车联网CV2X技术演进及产业实践Word文档下载推荐.docx
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随着自动驾驶等车联网增强应用的发展，业内对车联网增强应用的场景、用例及通信需求展开讨论[3-5]。
R15LTEeV2X仍基于LTE技术设计，主要在Sidelink上引入了多载波操作、高阶调制、发送分集和时延缩减等新的技术特征支持车联网增强应用[6]。
R15LTEeV2X从数据速率和传输时延上有所提升，但基于周期性基本安全业务的广播通信方式，不能满足下一代的V2X增强应用需求。
2017年年底，3GPP完成了基于新空口（NewRadio，NR）的5G标准第一个版本（R15），NR作为全新的无线传输技术，不需要考虑与LTE后向兼容问题，从而提供了更灵活的设计，能够满足更宽广的业务需求。
3GPP持续推动C-V2X标准化，于2018年年中启动基于5GNR技术的R16NR-V2X标准立项，并于2020年6月完成技术标准研究工作[7]。
R16NR-V2X是R14/R15LTE-V2X的持续演进，用来支持增强的车联网应用业务，需要在Sidelink上支持更灵活的V2X业务，同时提供更可靠、时延更短以及数据速率更高的通信服务。
R17NR-V2X于2019年12月立项，计划于2022年3月完成，支持车辆间协调、省电机制等，进一步有效支持车联网增强应用[8]。
可以看出，C-V2X从技术角度包括LTE-V2X和NR-V2X，从应用角度可以分近期和中远期两个阶段。
近期应用主要支持基本安全相关的业务，辅助驾驶、提升安全、提高交通效率；
中长期将结合人工智能、大数据等新技术，融合雷达、视频感知等技术，支持自动驾驶及更丰富的车联网增强应用。
NR-V2X是LTE-V2X技术持续发展和演进的阶段，二者是互补关系。
从车联网产业化角度，C-V2X在我国得到系列政策的支持，产业界也积极推动产品研发、技术示范及先导应用，以C-V2X技术为核心已经形成了完整的产业生态。
我国于2018年11月率先为LTE-V2X直联通信划分了5.9GHz频段20MHz资源，引领国际车联网频谱规划。
我国产业界率先完成基于R14LTE-V2X标准的互联互通测试，并处于国际领先地位。
3
车联网应用发展及通信需求
3.1
车联网典型安全应用及通信需求
车联网业务最初发展，通过车辆发送周期性或者根据事件触发的基本安全消息（BasicSafetyMessage，BSM），支持道路安全相关应用和功能，如前向碰撞预警、紧急刹车提醒、十字交叉路口预警、红绿灯提示和诱导通行等。
3GPP针对道路安全车联网的通信需求进行了研究并提出具体指标要求，如时延、可靠性、消息发送频度、数据包大小等，3GPP基于总结的通信需求，完成R14LTE-V2X标准化工作[9]。
R14LTE-V2X相关需求总结如表1所示。
表1
R14LTE-V2X典型通信需求
中国汽车工程学会应用层标准基于我国智能网联汽车和智能交通产业的现状与需求，定义了17种典型车联网应用，其中包括12种安全类业务、4类效率类业务和1类近场支付信息服务[10]。
3.2
车联网增强业务应用及通信需求
随着自动驾驶等技术快速发展，车辆编队、自动驾驶等相关车联网增强应用引发关注，车联网通信技术不断演进，业内对车联网增强应用的场景、用例及通信需求展开讨论。
3GPP业务需求工作组（TechnicalSpecificationGroupServiceandSystemAspects，TSG-SA）针对车联网增强应用的需求进行了讨论和定义，将车联网增强应用分为车辆编队行驶、高级驾驶、传感器扩展以及远程驾驶四大类，并总结出相应的通信需求[3-4]（见表2）。
表2
车联网增强应用的通信需求
（1）车辆编队行驶：
能够支持车辆动态组成车队进行行驶，所有编队行驶的车辆能够从头车获取信息，使得编队行驶保持米级车辆间距，从而提高交通运输效率，减少风阻，降低油耗[11]，典型应用如车辆编队行驶、编队行驶中的信息共享等。
（2）高级驾驶：
支持半/全自动驾驶，可通过邻近车辆之间共享感知数据，共享自己的驾驶意图，并进行驾驶策略的协调和同步，实现运动轨迹和操作协同，典型应用如协作冲突避免（Cooperativecollisionavoidance，CoCA）、紧急驾驶轨迹对准（EmergencyTrajectoryAlignment，EtrA）、协作换道等。
