0 引言

    隨著城市規(guī)模的日益增長，高效的交通控制和管理成為一個基本和緊迫的挑戰(zhàn)，最大化道路容量利用率，平衡交通流量，減少排放，改善交通安全，為駕駛者提供最佳的端到端交通體驗是現(xiàn)代智能交通控制基礎(chǔ)設(shè)施的最重要目標。經(jīng)過近年來的技術(shù)發(fā)展，單車自動駕駛技術(shù)越來越成熟，自動駕駛和智能輔助駕駛成為汽車銷售新的賣點。但是由于單車自身成本、空間和感知的局限性，使得單車智能駕駛使用場景有限。車聯(lián)網(wǎng)和智能網(wǎng)聯(lián)汽車概念的提出和技術(shù)的推進，給汽車和交通行業(yè)引入了新的革命性理念。其中車聯(lián)網(wǎng)帶來了信息交互和交通感知的革命，而智能網(wǎng)聯(lián)車輛的出現(xiàn)則為個體層面的車輛控制提供了新的可能。

    車聯(lián)網(wǎng)(Vehicle to Everything，V2X)是實現(xiàn)車輛與周圍的車、人、交通基礎(chǔ)設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)等全方位連接和通信的新一代信息通信技術(shù)。車聯(lián)網(wǎng)通信包括車與車之間(Vehicle to Vehicle，V2V)、車與路之間(Vehicle to Infrastructure，V2I)、車與人之間(Vehicle to Pedestrian，V2P)、車與網(wǎng)絡(luò)之間(Vehicle-to-Network，V2N)等，具有低時延、高可靠等特殊嚴苛的通信要求。C-V2X是基于蜂窩移動通信為基礎(chǔ)的V2X技術(shù)，分為LTE V2X和5G NR V2X。LTE V2X可以通過網(wǎng)絡(luò)輔助通信和自主直接傳輸兩種傳輸模式^[1-2]實現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)?；趦煞N模式的V2V和V2I通信對時延和可靠性沒有嚴格要求，但隨著丟包和時延的增加，通信質(zhì)量出現(xiàn)下降^[2]。由于時延和可靠性的短板，基于LTE V2X的車聯(lián)網(wǎng)解決方案只能用于輔助駕駛和初級自動駕駛場景，必須通過更新V2X技術(shù)滿足未來高級別自動駕駛的需求，5G新空口(New Radio，5G NR)V2X應(yīng)運而生。本文將基于V2X新的應(yīng)用場景，結(jié)合3GPP 5G NR V2X標準的主要進展，進行需求分析并提出解決方案。

1 應(yīng)用場景^[3]

    自動駕駛是未來汽車的終極發(fā)展目標，但由于技術(shù)的發(fā)展規(guī)律，會經(jīng)歷從最初的輔助駕駛、部分自動駕駛、有條件自動駕駛、高度自動駕駛到未來的完全自動駕駛的發(fā)展階段。車聯(lián)網(wǎng)通信在這一發(fā)展過程中將發(fā)揮重要作用，當前單車自動駕駛主要基于現(xiàn)有傳感器技術(shù)，如雷達、攝像頭等?，F(xiàn)有傳感器仍然存在距離、成本、傳播路徑限制、惡劣天氣等重要缺陷，且成本較高，而網(wǎng)聯(lián)恰好可以在這些方面很好地發(fā)揮互補作用，提升駕駛安全。V2X通信技術(shù)的發(fā)展將為自動駕駛提供更加穩(wěn)定、高速、低時延、高可靠的通信服務(wù)，使得網(wǎng)聯(lián)式自動駕駛成為未來重要發(fā)展方向。

    5G V2X技術(shù)重點支持面向自動駕駛的應(yīng)用場景，總體分為編隊駕駛、高級駕駛、遠程駕駛和傳感器共享等主要領(lǐng)域，并為不同等級的自動駕駛提供全方位的網(wǎng)聯(lián)化信息。

