黃陳橫(廣東省電信規(guī)劃設(shè)計院有限公司,廣東廣州 )
車用無線通信技術(shù)(V2X)是將車輛與一切事物相連接的新一代信息通信技術(shù),其中V代表車輛,X代表任何與車交互信息的對象,主要包含車、人、交通路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)前支持V2X通信的2種主流無線接入技術(shù)(RAT)是專用短距離通信(DSRC)和Cellu?lar-V2X(C-V2X)。DSRC主要用于5.9 GHz專用頻段,該頻段已在許多國家專門用于ITS應(yīng)用,C-V2X則可以在5.9 GHz專用頻段以及蜂窩運營商的其他公眾頻段中使用[1]。
DSRC源于IEEE 802.11p標(biāo)準(zhǔn),其MAC層協(xié)議具備簡單且能夠進行點對點通信的特點。但其在高移動性環(huán)境及其廣域覆蓋下性能較差。與此同時,3GPP也開發(fā)了基于C-V2X的LTE-V2X,使得C-V2X既能在沒有蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施的情況下以分布式方式運行,同時也可利用運營商向現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施進行廣域覆蓋。隨著V2X用例的服務(wù)質(zhì)量(QoS)要求變得更加嚴格,如更低的時延要求,更高頻次的消息交互,當(dāng)前這2種V2X RAT無法提供所需的性能。
為了縮小DSRC和C-V2X之間的性能差距,IEEE于2019年1月成立任務(wù)組802.11bd(TGbd),計劃將802.11p演進至802.11bd。另一方面,3GPP也計劃將基于LTE的R14演進到基于新無線電(NR)的R16版本。NR V2X將支持更先進的V2X應(yīng)用,與LTE-V2X相比,這些應(yīng)用可以獲得更嚴格的QoS服務(wù)保障[2],其中一些用例要求如端到端延遲低至3 ms,可靠性為99.999%,再加上高移動性環(huán)境帶來的現(xiàn)有挑戰(zhàn),這些額外的需求使得802.11bd和NR V2X的設(shè)計極具挑戰(zhàn)。
本文重點解析了V2X在無線接入層(物理層和MAC層)設(shè)計和演進理念,首次深入對比探討了這2種技術(shù)演進的設(shè)計思路和開發(fā)過程,并結(jié)合國內(nèi)行業(yè)發(fā)展?fàn)顩r為建設(shè)方提出相應(yīng)的組網(wǎng)方案。
2.1.1專用短程通信(DSRC)
DSRC的物理層和MAC層在IEEE 802.11p標(biāo)準(zhǔn)中定義,該標(biāo)準(zhǔn)主要源自Wi-Fi的IEEE 802.11a協(xié)議。由于DSRC是為具有高移動性的車載網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計的,因此引入了增強功能以使DSRC適用于此類環(huán)境。DSRC物理層采用正交頻分復(fù)用(OFDM),其信道帶寬為10 MHz。與Wi-Fi相比,DSRC子載波間隔減少到原來的1/2。其MAC協(xié)議采用CSMA載波偵聽多址接入[3],沒有指數(shù)避讓,是基于競爭的MAC協(xié)議,其競爭窗口參數(shù)保持固定,原因有2個:DSRC主要為基于廣播的系統(tǒng)設(shè)計的,沒有確認幀返回發(fā)射端;二是指數(shù)避讓可能導(dǎo)致大的競爭窗口,從而導(dǎo)致高延遲。
2.1.2蜂窩V2X(C-V2X)
