C-V2X PC5接口通信關(guān)鍵技術(shù)及性能評(píng)估

申亞飛 錢(qián)肇鈞 馮曉楓

(1．上海機(jī)動(dòng)車(chē)檢測(cè)認(rèn)證技術(shù)研究中心有限公司，上海 201805；2. 國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心，北京 100037)

0 前言

車(chē)聯(lián)網(wǎng)借助新一代信息通信技術(shù)，提升了車(chē)輛智能化水平和自動(dòng)駕駛能力，提高了交通效率，改善了駕駛員的駕駛體驗(yàn)，為用戶(hù)提供了智能、安全、舒適及高效的駕駛服務(wù)。車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在降低交通事故發(fā)生率、提高交通效率、緩解交通擁擠、降低能耗及減少環(huán)境污染方面具有重要意義。通信技術(shù)作為車(chē)聯(lián)網(wǎng)中重要的技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)信息交互的載體，可為車(chē)聯(lián)網(wǎng)提供全方位高效網(wǎng)絡(luò)連接[1]。

目前，基于長(zhǎng)期演進(jìn)網(wǎng)絡(luò)(R14版本)的車(chē)聯(lián)網(wǎng)(LTE-V2X)的蜂窩車(chē)聯(lián)網(wǎng)(C-V2X)通信技術(shù)已接近商業(yè)化階段。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)交通工具與其他車(chē)輛，以及其他使用短距離通信或蜂巢式網(wǎng)路的道路使用者的有效溝通。未來(lái)，隨著第五代移動(dòng)通信(5G)技術(shù)的強(qiáng)化，C-V2X通信技術(shù)將大幅提升交通效率和道路安全。

C-V2X通信技術(shù)是智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)(ITS)的重要組成部分。由于涉及到車(chē)輛與人員的安全，C-V2X通信終端產(chǎn)品在實(shí)際投入使用前必須對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)試。鑒于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的效率較低，成本較高，故使用建模仿真測(cè)試方法是車(chē)聯(lián)網(wǎng)行業(yè)內(nèi)公認(rèn)的最重要、最有效的方式之一。

1 C-V2X概述

車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信支持車(chē)輛與任何事物(V2X)之間的信息交互。V2X通信模式包括：車(chē)與車(chē)(V2V)、車(chē)與人(V2P)、車(chē)與基礎(chǔ)設(shè)施(V2I)、車(chē)與網(wǎng)絡(luò)(V2N)的通信交互。

C-V2X是基于第三代移動(dòng)通信(3G)/第四代移動(dòng)通信(4G)/5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)演化而成的蜂窩車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)。C-V2X技術(shù)主要采用2種通信模式，分別定義為模式3和模式4。2種模式分別對(duì)應(yīng)不同的通信接口[2]。圖1示出了C-V2X模式3通信技術(shù)示意圖。該模式由基站集中控制管理無(wú)線資源分配相關(guān)工作，車(chē)輛僅在基站覆蓋范圍內(nèi)才能進(jìn)行通信，其對(duì)應(yīng)于終端和基站之間的通信接口(Uu)。在C-V2X模式4中，車(chē)輛可自主選擇無(wú)線資源進(jìn)行V2X業(yè)務(wù)傳輸，不需要借助基站等網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。該模式采用C-V2X的底層直連蜂窩通信協(xié)議(PC5)接口進(jìn)行通信，利用側(cè)鏈(SL)發(fā)送V2X消息，從而實(shí)現(xiàn)車(chē)輛間的低時(shí)延、高可靠及高容量通信(圖2)。

圖1 C-V2X模式3 Uu接口通信示意圖

圖2 C-V2X模式4 PC5接口直通方式示意圖

C-V2X通信技術(shù)作為面向車(chē)輛、行人、道路基礎(chǔ)設(shè)施、云平臺(tái)的通信綜合解決方案，具備在高速移動(dòng)環(huán)境中低時(shí)延、高可靠、高速率、安全的通信能力，能實(shí)現(xiàn)更加全方位的連接和更高效的信息交互，以滿(mǎn)足車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信的多種應(yīng)用需求。C-V2X典型的應(yīng)用場(chǎng)景包括信息服務(wù)、交通安全、交通效率提升，以及自動(dòng)駕駛等[3]。

