0 引言

    車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是能夠?qū)崿F(xiàn)智能網(wǎng)聯(lián)汽車與公共網(wǎng)絡(luò)通信的移動(dòng)通信系統(tǒng)。車用無線通信技術(shù)(Vehicle to Everything，V2X)是車輛與一切事物相連接的新一代信息通信技術(shù)，其模式包括：車-車(Vehicle to Vehicle，V2V)、車-路(Vehicle to Infrastructure，V2I)、車-人(Vehicle to Pedestrian，V2P)、車-網(wǎng)絡(luò)(Vehicle to Network，V2N)的交互，如圖1所示。

    目前，我國已為LTE-V2X規(guī)劃了5 905～5 925 MHz頻率用于直連通信(工信部無[2018]203號(hào))。3GPP也已啟動(dòng)了5G NR V2X的標(biāo)準(zhǔn)化工作，計(jì)劃于2019年底之前完成。根據(jù)未來移動(dòng)通信論壇(FuTURE Forum)和車載信息服務(wù)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用聯(lián)盟(TIAA)聯(lián)合發(fā)布的白皮書，根據(jù)智能網(wǎng)聯(lián)汽車的滲透率不同，支持自動(dòng)駕駛至少還需40~400 MHz的頻譜資源?，F(xiàn)有可能成為全球協(xié)調(diào)頻率的5 850~5 925 MHz難以滿足全部的頻譜需求，存在頻段上擴(kuò)的需求和空間。

    本文從兼容性角度分析在6 GHz頻段為V2X尋求頻譜資源擴(kuò)展的可行性。

1 C-V2X概述

    C-V2X(Cellular Vehicle to Everything)是基于蜂窩通信技術(shù)演進(jìn)形成的技術(shù)。C-V2X包含兩種通信接口：PC5接口(車、人、路之間的短距離直接通信接口)和Uu接口(基站和終端之間的通信接口，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離和更大范圍的可靠通信)。C-V2X是基于3GPP全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的通信技術(shù)，包含LTE-V2X和5G-V2X，從技術(shù)演進(jìn)角度講，LTE-V2X支持向5G-V2X平滑演進(jìn)。

    C-V2X支持有蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋和無蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋兩種工作場景。當(dāng)車載終端、智能手機(jī)、路測單元等支持C-V2X的終端設(shè)備處于蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋內(nèi)時(shí)，可在蜂窩網(wǎng)絡(luò)的下使用Uu接口來進(jìn)行V2X通信；而PC5接口無論是否有蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋，均可進(jìn)行V2X通信。C-V2X將這兩種接口相互結(jié)合，相互支持，共同支撐V2X業(yè)務(wù)傳輸，能夠形成有效的冗余，用來保障通信的可靠性。

1.1 PC5接口關(guān)鍵技術(shù)

    C-V2X在PC5接口上的機(jī)制設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是LTE-D2D技術(shù)。為支持V2X消息廣播，行駛方向、速度、位置等快速變化的動(dòng)態(tài)信息交換，以及未來更先進(jìn)的自動(dòng)駕駛應(yīng)用(如共享傳感器、車輛編隊(duì)行駛)等，C-V2X在多方面進(jìn)行了增強(qiáng)設(shè)計(jì)，主要包括：

    (1)物理層結(jié)構(gòu)增強(qiáng)。為了解決車輛間因相對(duì)高速度而導(dǎo)致的多普勒效應(yīng)和頻率偏移等問題，C-V2X對(duì)物理層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了增強(qiáng)。

    (2)支持全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)同步。在C-V2X通信期間，需要使其發(fā)射端和接收端保持同步，以此來確保通信性能。此外，C-V2X可支持多種同步源類型(如車輛、基站、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等)，通信終端能夠通過調(diào)取預(yù)配置信息、網(wǎng)絡(luò)控制等方式來獲取最優(yōu)同步源，以最大程度來實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)同步。同時(shí)，C-V2X還能依靠對(duì)最優(yōu)同步源的動(dòng)態(tài)維護(hù)，使終端能夠及時(shí)同步到高優(yōu)先級(jí)的同步源。

    (3)更高效的資源管理機(jī)制和擁塞控制機(jī)制。PC5接口作為C-V2X的核心技術(shù)，可支持Mode-3和Mode-4(即資源調(diào)度式分配方式和終端自主資源分配方式)。另一方面，C-V2X還支持集中式和分布式相結(jié)合的擁塞控制機(jī)制，可以顯著提升高密度場景下的用戶接入數(shù)。