C-V2X是由3GPP在其R14中開發(fā)的V2X無線接入技術(shù),其物理層時頻資源結(jié)構(gòu)與LTE基本相同,可在現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中直接部署。考慮到無法依賴蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施場景的存在,且進一步降低時延,C-V2X定義了使用PC5接口上的側(cè)行鏈路(Sidelink)實現(xiàn)點對點V2X通信。
a)使用LTE-Uu空口的V2X:LTE-Uu是eNodeB和UE之間的傳統(tǒng)空口。為了減少與V2X上行鏈路調(diào)度開銷,eNodeB可以使用半靜態(tài)調(diào)度,即eNodeB不僅為下一次傳輸而且還為多個后續(xù)傳輸分配資源給UE。半靜態(tài)調(diào)度對于一些具有周期性流量且數(shù)據(jù)包大小固定的V2X應(yīng)用是有好處的[4]。
b)使用PC5空口的V2X:PC5空口允許UE之間的點對點通信(D2D),而不需要每個分組都通過eNo?deB。此時UE可以在eNodeB存在和不存在的情況下選擇使用PC5接口。
3GPP R14包括以下2種PC5傳輸模式(Mode-3和Mode-4),以支持低延遲V2X通信[5]。
a)Mode-3:側(cè)行鏈路傳輸?shù)馁Y源分配由eNodeB完成。此模式是針對eNodeB覆蓋范圍內(nèi)的情況定義的。其使用以下幾種調(diào)度機制。
(a)半靜態(tài)調(diào)度:與LTE-Uu類似。
(b)基于UE上報的調(diào)度:UE可以主動上報需求,以幫助eNodeB進行側(cè)行鏈路資源分配。
(c)跨載波調(diào)度:如果運營商擁有2個或多個載波,則eNodeB可以在其中一個載波上調(diào)度資源,而通過另外一個載波進行側(cè)行鏈路傳輸。
b)Mode-4:蜂窩覆蓋范圍外的UE可以使用Mode-4,此時UE使用資源預(yù)留算法自主地預(yù)留資源,具體可參考文獻[4]。
根據(jù)參考文獻[6],DSRC的性能對于大多數(shù)車載安全應(yīng)用是令人滿意的,只要車輛密度適中,端到端延遲一般在100 ms以內(nèi)。若車輛密度超過一定限度,則DSRC性能由于2個主要因素而迅速惡化:同時傳輸引起的分組沖突和隱藏節(jié)點引起的分組沖突。
與DSRC相比,C-V2X是一種較新的技術(shù)。參考文獻[7]表明,在鏈路預(yù)算方面,C-V2X側(cè)行鏈路Mode-4的性能優(yōu)于DSRC,這可以通過參考文獻[6]中的試驗得到證實。此外,C-V2X側(cè)行鏈路Mode-3中通過集中分配資源有效利用頻率可獲得更好的性能保證,如參考文獻[8]中所述。但當(dāng)流量密度增加時,C-V2X的性能也會迅速下降[7],特別是對于Mode-4。
2種技術(shù)演進的一個顯而易見的需求是提高現(xiàn)有應(yīng)用的可靠性,同時確保其時延性能滿足需求。3GPP在參考文獻[9]中定義了一些高級車載應(yīng)用的要求。這些V2X應(yīng)用不僅可以提高道路安全性,還可以幫助改善交通管理,并滿足乘客的信息娛樂需求。這些應(yīng)用分為四大類。
a)車輛編隊。
b)高級自動駕駛。
c)擴展傳感器。
d)遠程操控駕駛
表1總結(jié)了這些應(yīng)用的QoS要求。
如表1所示,這些V2X應(yīng)用程序的延遲和可靠性要求較高,為了支持這種多樣且具有挑戰(zhàn)性的V2X應(yīng)用,必須對現(xiàn)有的V2X技術(shù)進行改進。
表1 高級V2X應(yīng)用QoS需求
IEEE 802.11bd演進目標(biāo)包括[10]:
a)實現(xiàn)2倍的802.11p的MAC吞吐量,且相對速度高達500 km/h。
b)實現(xiàn)802.11p覆蓋半徑的2倍達到2 000 m。
c)實現(xiàn)與V2X通信相關(guān)的車輛定位。
此外,802.11bd必須支持[10]:
a)互操作性:802.11p設(shè)備必須能夠解碼(至少1種)來自802.11bd設(shè)備的傳輸,反之亦然。