2 C-V2X PC5接口的關(guān)建技術(shù)

C-V2X模式4支持車(chē)輛之間的直接通信，允許車(chē)輛以分布式調(diào)度方式自主選擇無(wú)線通信資源，而不需要通過(guò)基站進(jìn)行資源集中調(diào)度。本文主要對(duì)C-V2X模式4的通信方式進(jìn)行分析和研討。針對(duì)車(chē)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景中車(chē)輛高速移動(dòng)的特性，以及數(shù)據(jù)傳輸要求低時(shí)延、高可靠等需求，C-V2X標(biāo)準(zhǔn)對(duì)子幀結(jié)構(gòu)、同步機(jī)制及資源池配置進(jìn)行了增強(qiáng)[4-8]。

2.1 子幀結(jié)構(gòu)

在C-V2X應(yīng)用場(chǎng)景中，車(chē)輛運(yùn)動(dòng)速度較快，且車(chē)輛可能在高頻段工作，這會(huì)導(dǎo)致多普勒頻率發(fā)生偏移，對(duì)信道產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此，需要在C-V2X PC5接口通信中優(yōu)化設(shè)計(jì)解調(diào)參考信號(hào)(DMRS)結(jié)構(gòu)。C-V2X通信技術(shù)借鑒了基于長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)網(wǎng)絡(luò)終端直通技術(shù)的DMRS列結(jié)構(gòu)，將1個(gè)子幀中的2列DMRS增加到4列DMRS。圖3示出了C-V2X PC5接口通信的子幀結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可使鄰近的DMRS間隔從先前的0.50 ms縮減為0.25 ms，導(dǎo)頻密度在時(shí)域上有所增加，有效解決了典型高速場(chǎng)景時(shí)高頻段的信道檢測(cè)、估計(jì)及補(bǔ)償?shù)葐?wèn)題。除DMRS結(jié)構(gòu)外，增強(qiáng)后的C-V2X PC5接口通信的子幀結(jié)構(gòu)還包括上下行保護(hù)時(shí)間(GP)及自動(dòng)增益控制(AGC)。

圖3 C-V2X PC5接口通信的子幀結(jié)構(gòu)

2.2 同步機(jī)制

在C-V2X系統(tǒng)中，C-V2X通信節(jié)點(diǎn)可配置全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)模塊，并可直接作為同步源向周?chē)?jié)點(diǎn)提供同步信息。同時(shí)，基站也可作為同步源之一，通過(guò)廣播方式將基站與GNSS之間的時(shí)間偏差通知用戶(hù)，進(jìn)行時(shí)間補(bǔ)償。由于在基站覆蓋范圍下的節(jié)點(diǎn)與基站同步，故基站覆蓋范圍下的用戶(hù)也可作為同步源，將基站同步信號(hào)發(fā)送到基站覆蓋范圍外的節(jié)點(diǎn)。因此，C-V2X通信技術(shù)支持GNSS、節(jié)點(diǎn)自同步及基站等3種同步源。

2.3 資源池配置

C-V2X利用單載波頻分多址(SC-FDMA)支持多用戶(hù)接入網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，C-V2X支持10 MHz及20 MHz信道帶寬用于傳輸V2X業(yè)務(wù)，每個(gè)信道在時(shí)域上被劃分為子幀，在頻域上被劃分為子信道。每個(gè)子信道由多個(gè)資源塊(RB)組成。資源塊是分配給用戶(hù)的最小時(shí)頻資源單位，1個(gè)資源塊在時(shí)域上占1 ms，在頻域上占180 KHz。每個(gè)子信道上的資源塊數(shù)目是可以變化的。

