第六章 Cellular V2X技术_c-v2x release14 15

第六章 Cellular V2X技术

• 业界将LTE-V2X和NR-V2X统称为Cellular V2X，简称C-V2X，即以蜂窝通信技术为基础的V2X。

6.1 LET-V2X

• 3GPP在Release 14完成第一版本的C-V2X标准化，主要应用场景是面向高级驾驶辅助系统(Advanced Driver Assistance Systems，ADAS)的安全类应用，同时能支持一些低数据速率的其他类型应用。
• 在Release 15中，C-V2X的设计目标被定位为面向自动驾驶的V2X技术，通过V2V链路传输的数据速率被极大地提升，同时时延要求也被大大提高，这对传输技术提出极高的要求，包括MIMO、64QAM、截短的TTI等技术都被纳入标准化研究范围。
• 按照目前的计划，在Release 16中会展开基于NR的V2X系统的设计，主要解决受限于LTE系统设计而无法满足的V2X设计指标。

6.1.1 需求与应用场景

• 3GPP SA1工作组负责制定V2X业务的需求。SA1定义的需求在后续RAN和SA的系统设计中被作为重要输入。
• 下图为V2X业务示例性性能要求：
  

6.1.2 LTE V2X工作场景和工作模式

6.1.2.1 工作模式

• LTE V2X以LTE技术为基础，同时参考DSRC的设计，包括以下三种工作模式：

  1. 基于PC5接口的终端直通的V2X通信。
     
     RSU是路边单元。

  2. 基于Uu接口的V2I和V2I2V通信。
     

     V2X应用服务器是IP层及以上的服务器，采用SC-PTM的方式组播/广播。

  3. 基于PC5和Uu接口的V2X通信。

• 基于终端直通(PC5)的工作方式是基本工作方式，具有低时延、通信容量大和无须网络设备（基站或路边单元）即可工作的优点，是V2X安全类业务的主要工作方式。

• 根据PC5接口的资源分配方式，3GPP将V2V分为两种工作方式：

  • Mode 3：V2V通信使用的资源是由网络分配的。
  • Mode 4：V2V通信使用的资源是车辆在资源池中自选的。

• 两种模式的优缺点如下图所示：
  

• 考虑到Mode 3 对网络的依赖，目前业界更倾向选择Mode 4 作为产品默认配置。

• 对于V2V业务来说，并非仅有PC5直通方式，还有V2I2V的网络转发方式。在部分车辆密集的场景，基于网络转发的V2V可以利用网络下行广播特性来提高通信效率。

  • 这种工作方式最大的优势是：可以扩大通信的范围，在车辆密集的时候可以提高系统效率、减少碰撞。
  • 这种转发方式的V2V通信最大的缺点是：与基于PC5的直通方式相比，时延较大。

• 部分运营商在研究中表现出了一定的兴趣，认为这种方式在发送车辆事故或道路拥堵信息的时候可以传播得更远。

• 在实际部署中，这种工作方式中的下行广播既可以是工作在V2X的专用频率上，还可能会工作在运营商的授权频谱上，具体取决于运营商的部署策略。

6.1.2.2 工作场景

• LTE V2X根据运营商的部署情况，可分为三种V2X部署场景：

  • 场景1：没有运营商的基础设施，仅有车与车之间直接通信业务。
  • 场景2：多个运营商各自服务一部分车辆，车辆之间需要跨PLMN互通。
  • 场景3：一个区域内仅有一个运营商，部分车辆工作在网络覆盖内，部分车辆工作在网络覆盖外。
    

• 场景1无须运营商投资建设网络，只需要车辆具有支持PC5直接通信能力即可。考虑到无缝覆盖的巨大投资和安全类业务要求没有通信盲区的特点，场景1被认为是安全类应用的默认部署场景。

