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5G車聯網技術與標準進展
2019年電子技術應用第8期
朱雪田
中國電信股份有限公司研究院,北京102209
摘要: 由于時延和可靠性的短板,基于LTE V2X的蜂窩車聯網解決方案只適用于輔助駕駛和初級自動駕駛場景,必須通過更新技術滿足未來高級自動駕駛的需求,基于5G的蜂窩車聯網NR V2X應運而生。結合3GPP 5G NR V2X的標準制定過程,在分析車聯網面向高級自動駕駛應用場景的基礎上,重點分析了5G NR V2X關鍵技術要求和解決方案,并對當前3GPP標準化進展進行了介紹。
中圖分類號: TN929;TP393
文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.190726
中文引用格式: 朱雪田. 5G車聯網技術與標準進展[J].電子技術應用,2019,45(8):1-4,9.
英文引用格式: Zhu Xuetian. 5G V2X network technology and standards development[J]. Application of Electronic Technique,2019,45(8):1-4,9.
5G V2X network technology and standards development
Zhu Xuetian
China Telecommunication Research Institute,Beijing 102209,China
Abstract: Due to the short board of delay and reliability, LTE V2X can only be used in assistant driving and primary driving scenarios. It is necessary to meet the future demand of advanced automatic driving by updating technology. The opportunity 5G cellular car networking NR V2X emerges as the times require. Combining with the standard process of 3GPP 5G NR V2X, this paper focuses on the key technical requirements and solutions of 5G NR V2X based on the analysis of application scenarios for advanced automatic driving, and introduces the current standardization progress.
Key words : C-V2X;autopilot;vehicles platoonning;remote driving

0 引言

    隨著城市規模的日益增長,高效的交通控制和管理成為一個基本和緊迫的挑戰,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代智能交通控制基礎設施的最重要目標。經過近年來的技術發展,單車自動駕駛技術越來越成熟,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。車聯網和智能網聯汽車概念的提出和技術的推進,給汽車和交通行業引入了新的革命性理念。其中車聯網帶來了信息交互和交通感知的革命,而智能網聯車輛的出現則為個體層面的車輛控制提供了新的可能。

    車聯網(Vehicle to Everything,V2X)是實現車輛與周圍的車、人、交通基礎設施和網絡等全方位連接和通信的新一代信息通信技術。車聯網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)、車與網絡之間(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的V2X技術,分為LTE V2X和5G NR V2X。LTE V2X可以通過網絡輔助通信和自主直接傳輸兩種傳輸模式[1-2]實現車聯網業務。基于兩種模式的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,通信質量出現下降[2]。由于時延和可靠性的短板,基于LTE V2X的車聯網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技術滿足未來高級別自動駕駛的需求,5G新空口(New Radio,5G NR)V2X應運而生。本文將基于V2X新的應用場景,結合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 應用場景[3]

    自動駕駛是未來汽車的終極發展目標,但由于技術的發展規律,會經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展階段。車聯網通信在這一發展過程中將發揮重要作用,當前單車自動駕駛主要基于現有傳感器技術,如雷達、攝像頭等。現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,而網聯恰好可以在這些方面很好地發揮互補作用,提升駕駛安全。V2X通信技術的發展將為自動駕駛提供更加穩定、高速、低時延、高可靠的通信服務,使得網聯式自動駕駛成為未來重要發展方向。

    5G V2X技術重點支持面向自動駕駛的應用場景,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域,并為不同等級的自動駕駛提供全方位的網聯化信息。

1.1 遠程駕駛

    遠程駕駛是指遠程司機或V2X應用程序為那些不能自己駕駛的乘客或位于危險環境中的遠程車輛操作遠程車輛,在變化有限且路由可預測的情況下(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。

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    遠程駕駛需要實施路況回傳,這對無線網絡的帶寬和時延需求是一個很大的挑戰。根據5G汽車聯盟(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變化,車隊中的跟隨車輛實時接收頭車的相關操作信息指示。這樣車隊內的車輛間距可以非常小,從而使得跟隨車輛可以輕松實現自動駕駛。首先,車輛需要建立編組,基于中心調度的建組過程需要支持;其次,在組隊過程中,車輛間需要協同變道實現車隊的匯入和匯出;再次,頭車發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警信息。5G NR V2X中的編隊行駛場景如圖2所示。

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    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,協作式地快速高效地通過交叉路口和城市地區,可以有效緩解城市交通擁堵狀況,減少噪聲和尾氣污染。通過車輛協作式通行,可望達成該目標;長期行為主要體現在高速路口上,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整體調度。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,從而做出具體調度判斷。該業務推動車、路、云一體化,進而給城市交通規劃設想了一種新的可能。

    根據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)、行人設備和V2X應用服務器之間交換本地傳感器采集的數據(包括原始數據或處理數據),提高對環境的感知,更全面地了解當地情況。

    基于擴展傳感的城市交通網絡建設可以實現基于實時互聯數據的信號燈動態優化、動態潮汐車道配置優化、車輛路徑引導優化、智能停車引導、專用車道緊急調度等城市交通功能的優化處理,實現真正的車、路、人、云協同。5G NR V2X中的拓展傳感場景如圖3所示。

