè)計(jì)可以支持需要低時(shí)延和高可靠性的高級車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。NR-V2X PC5（直連通信）框架的靈活性允許輕松擴(kuò)展NR系統(tǒng)，支持未來進(jìn)一步發(fā)展更先進(jìn)的V2X業(yè)務(wù)和其他業(yè)務(wù)[3]。3GPP計(jì)劃在2020年3月完成5G NRV2X核心標(biāo)準(zhǔn)化工作。5G NR-V2X技術(shù)可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)和增強(qiáng)多維度自動化，例如感知、規(guī)劃、定位、意圖共享（ADAS）和傳感器信息共享等。5G NR-V2X PC5有不同的通信模式，包括廣播模式和組播模式。組播通信模式用于支持群組內(nèi)的特定互動消息，通常有較高可靠性要求，如群組協(xié)商、群組決策、反饋消息等。5G NR-V2X將與LTE-V2X共存，并針對不同的用例。LTE-V2X將提供基礎(chǔ)安全服務(wù)，而5G NR-V2X將用于支撐自動駕駛等高級汽車應(yīng)用。本文中，我們主要針對自動駕駛5G NR-V2X 直連通信頻譜需求進(jìn)行研究。

1 頻率需求研究方法

利用系統(tǒng)負(fù)載和系統(tǒng)吞吐量之間的關(guān)系，將預(yù)期提供的分組業(yè)務(wù)量映射到所需的系統(tǒng)容量，稱為業(yè)務(wù)負(fù)載映射方法。該方法在V2X直連通信系統(tǒng)容量和頻譜分析中廣為采納[1-2],[4-7]。

針對5G NR-V2X中的先進(jìn)應(yīng)用，一個(gè)新的參數(shù)激活因子需要被引入，它將反映發(fā)送傳感器共享信息等先進(jìn)應(yīng)用消息的車輛在所有交通參與車輛中所占的比例。5G NR-V2X對頻譜需求估計(jì)S可以用公式（1）表示：

其中，

● n = 1,..., NbVehiclesInRange。NbVehiclesInRange是有效通信范圍內(nèi)的車輛數(shù)量，它取決于車輛的平均速度和有效的通信范圍。

● PSn是在有效通信范圍內(nèi)第n輛車發(fā)送的數(shù)據(jù)包大小，由應(yīng)用的業(yè)務(wù)量模型確定，單位是比特。

● Ftxn是在有效通信范圍內(nèi)第n輛車的消息發(fā)送頻率，由應(yīng)用的業(yè)務(wù)量模型確定，單位為赫茲。

● SE是無線技術(shù)的頻譜效率，單位為bit/(s·Hz)。它在發(fā)射機(jī)側(cè)進(jìn)行測量，并由NR-V2X所采用的調(diào)制和信道編碼方案確定。

● CU是無線信道的最大資源利用率，反映了由于信號衰減、同道干擾等因素造成的接收端的頻譜效率的下降。

● DRn是有效通信范圍內(nèi)第n輛車的數(shù)據(jù)速率，可以通過PSn× Ftxn進(jìn)行計(jì)算。

● AFAdvApp是發(fā)送先進(jìn)應(yīng)用消息的用戶在所有交通參與車輛中所占的比例，稱之為激活因子。

3GPP尚未完成5G NR-V2X PC5的無線接入部分的標(biāo)準(zhǔn)化，因此需要對NR PC5的頻譜效率和信道利用率進(jìn)行估算。可以基于1 s周期內(nèi)并在40 MHz信道帶寬內(nèi)的總信息比特?cái)?shù)來估計(jì)NR-V2X的頻譜效率[8]，頻譜效率約為 0.712 bit/(s·Hz)。

信道利用率可以給定一個(gè)假設(shè)范圍，例如，下界可以與LTE-V2X頻譜需求率采用的下界相同，即0.336[9]。對于上界，我們可以假設(shè)為80%，這對于可以實(shí)現(xiàn)更好的調(diào)度協(xié)調(diào)的單播或多播通信是可能的。隨著3GPP標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展，可以根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)估計(jì)更為準(zhǔn)確的數(shù)值。

2 通信需求和業(yè)務(wù)建模

3GPP于2016年完成了針對5G NR-V2X的通信需求研究[10-12]，其中一些通信需求考慮得比較理想，主要面向較長期的自動駕駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)。從2016年之后，自動駕駛技術(shù)發(fā)展迅速，針對近期和中期的通信需求又提出了更為實(shí)際的通信需求，5GAA等組織與汽車廠商密切合作，針對通信需求進(jìn)行了細(xì)化和總結(jié)[13-14]。

