原标题:蜂窝车联网演变与研究

汽车正由人工操控的机械产品逐步向电子信息系统控制的智能产品转变,由单纯的交通运输工具逐渐转变为智能移动空间和应用终端。智能汽车已成为全球汽车产业发展的战略方向。汽车所使用的通信技术,从做路线规划、导航、定位服务的Telematics,发展到当前为车联网定制的LTE V2X(车联网技术),可以实现驾驶辅助,提高交通效率和安全性。5G V2X则可以实现车路环境融合,实现自动驾驶、编队行驶等高级功能,打造高效、智能、安全的智慧交通系统。

V2X关键技术及其演进

V2X业务需求和应用场景

在3GPP的相关标准中,基于蜂窝移动通信系统的C-V2X技术主要包括面向基本道路安全业务的LTE-V2X技术和面向自动驾驶应用的5G V2X。LTE-V2X技术可以支持位置、速度等信息的共享,支持碰撞预警、紧急停车预警等基础安全应用。5G V2X通过底层关键技术的增强,支持更高的通信可靠性(99.999%)、更低的时延(3~10ms)和更高的数据速率,可以支持自动驾驶、编队行驶、扩展传感、远程驾驶等更丰富的应用场景。

LTE-V2X关键技术

基于4G/5G蜂窝网通信的C-V2X技术,可以分为基于PC5接口的终端之间直接进行通信和基于Uu接口的传统网络中转两种通信方式。基于PC5接口的直连通信,在没有蜂窝网络覆盖的地方仍能正常工作;并且直连通信时延低,适用于对时延敏感的安全性相关应用场景。基于Uu接口的方式与传统的LTE通信方式类似,通过蜂窝网络Uu接口进行信息转发,完成集中式调度和拥塞控制;基于Uu的V2X通信距离更长,要求车载终端必须在蜂窝网络覆盖范围内。

基于PC5接口的直连通信的资源分配方式包括eNB集中调度的资源分配模式Mode3和UE自主资源选择模式Mode4两种。在Mode3模式下,终端使用的资源由基站分配,终端在发送数据前,要先向基站发送资源调度请求,基站根据用户业务特点、位置以及资源占用情况分配资源给用户。由于车载终端间发送的信息大多是周期性的,eNB可给终端分配半持续调度SPS资源以契合业务数据的特点。Mode3也支持侧行链路Sidelink的非SPS的纯动态资源调度。PC5 Mode3控制信令包括两部分,根据终端的调度请求,基站在Uu口将授权的资源信息通过DCI format5A发送给终端,终端将相应的资源信息填入SCI format1,SCI format1和业务数据在侧行链路的载波上分别通过PSCCH和PSSCH发送。直通链路SPS配置由eNB通过PDCCH激活,终端最多可配置8个同时激活的不同参数的SPS资源。Mode3的优点是侧行链路资源由eNB统一管理,小区内资源不会冲突。Mode4是终端自主从资源池中选择资源,其利用业务周期性特点,采用Sensing和半持续调度机制,在发送数据之前先进行测量,判断哪些资源正在被使用或者已经被预定,基于感知结果选择与预定空闲的直通链路资源,从而尽量减少资源冲突,提升性能。

不同的V2X业务,有不同的可靠性和时延等性能要求。为了保证终端的QoS,引入了PPPP(数据包优先级)、PPPR(分组可靠性)和PDB(数据包时延预算)。UE中配置有应用层V2X消息优先级到PPPP/PPPR的映射关系。应用层根据业务的QoS要求,为每个V2X消息设置PPPP和PPPR。PPPP和PPPR从高层传递到物理层,其中PPPP包含在SCI格式1中,通过调度该数据包的PSCCH信道发送。PPPR则用来管理数据包的可靠性。PPPP到PDB有映射规则,PDB可以根据PPPP推导出来,即UE可从PPPP中推导得出V2X消息的数据包时延预算。

V2X通过信道忙率CBR(Channel Busy Rate)、信道占用率CR(Channel Occupancy Ratio)、PPPP进行拥塞控制。CBR是反应资源池拥塞程度的指标,其通过测量最近的100个子帧中直通链路接收信号强度,指示S-RSSI超过某个(预)配置门限的子信道比例。CR是1秒内,终端实际使用和希望预留的子信道数目之和,在子帧n时刻评估的CR的定义为在子帧[n-a,n-1]内用于发送、在子帧[n,n+b]内许可的子信道总数目,除以发送资源池内子帧[n-a,n+b]上配置的子信道总数目。