數(shù)據(jù)和側(cè)鏈控制信息(SCI)占用子信道進(jìn)行傳輸。具體而言，就是數(shù)據(jù)在傳輸塊(TB)上的物理側(cè)鏈共享信道(PSSCH)進(jìn)行傳輸，每個(gè)傳輸塊包含了所有要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，傳輸塊的大小取決于數(shù)據(jù)包大小。傳輸塊必須與其關(guān)聯(lián)的SCI在同一個(gè)子幀內(nèi)進(jìn)行傳輸，該SCI在物理側(cè)鏈控制信道(PSCCH)上占用2個(gè)資源塊，SCI包含了用于傳輸塊的調(diào)制和編碼方案等控制信息。

PSCCH與PSSCH可采用2種資源配置方式，即鄰帶資源配置方式和非鄰帶資源配置方式。在鄰帶資源配置方式中，SCI和數(shù)據(jù)在同一子幀的相鄰資源塊上進(jìn)行傳輸，占用1個(gè)或多個(gè)子信道；在非鄰帶資源配置方式中，SCI和數(shù)據(jù)在同一子幀的非相鄰資源塊上進(jìn)行傳輸。圖4示出了2種資源池的配置方式。

圖4 資源池的配置方式

3 基于感知的半持續(xù)調(diào)度(S-SPS)資源分配機(jī)制

3.1 S-SPS資源分配機(jī)制概述

C-V2X PC5接口通信技術(shù)采用了一種全新的分布式資源分配方案，即S-SPS資源分配機(jī)制，該機(jī)制可以在不借助蜂窩基站的情況下自主選擇資源進(jìn)行周期性消息的傳輸。

S-SPS資源分配算法利用V2X業(yè)務(wù)的周期性特點(diǎn)，通過(guò)感知預(yù)約周期性的資源傳輸V2X業(yè)務(wù)，可避免沖突，提高資源利用率，提升傳輸可靠性。假設(shè)N為資源選擇或重選時(shí)刻，車(chē)輛在選擇傳輸資源后相隔時(shí)間長(zhǎng)度后傳輸V2X業(yè)務(wù)，并假設(shè)半持續(xù)周期時(shí)間長(zhǎng)度，則資源選擇窗口的2個(gè)時(shí)間間隔t的計(jì)算公式如下：

t=N+t1

(1)

t=N+t2

(2)

式(1)中：t1通常取值為4 ms；式(2)中：t2通常取值為100 ms。

圖5示出了C-V2X PC5接口的S-SPS機(jī)制時(shí)序。候選資源(CSR)是指資源選擇窗口內(nèi)的系統(tǒng)資源，N-1 000到N-1之間的時(shí)間間隔稱(chēng)為感知窗口。車(chē)輛在進(jìn)行資源選擇或重選時(shí)，會(huì)根據(jù)過(guò)去1 000 ms的感知窗口來(lái)判斷選擇窗口內(nèi)的CSR是否空閑。若CSR空閑，則資源為可用資源，車(chē)輛可選擇該CSR作為傳輸資源。當(dāng)車(chē)輛從可用資源中選定傳輸資源后，可在式(3)所示的時(shí)刻內(nèi)占用該傳輸資源傳輸V2X業(yè)務(wù)，也可以在式(4)所示的時(shí)刻內(nèi)對(duì)傳輸資源的使用進(jìn)行預(yù)約。相關(guān)計(jì)算公式如下：

圖5 C-V2X PC5接口S-SPS機(jī)制時(shí)序

t=N+M

(3)

t=N+M+l

(4)

式(3)中：N為資源選擇或重選時(shí)刻；M為車(chē)輛在選擇傳輸資源后相隔時(shí)間長(zhǎng)度。式(4)中：l為半持續(xù)周期時(shí)間長(zhǎng)度。

3.2 S-SPS資源分配過(guò)程

C-V2X模式4通信介質(zhì)訪問(wèn)控制層(MAC)的資源分配機(jī)制主要采用S-SPS資源分配算法。S-SPS資源分配算法主要分為3個(gè)過(guò)程：資源感知過(guò)程、資源選擇過(guò)程、資源重選過(guò)程[9]?；赟-SPS資源分配機(jī)制，車(chē)輛可以根據(jù)信道感知結(jié)果選擇可用的傳輸資源，并保留此資源便于下一次傳輸。

