【摘要】車聯(lián)網(wǎng)是當(dāng)前信息化與工業(yè)化融合的典型代表，也是當(dāng)前各界研究的重要方向，因此從美國短距離通信技術(shù)入手，引出基于3GPP的蜂窩車聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，解析3GPP中車聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)歷程、由LTE D2D到R14引入的LTE V2X標(biāo)準(zhǔn)，并重點(diǎn)講述LTE V2X的場(chǎng)景及關(guān)鍵技術(shù)等。
【關(guān)鍵詞】5GAA；uRLLC；V2X；V2V
引用格式：朱紅梅,林奕琳. 蜂窩車聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)、關(guān)鍵技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的研究[J]. 移動(dòng)通信, 2017,42(1): 00-00.
Research on Cellular Vehicle Network Standards, Key Technologies and Network Architectures
ZHU Hongmei, LIN Yilin
(Guangzhou Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Guangzhou 510630, China)
[Abstract]The Internet of vehicles is the typical representative of current information and industrialization integration, and the current research is important. This paper starts with the short distance communication technology in the United States, and introduces the network standard of cellular vehicle based on 3GPP. The standard course of car networking in 3GPP is analyzed, LTEV2X standard introduced by LTE D2D to R14. And focusing on the LTEV2X scene, key technologies, etc.
[Key words] 5GAA; URLLC; V2X; V2V
1 引言
伴隨著信息技術(shù)的發(fā)展，車聯(lián)網(wǎng)成為繼移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)后的一大熱點(diǎn)。2016年9月28日，主要由車企、運(yùn)營商與設(shè)備商成員共40多家公司組成的5G汽車聯(lián)盟（5GAA, 5G Automotive Association）正式成立。5GAA建立目的是希望共同定義蜂窩車聯(lián)網(wǎng)（C-V2X，Cellular Vehicle to X）的需求，通過多行業(yè)聯(lián)合共同推動(dòng)智能駕駛端到端解決方案實(shí)現(xiàn)，建立一個(gè)成功的車聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)，在開發(fā)、測(cè)試及促進(jìn)銷售方面展開全方位合作，制定標(biāo)準(zhǔn)，加快商用化和向全球市場(chǎng)推廣。本文重點(diǎn)解析3GPP制定的基于4G/LTE的V2X標(biāo)準(zhǔn)以及開始出現(xiàn)的5G V2X需求。
2 V2X標(biāo)準(zhǔn)概況
在2013年初，韓國LG、美國高通在3GPP SA1提出車聯(lián)網(wǎng)立項(xiàng)的申請(qǐng)，隨即展開了從需求到標(biāo)準(zhǔn)制定的研究工作。同時(shí)伴隨著車聯(lián)網(wǎng)是信息化和工業(yè)化的深度融合，催生一系列的產(chǎn)業(yè)變革，這是新的發(fā)展機(jī)遇，中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)CCSA也積極開展LTE V2X標(biāo)準(zhǔn)制定工作，具體如圖1所示：
圖1 LTE V2X的標(biāo)準(zhǔn)概況
蜂窩車聯(lián)網(wǎng)從3GPP R14版本開始引入，該版本是4G技術(shù)LTE的最后一個(gè)版本，因此稱為LTE-V2X，2017年第一季度標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)，年中完成；中國通信標(biāo)準(zhǔn)緊跟3GPP標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展，開展基于LTE系統(tǒng)的車聯(lián)網(wǎng)總體技術(shù)要求的研究。
LTE-eV2X將于R15的5G NR同步進(jìn)行，將于2018年中左右完成。
LTE-eV2X相對(duì)LTE-V2X，主要針對(duì)編隊(duì)駕駛、增強(qiáng)駕駛、擴(kuò)展傳感器、遙控駕駛等場(chǎng)景進(jìn)行了技術(shù)增強(qiáng)。LTE-V2X和LTE-eV2X旨在滿足未來10年的車聯(lián)網(wǎng)需求。