（3）传感器扩展：
要求交通参与者，如车-车、车-人以及车-V2X应用服务器，能够实现车载传感器或者车载动态视频信息的交互，从而扩展传感器的感知范围，以便获得更全面的当前道路的环境信息，这类应用一般要求的数据传输速率比较高。
（4）远程驾驶：
要求通过远程的驾驶员或V2X应用服务器对远程车辆进行操控和驾驶，这类应用要求更小的时延和更可靠的通信服务。
3.3
车联网增强应用特点分析
通过车联网增强应用的用例可以看出，增强应用种类更加丰富多样，信息交互要求也更加复杂严苛。
相对于基本安全类业务应用，增强应用有如下特点[3-4]。
（1）业务交互复杂，需要更复杂的传输方式：
以车辆编队为例，编队的组建，车辆加入、离开等，都需要相应的交互过程。
例如，在改变驾驶模式应用中，编队中的指定车辆，需要和其他最多19辆车进行通信。
相比基本安全业务，仅需支持广播方式传输，增强应用需支持单播、组播和广播的多种传输模式。
（2）业务类型丰富、业务模型多样：
协作环境感知、视频信息分享等，所需发送的数据量都大幅提升。
以协作式换道应用为例，业务包大小可达12000字节；
在编队行驶以及部分自动驾驶和全自动驾驶中，业务包大小可达6500字节，自动驾驶中的协作环境感知业务甚至提出高达1Gbit/s的高速率需求。
同时，系统中不仅包括周期性业务，也包括非周期业务，需要考虑支持混合业务共存的影响。
（3）低时延、高可靠要求更加严苛：
增强应用面向自动驾驶等功能，涉及车辆控制与操作，对可靠性及时延有更加严苛的要求，如自动驾驶类的紧急车辆行驶轨迹对齐业务，端到端时延最低可达3ms，同时要求可靠性高达99.999%。
随着车联网的不断发展，车联网从基本安全应用的周期性广播车辆状态进行信息共享不断扩展，到现在支持更加丰富的智能交通和智能驾驶应用；
而新的车联网增强应用也对V2X通信提出更加严格的要求，包括通信速率、时延、可靠性等，从而推动NR-V2X技术和标准化的研究。
除了3GPP，其他一些标准组织、产业联盟也针对车联网增强应用进行探讨和研究。
例如，5GAA针对车联网增强应用发布白皮书，其中定义了43种车联网增强应用，并针对其业务层面的需求进行了梳理[12]。
CCSA也在积极开展行业标准《C-V2X增强业务需求与应用数据交互需求》的制定工作[13]。
4
NR-V2X关键技术
基于车联网增强应用的需求，3GPP无线接入网工作组（TSG-RadioAccessNetwork，TSG-RAN）于2018年6月启动了NR-V2X技术标准化工作，主要面向车联网增强应用，在直通链路上提供更可靠、更低时延以及更高数据速率的车联网通信服务[7]。
根据增强应用的特点，NR-V2X在直通链路物理层除了支持广播模式外，还引入单播和多播通信模式，同时在物理信道设计、资源分配机制、直通链路混合自动重传请求机制（HybridAutomaticRepeatRequest，HARQ）等方面较R14LTE-V2X直通链路有不同的考虑。
根据3GPP针对NR-V2X研究基础，NR-V2XR16标准化尽可能复用NRUu接口相关设计，直通链路支持工作在ITS专用频段或者授权频段，收发仅考虑单载波机制。
下面针对NR-V2X直通链路标准设计的一些关键技术进行详细介绍。
4.1
NR-V2X直通链路物理层架构设计
物理层是无线通信系统设计的关键，包括物理信道结构设计、物理信号和系统参数设计等内容。
NR-V2X针对两个频段进行设计，分别为频率范围1（FrequencyRange1，FR1）7GHz以下频段，以及FR2为24.25GHz~52.6GHz频段，目前研究的重点是FR1。
由于NR-V2X相比原来的LTE-V2X引入较多的新功能以及新的通信模式，因此在控制信息中也需要相应引入新的信息域。
此外，由于整体的控制信道与数据信道的复用方式发生了变化，并且为了适应不同的通信模式，整体的控制信道结构也发生了很大变化。
NR-V2X直通链路支持以下物理信道及物理信号[14]。
（1）物理直通链路控制信道（PhysicalSidelinkControlChannel，PSCCH）：
用于传输直通链路控制信息（SidelinkControlInformation，SCI）。