5G NR-V2X PC5有不同的通信模式，包括廣播模式和組播模式。例如，編隊(duì)行駛可以使用組播模式，而傳感器共享更依賴廣播模式。

2.1 廣播模式

傳感器共享也稱為合作式環(huán)境感知，是最早支持自動駕駛的應(yīng)用，它使用了NR-V2X直連通信的廣播模式。

根據(jù)豐田汽車公司的研究[15]，傳感器共享消息大小被建模為350 B+ x *50 B，其中350 B被假定為基礎(chǔ)安全消息的平均有效載荷大小，x表示車輛從本地傳感器觀察到的其他對象的數(shù)量。50個(gè)字節(jié)表示描述單個(gè)對象的信息量。如果假設(shè)x為25，那么如圖1所示中央紅色汽車將感知周圍的25輛黃色汽車。自動駕駛消息大小為1 250 B，發(fā)送頻率為10 Hz[16]。

▲圖1 自動駕駛中本地傳感器觀測到的周圍物體對象

對于傳感器共享信息，如果每輛車都發(fā)送所檢測到的周圍物體對象的信息，則從系統(tǒng)角度看，會有很多冗余信息被發(fā)送出來。為了減少冗余信息的發(fā)送，只須一部分車輛發(fā)送傳感器共享信息，與周圍的車輛共享這些數(shù)據(jù)。發(fā)送傳感器共享信息的車輛比率應(yīng)該是頻譜需求研究中需要考慮的重要假設(shè)。

歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（ETSI）制訂了集體感知服務(wù)[17-18]的技術(shù)報(bào)告和規(guī)范。對于ESTI協(xié)作感知消息（CPM）流量模型進(jìn)行建模，由于周圍感知對象數(shù)量不同，CPM數(shù)據(jù)包大小約為550～1 900 B[16]。

以下是由3GPP技術(shù)規(guī)范給出的采用信息共享應(yīng)用的部分自動駕駛的另一示例。用于部分自動駕駛的3GPP流量模型的有效載荷大小是6 500 B，對應(yīng)于3GPP TS22.186[12]中V2V高級駕駛用例[R 5.3-002]的消息大小。根據(jù)文獻(xiàn)[11—12]，該消息大小假設(shè)60 B，并且有效載荷包括100個(gè)對象的信息。感知100個(gè)對象需要非常強(qiáng)大的傳感器能力，且空口將存在大量信息冗余。此時(shí)，傳感器共享的有效載荷大小為6 000 B，另外500 B將用于粗略駕駛意圖分享。

2.2 組播模式

組播通信是5G NR-V2X最重要的功能之一，該模式用于支持群組內(nèi)的特定交互消息，通常要求很高可靠性，如群組協(xié)商、群組決策、反饋消息等；因此NR-V2X的組播模式引入了混合自動重傳請求（H-ARQ）[19]，保證群組通信所要求的高可靠和低時(shí)延。5GAA針對包括部分群組通信在內(nèi)的用例和需求進(jìn)行了研究[13-14]。參考5GAA對群組通信用例及其消息流的研究[13]，我們提出了組播的一般消息流，如圖2所示。圖2反映了組播過程和群組通信中交互的一般流程，其中通用的消息流建模是業(yè)務(wù)建模和頻譜需求研究的基礎(chǔ)。

3 評估結(jié)果

3.1 廣播模式

在2.1節(jié)中，我們總結(jié)了廣播模式下協(xié)作感知應(yīng)用3種業(yè)務(wù)建模方案，分別為豐田研究方案（以下編號為S1）、ETSI研究方案（以下編號為S2）和3GPP研究方案（以下編號為S3）。表1總結(jié)了協(xié)作感知（傳感器共享）的業(yè)務(wù)模型參數(shù)。

我們以70 km / h的車速為例來計(jì)算傳感器共享的頻譜需求，表2給出了用于計(jì)算的關(guān)鍵參數(shù)的摘要。

針對不同的業(yè)務(wù)量模型S1，S2和S3，我們計(jì)算了頻譜需求與激活因子，頻譜需求的計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

在自動駕駛的開始階段，能夠傳輸檢測到的物體的車輛比例可能會很低，協(xié)作感知不會消耗太多頻譜，例如可以采用10 MHz頻譜提供協(xié)作感知信息。服務(wù)。隨著V2X車輛提高其檢測物體（即其他道路參與者、障礙物）的能力，消息載荷大小將變大并且無法通過LTE-V2X PC5接口傳輸。根據(jù)上述研究，需為NR-V2X分配30～40 MHz的新頻譜來承載傳感器共享消息。

▲圖2 常規(guī)組播消息流的示意圖

表1 廣播模式傳感器共享（協(xié)作感知）的業(yè)務(wù)模型參數(shù)

表2 廣播模式傳感器共享的關(guān)鍵參數(shù)