1.2 Uu接口關(guān)鍵技術(shù)

    為了更好地匹配V2X的業(yè)務(wù)特性，C-V2X在Uu接口上主要對(duì)以下幾個(gè)功能進(jìn)行了增強(qiáng)：

    (1)上下行傳輸能力。上行傳輸支持基于業(yè)務(wù)特性的多路半靜態(tài)調(diào)度，不僅能夠保持業(yè)務(wù)傳輸?shù)母呖煽啃裕€能使上行調(diào)度時(shí)延大幅度降低。下行傳輸針對(duì)V2X業(yè)務(wù)的局部通信特性，支持小范圍廣播、低時(shí)延的多播/組播和單小區(qū)點(diǎn)到點(diǎn)單播。此外，LTE-V2X還支持核心網(wǎng)元本地化部署，并且為了保證業(yè)務(wù)傳輸?shù)男阅?，還針對(duì)V2X業(yè)務(wù)特性定義了專用服務(wù)質(zhì)量參數(shù)。

    (2)多接入邊緣計(jì)算研究。針對(duì)如自動(dòng)駕駛、實(shí)時(shí)高清地圖下載等具備超低時(shí)延、超高可靠性傳輸需求的車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，C-V2X可以采用多接入邊緣計(jì)算技術(shù)。目前ETSI和3GPP等標(biāo)準(zhǔn)組織都將該技術(shù)作為重點(diǎn)研究項(xiàng)目，針對(duì)其整體框架、用戶選擇、業(yè)務(wù)分流、移動(dòng)性和業(yè)務(wù)連續(xù)性以及網(wǎng)絡(luò)能力開放等關(guān)鍵方面進(jìn)行研究。

2 衛(wèi)星固定通信系統(tǒng)

    衛(wèi)星固定通信系統(tǒng)一般分為空間段(通信衛(wèi)星)、地面段（地球站和關(guān)口站）、跟蹤遙測及指令分系統(tǒng)、監(jiān)控管理系統(tǒng)四大部分組成。

    (1)空間段：由中圓地球軌道衛(wèi)星、地球靜止軌道衛(wèi)星和傾斜地球同步軌道衛(wèi)星等3種軌道衛(wèi)星組成，主要起無線中繼站的作用，通過衛(wèi)星搭載的星上轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)地球站的信號(hào)。

    (2)地面段：地球站一方面負(fù)責(zé)將地面信號(hào)發(fā)送到衛(wèi)星，另一方面接收來自衛(wèi)星的信號(hào)后發(fā)送給相應(yīng)的地面用戶終端。關(guān)口站可以認(rèn)為是一種特殊的地球站，是衛(wèi)星通信系統(tǒng)的核心，為公眾網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)提供傳輸信道。

    (3)跟蹤遙測及指令分系統(tǒng)：跟蹤檢測衛(wèi)星信息，修正其運(yùn)行軌道和保持其位置姿勢。

    (4)監(jiān)控管理系統(tǒng)：對(duì)通信性能進(jìn)行監(jiān)測和控制，以確保系統(tǒng)能夠正常通信，并能滿足不同衛(wèi)星通信系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)要求。

    甚小天線地球站(Very Small Aperture Terminal，VSAT)是衛(wèi)星固定通信系統(tǒng)中的一個(gè)典型應(yīng)用，主要包括主站部分、小站部分及用戶終端。

    VSAT主站部分的設(shè)備配置較遠(yuǎn)端小站復(fù)雜，天線尺寸大，發(fā)射功率高。VSAT網(wǎng)絡(luò)基帶設(shè)備負(fù)責(zé)處理衛(wèi)星信號(hào)，包括調(diào)制解調(diào)器、復(fù)用器和編/解碼器，通過網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)進(jìn)行管理；程控交換機(jī)用于管理電話通信；關(guān)口站用于連接PSTN和Internet。

    VSAT小站部分的天線尺寸小，發(fā)射功率低，負(fù)責(zé)天線接收、射頻處理及衛(wèi)星信號(hào)處理。

    用戶終端負(fù)責(zé)普通用戶接入終端(如固定電話、視頻播放器等)。

    根據(jù)我國無線電頻率劃分規(guī)定，5 925 MHz以上頻率主要業(yè)務(wù)有固定業(yè)務(wù)、衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)(Fixed Satellite Service，F(xiàn)SS)和移動(dòng)業(yè)務(wù)，表1所示為該頻率段劃分表。其中5 925～7 125 MHz頻段是C波段FSS的上行頻段，F(xiàn)SS也是該頻段實(shí)際使用最多的無線電業(yè)務(wù)。由于固定業(yè)務(wù)(該頻段主要是微波系統(tǒng))點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信架設(shè)高度通常較高，故與V2X易于兼容，而移動(dòng)業(yè)務(wù)雖已被劃分，但仍未啟動(dòng)相關(guān)應(yīng)用，因此V2X與FSS的兼容性將影響V2X業(yè)務(wù)在該頻段的頻譜擴(kuò)展。

