C—V2X蜂窝车联网标准分析与发展现状
魏垚 王庆扬
【摘 要】C-V2X（Cellular-Vehicle to Everything）是基于移动蜂窝网络的车联网无线传输技术之一，是实现未来智慧交通和无人驾驶的关键所在。首先介绍了C-V2X的基本概念，跟踪了最新标准进展，分析了应用场景及业务指标需求，并对其关键技术进行了详细的研究，最后给出了国内C-V2X外场试验进展和结论。
蜂窝车联网；智能交通系统；LTE-V
1 引言
5G时代万物将互联，人与人、人与物、物与物可以通过无线网络进行连接。车联网作为物联网的热点应用之一，是一个以交通为主要服务对象的综合性网络，它以保障交通安全和提高交通能效为目的，通过多种底层无线传输协议实现V2V、V2P、V2I以及V2N通信，它是物联网和移动互联网在交通领域的具体应用，对于保障交通安全，提高城市交通运行效率，降低污染排放都具有重要意义。车联网以安全和能效为主要发展驱动力，将改变人们传统驾驶习惯和出行模式，拥有极其广阔的发展前景[1]。
美国和欧洲先后开展了车联网标准的研究和制订工作，而且采纳了不同的车联网标准体系。美国的DSRC车联网标准体系由IEEE和SAE共同完成，包括了IEEE 802.11p、IEEE 1609和SAE J2735、J2945等标准。欧洲基于通信的智能交通ITS系统（ITSC）由ISO、ETSI和CEN共同完成。中国车联网领域的主要组织包括工业与信息化部领导的TIAA、CCSA，交通部领导的C-ITS（China ITS Industry Alliance，中国智能交通产业联盟），未来移动通信论坛（Future Forum），中国汽车工程学会（SAE-China）以及全国汽车标准化委员会（NTCAS/TC485）等。
车联网技术标准竞争早已在IEEE 802.11p和3GPP阵营的C-V2X间展开[2]。802.11p采用轻调度、无功控等简单设计，标准于2010年发布，具有先发优势，芯片和终端具备准商用能力，已处于行业应用前夕。3GPP近年来积极推动基于蜂窝的V2X（Cellular V2X）技术规范，特别是基于LTE技术体制的系列规范，3GPP系列标准具有更优秀的系统设计，远距离传输性能更好，同时继承了蜂窝网运营管理的优势，具备后续演进能力。目前的C-V2X标准是基于LTE系统的V2X，以R14版本为基础的车联网技术成为LTE-V2X（Long Term Evolution-Vehicle to X），R15對其进行增强，即LTE-eV2X。LTE-V及其演进版本可以满足未来10年的车联需求，3GPP考虑将在5G系统R16版本中引入基于5G空口的车联网，即NR-V2X，以解决R15版本中无法满足的智能交通应用需求。
2 C-V2X场景需求分析
3GPP对LTE-V2X的场景定义包括以下四种：车与车（V2V）、车与网络（V2N）、车与基础设施（V2I）以及车与人（V2P）等[3]。3GPP SA1工作组发布的TR22.885需求文档中，共定义了包含车车、车人、车路以及车与后台通信的27个用例[4]。基于这些用例，SA1定义了LTE-V支持的时延时间、可靠性、数据速率、通信覆盖范围、移动性、用户密度、安全性、消息发送频率、数据包大小等关键技术指标。
（1）移动速度：最高绝对速度160 km/h，最大相对速度500 km/h。
（2）数据包大小：典型的周期性数据包为50～400字节，事件触发数据包最大到1 200字节。
（3）消息发送频率：1 Hz～10 Hz。
（4）时延：安全类时延≤20 ms，非安全类时延≤100 ms。
（5）峰值速率：上行500 Mb/s、下行1 Gb/s。
（6）安全：通信设备需要被网络授权才能支持V2X业务，要能支持用户的匿名性并保护用户隐私。
（7）通信范围：TTC（Time To Collision）为4 s的通信距离[5]。