3.2.1 資源感知過(guò)程

資源感知是執(zhí)行S-SPS資源分配算法的先導(dǎo)過(guò)程。感知的本質(zhì)就是在感知窗口內(nèi)檢測(cè)其他車(chē)輛使用資源塊的情況，從而在資源選擇窗口中確定可用資源。在資源選擇窗口中，車(chē)輛會(huì)檢測(cè)最近1 000 ms時(shí)域子幀內(nèi)資源塊的使用情況，并根據(jù)不斷接收的直通鏈路接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)閾值來(lái)判斷給定的資源塊是否空閑。在第3代合作伙伴計(jì)劃(3GPP)中，每個(gè)資源塊RSSI閾值通常設(shè)為107 dBm。若S-RSSI值大于該閾值，則被認(rèn)為資源塊忙碌，反之，資源塊為空閑。根據(jù)感知結(jié)果，車(chē)輛可將S-RSSI在閾值之下的資源塊作為可用資源。若可用資源小于20%，則該車(chē)輛需要增加3 dB的參考信號(hào)接收功率(RSRP)閾值，直到建立大于20%的可用資源，否則，車(chē)輛將繼續(xù)執(zhí)行上述循環(huán)步驟。

3.2.2 資源選擇過(guò)程

在資源感知過(guò)程中，當(dāng)確定了大于20%的可用資源后，需要從中選出最好的20%的可用資源作為傳輸資源，即具有最低平均S-RSSI值的20%的可用資源。假設(shè)QRSSI為平均S-RSSI值，并將其定義為10個(gè)子幀的S-RSSI的平均值，計(jì)算公式如下：

(5)

式中：QRSSI為S-RSSI值；j為選擇窗口；t為時(shí)間間隔。

QRSSI值越小，說(shuō)明該資源被其他車(chē)輛占用的可能性越小，因而選擇該資源可以減少資源沖突。圖6為平均S-RSSI的計(jì)算示意圖。

圖6 平均S-RSSI值的計(jì)算

3.2.3 資源重選過(guò)程

當(dāng)車(chē)輛隨機(jī)在最好的20%可用資源中選擇傳輸資源時(shí)，系統(tǒng)會(huì)相應(yīng)地產(chǎn)生1個(gè)資源計(jì)數(shù)器，該計(jì)數(shù)器的取值范圍為5～10。車(chē)輛每傳輸1次V2X業(yè)務(wù)，資源計(jì)數(shù)器的值相應(yīng)地減1。當(dāng)資源計(jì)數(shù)器的值為零時(shí)，車(chē)輛會(huì)以一定概率重新選擇新的傳輸資源。

3.3 S-SPS算法具體實(shí)現(xiàn)步驟

圖7示出了C-V2X中S-SPS算法的具體步驟[10]。S-SPS算法程序的實(shí)現(xiàn)步驟如下：①設(shè)置資源選擇窗口，把資源選擇窗口內(nèi)的所有資源設(shè)為候選資源。②車(chē)輛連續(xù)監(jiān)測(cè)子幀，并記錄解碼的SCI和SL接收信號(hào)強(qiáng)度指示測(cè)量值，根據(jù)感知窗口確定可用資源。③設(shè)置信號(hào)功率閾值ThreshRsrp。④設(shè)置資源分配參數(shù)，初始化集合CSRA、CSRB。其中，CSRA為資源選擇窗口內(nèi)的所有候選資源，CSRB為空集。⑤在集合CSRA中，排除RSRP閾值大于信號(hào)功率閾值的候選資源。⑥確定大于20%的可用資源。若不滿(mǎn)足該條件，則將RSRP閾值增加3 dB，直至滿(mǎn)足大于20%的可用資源。⑦在CSRA集合中選擇最好的20%可用資源。其選擇準(zhǔn)則為具有最低平均S-RSSI值的20%可用資源，并放入集合CSRB中。⑧從CSRB中隨機(jī)選擇資源進(jìn)行V2X業(yè)務(wù)傳輸。