3 兼容性研究相關(guān)參數(shù)

3.1 V2X系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

    車聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)駕駛類應(yīng)用是3GPP目前研究的5G uRLLC技術(shù)的重要場景之一。NR-V2X技術(shù)支持自動(dòng)駕駛技術(shù)場景，與LTE-V2X基礎(chǔ)類安全駕駛輔助協(xié)同形成場景互補(bǔ)。根據(jù)3GPP目前的性能評(píng)估研究，本研究主要參考TR37.885關(guān)于NR-V2X的參數(shù)^[1]，以用于系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行兼容性共存研究，相關(guān)參數(shù)如表2所示。

    中國及其周邊區(qū)域內(nèi)在同一時(shí)刻處于發(fā)射狀態(tài)的NR-V2X設(shè)備總數(shù)計(jì)算如表3所示。

3.2 衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)系統(tǒng)參數(shù)

    5 925～7 125 MHz頻段FSS系統(tǒng)參數(shù)如表4所示。

4 V2X系統(tǒng)與FSS系統(tǒng)的共存研究

4.1 V2X系統(tǒng)與FSS系統(tǒng)干擾場景

    選擇干擾惡劣的情況，具體如圖2所示。

4.2 自由空間傳播模型

    V2X系統(tǒng)干擾FSS衛(wèi)星，采用ITU-R SG3提供的ITU-R P.525傳播模型^[2]。

    對(duì)于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路，使用下述公式計(jì)算全向天線間的自由空間衰減，即自由空間基本傳輸損耗：

其中，f是頻率，d是距離。

4.3 Clutter Loss模型

    Clutter Loss模型主要采用ITU-R P.2108模型^[3]。

    對(duì)地面到地面的路徑L_ctt，不超過p%位置的地物損耗由下面的公式給出：

4.4 確定性計(jì)算

    確定性分析方法是在各參數(shù)、頻譜發(fā)射模板等條件下，根據(jù)通信處于最惡劣的環(huán)境下，得到被干擾系統(tǒng)受到的最大干擾。

    一條典型的干擾鏈路主要包括干擾系統(tǒng)、被干擾系統(tǒng)及傳播路徑。具體來說，包括干擾發(fā)射功率、干擾和被干擾天線增益、路損，滿足如下公式：

其中，P_rx表示干擾功率，P_tx表示發(fā)射功率，G_tx表示發(fā)射天線增益，G_rx表示接收天線增益，L_loss表示傳輸損耗。

    通過上述公式可以得到被干擾系統(tǒng)接收機(jī)的干擾功率，對(duì)比保護(hù)準(zhǔn)則可以評(píng)估是否滿足保護(hù)條件。同頻干擾評(píng)估公式如下：

其中，K表示玻爾茲曼常數(shù)，B表示帶寬，T表示噪聲溫度。

    由表4可知衛(wèi)星的G/T值，所以評(píng)估公式可變?yōu)椋?/p>

    若I/N-I₀≥0，則說明兩個(gè)系統(tǒng)之間沒有干擾，可以共存；若I/N-I₀<0，則說明兩個(gè)系統(tǒng)之間存在干擾。

5 計(jì)算結(jié)果

    針對(duì)60E和116E兩個(gè)同步地球軌道衛(wèi)星軌位，根據(jù)式(9)可以算出兩個(gè)衛(wèi)星軌位下的I0值，結(jié)果如表5所示。

    由表5可以看出，衛(wèi)星位于60E軌位時(shí)，可以共存，還有30.9 dB的保護(hù)余量；衛(wèi)星位于116E軌位時(shí)，可以共存，還有23.9 dB的保護(hù)余量。

6 結(jié)論

    基于V2X未來頻譜需求預(yù)測，經(jīng)過初步確定性分析，結(jié)果顯示V2X系統(tǒng)可與6 GHz頻段FSS系統(tǒng)兼容共存，頻譜資源向上擴(kuò)展具備一定的可行性。未來實(shí)際的頻譜使用還需要根據(jù)V2X業(yè)務(wù)的發(fā)展對(duì)頻譜資源的實(shí)際需求，結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)參數(shù)開展進(jìn)一步仿真研究和測試論證。

參考文獻(xiàn)

[1] Study on evaluation methodology of new vehicle-to-every-thing(V2X) use cases for LTE and NR(Release 15)[S].3rd Generation Partnership Project(3GPP) TR 37.885，2018.

[2] Recommendation ITU-R P.525. Calculation of free-space attenuation[S].Geneva：ITU，2016.

[3] Recommendation ITU-R P.2018.Prediction of clutter loss[S].Geneva：ITU，2017.

作者信息:

張少偉

(中國電信股份有限公司智能網(wǎng)絡(luò)與終端研究院，北京102209)