3GPP SA1还给出了7种特定场景的业务性能要求参考（如表1所示），给出了每个场景中对通信距离、时延、可靠度等关键指标的定义。其中，“对向碰撞”是要求最高的应用场景，对关键技术指标提出了更高的要求。在这个场景中，当汽车从发现前方有状况到自动实施紧急制动的过程，按照最大时延和最高汽车速度计算，在20 ms的时延下，车辆的反应时间所对应的前移距离仅为0.44 m，远远小于驾驶员在反应时间所产生的行驶距离，有效地提高了驾驶安全性。SA1对时延指标的要求在5G标准中将会进一步提升，其时延对应的移动距离为2.2 cm，安全水平将进一步提高。新发布的TR22.886为eLTE-V2X定义了共计25个use case，可分为5大类，包括整体需求、编队驾驶、半/全自动驾驶、支持扩展传感、远程驾驶。eV2X对车联网提出了更高的性能要求，其中远程驾驶场景要求端到端时延少于20 ms，可靠性要求达到99.999%，上行均值速率25 Mb/s，下行均值速率1 Mb/s[6]。
3 PC5接口与标准分析
2015年2月，3GPP LTE-V的标准化研究工作正式立项，并于2016年9月发布了车车通信（V2V）标准，LTE based V2V是基于LTE R12和R13版本的终端直通D2D技术。下面主要介绍一下R14最新的V2X标准情况。
3.1 解调参考信号（DMRS）与DCI格式
为了满足车辆在高速移动下的多普勒场景（相对速度达500 km/h）中的数据传输，同时考虑LTE-V2X工作于ITS 5.9 GHz的高载波频段，在R12版本D2D基础上进行增强演进，将导频序列DMRS进行加密，将V2V子帧的DMRS符号从2个增加为4个，如图1所示。此外，为了在高速移动场景下能够更好地进行信道状态跟踪，标准规定将每个V2V子帧的最后一个符号作为Tx-Rx turnaround符号。
另外，在DCI格式上也有新的变化，包括：
（1）DCI格式0的变化（UL V2X SPS），定义了与传统SPS C-RNTI不同的V2X UL SPS RNTI，DCI 0（用于传统UL SPS激活/释放）中的循环移位DMRS（3 bits）被重新用于指示V2X UL SPS配置索引。
（2）定义新的DCI格式5A（SL V2X SPS和动态调度），调度PSCCH和PSSCH传输的时间/频率资源，激活/释放特定的SL SPS配置，DCI格式5A的位应填充（如果需要）以匹配映射在同一海域的DCI格式0的大小。
（3）定义新的SCI格式1（调度PSSCH传输）来安排PSSCH传输的时间/频率资源，指示SL传输优先级，指示资源预留间隔（用于半持续传输）。
3.2 V2X传输模式（Sidelink）
每一个V2X消息传输（PSSCH）都与一个控制信号（PSCCH）相关联。在相同的子帧上传输控制信号和数据，减少了频内辐射，优化了信道的使用。PSCCH（Physical Sidelink Control Channel）占用48 bits，其中包含优先级和时频域资源信息。Sidelink链路支持的可扩展系统带宽最高为20 MHz。
LTE-V首份标准引入了Sidelink传输模式3和模式4。模式3与传统LTE调度类似，UE从eNodeB（基站）请求传输资源，eNodeB采用半持续、动态调度方法支持定期、非定期的V2X消息，可以提高资源利用率，增加系统的业务容量。模式4又称UE autonomous resource selection。车辆/UE通过在专用频段上探测资源占用情况并执行半持续调度的传输机制，可实现对V2X流量的检测和定期资源预留。SA解码和能量测量用于感知。SA中的消息到达周期将用于接收者预知下一个消息，并预留可用资源。感知和资源预留步骤如下所示：
（1）滑动感应窗口：保持对其他用户的SA进行解码并测量相应的PSSCH能量。
（2）收集包含PSSCH-RSRP和S-RSSI的传感信息。
（3）排除高能量资源。
（4）从候选资源集中选择Tx资源。
（5）在选定的资源上进行半持续传输。
3.3 资源分配与拥塞控制