• 场景2考虑了多个运营商部署的场景，不同运营商在Uu接口分别使用不同的授权频率，而在车辆之间的PC5接口使用同一频段发送、接收。

• 场景3是单运营商场景，两个子场景区别在于Uu接口使用的频率是否与PC5相同。

• 场景2和3中的f1、f2和f3可能是运营商的授权频率，而fv可能是V2V专用频率，授权频率优势在于没有来自其他运营商和其他系统的干扰，而场景3的第2个子场景可能会出现Uu接口与PC5接口之间相互干扰协调的问题。

• 以上三种场景都被纳入3GPP的研究范畴，区别在于资源分配、车辆互通和网路管理，在物理层设计并没有显著区别。

• C-V2X最重要的特定是终端间基于PC5的直接通信，既V2V模式。3GPP Release 14 的V2V通信是基于Release 12的D2D(sidelink)特性设计的，借用了终端之间基于PC5的直接通信机制，针对V2V的系统要求进行了优化设计。

6.1.3 物理层技术

• C-V2X的物理层设计有三个挑战：

  1. 车辆高速移动带来的多普勒频移。多普勒频移随着车速增加而增大，德国运营商和制造商提出250 km/h的单向最高车速，即对向而来的车辆需要在500 km/h的相对车速下保持有效通信，这种情况给信道估计带来巨大挑战。
  2. 高频(5.9 GHz)带来的频偏。通信系统的频偏通常采用百分比来定义相对值，当频载为5.9GHz时，0.3*10^-6的相对频偏对应于接近1800kHz的绝对频偏。从系统角度来看，这种情况和高速移动的多普勒频移类似，会给信道估计带来巨大挑战。
  3. D2D传输的半双工特定。D2D系统设计时关注传输距离，采用了控制信息和数据分时传输的方式，同时采用了递增冗余的方式来提高接收成功率。由于V2V延续了D2D的半双工传输的接收方式，这种传输次数过多的机制会限制系统容量。

• 3GPP在Release 14的标准化过程中分别针对以上技术挑战开展研究，并在以下几个方面增强了系统：

  1. 针对多普勒频移和高频的频偏，3GPP采用了增加导频密度的方法来增强信道估计性能。
  2. 针对半双工特性，3GPP改进了控制信息和数据信息传输方式。

6.1.3.1 增加密度的导频设计

• LTE的上行解调参考信号(Demodulation Reference Signal，DMRS)是用来辅助基站解调终端上行物理上行共享信道(Physical Uplink Shared Channel，PUSCH)信号的，分别位于第3和第10个符号。仿真显示，两个符号的DMRS设计无法为高速和频谱联合影响下的信道做准确的估计，相应的物理层误块率也较大。
  

  上图为3GPP RAN1提案的仿真结果，显示在高速(140 km/h)时误码率性能很差，在10%的位置遇到了误码平台(Error Floor)。

• 由于移动速度较低，在Release 12 的D2D设计中，DMRS沿用了下图所示的两个符号DMRS的设计：
  

• 针对V2V高速移动的要求，3GPP开始考虑采用增加密度的DMRS设计，这时有三种方案：

  1. 增加一倍DMRS密度，如下图所示采用每子帧4个DMRS设计。
     

  2. 采用新的导频设计，即如下图所示的占用部分频率的全部符号，在频域插值进行信道估计，这种方案被称为2H。
     

  3. 增加子载波间隔，将15kHz的SCS增大到30kHz。

• 在这三种方案中，第一种对现有标准影响最小，第二种和DSRC的导频设计一致，第三种改变了LTE基本参数，对标准影响最大。通过评估，3GPP认为这三种方案都可以满足数据解调要求，但是第一种方案对标准影响较小，最终采纳了这种方案。

6.1.3.2 改进的控制和数据传输

• 在Release 12 D2D的设计中，Mode 3和Mode 4的控制信息与数据示意如下图所示：
  

  UE(User Equipment，用户设备)需要发送控制信息(Control)和数据信息(Data)，这两个部分在不同的时间发送，即UE先发送控制信息，然后发送对应的数据信息。