b)共存:802.11bd必須能夠檢測802.11p傳輸并推遲信道訪問,反之亦然。
c)向后兼容性:至少有1種802.11bd模式必須可與802.11p互操作。
d)公平性:在同信道方案中,802.11bd和802.11p必須獲得相同的信道接入機會。
3.2.1中間碼(Midambles)
802.11a物理層基于OFDM,具有64個子載波,312.5 kHz的子載波間隔。通過將子載波間隔減少到原來的1/2,即可得到802.11p的物理層配置。對于典型的車速,156.25 kHz子載波間隔獲得了抗多徑衰落和抗多普勒頻移之間的權(quán)衡。因此,設(shè)計802.11bd物理層的一種方法是使用802.11ac物理層作為基線,并將子載波間隔減半,以便64個802.11bd子載波可以適合10 MHz帶寬。然而,在參考文獻[11]中已經(jīng)表明,使用一半的子載波間隔的802.11ac物理層實際上表現(xiàn)不如802.11p,歸因于幀內(nèi)的信道變化。為了解決這個問題,802.11bd建議使用中間碼,其形式和功能與前導(dǎo)碼相似,不同在于它們在幀內(nèi)位置。前導(dǎo)碼位于幀開始處,對于快速變化的信道,初始位置的信道估計可能很快就會過時。因此在適當(dāng)?shù)腛FDM數(shù)據(jù)符號之間引入中間碼用于信道跟蹤,可有效獲得數(shù)據(jù)符號準(zhǔn)確的信道估計。在C-V2X和NR V2X中,DMRS符號扮演類似的角色。
3.2.2重傳
增加可靠性的機制是對數(shù)據(jù)包進行1次或多次重傳。使用如圖1所示的幀結(jié)構(gòu),可以提高802.11p和802.11bd的可靠性。初始傳輸及其重傳可以在相同的信道訪問機會內(nèi)發(fā)送,也可以使用單獨的競爭過程。IEEE的802.11 TGbd提出了一種自適應(yīng)重傳方案,其中重新發(fā)送幀的決定和重傳的次數(shù)基于擁塞級別。在C-V2X中使用了類似的重傳機制來提高其可靠性。
3.2.3雙載波調(diào)制
雙載波調(diào)制(DCM)是802.11ax中引入的一種技術(shù)。DCM包括在相隔足夠遠的子載波上2次發(fā)送相同的符號,從而實現(xiàn)頻率分集。
3.2.4其他物理層和MAC層特性
考慮包含在802.11bd中的其他物理層特征如使用LDPC碼和多個發(fā)射/接收天線以使用空間分集來增加可靠性或使用空間復(fù)用來增加吞吐量[11]。
在MAC層,為了確保802.11bd和802.11p設(shè)備具有相同和公平的信道接入機會,802.11bd將重新使用802.11p的競爭參數(shù)用于支持不同分布式信道接入場景。
3.2.5毫米波頻段
毫米波頻段(60 GHz及以上)具有巨大的潛力,可滿足需要小距離通信但吞吐量非常高的用例(例如視頻流,下載高分辨率3D地圖等)。毫米波版802.11bd的設(shè)計基礎(chǔ)有類似802.11ad這樣的802.11標(biāo)準(zhǔn)可參考,或者802.11的增強版802.11ay,后者已經(jīng)在毫米波頻段中運行。顯然,該頻帶的一個缺點是局限于不需要大通信范圍的應(yīng)用場景。
3.3.1互操作性和向后兼容性
圖1 802.11bd重傳幀格式
如前所述,互操作性和向后兼容性是802.11bd必須滿足的2個關(guān)鍵要求。但其對802.11bd的物理層和MAC層的設(shè)計增加了一些限制。例如,空時編碼或替代波形的使用等多種天線方案無法滿足互操作性要求。
3.3.2共存
802.11bd還考慮了802.11p和802.11bd設(shè)備共存的場景。共存不同于互操作性和向后兼容性,前者不需要802.11p設(shè)備來解碼802.11bd幀,而只需將802.11bd傳輸檢測為有效的802.11幀并推遲信道接入。采用如圖2所示的幀格式,802.11bd設(shè)備僅傳輸802.11bd(而非802.11p)設(shè)備的消息[12],而傳統(tǒng)設(shè)備在公共域L-STF,L-LTF和SIG解碼后將信道識別為忙碌并推遲信道訪問。表2為802.11p和802.11bd總結(jié)對比。
