0 引言

    隨著城市規(guī)模的日益增長(zhǎng)，高效的交通控制和管理成為一個(gè)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(yàn)是現(xiàn)代智能交通控制基礎(chǔ)設(shè)施的最重要目標(biāo)。經(jīng)過近年來的技術(shù)發(fā)展，單車自動(dòng)駕駛技術(shù)越來越成熟，自動(dòng)駕駛和智能輔助駕駛成為汽車銷售新的賣點(diǎn)。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(chǎng)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(jìn)，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(gè)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(shí)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(shí)延、高可靠等特殊嚴(yán)苛的通信要求。C-V2X是基于蜂窩移動(dòng)通信為基礎(chǔ)的V2X技術(shù)，分為L(zhǎng)TE 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(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)?；趦煞N模式的V2V和V2I通信對(duì)時(shí)延和可靠性沒有嚴(yán)格要求，但隨著丟包和時(shí)延的增加，通信質(zhì)量出現(xiàn)下降^[2]。由于時(shí)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(jí)自動(dòng)駕駛場(chǎng)景，必須通過更新V2X技術(shù)滿足未來高級(jí)別自動(dòng)駕駛的需求，5G新空口(New Radio，5G NR)V2X應(yīng)運(yùn)而生。本文將基于V2X新的應(yīng)用場(chǎng)景，結(jié)合3GPP 5G NR V2X標(biāo)準(zhǔn)的主要進(jìn)展，進(jìn)行需求分析并提出解決方案。

1 應(yīng)用場(chǎng)景^[3]

    自動(dòng)駕駛是未來汽車的終極發(fā)展目標(biāo)，但由于技術(shù)的發(fā)展規(guī)律，會(huì)經(jīng)歷從最初的輔助駕駛、部分自動(dòng)駕駛、有條件自動(dòng)駕駛、高度自動(dòng)駕駛到未來的完全自動(dòng)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(dāng)前單車自動(dòng)駕駛主要基于現(xiàn)有傳感器技術(shù)，如雷達(dá)、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(bǔ)作用，提升駕駛安全。V2X通信技術(shù)的發(fā)展將為自動(dòng)駕駛提供更加穩(wěn)定、高速、低時(shí)延、高可靠的通信服務(wù)，使得網(wǎng)聯(lián)式自動(dòng)駕駛成為未來重要發(fā)展方向。

    5G V2X技術(shù)重點(diǎn)支持面向自動(dòng)駕駛的應(yīng)用場(chǎng)景，總體分為編隊(duì)駕駛、高級(jí)駕駛、遠(yuǎn)程駕駛和傳感器共享等主要領(lǐng)域，并為不同等級(jí)的自動(dòng)駕駛提供全方位的網(wǎng)聯(lián)化信息。

1.1 遠(yuǎn)程駕駛

    遠(yuǎn)程駕駛是指遠(yuǎn)程司機(jī)或V2X應(yīng)用程序?yàn)槟切┎荒茏约厚{駛的乘客或位于危險(xiǎn)環(huán)境中的遠(yuǎn)程車輛操作遠(yuǎn)程車輛，在變化有限且路由可預(yù)測(cè)的情況下(例如：公共交通等)，可以使用基于云計(jì)算的駕駛。5G NR V2X中的遠(yuǎn)程駕駛場(chǎng)景如圖1所示。

    遠(yuǎn)程駕駛需要實(shí)施路況回傳，這對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)的帶寬和時(shí)延需求是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。根據(jù)5G汽車聯(lián)盟(5GAA)定義，該場(chǎng)景要求最小的通信覆蓋距離是300 m，20 ms的端到端時(shí)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(duì)行駛^[4]

    車輛自動(dòng)編隊(duì)允許車隊(duì)成員動(dòng)態(tài)變化，車隊(duì)中的跟隨車輛實(shí)時(shí)接收頭車的相關(guān)操作信息指示。這樣車隊(duì)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(duì)過程中，車輛間需要協(xié)同變道實(shí)現(xiàn)車隊(duì)的匯入和匯出；再次，頭車發(fā)出的操作指令需要以最小時(shí)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(duì)行駛場(chǎng)景如圖2所示。

    車輛編隊(duì)分為臨時(shí)行為和長(zhǎng)期行為。臨時(shí)行為可以是車輛在某繁忙的交通路口通過編隊(duì)臨時(shí)組成通行車隊(duì)，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(dá)成該目標(biāo)；長(zhǎng)期行為主要體現(xiàn)在高速路口上，一種可能的場(chǎng)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(gè)由頭車控制的車隊(duì)，跟隨車輛可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(duì)需要基于中心控制器來實(shí)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(bào)信息和路邊行人反饋信息獲得實(shí)時(shí)參考信息，從而做出具體調(diào)度判斷。該業(yè)務(wù)推動(dòng)車、路、云一體化，進(jìn)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(duì)不同級(jí)別的編隊(duì)需求及不同的通信渠道，該場(chǎng)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(shí)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(kuò)展傳感

    擴(kuò)展傳感場(chǎng)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(duì)環(huán)境的感知，更全面地了解當(dāng)?shù)厍闆r。

    基于擴(kuò)展傳感的城市交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)可以實(shí)現(xiàn)基于實(shí)時(shí)互聯(lián)數(shù)據(jù)的信號(hào)燈動(dòng)態(tài)優(yōu)化、動(dòng)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(shí)現(xiàn)真正的車、路、人、云協(xié)同。5G NR V2X中的拓展傳感場(chǎng)景如圖3所示。