1.1 遠程駕駛

    遠程駕駛是指遠程司機或V2X應(yīng)用程序為那些不能自己駕駛的乘客或位于危險環(huán)境中的遠程車輛操作遠程車輛，在變化有限且路由可預(yù)測的情況下(例如：公共交通等)，可以使用基于云計算的駕駛。5G NR V2X中的遠程駕駛場景如圖1所示。

    遠程駕駛需要實施路況回傳，這對無線網(wǎng)絡(luò)的帶寬和時延需求是一個很大的挑戰(zhàn)。根據(jù)5G汽車聯(lián)盟(5GAA)定義，該場景要求最小的通信覆蓋距離是300 m，20 ms的端到端時延，單車要求25 Mb/s的上行吞吐，可靠性最大需求99.999%。

1.2 編隊行駛^[4]

    車輛自動編隊允許車隊成員動態(tài)變化，車隊中的跟隨車輛實時接收頭車的相關(guān)操作信息指示。這樣車隊內(nèi)的車輛間距可以非常小，從而使得跟隨車輛可以輕松實現(xiàn)自動駕駛。首先，車輛需要建立編組，基于中心調(diào)度的建組過程需要支持；其次，在組隊過程中，車輛間需要協(xié)同變道實現(xiàn)車隊的匯入和匯出；再次，頭車發(fā)出的操作指令需要以最小時延和最高的可靠性保證所有尾隨車輛的操作可靠；最后，車輛還需要分享各自視野或者收到的路況及預(yù)警信息。5G NR V2X中的編隊行駛場景如圖2所示。

    車輛編隊分為臨時行為和長期行為。臨時行為可以是車輛在某繁忙的交通路口通過編隊臨時組成通行車隊，協(xié)作式地快速高效地通過交叉路口和城市地區(qū)，可以有效緩解城市交通擁堵狀況，減少噪聲和尾氣污染。通過車輛協(xié)作式通行，可望達成該目標；長期行為主要體現(xiàn)在高速路口上，一種可能的場景為同一物流公司的載貨汽車，由于目的地相同，可以組成一個由頭車控制的車隊，跟隨車輛可實現(xiàn)自動駕駛，減少駕駛員疲勞駕駛，從而提高通行的安全性，減少交通事故。

    車輛編隊需要基于中心控制器來實現(xiàn)整體調(diào)度。中心控制器可以從路邊單元(Road Side Unit，RSU)、車輛上報信息和路邊行人反饋信息獲得實時參考信息，從而做出具體調(diào)度判斷。該業(yè)務(wù)推動車、路、云一體化，進而給城市交通規(guī)劃設(shè)想了一種新的可能。

    根據(jù)5GAA定義，針對不同級別的編隊需求及不同的通信渠道，該場景要求最小的通信覆蓋距離是100 m左右，最小10 ms的端到端時延，單車要求50 Mb/s的上行吞吐，可靠性最大要求99.99%。

1.3 擴展傳感

    擴展傳感場景允許車輛、路邊單元(RSU)、行人設(shè)備和V2X應(yīng)用服務(wù)器之間交換本地傳感器采集的數(shù)據(jù)(包括原始數(shù)據(jù)或處理數(shù)據(jù))，提高對環(huán)境的感知，更全面地了解當?shù)厍闆r。

    基于擴展傳感的城市交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)可以實現(xiàn)基于實時互聯(lián)數(shù)據(jù)的信號燈動態(tài)優(yōu)化、動態(tài)潮汐車道配置優(yōu)化、車輛路徑引導(dǎo)優(yōu)化、智能停車引導(dǎo)、專用車道緊急調(diào)度等城市交通功能的優(yōu)化處理，實現(xiàn)真正的車、路、人、云協(xié)同。5G NR V2X中的拓展傳感場景如圖3所示。

    根據(jù)5GAA定義，針對不同的應(yīng)用場景需求，該場景要求最大的通信覆蓋距離是1 000 m左右，最小3 ms的端到端時延，最大要求1 Gb/s的系統(tǒng)吞吐，可靠性最大要求99.999%。