圖2 802.11和802.11bd共存幀格式
表2 802.11p 和802.11bd對比
根據(jù)802.11bd的鏈路級仿真結(jié)果[11],重傳可獲得3~8 dB的增益(BLER為10-1)。純802.11bd設(shè)備場景中,DCM可用于802.11bd。在吞吐量改進方面,在數(shù)據(jù)符號之間插入中間碼使得更高階MCS的使用成為可能,其在高速公路NLOS場景中使用中間碼和LDPC編碼在20 MHz信道上實現(xiàn)吞吐量加倍[13]。此外高信噪比(SNR)(>20 dB)情況下吞吐量加倍,這在車輛間距離小的情況下可以較容易地實現(xiàn)。
NR V2X的設(shè)計目標(biāo)不是取代已有C-V2X,而是補充C-V2X以擴展支持更多用例。雖然這些用例中的一部分需要傳輸周期性數(shù)據(jù),但是大量NR V2X用例還是基于非周期性消息的可靠傳遞。此外,雖然大量應(yīng)用需要廣播傳輸,但是也存在通過僅向特定的車輛子集(UE)傳輸消息來有效地支持諸如車輛編隊之類的應(yīng)用。為此NR V2X引入2種新的通信類型,即單播和組播。與IEEE 802.11bd一樣,NR V2X也考慮將mmWave頻段用于V2X應(yīng)用,特別是對于短距離和需要高吞吐量的應(yīng)用。但是,考慮到R16的時間表,NR V2X對mmWave支持近期無法實現(xiàn)。
NR V2X目標(biāo)如下。
a)增強的側(cè)行鏈路設(shè)計。
b)Uu接口增強功能。
c)基于Uu接口的側(cè)行鏈路分配/配置。
d)RAT/接口選擇:用于識別給定V2X消息傳輸?shù)淖罴呀涌冢ㄔ贚TE側(cè)行鏈路、NR側(cè)行鏈路、LTE Uu和NR Uu之間)的研究機制。
e)QoS管理:研究滿足不同無線接口QoS要求的解決方案。
f)共存:在單個設(shè)備中C-V2X和NR V2X共存的可行性研究和技術(shù)解決方案,即設(shè)備內(nèi)共存。
a)基本功能。
(a)NR V2X側(cè)行鏈路模式:與C-V2X一樣,NR V2X定義了2種側(cè)行鏈路模式。NR V2X側(cè)行鏈路Mode-1定義了允許在gNodeB覆蓋范圍內(nèi)與車輛通信的機制。在該模式中,gNodeB將資源分配給UE。另一方面,NR V2X側(cè)行鏈路Mode-2支持在覆蓋范圍外的點對點通信。
(b)單播、組播、廣播:在NR V2X單播中,發(fā)送UE與接收UE點對點通信,當(dāng)發(fā)送UE希望與多于一個但僅在其附近的特定UE子集進行通信時,使用組播模式。廣播模式使UE能夠與其傳輸范圍內(nèi)的所有UE通信(C-V2X僅支持廣播傳輸)。單個UE可以同時激活多種通信類型。例如,車輛編隊UE可以使用組播模式與其編隊成員UE進行通信,同時使用廣播模式將其他周期性消息發(fā)送到不屬于該排的另外一部分UE。
b)OFDM參數(shù)集。子載波、時隙及調(diào)度:支持3GPP Rel.15中引入的靈活參數(shù)集和低時延特性,具體參見參考文獻[14]。
c)PSCCH和PSSCH的復(fù)用。不同于Uu空口中的上下行鏈路(Uplink和Downlink),側(cè)行鏈路(Sidelink)是為了支持V2X設(shè)備間直接通信而引入的新鏈路類型,其最早是在D2D應(yīng)用場景下引入的,V2X體系對其進行了擴充和增強。NR側(cè)行鏈路主要由PSCCH控制信道、PSSCH共享信道、PSBCH廣播信道和PSFCH反饋信道組成。在C-V2X中,PSCCH和PSSCH在頻率上復(fù)用(參見圖3(a))。這種方法的缺點是接收器必須緩沖整個子幀的消息,并且只能在子幀的末尾解碼消息。為了解決這個問題,PSCCH和PSSCH將在NR V2X中時分多路復(fù)用,即首先發(fā)送PSCCH,然后發(fā)送PSSCH。如圖3(b)所示,其中標(biāo)記為“空閑/PSS?CH”的資源的使用仍在考慮之中并且可以保持空閑或用于PSSCH的傳輸。