    根據(jù)5GAA定義，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景需求，該場(chǎng)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(shí)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(jí)駕駛

    高級(jí)駕駛可以實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)或全自動(dòng)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(jī)動(dòng)。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(chǎng)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(xiǎn)、停車場(chǎng)自動(dòng)泊車等。5G NR V2X中的高級(jí)駕駛場(chǎng)景如圖4所示。

    根據(jù)第三代合作伙伴計(jì)劃(Third Generation Partnership Project，3GPP)定義，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景需求，該場(chǎng)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(shí)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(jìn)，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(dú)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(chǎng)景，如圖5所示。其中場(chǎng)景1～3為Standalone場(chǎng)景，場(chǎng)景4～6為MR-DC場(chǎng)景，在MR-DC場(chǎng)景下，輔節(jié)點(diǎn)(Secondary Node)不能對(duì)側(cè)行鏈路(Sidelink)資源進(jìn)行管理和分配。

    場(chǎng)景1～3中，分別由gNB、ng-eNB和eNB對(duì)在LTE Sidelink和NR Sidelink中進(jìn)行V2X通信的UE進(jìn)行管理或配置；場(chǎng)景4～6中，由主節(jié)點(diǎn)(Main Node，MN)來對(duì)在LTE Sidelink和NR Sidelink中進(jìn)行V2X通信的UE進(jìn)行管理或配置。

2.2 側(cè)行鏈路設(shè)計(jì)和增強(qiáng)

    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(chǎng)景下引入的，V2X體系中進(jìn)行了擴(kuò)充和增強(qiáng)。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(jì)和增強(qiáng)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(jī)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(qiáng)

    NR V2X網(wǎng)絡(luò)中的車輛通過Uu鏈路與基站/路邊單元進(jìn)行通信。相比于LTE V2X車聯(lián)網(wǎng)，NR V2X所支持的高級(jí)業(yè)務(wù)對(duì)傳輸速率、時(shí)延和可靠性都有更高的要求，因而對(duì)Uu鏈路性能也提出了更高要求。當(dāng)前3GPP研究點(diǎn)主要包括Uu鏈路高速率低時(shí)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(dāng)車輛位于蜂窩網(wǎng)的覆蓋范圍內(nèi)時(shí)，車輛與車輛之間通過側(cè)行鏈路進(jìn)行通信的資源可以通過基站來進(jìn)行分配。同時(shí)，考慮到NR Uu、NR V2X與LTE Uu、LTE V2X會(huì)同時(shí)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(shí)均能正常地進(jìn)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(huì)同時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)分復(fù)用。其中，TDM解決方案是避免NR和LTE Sidelink的同時(shí)或交疊傳輸，F(xiàn)DM解決方案是涉及NR和LTE sidelink的同時(shí)傳輸。圖7給出LTE V2X傳輸和NR V2X傳輸時(shí)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(jìn)行，也可以選擇通過Uu鏈路進(jìn)行。對(duì)于同時(shí)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(shí)，車載終端在不同的環(huán)境或者狀態(tài)下，各個(gè)鏈路的狀況也會(huì)有所不同。例如，在無覆蓋的場(chǎng)景下，車載終端只能通過側(cè)行鏈路進(jìn)行通信；或者在帶通信車輛相距較遠(yuǎn)時(shí)，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(chǎng)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(shí)，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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展^[1-2]

    3GPP NR V2X標(biāo)準(zhǔn)化工作從Release 16開始，在2018年6月的RAN#80次會(huì)議上，沃達(dá)豐向全會(huì)提交了“New SID: Study on NR V2X”的研究議題申請(qǐng)^[5]，標(biāo)志著NR V2X SI的正式立項(xiàng)。NR V2X SI一共經(jīng)歷了5次RAN1會(huì)議，包括RAN1#94、RAN1#94b、RAN1#95、RAN1 AH1901和RAN1#96。從RAN1#96b會(huì)議開始，NR V2X進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)制定的WI階段。目前，NR V2X標(biāo)準(zhǔn)化工作已取得很多實(shí)質(zhì)性進(jìn)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(shí)頻資源在繼續(xù)沿用資源池概念同時(shí)，引入NR新定義的部分帶寬。對(duì)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(shí)支持混合自動(dòng)請(qǐng)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(cè)量及反饋。對(duì)于多播HARQ反饋，支持只反饋否定性確認(rèn)（Negative ACKnowledgement，NACK）和反饋確認(rèn)（ACKnowledgement，ACK）/NACK兩種模式。對(duì)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(hào)（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(bào)，并且CSI-RS和PSSCH一起傳輸^[5]。對(duì)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(duì)于模式一，支持發(fā)送端UE向基站上報(bào)側(cè)行傳輸?shù)拇_認(rèn)信息ACK/NACK。對(duì)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(gè)子信道。

3.4 側(cè)行同步

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

3.5 NR Uu控制LTE側(cè)行鏈路

    當(dāng)前的NR V2X標(biāo)準(zhǔn)重點(diǎn)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(jí)自動(dòng)駕駛業(yè)務(wù)為目標(biāo)，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(jí)自動(dòng)駕駛在內(nèi)的眾多需求。

參考文獻(xiàn)

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作者信息:

朱雪田

(中國(guó)電信股份有限公司研究院，北京102209)