资源池是一组时间/频率资源，可以在其中进行PC5传输。控制信息Scheduling Assignment（SA或者PSCCH）在基于PC5接口的V2V场景中是需要的，每个数据传输都由一个SA进行调度。在解码了相关的SA之后，一个UE至少知道了数据传输的时间和频率位置。在V2V中，SA和数据资源从系统的角度上看总是频分复用的，两路信号在时间上重叠而在频谱上不重叠。克服了R12版本TDM方式带来的时延较长的缺点。数据池总是与SA池相关联，两个SA池不能在相邻信道上相叠加。定义了子信道概念为同一子帧中的一组连续RB（资源块）的集合。资源占用以子信道为例，子信道大小可配，如图2所示，频带划分为三个子信道，一个子信道就包含数据资源和控制（SA）资源，UE可以占用一个或多个子信道。数据资源与SA占用同一子帧内的相邻RB进行传输，从而降低了接收端的处理时延。此外，3GPP标准也纳入了SA与数据资源可以使用不相邻的RB进行传输[7]。
UE在PC5上测量信道忙碌率（CBR）和信道占用率（CR）。CBR是子信道的一部分，它的s-rssi度量超过了在100 ms中观察到的一个预配置的阈值。CR是在1 000 ms的测量周期内由UE用于其传输的子信道的总数量除以配置的子信道的总数。UE基于CBR测量获得相应的信道占用率限制值（CR_limit），并适应其Tx参数以满足CR_limit。
支持eNB辅助和UE自主拥塞控制，传输参数可以根据不同的优先级进行调整。可调传输参数：Tx power、RBs、ReTx、MCS。UE进行CBR测量并向eNB报告，以协助eNB的调度或传输参数调整。
4 我国C-V2X外场测试进展
基于LTE-V的车联网在全球范围内得到了广泛的研究，各大通信设备厂商、运营商等积极联合，开展LTE-V2X外场试验。2016年11月，工信部无线电管委会将5 905 MHz—5 925 MHz分配给了LTE-V2X作为试验频谱，加速了我国无线车联网产业化进程。2016年，工信部在重庆、武汉、长春进行LTE-V外场测试，并将测试分为三个阶段。第一阶段为2016年进行LTE-V2X调研和理论仿真；第二阶段为2017年进行LTE-V2X频率和兼容性研究，包括测试规范的制定和部分实验室和外场测试；第三阶段将在2018年开启小规模示范。其中，2017年的测试包括实验室射频测试、城区LOS场景性能测试、高速NLOS场景性能测试等典型的V2V、V2I场景。
国内外通信厂家也联合运营商进行了无人驾驶试验，并积极部署开展车联网试验。包括高优先级车辆放行、紧急刹车告警、交叉路口让行、信息分享和车速引导等技术，如大唐电信研发了基于LTE-V技术的芯片级预商用产品LTE-V车载单元（OBU）和路侧单元（RSU）。华为与沃达丰、奥迪联合携手展示LTE-V技术，并在今年巴塞罗那世界移动大会上演示了红绿灯车速引导、紧急刹车、行人告警等车联网应用场景。
5 结束语
本文对蜂窝车联网发展现状和标准进展进行了详细的分析，不可否认，3GPP阵营的C-V2X采用了LTE系統的优秀设计，继承了蜂窝网运营管理的优势，在远距离传输、可靠性等能力上更具优势，同时兼备向5G NR演进的能力，是未来实现无人驾驶的必然之路。然而，目前的C-V2X技术只提供了初步的解决方案，要真正实现城市间乃至省际的无人驾驶能力，还任重道远。
参考文献：
[1] 杨淼，潘冀. 车联网无线传输技术研究[J]. 中国无线电， 2015（8）： 33-36.
[2] 陈荆花，黄晓彬，李洁. 面向智能网联汽车的V2X通信技术探讨[J]. 电信技术， 2016（5）： 24-27.
[3] 温志勇，修战宇，陈俊先. LTE-V车路通信技术浅析与探讨[J]. 移动通信， 2016，40（24）： 41-45.
[4] 3GPP TSG SA1 TR 22.885. Study On LTE Support For V2X Services[R]. 2015.
[5] 李凤，房家奕，赵丽. 3GPP LTE-V2X标准进展及技术介绍[J]. 电信网技术， 2016（6）： 40-45.
[6] 3GPP TSG SA1 TR 22.886. Study on enhancement of 3GPP Support for 5G V2X Services[R]. 2017.
[7] 3GPP TSG RAN1 TR 36.885. Study on LTE-based V2X Services 14.0.0[R]. 2016.