  • 这种发送方式的好处在于UE在特定时间只发送控制或数据信息，可以用全部功率发送控制或数据信息，对于扩展通信范围是有利的。
  • 这种发送方式的缺点也很明显，由于半双工限制，UE在发送时无法监听，会有较大概率错过别的UE发送的消息。

• 使用V2V业务的车辆周期性发送信息，整个系统对于并发用户数量要求很高，因此时分发送控制和数据信息变得不可行，同时时分发送会让UE过多地处在发送状态而错误周围车辆的信息。因此，V2V的控制和数据信息被定义为同时使用不同的频率资源发送。

• 在标准制定过程中，3GPP出现了两种方案，即控制(PSCCH)和数据(PSSCH)相邻方案与控制和数据分离方案。

  • 前者要求控制和数据使用相邻的频率资源，好处在于用户间的干扰较小，相应的UE功率回退要求低。
  • 后者要求控制和数据使用不同的频率资源，好处在于可以支持专门的资源池设置，减小控制信息盲检测概率。

• 两种 方案各有优缺点，最终被同时列为标准中的选项，由终端实现决定。

• 为保证数据的可靠性和传输距离，Release 12的D2D支持数据多次传输。由于V2V传输时更关注周围车辆是否能够收到消息，对于距离较远的车辆并不特别在意，所以对于多次传输并没有特别要求。同时，考虑到多次传输会占用系统资源，限制系统的容量（支持同时发送消息的车辆数目），所以将消息最大传输次数限定在两次。

6.1.4 资源分配方式

6.1.4.1 Mode 3——基站调度

• Mode 3，即基站调度，基站为车辆分配资源有两种方式：半静态调度和动态分配。

• V2V的消息在欧盟、美国的标准体系定义不完全相同，但是，都可分为周期性消息和事件触发消息。

  • 周期性消息通常是车辆位置、行驶方向等信息的定期更新，频率通常在1~10Hz之间。
  • 事件触发消息在首次发送之后也会周期性发送一段时间。

• 因此可以说，V2V/V2X的消息具有周期性发送的特点。针对这一特点，V2X改进了半静态调度(Semi-Persistent Scheduling，SPS)算法。首先UE可以支持多大八个SPS配置，而且还可以同时被激活。在配置SPS时，基站会将UE上报信息作为参考，设定SPS开始时间、相邻两次传输间隔等信息。

• 采用下入所示的SPS方式配置资源后，可以节省基站的调度开销，同时附近车辆还可以根据调度信息“预测”未来资源使用情况，从而更加精确地选取传输资源。
  

• 针对事件触发消息，基站还必须支持动态资源调度，这种方式主要适用于事件触发的消息，即UE在每次传输之前均单独请求资源。
  

6.1.4.2 Mode 4——增强的用户感知资源分配方法

• Mode 4 避免了基站调度资源的开销，同时缓解了车辆（终端）对基站及网络的依赖性。这种模式下的基于用户感知的资源分配方式如下所示：
  

• Release 14 的V2V资源分配方案是结合用户感知的竞争式资源分配方法，有三个特点：

  1. 使用了资源感知方法，即通过测量估计信道使用情况。
  2. UE读取资源调度信息，通过V2V业务的半静态调度特性对未来的资源使用做出预测，躲避碰撞。
  3. 结合不同数据的优先级，保证优先级较高的数据优先发送。

• 3GPP比较了不同场景（高速公路、城市道路）使用增强的用户感知资源分配方法和DSRC调度方法的性能。得出结果：

  • 高速公路场景：随着通信距离的增加，改进算法的性能优势增加。
  • 城市道路场景：改进算法表现出稳定的性能优势。

6.2 5G V2X

6.2.1 eV2X需求与应用场景

• SA1在Release 15 中进一步研究了面向自动驾驶的eV2X的标准制定。在研究中，3GPP确定了四个增强方向，分别是车辆编队行驶、远程驾驶、车载传感器数据实时共享和增强体验驾驶。
  