PPPP还可以用来辅助实现分布式拥塞控制。根据用户的业务优先级,PPPP和CBR配合起来,影响终端的发送参数选择,比如MCS选择、用的子信道数目等。可以给终端配置一个CBR范围的集合,每个CBR范围对应一个CR限值,数据如表1所示。当终端发现CR超过当前测量的CBR值所对应的CR限值时,终端应将CR减少到限值范围内。终端可以通过提高MCS来降低资源占用和减少重传次数等方式降低CR。PPPP也可以配置成与终端最大发射功率有关联,通过限制低优先级终端的最大发射功率,降低远距离终端测量到的CBR。

表1 拥塞控制参数配置表

V2X终端首先需要读取V2X通信的参数配置信息,包括V2X应用服务器地址信息、业务ID与V2X频率的映射、V2X业务列表、业务ID和目标层二ID的映射、V2X无线资源参数(最大发射功率、载波频率、系统带宽、发送/接收资源池、拥塞控制参数等),然后通过监听PSCCH信道和测量PSSCH-RSRP/S-RSSI感知资源占用情况,选择能量低的资源发送自己的V2X业务信息,同时根据CBR/CR/PPPP拥塞控制参数进行调整。

NR V2X关键技术

3GPP在Rel-16中引入了NR V2X。LTE-V2X仅支持广播模式,NR支持在部分车载终端之间进行通信的组播功能。对于车辆编队行驶之类的业务,需要在编队组员之间分享信息,例如车辆间需要协同变道实现车队的汇入和汇出,这些编队相关的内部信息,以组播的形式在编队车辆内部进行发送。NR V2X通过对MAC/RLC/PDCP/SDAP等高层协议的增强和改进,在覆盖内外以及部分覆盖场景中增加了对单播、组播的支持。对于组播业务,需要引入业务数据是否正确接收的反馈。因此NR V2X中,在PSCCH/PSSCH/PSBCH信道外,引入PSFCH以承载业务信道PSSCH检测的HARQ反馈信息。NR V2X的直连通信资源分配也包括基站调度和UE自主选择资源两种方案。其中资源分配Mode1类似于LTE的Mode3,由基站进行资源分配;资源分配Mode2与LTE-V2X的Mode4类似,由UE自主进行资源选择。

NR Sidelink增强技术

终端通过Sidelink直连通信是V2X的重要技术,同时Sidelink也有一些如公共安全之类的应用场景。为了更好地支持V2X业务和Sidelink的其它应用场景,3GPP在Rel-17立项NR Sidelink enhancement,从功耗、可靠性和延时等方面对Sidelink进一步增强。

资源分配增强是NR Sidelink增强的一个重要方向。车载终端对功耗不敏感,但是V2P中的行人作为Sidelink通信的一方,对功耗比较敏感,因此降低功耗是增强资源分配方案的一个工作方向。同时还需考虑在Mode2资源分配方式下,如何提升可靠性和降低时延:比如引入UE间协作机制,假设终端A使用了一些资源,将终端A的资源使用信息分享给终端B,终端B在选择自己的发送资源时就要考虑这些已知信息。对广播/组播/单播引入DRX机制是NR Sidelink增强的另一个方向。DRX是无线通信中比较成熟的省电技术,在Sidelink通信中引入DRX机制,包括整个DRX的工作流程,彼此通信的UE间Sidelink DRX唤醒时机的协调等工作。在有网络覆盖的地方,也要考虑NR Sidelink和终端空口的DRX唤醒及睡眠时间的协同等。截至2021年9月RAN 93次全会,R17 NR Sidelink增强核心规范制定工作进度为63%,并计划于2022年3月完成该工作。

我国政府和相关国家标准化工作单位高度重视车联网相关的技术研究和标准体系建设工作,工业和信息化部联合国标委发布了包括总体要求、智能网联汽车、信息通信、电子产品和系统等内容在内的国家车联网产业标准体系建设指南。随着后续产业生态和基础设施的逐步建设与完善,车联网商用将逐步落地,提升交通安全和出行效率,满足人们日益增长的美好生活需要。