【摘 要】C-V2X（Cellular-Vehicle to Everything）是基于移动蜂窝网络的车联网无线传输技术之一，是实现未来智慧交通和无人驾驶的关键所在。首先介绍了C-V2X的基本概念，跟踪了最新标准进展，分析了应用场景及业务指标需求，并对其关键技术进行了详细的研究，最后给出了国内C-V2X外场试验进展和结论。
蜂窝车联网；智能交通系统；LTE-V
1 引言
5G时代万物将互联，人与人、人与物、物与物可以通过无线网络进行连接。车联网作为物联网的热点应用之一，是一个以交通为主要服务对象的综合性网络，它以保障交通安全和提高交通能效为目的，通过多种底层无线传输协议实现V2V、V2P、V2I以及V2N通信，它是物联网和移动互联网在交通领域的具体应用，对于保障交通安全，提高城市交通运行效率，降低污染排放都具有重要意义。车联网以安全和能效为主要发展驱动力，将改变人们传统驾驶习惯和出行模式，拥有极其广阔的发展前景[1]。
美国和欧洲先后开展了车联网标准的研究和制订工作，而且采纳了不同的车联网标准体系。美国的DSRC车联网标准体系由IEEE和SAE共同完成，包括了IEEE 802.11p、IEEE 1609和SAE J2735、J2945等标准。欧洲基于通信的智能交通ITS系统（ITSC）由ISO、ETSI和CEN共同完成。中国车联网领域的主要组织包括工业与信息化部领导的TIAA、CCSA，交通部领导的C-ITS（China ITS Industry Alliance，中国智能交通产业联盟），未来移动通信论坛（Future Forum），中国汽车工程学会（SAE-China）以及全国汽车标准化委员会（NTCAS/TC485）等。
车联网技术标准竞争早已在IEEE 802.11p和3GPP阵营的C-V2X间展开[2]。802.11p采用轻调度、无功控等简单设计，标准于2010年发布，具有先发优势，芯片和终端具备准商用能力，已处于行业应用前夕。3GPP近年来积极推动基于蜂窝的V2X（Cellular V2X）技术规范，特别是基于LTE技术体制的系列规范，3GPP系列标准具有更优秀的系统设计，远距离传输性能更好，同时继承了蜂窝网运营管理的优势，具备后续演进能力。目前的C-V2X标准是基于LTE系统的V2X，以R14版本为基础的车联网技术成为LTE-V2X（Long Term Evolution-Vehicle to X），R15對其进行增强，即LTE-eV2X。LTE-V及其演进版本可以满足未来10年的车联需求，3GPP考虑将在5G系统R16版本中引入基于5G空口的车联网，即NR-V2X，以解决R15版本中无法满足的智能交通应用需求。
2 C-V2X场景需求分析
3GPP对LTE-V2X的场景定义包括以下四种：车与车（V2V）、车与网络（V2N）、车与基础设施（V2I）以及车与人（V2P）等[3]。3GPP SA1工作组发布的TR22.885需求文档中，共定义了包含车车、车人、车路以及车与后台通信的27个用例[4]。基于这些用例，SA1定义了LTE-V支持的时延时间、可靠性、数据速率、通信覆盖范围、移动性、用户密度、安全性、消息发送频率、数据包大小等关键技术指标。
（1）移动速度：最高绝对速度160 km/h，最大相对速度500 km/h。
（2）数据包大小：典型的周期性数据包为50～400字节，事件触发数据包最大到1 200字节。
（3）消息发送频率：1 Hz～10 Hz。
（4）时延：安全类时延≤20 ms，非安全类时延≤100 ms。
（5）峰值速率：上行500 Mb/s、下行1 Gb/s。
（6）安全：通信设备需要被网络授权才能支持V2X业务，要能支持用户的匿名性并保护用户隐私。
（7）通信范围：TTC（Time To Collision）为4 s的通信距离[5]。