（2）物理直通链路共享信道（PhysicalSidelinkSharedChannel，PSSCH）：
用于传输直通链路数据信息。
（3）物理直通链路反馈信道（PhysicalSidelinkFeedbackChannel，PSFCH）：
承载直通链路上接收UE向发送UE的HARQ反馈，具体形式可以是ACK（Acknowledge）/NACK（non-ACK），或者NACK-only。
（4）物理直通链路广播信道（PhysicalSidelinkBroadcastChannel，PSBCH）：
承载来自无线资源控制（RadioResourceControl，RRC）层的主信息块（MasterInformationBlock，MIB）-V2X。
（5）直通链路同步信号（SidelinkSynchronizationSignal，SLSS）：
包括直通链路主同步信号（SidelinkPrimarySynchronizationSignal，S-PSS）、直通链路辅同步信号（SidelinkSecondarySynchronizationSignal，SSSS）。
（6）解调参考信号（DemodulationReferenceSignal，DMRS）：
包括用于PSCCH、PSSCH、PSBCH信道的解调参考信号。
（7）信道状态信息参考信号（ChannelStateInformationReferenceSignal，CSI-RS）。
（8）相位跟踪参考信号（PhaseTrackingReferenceSignal，PT-RS），仅用于FR2的频段。
NR直通链路的子载波间隔及循环前缀（CyclingPrefix，CP）重用NRUu接口的灵活设计，FR1频段支持15kHz、30kHz、60kHz的子载波间隔，FR2支持60kHz和120kHz的子载波间隔。
其中，不同频段的60kHz子载波间隔支持扩展CP，其他情况支持正常CP。
考虑到降低实现复杂度，直通链路只支持CP-OFDM一种波形。
为了支持灵活的资源指示，以及获取感知信息支持资源分配机制。
NR-V2X直通链路的控制信道信息SCI分两步处理，第一步的SCI（1st-stageSCI）包含可被感知的本次业务对应的时频资源信息等以及指示第二步SCI的时频资源信息，在PSCCH资源上发送；
第二步SCI（2nd-stageSCI）包含识别和解码对应PSSCH的必要信息、HARQ过程信息以及CSI反馈的触发信息等，映射在PSSCH资源上，并根据PSSCH的DMRS进行处理。
对于不同的通信模式只存在一种固定的1st-stageSCI，这样设计主要是为了降低控制信道盲检的复杂度，同时保持较好的可扩展性以及前向兼容性。
PSCCH的信道编码为Polarcoding，调制方式为正交相移键控（QuadraturePhase-ShiftKeying，QPSK）。
2nd-stageSCI映射在PSSCH信道上，但其信道化的处理与PSSCH的处理是相互独立的，其信道编码为Polarcoding，调制方式为QPSK。
PSSCH采用低密度校验码（Low-DensityParityCheckCode，LDPC）编码，调制方式支持QPSK、正交幅度调制（16QAM，QuadratureAmplitudeModulation）、64QAM以及256QAM[14-15]。
考虑到降低时延的需求及控制信道设计，NR-V2X直通链路PSCCH和PSSCH的复用方式如图1所示。
图1
NR-V2XPSCCH与PSSCH复用方式
NR-V2X直通链路为了提高通信可靠性，针对单播以及组播的通信模式引入HARQ反馈机制，因此新增物理层反馈信道PSFCH。
每个UE发送的PSFCH采用基于序列的反馈信道设计，在时域上占用2个连续的符号，不需要额外引入AGC符号。
反馈信道承载信息的具体形式可以是ACK/NACK，或者NACKonly。
PSFCH通过系统（预）配置的周期性时域资源，间隔N个时隙（N=1、2、4）。
对于PSFCH的资源映射，采用与相应的PSSCH隐式关联的做法，利用相应PSSCH子信道以及UEID等信息，来判断PSFCH资源位置[14-16]。
1个时隙内信道配置示例如图2所示。
图2
NR-V2X时隙内信道配置示例
4.2
直通链路资源分配机制