1.4 高級駕駛

    高級駕駛可以實現(xiàn)半自動或全自動駕駛。每輛車和/或RSU將從本地傳感器獲得的數(shù)據(jù)與接近的車輛共享，從而使車輛能夠協(xié)調(diào)其軌跡或機動。每輛車的駕駛意向與接近的車輛共享，這種使用案例組的好處是更安全的旅行、避碰和提高交通效率。典型的應(yīng)用場景包括車道內(nèi)車輛的協(xié)同匯入?yún)R出、車輛間協(xié)同緊急避險、停車場自動泊車等。5G NR V2X中的高級駕駛場景如圖4所示。

    根據(jù)第三代合作伙伴計劃(Third Generation Partnership Project，3GPP)定義，針對不同的應(yīng)用場景需求，該場景要求最大的通信覆蓋距離是1 000 m左右，最小3 ms的端到端時延，最大要求1 Gb/s的系統(tǒng)吞吐，可靠性最大要求99.999%。

2 關(guān)鍵技術(shù)

    5G NR V2X基于5G空口無線技術(shù)體系演進，并繼承了NR網(wǎng)絡(luò)的諸多關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 NR V2X架構(gòu)

    NR V2X架構(gòu)分為獨立部署(Standalone)和雙連接部署(Multi-Rat Dual Connectivity，MR-DC)兩種類型，涵蓋6種場景，如圖5所示。其中場景1～3為Standalone場景，場景4～6為MR-DC場景，在MR-DC場景下，輔節(jié)點(Secondary Node)不能對側(cè)行鏈路(Sidelink)資源進行管理和分配。

    場景1～3中，分別由gNB、ng-eNB和eNB對在LTE Sidelink和NR Sidelink中進行V2X通信的UE進行管理或配置；場景4～6中，由主節(jié)點(Main Node，MN)來對在LTE Sidelink和NR Sidelink中進行V2X通信的UE進行管理或配置。

2.2 側(cè)行鏈路設(shè)計和增強

    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，最早是在D2D應(yīng)用場景下引入的，V2X體系中進行了擴充和增強。NR Sidelink主要由PSCCH信道(Physical Sidelink Control Channel)、PSSCH信道(Physical Sidelink Shared Channel)、PSBCH信道(Physical Sidelink Broadcast Channel)和PSFCH信道(Physical Sidelink Feedback Channel)組成。

    側(cè)行鏈路的設(shè)計和增強具體內(nèi)容包括研究側(cè)行鏈路上的單播、組播和廣播傳輸，研究基于NR的側(cè)行鏈路的物理層架構(gòu)和流程，研究側(cè)行鏈路的同步機制，研究側(cè)行鏈路的資源分配模式，研究側(cè)行鏈路的層2/層3協(xié)議等。

2.3 Uu鏈路增強

    NR V2X網(wǎng)絡(luò)中的車輛通過Uu鏈路與基站/路邊單元進行通信。相比于LTE V2X車聯(lián)網(wǎng)，NR V2X所支持的高級業(yè)務(wù)對傳輸速率、時延和可靠性都有更高的要求，因而對Uu鏈路性能也提出了更高要求。當前3GPP研究點主要包括Uu鏈路高速率低時延多播傳輸、更加靈活的半靜態(tài)調(diào)度(Semi-Persistent Scheduling，SPS)或免調(diào)度的傳輸模式等。

2.4 基于Uu的側(cè)行鏈路資源分配

    在車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，當車輛位于蜂窩網(wǎng)的覆蓋范圍內(nèi)時，車輛與車輛之間通過側(cè)行鏈路進行通信的資源可以通過基站來進行分配。同時，考慮到NR Uu、NR V2X與LTE Uu、LTE V2X會同時存在，因而需要研究通過LTE Uu和NR Uu來控制NR側(cè)行傳輸，以及通過NR Uu來控制LTE側(cè)行傳輸，從而保證無論是裝載LTE V2X終端的車輛還是裝載NR V2X終端的車輛在處于LTE基站覆蓋下或NR基站覆蓋下時均能正常地進行側(cè)行鏈路通信，如圖6所示。