3GPP SA1还给出了7种特定场景的业务性能要求参考（如表1所示），给出了每个场景中对通信距离、时延、可靠度等关键指标的定义。其中，“对向碰撞”是要求最高的应用场景，对关键技术指标提出了更高的要求。在这个场景中，当汽车从发现前方有状况到自动实施紧急制动的过程，按照最大时延和最高汽车速度计算，在20 ms的时延下，车辆的反应时间所对应的前移距离仅为0.44 m，远远小于驾驶员在反应时间所产生的行驶距离，有效地提高了驾驶安全性。SA1对时延指标的要求在5G标准中将会进一步提升，其时延对应的移动距离为2.2 cm，安全水平将进一步提高。新发布的TR22.886为eLTE-V2X定义了共计25个use case，可分为5大类，包括整体需求、编队驾驶、半/全自动驾驶、支持扩展传感、远程驾驶。eV2X对车联网提出了更高的性能要求，其中远程驾驶场景要求端到端时延少于20 ms，可靠性要求达到99.999%，上行均值速率25 Mb/s，下行均值速率1 Mb/s[6]。
3 PC5接口与标准分析
2015年2月，3GPP LTE-V的标准化研究工作正式立项，并于2016年9月发布了车车通信（V2V）标准，LTE based V2V是基于LTE R12和R13版本的终端直通D2D技术。下面主要介绍一下R14最新的V2X标准情况。
3.1 解调参考信号（DMRS）与DCI格式
为了满足车辆在高速移动下的多普勒场景（相对速度达500 km/h）中的数据传输，同时考虑LTE-V2X工作于ITS 5.9 GHz的高载波频段，在R12版本D2D基础上进行增强演进，将导频序列DMRS进行加密，将V2V子帧的DMRS符号从2个增加为4个，如图1所示。此外，为了在高速移动场景下能够更好地进行信道状态跟踪，标准规定将每个V2V子帧的最后一个符号作为Tx-Rx turnaround符号。
另外，在DCI格式上也有新的变化，包括：
（1）DCI格式0的变化（UL V2X SPS），定义了与传统SPS C-RNTI不同的V2X UL SPS RNTI，DCI 0（用于传统UL SPS激活/释放）中的循环移位DMRS（3 bits）被重新用于指示V2X UL SPS配置索引。
（2）定义新的DCI格式5A（SL V2X SPS和动态调度），调度PSCCH和PSSCH传输的时间/频率资源，激活/释放特定的SL SPS配置，DCI格式5A的位应填充（如果需要）以匹配映射在同一海域的DCI格式0的大小。
（3）定义新的SCI格式1（调度PSSCH传输）来安排PSSCH传输的时间/频率资源，指示SL传输优先级，指示资源预留间隔（用于半持续传输）。
3.2 V2X传输模式（Sidelink）
每一个V2X消息传输（PSSCH）都与一个控制信号（PSCCH）相关联。在相同的子帧上传输控制信号和数据，减少了频内辐射，优化了信道的使用。PSCCH（Physical Sidelink Control Channel）占用48 bits，其中包含优先级和时频域资源信息。Sidelink链路支持的可扩展系统带宽最高为20 MHz。
LTE-V首份标准引入了Sidelink传输模式3和模式4。模式3与传统LTE调度类似，UE从eNodeB（基站）请求传输资源，eNodeB采用半持续、动态调度方法支持定期、非定期的V2X消息，可以提高资源利用率，增加系统的业务容量。模式4又称UE autonomous resource selection。车辆/UE通过在专用频段上探测资源占用情况并执行半持续调度的传输机制，可实现对V2X流量的检测和定期资源预留。SA解码和能量测量用于感知。SA中的消息到达周期将用于接收者预知下一个消息，并预留可用资源。感知和资源预留步骤如下所示：
（1）滑动感应窗口：保持对其他用户的SA进行解码并测量相应的PSSCH能量。
（2）收集包含PSSCH-RSRP和S-RSSI的传感信息。
（3）排除高能量资源。
（4）从候选资源集中选择Tx资源。
（5）在选定的资源上进行半持续传输。
3.3 资源分配与拥塞控制