4.2.1
直通链路部分带宽及资源池配置
NR-V2X直通链路与NRUu链路类似也定义了BWP（BandwidthPart），主要是为了便于终端射频实现。
在直通链路上，收发两端使用相同的BWP，子载波间隔等系统参数在BWP配置信息中给出。
从终端的角度，资源池配置、同步信号等内容基于直通链路的BWP定义。
PSCCH和PSSCH信道资源使用资源池来定义，接收和发送资源池定义在BWP内。
资源池支持不连续的时域配置，时隙是资源池时域配置最小粒度，频域由连续不重叠的子信道组成，具体取值由系统配置或者预配置。
从特定终端的角度，发送资源池和接收资源池是分开配置的，这样便于终端能够监测接收资源池其他终端资源的使用情况。
在给定载波上，可以为1个UE配置多个资源池。
资源池不用于区分传输类型，单播、组播和广播共享资源池[14]。
4.2.2
直通链路资源分配
与R14LTE-V2X直通链路资源分配类似，NR-V2X直通链路也定义了两种资源分配方式，协议中称为Mode1和Mode2。
Mode1方式的直通链路资源使用由基站进行调度。
基站调度根据终端上报直通链路业务特性触发，或者直通链路缓存状态上报（BufferstatusReport，BSR）过程触发。
Mode1方式支持基站动态调度及RRC信令调度的方式。
动态调度主要针对Sidelink非周期业务，使用下行控制信息（Downlinkcontrolinformation，DCI）指示传输块一次或者多次传输使用的资源。
RRC信令调度主要针对周期业务，通过RRC信令设置直通链路相关的传输参数，包括配置索引、时间偏移、时频资源分配、周期等[16-18]。
Mode2方式是终端自主进行资源选择。
基本原理与LTE-V2XMode4类似，终端在系统（预）配置的资源池中感知资源使用情况，根据一定的准则选取合适资源。
选择后，终端在一定时间内使用这些资源发送数据或者直到触发资源重选。
Mode2采用分布式资源调度，由于没有基站进行统一调度，终端通过感知机制可获取其他用户的资源占用情况，并根据感知结果进行资源选择。
相比完全随机的资源选择机制，降低了资源碰撞概率[16-17]。
基于感知的半持续调度机制适合周期性业务，对于非周期性业务，这种方式难以避免非周期性业务带来的资源碰撞。
NR-V2X对Mode2进行了增强设计，引入Short-termSensing机制，在资源选定后以及空口发送前的时间段内，持续进行感知，发现资源冲突后进行资源重选以避免非周期性业务导致的碰撞，从而提高传输的可靠性。
Mode2资源分配是标准讨论的重点议题，由于NR-V2X支持更加丰富的增强应用，其业务特点也更加复杂，NR-V2X在感知窗口设置、资源选择机制、资源预留、重传机制以及资源抢占机制等方面都进行增强设计[16-17]。
4.3
SidelinkHARQ反馈机制
针对V2X广播通信模式，3GPPR16之前版本V2X协议只有广播模式，仅支持盲重传的方式。
而在NR-V2X的研究中，为了支持更高级的V2X业务，一方面需要更加灵活的通信模式，包括广播、组播和单播；
另一方面需要进一步提升可靠性，直通链路引入了针对组播和单播的HARQ反馈机制[16]。
4.3.1
直通链路HARQ传输指示方法
直通链路支持两种重传方式，即盲重传和基于HARQ反馈的自适应重传。
盲重传方式，终端根据自己的业务需求或者配置，预先确定重传的次数和重传的资源，应用于广播、单播和组播模式;
自适应重传方式，根据ACK/NACK反馈的信息确定是否需要进行数据的重传，应用于单播和组播模式。
当资源池中配置了PSFCH资源的情况下，这两种重传方式都可以传输，在SCI中显式指示是否采用基于HARQ反馈的传输。
4.3.2
直通链路HARQ反馈模式
针对单播模式的HARQ反馈，与NRUu口的设计保持一致，采用HARQACK/NACK的方式进行反馈。
优点在于能够判断终端是否处于非连续发射模式（DiscontinuousTransmission，DTX）状态，提高HARQ传输的可靠性。
组播模式根据类型的不同，HARQ反馈内容有所差异。
根据3GPP业务应用工作组的研究，将直通链路的组播通信分为两类：
无连接的组播，类似于广播的通信方式，是一种基于距离的动态建组的组播，需要明确指示当前业务的通信距离，如Groupstart，或者驾驶策略协调等用例；