2.5 設(shè)備內(nèi)共存

    隨著LTE V2X和NR V2X的陸續(xù)商用，車載終端設(shè)備可能既有LTE V2X模塊，也有NR V2X模塊，并且會同時支持LTE V2X業(yè)務(wù)和NR V2X業(yè)務(wù)。為了保證不同類型V2X業(yè)務(wù)的正常傳輸，需要研究設(shè)備內(nèi)的LTE側(cè)行鏈路和NR側(cè)行鏈路的共存問題。具體內(nèi)容包括LTE側(cè)行發(fā)送和NR側(cè)行發(fā)送重疊時車載終端設(shè)備的傳輸模式，以及LTE側(cè)行接收和NR側(cè)行接收重疊時的車載終端傳輸模式。相應(yīng)的傳輸模式可能為FDM頻分復(fù)用和TDM時分復(fù)用。其中，TDM解決方案是避免NR和LTE Sidelink的同時或交疊傳輸，F(xiàn)DM解決方案是涉及NR和LTE sidelink的同時傳輸。圖7給出LTE V2X傳輸和NR V2X傳輸時分復(fù)用的示意。

2.6 通信鏈路類型選擇

    在車聯(lián)網(wǎng)中，車載設(shè)備的通信可以選擇通過側(cè)行鏈路進行，也可以選擇通過Uu鏈路進行。對于同時支持LTE V2X和NR V2X的車載終端，其可以選擇的通信鏈路包括LTE Uu、NR Uu、LTE側(cè)行、NR側(cè)行。同時，車載終端在不同的環(huán)境或者狀態(tài)下，各個鏈路的狀況也會有所不同。例如，在無覆蓋的場景下，車載終端只能通過側(cè)行鏈路進行通信；或者在帶通信車輛相距較遠時，可以通過Uu鏈路通信。因此，需要系統(tǒng)地研究在不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下、不同的場景下以及不同的通信需求下，如何選擇合適的通信鏈路，從而保證V2X通信的質(zhì)量。同時，也要考慮到不同類型車載終端的能力的不同，例如部分車載終端只支持LTE V2X或者部分車載終端支持NR V2X。

3 標準進展^[1-2]

    3GPP NR V2X標準化工作從Release 16開始，在2018年6月的RAN#80次會議上，沃達豐向全會提交了“New SID: Study on NR V2X”的研究議題申請^[5]，標志著NR V2X SI的正式立項。NR V2X SI一共經(jīng)歷了5次RAN1會議，包括RAN1#94、RAN1#94b、RAN1#95、RAN1 AH1901和RAN1#96。從RAN1#96b會議開始，NR V2X進入標準制定的WI階段。目前，NR V2X標準化工作已取得很多實質(zhì)性進展。

3.1 側(cè)行鏈路的物理層結(jié)構(gòu)

    NR V2X的側(cè)行傳輸波形統(tǒng)一為循環(huán)前綴-正交頻分復(fù)用（Cyclic Prefix Orthogonal Frequency Division Multiplexing，CP-OFDMCP-OFDM）。NR V2X時頻資源在繼續(xù)沿用資源池概念同時，引入NR新定義的部分帶寬。對于NR V2X的物理信道，除了支持LTE V2X中已經(jīng)定義的物理側(cè)行共享信道PSSCH、物理側(cè)行控制信道PSCCH、物理側(cè)行廣播信道PSBCH外，新增物理側(cè)行反饋信道PSFCH用于HARQ反饋信息的傳輸。