资源池是一组时间/频率资源，可以在其中进行PC5传输。控制信息Scheduling Assignment（SA或者PSCCH）在基于PC5接口的V2V场景中是需要的，每个数据传输都由一个SA进行调度。在解码了相关的SA之后，一个UE至少知道了数据传输的时间和频率位置。在V2V中，SA和数据资源从系统的角度上看总是频分复用的，两路信号在时间上重叠而在频谱上不重叠。克服了R12版本TDM方式带来的时延较长的缺点。数据池总是与SA池相关联，两个SA池不能在相邻信道上相叠加。定义了子信道概念为同一子帧中的一组连续RB（资源块）的集合。资源占用以子信道为例，子信道大小可配，如图2所示，频带划分为三个子信道，一个子信道就包含数据资源和控制（SA）资源，UE可以占用一个或多个子信道。数据资源与SA占用同一子帧内的相邻RB进行传输，从而降低了接收端的处理时延。此外，3GPP标准也纳入了SA与数据资源可以使用不相邻的RB进行传输[7]。
UE在PC5上测量信道忙碌率（CBR）和信道占用率（CR）。CBR是子信道的一部分，它的s-rssi度量超过了在100 ms中观察到的一个预配置的阈值。CR是在1 000 ms的测量周期内由UE用于其传输的子信道的总数量除以配置的子信道的总数。UE基于CBR测量获得相应的信道占用率限制值（CR_limit），并适应其Tx参数以满足CR_limit。
支持eNB辅助和UE自主拥塞控制，传输参数可以根据不同的优先级进行调整。可调传输参数：Tx power、RBs、ReTx、MCS。UE进行CBR测量并向eNB报告，以协助eNB的调度或传输参数调整。
4 我国C-V2X外场测试进展
基于LTE-V的车联网在全球范围内得到了广泛的研究，各大通信设备厂商、运营商等积极联合，开展LTE-V2X外场试验。2016年11月，工信部无线电管委会将5 905 MHz—5 925 MHz分配给了LTE-V2X作为试验频谱，加速了我国无线车联网产业化进程。2016年，工信部在重庆、武汉、长春进行LTE-V外场测试，并将测试分为三个阶段。第一阶段为2016年进行LTE-V2X调研和理论仿真；第二阶段为2017年进行LTE-V2X频率和兼容性研究，包括测试规范的制定和部分实验室和外场测试；第三阶段将在2018年开启小规模示范。其中，2017年的测试包括实验室射频测试、城区LOS场景性能测试、高速NLOS场景性能测试等典型的V2V、V2I场景。
国内外通信厂家也联合运营商进行了无人驾驶试验，并积极部署开展车联网试验。包括高优先级车辆放行、紧急刹车告警、交叉路口让行、信息分享和车速引导等技术，如大唐电信研发了基于LTE-V技术的芯片级预商用产品LTE-V车载单元（OBU）和路侧单元（RSU）。华为与沃达丰、奥迪联合携手展示LTE-V技术，并在今年巴塞罗那世界移动大会上演示了红绿灯车速引导、紧急刹车、行人告警等车联网应用场景。
5 结束语
本文对蜂窝车联网发展现状和标准进展进行了详细的分析，不可否认，3GPP阵营的C-V2X采用了LTE系統的优秀设计，继承了蜂窝网运营管理的优势，在远距离传输、可靠性等能力上更具优势，同时兼备向5G NR演进的能力，是未来实现无人驾驶的必然之路。然而，目前的C-V2X技术只提供了初步的解决方案，要真正实现城市间乃至省际的无人驾驶能力，还任重道远。
参考文献：
[1] 杨淼，潘冀. 车联网无线传输技术研究[J]. 中国无线电， 2015（8）： 33-36.
[2] 陈荆花，黄晓彬，李洁. 面向智能网联汽车的V2X通信技术探讨[J]. 电信技术， 2016（5）： 24-27.
[3] 温志勇，修战宇，陈俊先. LTE-V车路通信技术浅析与探讨[J]. 移动通信， 2016，40（24）： 41-45.
[4] 3GPP TSG SA1 TR 22.885. Study On LTE Support For V2X Services[R]. 2015.
[5] 李凤，房家奕，赵丽. 3GPP LTE-V2X标准进展及技术介绍[J]. 电信网技术， 2016（6）： 40-45.
[6] 3GPP TSG SA1 TR 22.886. Study on enhancement of 3GPP Support for 5G V2X Services[R]. 2017.
[7] 3GPP TSG RAN1 TR 36.885. Study on LTE-based V2X Services 14.0.0[R]. 2016.