面向连接的组播，有明确的组ID信息以及组内成员的信息，如编队行驶中的车辆。
针对无连接的组播，采用基于HARQNACK的反馈方式，所有接收UE共享相同的PSFCH资源。
在这种方式下，所有接收UE共享相同的PSFCH资源，如果任何一个UE未能正确接收PSSCH，则在共享的PSFCH资源上发送HARQNACK信息，这种方式适用于没有明确的建组过程，无法确切知道组内用户数的场景，具体参见图3。
图3
直通链路组播HARQ反馈Option1
针对面向连接的组播，当采用基于HARQACK/NACK的反馈方式，每个接收UE都有自己独立的PSFCH资源，每个接收UE根据自己是否正确接收PSSCH，从而在对应的PSFCH资源上发送HARQACK/NACK信息，具体参见图4。
这种方式的优点是和单播情况一样，可以区分DTX状态，从而潜在地提高HARQ传输的增益。
但由于每个终端需要独立的PSFCH资源，主要适用于组内用户较少的场景。
图4
直通链路组播HARQ反馈Option2
接收终端使用PSFCH信道承载1bit的HARQ反馈信息给发送终端。
针对资源调度Mode1，发送终端通过上行信道将其收到的与特定资源调度相关的直通链路HARQ状态报告基站，辅助基站进行直通链路资源调度。
4.4
直通链路同步机制
直通链路有4种基本的同步源，全球导航卫星系统（GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS）、基站、发送同步信号SLSS的终端以及终端内部时钟。
通常认为，GNSS和基站的同步源具有最高同步级别，系统内根据终端是否直接从GNSS或者基站获取同步形成一个同步优先级的层级关系[18]。
当终端无法找到上述优先级的同步源时，采用内部的时钟，其优先级与Level7相同。
具体优先级别顺序如下。
（1）Level1：
系统（预）配置GNSS或者eNB/gNB。
（2）Level2：
与Level1直接同步的参考终端。
（3）Level3：
与Level2直接同步的参考终端，即与Level1间接同步。
（4）Level4：
系统（预）配置中没有指明的同步源，GNSS或者eNB/gNB。
（5）Level5：
与Level4直接同步的参考终端。
（6）Level6：
与Level5直接同步的参考终端，即与Level4间接同步。
（7）Level7：
其他参考终端。
直通链路同步信号与PSBCH位于同一个时隙组成一个S-SSB，NR-V2X中S-PSS使用M-序列，S-SSS使用Gold序列。
S-PSS位于时隙的第二、三符号；
SSSS位于第四、五符号。
主、辅同步信号占用127个子载波，前后两个符号都是相同的。
PSBCH承载MIBV2X，其周期是160ms。
NR-V2X同步优先级通过一个参数对{SL-SSID，In-Coverage}指示，其中S-SSID共有672个ID，通过SPSS/S-SSS携带，In-Coverage标识通过PSBCH携带。
3GPP协议中针对同步优先级与参数对{SL-SSID，InCoverage}的映射关系进行了详细设计。
接收方可以根据解析得到的参数对{SL-SSID，In-Coverage}，判断出该参考同步源的优先级别从而得知同步质量[14]。
4.5
LTE-V2X和NR-V2X设备内共存
NR-V2X作为LTE-V2X技术的演进版本，其设计需要考虑后向兼容。
LTE-V2X支持基本安全业务，作为C-V2X的先导技术已经开始产业化部署。
NR-V2X面向增强型车联网应用，后续设备走向实际应用，需要与已经部署的LTE-V2X设备技术互联互通，因此需要设备内同时支持LTE-V2X和NR-V2X直通链路[16]。
LTE-V2X和NR-V2X直通链路设备内共存与工作频段有密切的关系。
如果两种直通链路部署在频域间隔足够远的两个载波上（如不同的频段），每个直通链路有各自的射频链路，可以各自独立工作，互相不受影响。
当两种直通链路部署在频域间隔比较近的两个载波上（如相同的频段），这种情况下二者共享同一套射频链路，由于下述限制因素，需要慎重考虑共存解决方案。
（1）半双工限制：
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