3.2 側(cè)行鏈路物理層流程

    NR V2X在支持單播和組播的傳輸?shù)幕A(chǔ)上，同時支持混合自動請求重傳(Hybrid Automatic Repeat reQuest，HARQ)反饋、側(cè)行鏈路功率控制、側(cè)行鏈路信道狀態(tài)信息（Channel State Information，CSI）測量及反饋。對于多播HARQ反饋，支持只反饋否定性確認（Negative ACKnowledgement，NACK）和反饋確認（ACKnowledgement，ACK）/NACK兩種模式。對于側(cè)行鏈路CSI，NR V2X新引入了側(cè)行信道狀態(tài)信息參考信號（Channel State Information Reference Signal，CSI-RS），支持信道質(zhì)量指示（Channel Quality Indicator，CQI）/秩指示（Rank Indicator，RI）的上報，并且CSI-RS和PSSCH一起傳輸^[5]。對于側(cè)行功率控制，支持基于下行鏈路路徑損耗的功率控制、基于側(cè)行鏈路路徑損耗的功率控制以及基于下行鏈路路徑損耗和側(cè)行鏈路路徑損耗的功率控制。

3.3 側(cè)行鏈路資源分配

    NR V2X支持兩種類型的資源分配模式：模式一和模式二，其中模式一是在基站控制下的資源分配模式，而模式二是UE自主選擇的資源分配模式。對于模式一，支持發(fā)送端UE向基站上報側(cè)行傳輸?shù)拇_認信息ACK/NACK。對于模式二，支持基于終端UE偵聽的資源選擇模式，并且最小偵聽粒度是資源池中的一個子信道。

3.4 側(cè)行同步

    NR V2X引入了側(cè)行同步信號塊，其概念和NR的同步信號塊類似。側(cè)行同步信號塊中包含側(cè)行主同步信號（Sidelink Primary Synchronization Signal，S-PSS）、側(cè)行輔同步信號（Sidelink Secondary Synchronization Signal，S-SSS）和PSBCH信道，并且其所占帶寬確定為11個資源塊（Resource Block，RB）。其中，S-PSS和S-SSS分別為長度為127的M序列和長度為127的Gold序列，并且S-PSS和S-SSS各占據(jù)2個OFDM符號。

3.5 NR Uu控制LTE側(cè)行鏈路

    當前的NR V2X標準重點討論了NR Uu控制LTE側(cè)行鏈路的模式。具體地，NR Uu鏈路可以配置LTE側(cè)行鏈路的SPS傳輸，并且可以通過下行控制信息(Downlink Control Information，DCI)來激活或者去激活。而是否支持NR Uu控制LTE側(cè)行傳輸則取決于UE能力。

4 結(jié)束語

    5G NR V2X車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以V2X高級自動駕駛業(yè)務(wù)為目標，支持更高傳輸速率、更高可靠性和更低的誤碼率。5G NR V2X以NR技術(shù)為基礎(chǔ)，繼承了NR諸多關(guān)鍵特性，從而具有更好的靈活性、更好的頻譜效率，易于更好地適應(yīng)各種不同類型的業(yè)務(wù)需求和通信環(huán)境，充分滿足未來車聯(lián)網(wǎng)包括高級自動駕駛在內(nèi)的眾多需求。

參考文獻

[1] 3GPP TS 36.213 V15.2.0 (2018-06)[S].2018.

[2] ARANITI G，CAMPOLO C，CONDOLUCI M，et al.LTE for vehicular networking：a survey[J].IEEE Communications Magazine，2013，51(5)：148-157.

[3] GALLO L，HARRI J.Short paper：a LTE-direct broadcast mechanism for periodic vehicular safety communications[C].2013 IEEE Vehicular Networking Conference(VNC)，Boston，MA，USA，2013.

[4] KATO S，HILTUNEN M，JOSHI K，et al.Enabling vehicular safety applications over LTE networks[C].2013 International Conference on Connected Vehicles Expo(ICCVE)，2013：747-752.

[5] RP-181480，New SID：Study on NR V2X[R].2018.

作者信息:

朱雪田

(中國電信股份有限公司研究院，北京102209)