圖3 PSCCH和PSSCH復(fù)用
d)新增側(cè)行鏈路反饋信道(sidelink feedback channel)。盡管C-V2X提供對重傳的支持,但是這些重傳是盲目的,即如果配置了源UE,則重新發(fā)送而不知道周圍UE是否已經(jīng)接收到初始傳輸,顯然這種方式的資源利用率低。此外,如果源UE可以在其目的地UE處訪問信道狀態(tài)信息,則可以利用這一點來調(diào)整諸如MCS的傳輸參數(shù)。為了促進啟用基于反饋的重傳和信道狀態(tài)信息獲取,NR V2X引入了新的反饋信道,即物理側(cè)行鏈路反饋信道(PSFCH)。
e)其他物理層改進。除上述功能外,NR V2X還將在物理層提供許多其他增強功能,其大部分都是從NR繼承來的。如使用LDPC編碼、64-QAM的高階MCS以及每個時隙采用靈活數(shù)量的DMRS符號。
f)新增資源調(diào)度NR Mode-2子模式。NR V2X支持2種資源分配方案:Mode-1和Mode-2,Mode-1即基站調(diào)度側(cè)行鏈路資源給UE進行側(cè)行鏈路傳輸。與沒有子模式的C-V2X側(cè)行鏈路Mode-4不同,3GPP開始評估NR V2X側(cè)行鏈路Mode-2的4個子模式如下:
a)Mode-2(a):UE自主選擇用于側(cè)行鏈路的資源傳輸。
b)Mode-2(b):UE輔助其他UE選擇用于側(cè)行鏈路的傳輸資源。
c)Mode-2(c):由NR configured grant(和type1類似)對UE的側(cè)行鏈路傳輸進行配置。
d)Mode-2(d):UE調(diào)度其他UE的側(cè)行鏈路傳輸。
在隨后的3GPP會議中,已經(jīng)同意不再支持模式2(b)和2(c)作為單獨的子模式[15]。UE輔助(即,模式2(b))可以在模式2(a)/(d)中使用,以改善資源選擇的性能。另一方面,即使不支持模式2(c)作為單獨的子模式,也不排除在模式2(a)中使用時頻資源模式[15]。模式2(a)和2(d)的設(shè)計提出了前所未有的挑戰(zhàn)。
a)C-V2X and NR V2X共存。NR V2X并不向 后兼容C-V2X[16],這種不兼容性源于NR V2X中使用多種參數(shù)集等因素。因此,較新的車輛將配備2種技術(shù)模塊,即C-V2X和NR V2X,由此必須設(shè)計有效的共存機 制。對 于C-V2X和NR V2X共 存,NR V2X研 究組[16]僅考慮“非共信道”場景,可通過頻分復(fù)用(FDM),或者時分復(fù)用(TDM)實現(xiàn)。C-V2X和NR V2X對比如表3所示。
表3 C-V2X 和NR V2X對比
b)通信消息類型和周期的共存。由相同UE使用NR V2X發(fā)送的不同消息可能具有非常不同的QoS要求。例如,編隊車輛UE必須同時支持發(fā)送廣播、組播和單播消息。此外,這些消息中的一些可能是周期性的,而其他消息則是非周期性的。定期廣播的流量可以在覆蓋范圍外的場景中使用C-V2X側(cè)行鏈路Mode-4資源預(yù)留算法。而其他流量類別(如非周期性單播)則可能會使用不同的傳輸機制。
參考文獻[17]中的結(jié)果表明,使用60 kHz子載波間隔相比15 kHz的C-V2X可以實現(xiàn)較大的性能增益。為了覆蓋較遠的距離,使用60 kHz子載波間隔需要擴展循環(huán)前綴,這增加了信道開銷,但同時可以通過在60 kHz子載波間隔使用更少的DMRS符號/時隙來補償。此外通過使用多天線技術(shù),在60 kHz子載波間隔下將DMRS符號/時隙數(shù)量從4減少到2,使得即使在500 km/h下也幾乎沒有性能損失。