圖7 C-V2X S-SPS算法具體實(shí)現(xiàn)步驟

4 仿真分析

采用網(wǎng)絡(luò)仿真器NS3對(duì)C-V2X的S-SPS算法性能進(jìn)行仿真分析，并評(píng)估了資源重選概率、資源預(yù)留間隔、信道帶寬對(duì)數(shù)據(jù)包接收率(PRR)的影響。PRR是指在基線距離范圍內(nèi)所有車(chē)輛成功接收的數(shù)據(jù)包數(shù)目與所傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)包數(shù)目的比值。表1示出了仿真分析的參數(shù)。

表1 C-V2X的S-SPS算法仿真參數(shù)

圖8示出了城市道路場(chǎng)景中，當(dāng)信道帶寬為10 MHz時(shí)，不同資源重選概率下PRR的變化情況。從圖中可以看出，隨著仿真時(shí)間的增加，各條曲線趨于平穩(wěn)。當(dāng)資源重選概率過(guò)高時(shí)，S-SPS性能欠佳，其原因是資源重選概率越高，資源可用性變化將加劇，從而導(dǎo)致通信可靠性較低，PRR值下降。

圖8 不同資源重選概率下PRR的變化情況

圖9示出了城市道路場(chǎng)景中，當(dāng)信道帶寬為10 MHz時(shí)，不同資源預(yù)留間隔下PRR的變化情況。隨著資源預(yù)留間隔的增加，PRR值有所提升。這是因?yàn)橘Y源預(yù)留間隔增加，車(chē)輛在給定時(shí)間內(nèi)可使用的資源數(shù)量減少，因此，多個(gè)車(chē)輛選擇同一資源的概率降低，從而資源沖突減少，PRR有所提升。

圖9 不同資源預(yù)留間隔下PRR的變化情況

圖10示出了不同場(chǎng)景下不同信道帶寬對(duì)PRR值影響的評(píng)估情況。針對(duì)3種不同仿真場(chǎng)景，20 MHz信道帶寬的性能優(yōu)于10 MHz信道帶寬的性能。這是因?yàn)樾诺缼捲酱?，可供?chē)輛選擇的資源越多，多個(gè)車(chē)輛選擇相同資源的概率將降低，發(fā)生碰撞的機(jī)率就越小。因此，成功接收數(shù)據(jù)包的數(shù)量增加，PRR增加。同時(shí)，在高速公路場(chǎng)景下的PRR性能略?xún)?yōu)于城市道路場(chǎng)景，其原因是相比于城區(qū)道路場(chǎng)景，高速公路場(chǎng)景下的信道模型只包含視距傳輸，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信道質(zhì)量較好，因此PRR性能會(huì)有所提升。

圖10 不同帶寬對(duì)應(yīng)的PRR變化情況

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)C-V2X PC5接口通信關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了概述，并對(duì)S-SPS機(jī)制進(jìn)行了性能評(píng)估。C-V2X PC5接口通信可以在沒(méi)有蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施支持的場(chǎng)景中為車(chē)輛提供車(chē)車(chē)間的直接通信，C-V2X PC5接口通信引入S-SPS資源分配方案后，系統(tǒng)允許車(chē)輛自主地選擇和保留無(wú)線資源進(jìn)行消息的傳輸。仿真分析結(jié)果表明，資源重選概率、資源預(yù)留間隔及信道帶寬對(duì)C-V2X PC5接口通信性能具有一定影響。

隨著智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，智能駕駛技術(shù)已經(jīng)日臻成熟，但是用于車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信的C-V2X的頻段尚未正式確定。因此，通過(guò)仿真手段開(kāi)展對(duì)C-V2X相關(guān)資源的配置和通信質(zhì)量的測(cè)試分析，將有助于為我國(guó)C-V2X的頻段分配提供技術(shù)支撐，為車(chē)聯(lián)網(wǎng)商用部署打下技術(shù)基礎(chǔ)。