• SA1对这几个方面提出了更高的要求：

  • 以时延为例，远程驾驶要求端到端的时延不能超过5ms。
  • 在传输的数据速率方面，增强体验驾驶和车载传感器数据实时共享等应用要求数十兆比特每秒的数据速率，当支持高度自动驾驶场景时，车载传感器数据共享要求高达1Gbps的传输速率。

6.2.2 研究计划

• SA1确定的eV2X场景是对Release 13 V2X 的场景的升级，从低速率的安全类应用升级到了面向自动驾驶的高速率应用。

• 目前基于NR的V2X立项正在讨论之中，下图是目前正在讨论的一种LTE-V2X和NR-V2X的互补技术的协作方式。
  

  • V2X业务在应用层发起时会根据不同的业务类型配置PSID，V2X业务层根据PSID分流业务。
    • 当PSID指示安全类业务时，业务层将数据分流至LTE V2X传输，这样可以支持现有终端继续工作。
    • 当PSID指示面向自动驾驶的eV2X新型业务时，业务被分流至NR传输，以满足高速率、低时延传输要求。
  • 在这种机制下，应用层对具体的接入方式（LTE或NR）并不知晓，同时接入层根据业务层分配进行传输，既保证网络中只支持LTE-V2X的存量汽车可以发送、接收安全类消息，又能让新车辆支持eV2X的新型业务。

6.3 DSRC与C-V2X技术比较

• 下图比较了两类技术的工作模式。总体来说，802.11p和C-V2X相当，区别主要在于：
  

  • 从传输时延来看，802.11p可以满足100ms内完成传输的要求，但并没有准确的数据；Release 14 的传输时延（PC5）是4ms而Release 16的设计目标是小于或等于1ms。
  • 在网络通信能力方面，由于C-V2X是与成熟的3GPP接入网通信，能力要远远强于802.11p协议中的RSU。
  • 演进路线方面，802.11p暂时没有下一步的技术演进路线，即性能没有增强的计划，而3GPP正在规划Release 16面向自动驾驶的V2X技术。

• 无线技术比较如下图所示，802.11p和C-V2X设计区别较大，这主要因为802.11p基于802.11进行了时延优化，而C-V2X基于LTE和NR空口技术进行了优化。主要区别如下：
  

  • 802.11p是非同步系统，而C-V2X是同步系统。这主要是因为同步设计可以让C-V2X系统减小干扰，便于不同用户甚至C-V2X用户与蜂窝用户共存。
  • C-V2X的用户可以支持FDM和TDM，而802.11p只能支持TDM。
  • 信道编码不同，Release 16 的V2X技术将采用NR的LDPC设计，相比于Turbo码的解码时延复杂度更低，性能也更优，与802.11p的卷积码比较，性能优势更加明显。
  • 波形方面，Release 14/15采用了覆盖更好的SC-FDM技术，Release 16目前还未确定，较大可能采用适用于MIMO的OFDM技术，以支持更大的数据速率，而802.11p也采用了OFDM技术。
  • 资源分配方面，802.11p采用了CSMA-CA技术，而Release 14/15增加了基于SPS的信道预测，性能优于纯竞争式资源分配，Release 16 目前还无法预测。
  • 多天线支持方面，802.11p没有规范这个内容，由终端自由实现；Release 14/15规范了接收分集（强制）和发送分集（可选）；Release 16预期会采用至少2天线的发送/接收技术，可能会引入更多天线的收/发技术。

• 从用户示例比较来看，802.11p支持Day 1 的安全类应用，Release 14/15还支持增强的安全类应用，而Release 16是面向自动驾驶的应用（大带宽、高精度定位）。从性能来看，C-V2X有两方面的优势：
  

  • 用户间干扰小，支持并发用户数更多。
  • 有效通信距离大，可以给驾驶员提供更长的刹车反应时间。