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    根據5GAA定義,針對不同的應用場景需求,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據與接近的車輛共享,從而使車輛能夠協調其軌跡或機動。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。典型的應用場景包括車道內車輛的協同匯入匯出、車輛間協同緊急避險、停車場自動泊車等。5G NR V2X中的高級駕駛場景如圖4所示。

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    根據第三代合作伙伴計劃(Third Generation Partnership Project,3GPP)定義,針對不同的應用場景需求,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的系統吞吐,可靠性最大要求99.999%。

2 關鍵技術

    5G NR V2X基于5G空口無線技術體系演進,并繼承了NR網絡的諸多關鍵技術。

2.1 NR V2X架構

    NR V2X架構分為獨立部署(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,輔節點(Secondary Node)不能對側行鏈路(Sidelink)資源進行管理和分配。

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    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 側行鏈路設計和增強

    側行鏈路(Sidelink)是為了支持V2X設備間直接通信而引入的新鏈路類型,最早是在D2D應用場景下引入的,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。

    側行鏈路的設計和增強具體內容包括研究側行鏈路上的單播、組播和廣播傳輸,研究基于NR的側行鏈路的物理層架構和流程,研究側行鏈路的同步機制,研究側行鏈路的資源分配模式,研究側行鏈路的層2/層3協議等。

2.3 Uu鏈路增強

    NR V2X網絡中的車輛通過Uu鏈路與基站/路邊單元進行通信。相比于LTE V2X車聯網,NR V2X所支持的高級業務對傳輸速率、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、更加靈活的半靜態調度(Semi-Persistent Scheduling,SPS)或免調度的傳輸模式等。

2.4 基于Uu的側行鏈路資源分配

    在車聯網系統中,當車輛位于蜂窩網的覆蓋范圍內時,車輛與車輛之間通過側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側行傳輸,以及通過NR Uu來控制LTE側行傳輸,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行鏈路通信,如圖6所示。

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2.5 設備內共存

    隨著LTE V2X和NR V2X的陸續商用,車載終端設備可能既有LTE V2X模塊,也有NR V2X模塊,并且會同時支持LTE V2X業務和NR V2X業務。為了保證不同類型V2X業務的正常傳輸,需要研究設備內的LTE側行鏈路和NR側行鏈路的共存問題。具體內容包括LTE側行發送和NR側行發送重疊時車載終端設備的傳輸模式,以及LTE側行接收和NR側行接收重疊時的車載終端傳輸模式。相應的傳輸模式可能為FDM頻分復用和TDM時分復用。其中,TDM解決方案是避免NR和LTE Sidelink的同時或交疊傳輸,FDM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傳輸時分復用的示意。

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2.6 通信鏈路類型選擇

    在車聯網中,車載設備的通信可以選擇通過側行鏈路進行,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側行、NR側行。同時,車載終端在不同的環境或者狀態下,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,需要系統地研究在不同的網絡環境下、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性進展。

3.1 側行鏈路的物理層結構

    NR V2X的側行傳輸波形統一為循環前綴-正交頻分復用(Cyclic Prefix Orthogonal Frequency Division Multiplexing,CP-OFDMCP-OFDM)。NR V2X時頻資源在繼續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中已經定義的物理側行共享信道PSSCH、物理側行控制信道PSCCH、物理側行廣播信道PSBCH外,新增物理側行反饋信道PSFCH用于HARQ反饋信息的傳輸。

3.2 側行鏈路物理層流程

    NR V2X在支持單播和組播的傳輸的基礎上,同時支持混合自動請求重傳(Hybrid Automatic Repeat reQuest,HARQ)反饋、側行鏈路功率控制、側行鏈路信道狀態信息(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。對于側行鏈路CSI,NR V2X新引入了側行信道狀態信息參考信號(Channel State Information Reference Signal,CSI-RS),支持信道質量指示(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行鏈路路徑損耗的功率控制。

3.3 側行鏈路資源分配

    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,支持發送端UE向基站上報側行傳輸的確認信息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 側行同步

    NR V2X引入了側行同步信號塊,其概念和NR的同步信號塊類似。側行同步信號塊中包含側行主同步信號(Sidelink Primary Synchronization Signal,S-PSS)、側行輔同步信號(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2個OFDM符號。

3.5 NR Uu控制LTE側行鏈路

    當前的NR V2X標準重點討論了NR Uu控制LTE側行鏈路的模式。具體地,NR Uu鏈路可以配置LTE側行鏈路的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側行傳輸則取決于UE能力。

4 結束語

    5G NR V2X車聯網技術以V2X高級自動駕駛業務為目標,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技術為基礎,繼承了NR諸多關鍵特性,從而具有更好的靈活性、更好的頻譜效率,易于更好地適應各種不同類型的業務需求和通信環境,充分滿足未來車聯網包括高級自動駕駛在內的眾多需求。

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)

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