在高速公路場景下,使用60 kHz子載波間隔和20 MHz信道,所有通信類型(即廣播、組播和廣播)和消息類型(即周期性和非周期性)的可靠性為99.7%~99.8%。這表明,至少在高速公路方案中,NR V2X基本滿足表1中列出的一些性能要求。
然而,在通常以車輛密度較高和路徑損耗較大為特征的城市場景中,NR V2X的可靠性能在93%~97%的范圍內(nèi)變化,表明在此環(huán)境下其可靠性需要進一步增強。此外,參考文獻[17]中給出的結(jié)果是針對相對低的消息傳輸頻率(~10 Hz),NR V2X對更苛刻應(yīng)用的支持性能還有待觀察。此外參考文獻[17]中顯示的結(jié)果并未考慮第2章中描述的所有特征。
在技術(shù)路徑選擇上,由于802.11p技術(shù)成熟相對較早,產(chǎn)業(yè)鏈相對較成熟,因此車聯(lián)網(wǎng)起步較早的發(fā)達國家如美國、日本等早期均傾向部署802.11p技術(shù)[18-20]。但C-V2X作為后起之秀,以技術(shù)先進、性能優(yōu)越以及可長期演進等優(yōu)勢獲得產(chǎn)業(yè)界廣泛支持[18],國內(nèi)企業(yè)后續(xù)將主推NR/LTE-V2X技術(shù)。因此面向不同的建設(shè)方及應(yīng)用場景,本文提出以下2種C-V2X組網(wǎng)方案。
如圖4所示,該方案通過RSU(路邊單元)組網(wǎng),車-車之間,車-RSU之間通過PC5接口互聯(lián),其架構(gòu)簡單,交通管理部門可完全掌控,可快速閉環(huán),但完全使用RSU組網(wǎng)成本較高,且未來PC5 only的終端的滲透率較低,此外基于UE間競爭獲取信道,當(dāng)城區(qū)道路用戶密集時,無法保障QoS(如自動駕駛),也不利于開展大帶寬業(yè)務(wù),組網(wǎng)可擴展性較差,此方案僅適用于特定區(qū)域的特定需求場景。
該方案有以下特點。
a)RSU和V2X server由道路運營方部署。
b)V2X server連接所有運營商的VCF。
c)V2X server通過VCF發(fā)送PC5到各運營商的終端。
圖4 基于PC5的Mode-4專網(wǎng)架構(gòu)
如圖5(a)所示,相比專網(wǎng)方案,該混合組網(wǎng)方案較復(fù)雜,涉及道路運營方和電信運營商等多部門管理協(xié)同。首先由道路運營方組建以RSU為主的支持PC5接口的專網(wǎng),再通過電信運營商的公網(wǎng)Uu接口配合滿足各種差異化服務(wù)和業(yè)務(wù)需求,其成本也較高,但建網(wǎng)初期也可以通過部分部署RSU的方式快速開展業(yè)務(wù),如圖5(b)所示。
2類平行演進的V2X無線接入技術(shù)為各個國家、行業(yè)監(jiān)管機構(gòu)及汽車制造商提供了2種技術(shù)選擇發(fā)展車聯(lián)網(wǎng)。本文重點從接入層(物理層、MAC層)角度闡述兩者的演進,并對比其不同特征及其對車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求的滿足。在同一區(qū)域內(nèi)同時采用2種不兼容的演進技術(shù)可能會導(dǎo)致沖突和安全問題,這不利于V2X產(chǎn)業(yè)鏈的健康發(fā)展,從而無法發(fā)揮V2X產(chǎn)業(yè)的社會價值?;趪鴥?nèi)行業(yè)發(fā)展趨勢和路線,本文針對3GPP的C-V2X技術(shù),面向不同建設(shè)場景,提出了基于PC5-Uu混合組網(wǎng)的V2X組網(wǎng)方案,為相關(guān)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方提供建設(shè)性的參考方案。
圖5 PC5-Uu混合組網(wǎng)示意圖