3.2 組播模式

基于組播用例的頻譜需求研究方法是首先估算每輛車在組播用例上產(chǎn)生的總業(yè)務(wù)量，然后計(jì)算容納指定范圍內(nèi)的所有車輛所需的頻譜量。鑒于組播的基本原理也是一種物理層廣播，并且消息像廣播一樣以最大發(fā)送功率進(jìn)行傳輸，我們可以利用2.1節(jié)的頻譜需求研究方法。但是，針對每種用例類型的頻譜需求重復(fù)進(jìn)行分析和計(jì)算很耗時(shí)，我們因此提出了一種新穎的方法來研究基于組播用例的頻譜需求。鑒于組播和廣播的通用性，即每輛車以最大發(fā)送功率向所有近端車輛發(fā)送消息，并且具有相似或相同的發(fā)射頻譜效率，我們可以比較組播消息產(chǎn)生的所有業(yè)務(wù)量與基礎(chǔ)安全消息（BSM）消息負(fù)載的比率（Ratio_G2B）。組播的頻譜需求與在文獻(xiàn)[2]中獲得的BSM頻譜數(shù)量的比例也是Ratio_G2B。通過這種方式，我們可以快速獲得基于組播用例所需的頻譜數(shù)量[5],[8]。

參加群組通信的車輛位于如圖4所示的虛擬組中。在一個(gè)組中，有一個(gè)主要的交通參與者來領(lǐng)導(dǎo)組播事件的群組通信。

文獻(xiàn)[8]研究了一個(gè)組播用例“車道變更事件”的總組播業(yè)務(wù)量，每個(gè)組群的平均業(yè)務(wù)速率是一次事件內(nèi)所有發(fā)送消息的字節(jié)數(shù)的總和與平均車道變更間隔時(shí)間T_event之比，具體見圖5所示。我們假設(shè)T_event為60 s，則該業(yè)務(wù)量與BSM業(yè)務(wù)量之比約為1.5%。隨著協(xié)作駕駛策略的廣泛采用，我們期望可以進(jìn)一步減少變道以提高道路效率。如果T_event延長為300 s，則總組播業(yè)務(wù)量與BSM業(yè)務(wù)量之比為0.3%。同樣，我們可以評估車道變更事件的總組播業(yè)務(wù)量與傳感器共享總業(yè)務(wù)量的比率，如圖6所示。假設(shè)根據(jù)豐田汽車研究的流量模型，傳感器共享消息的大小為1 250 B，發(fā)送頻率為10 Hz。我們同樣可以發(fā)現(xiàn)在實(shí)際道路環(huán)境中與共享傳感器業(yè)務(wù)量相比，車道變更組播業(yè)務(wù)量是微不足道的。綜上所述，與真實(shí)道路環(huán)境中的廣播業(yè)務(wù)量相比，車道變更的組播業(yè)務(wù)量可以忽略不計(jì)。

▲圖3 廣播模式傳感器共享的頻譜需求

▲圖4 組播通信的通信范圍圖

4 結(jié)束語

在NR-V2X系統(tǒng)中，可以用廣播模式發(fā)送承載狀態(tài)信息和環(huán)境信息的消息（如傳感器共享消息）。這些消息將消耗主要的頻譜資源，研究表明需要至少約30～40 MHz的頻譜。NRV2X采用組播模式發(fā)送群組通信中的協(xié)商和決策消息。根據(jù)對某些基于組播的用例研究，我們注意到這些組播應(yīng)用始終是事件觸發(fā)的，并且事件發(fā)生概率通常較低；因此，盡管組播模式對于支持高級應(yīng)用更為關(guān)鍵，但通過組播模式傳輸?shù)目倶I(yè)務(wù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于廣播消息的總業(yè)務(wù)量。如果與廣播消息相比，組播的業(yè)務(wù)量微不足道，組播所需的頻譜相對于BSM和協(xié)作感知等廣播類消息所需的頻譜而言可以忽略。在進(jìn)行NR-V2X頻率研究的初期可以暫不考慮組播模式的頻率需求。根據(jù)目前研究，我們可以得出以下結(jié)論：至少需要40 MHz頻譜來支持不同傳感器融合、路徑規(guī)劃算法以及群組通信，用以支持即將到來的自動駕駛。

5.9 GHz作為國際電信聯(lián)盟無線電通信部門（ITU-R）全球范圍以及區(qū)域性融合的智能交通系統(tǒng)（ITS）頻譜[20]，可以為C-V2X和相關(guān)ITS業(yè)務(wù)發(fā)展帶來規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益。在5.9 GHz中除了分配用于LTE-V2X提供基礎(chǔ)安全業(yè)務(wù)的20 MHz頻率，應(yīng)額外至少預(yù)留40 MHz用于5G NR-V2X直連通信（廣播模式、組播模式以及單播模式），以支持近期部署的自動駕駛技術(shù)。

▲圖5 車道變更的業(yè)務(wù)量與BSM業(yè)務(wù)量之比

▲圖6 車道變更的業(yè)務(wù)量與傳感器共享業(yè)務(wù)量之比

致謝

本研究得到FuTURE&TIAA車聯(lián)網(wǎng)聯(lián)合工作組成員單位的支持，對他們謹(jǐn)致謝意！