當(dāng)然如果有新增的應(yīng)用需求無法通過V2X和eV2X解決，3GPP也會(huì)在R16階段啟動(dòng)5G NR-V2X進(jìn)行增強(qiáng)，包括終端和基站之間Uu接口的增強(qiáng)，終端和終端之間接口的增強(qiáng)等。雖然這部分工作還沒有實(shí)際開展，但從5G的性能可看出：5G NR V2X將實(shí)現(xiàn)更短的時(shí)延、更高的可靠性，但是不會(huì)取代LTE V2X/eV2X，而是作為補(bǔ)充，提供更高級(jí)的V2X服務(wù)，并支持和LTE V2X/eV2X的互操作。
3 V2X關(guān)鍵技術(shù)
眾所周知，V2X誕生前，美國已經(jīng)有成熟的車聯(lián)網(wǎng)通信方案：基于IEEE 802.11p的特定短距離通信（DSRC, Dedicated Shorted Range）方案，也是V2V的通信協(xié)議。許多車企在DSRC系統(tǒng)上開展了幾乎10多年的研究和測(cè)評(píng)工作，幾乎是各個(gè)車企認(rèn)定車輛智能化的發(fā)展方向，但是進(jìn)展并不理想。蜂窩網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商期望進(jìn)入車聯(lián)網(wǎng)的陣營，因此標(biāo)準(zhǔn)的制定是在借鑒DSRC的基礎(chǔ)上逐步開展的。
3.1 LTE D2D技術(shù)
縱觀3GPP的發(fā)展史，所有的通信都是經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)的，用戶A到用戶B的任何一條信令，信息的發(fā)送都需要先通過基站，然后進(jìn)行后續(xù)節(jié)點(diǎn)的處理轉(zhuǎn)發(fā)等，沒有用戶A與用戶B的直接對(duì)話。但是到了車聯(lián)網(wǎng)，場(chǎng)景發(fā)生變化，需求隨著不同，如車輛的自動(dòng)駕駛場(chǎng)景下（ 如編隊(duì)行駛、并道等），收發(fā)車輛的距離近，車與車的直聯(lián)是更好的通訊模式。因此3GPP標(biāo)準(zhǔn)體系一個(gè)全新的承載通信方式的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生了，即LTE D2D（Device To Device，又稱LTE Direct），該標(biāo)準(zhǔn)由美國高通公司于2011年9月在3GPPSA1提出并展開研究，后續(xù)延續(xù)到SA2以及RAN開展了一系列從需求到架構(gòu)到具體信道、資源分配等的標(biāo)準(zhǔn)工作制定。
LTE D2D為車聯(lián)網(wǎng)的V2V通信提供了一種全新的通信方式，即基于PC5接口（車-車的接口）的直通方式。
3.2 LTE MBMS
眾所周知，ITU提出的5G白皮書提到，5G有著比4G更高的性能要求：毫秒級(jí)的時(shí)延、0.1 Gbit·s-1~1 Gbit·s-1的用戶體驗(yàn)速率及每平方公里一百萬的連接數(shù)密度。隨著IPv6的部署，一個(gè)腳掌就有數(shù)十個(gè)IP地址。因此原來傳統(tǒng)意義的基于應(yīng)答確認(rèn)式的單播點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式（Unicast）已經(jīng)不能滿足車聯(lián)網(wǎng)通信的需求，而要引入廣播多播技術(shù)（MBMS, Multi Broadcast Multi Service），以更高效地分享周邊的信息。因此可見，LTE MBMS只是車聯(lián)網(wǎng)的一環(huán)，是車聯(lián)網(wǎng)的一種使用場(chǎng)景。
3.3 LTE V2X
前面提到DSRC早于LTE-V十年多出現(xiàn)，但是并沒有贏得市場(chǎng)，主要原因在于車車直接通信時(shí)，擁塞、干擾和覆蓋等很多問題沒有解決。就如同兩個(gè)平級(jí)的用戶出現(xiàn)矛盾，沒有第三方上級(jí)來仲裁，那么兩個(gè)平級(jí)之間就會(huì)陷入僵局。LTE-V在實(shí)現(xiàn)直連，即車與車直接通信的時(shí)候，又利用蜂窩網(wǎng)絡(luò)充當(dāng)起仲裁的角色，很好地解決了擁塞及干擾等問題。
以下先介紹基于PC5直連的LTE V2V關(guān)鍵技術(shù)：
（1）為V2V子幀增加了4個(gè)DMRS（DemodulaTI on Reference Signal）符號(hào)。這些符號(hào)與500 kph以下的速度和智能交通系統(tǒng)（ITS, Intelligent Transport Systems）頻段（主要是5.9GHz頻段）相關(guān)聯(lián)，進(jìn)行高速信道追蹤，解決了高速移動(dòng)導(dǎo)致的多普勒效應(yīng)和頻率偏移帶來的問題。
（2）導(dǎo)入了采用半持續(xù)調(diào)度（Semi Persistent Scheduling）方式的分散型調(diào)度技術(shù)。一次無線資源分配可以使用多個(gè)子幀，減少了頻內(nèi)輻射，可以優(yōu)化信道的使用，提高傳輸效率。
（3）導(dǎo)入了新調(diào)度分配功能。這樣便可在車輛多通信節(jié)點(diǎn)密度更高的環(huán)境下進(jìn)行恰當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)資源處理，延遲時(shí)間也面向V2V得到改善。
（4）時(shí)鐘同步，在網(wǎng)絡(luò)不覆蓋的情況下，缺少同步源。V2X同時(shí)支持基站和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）的時(shí)間同步。
（5）專業(yè)的QoS技術(shù)：V2X消息可以通過non-GBR和GBR承載傳輸：QCI 3（GBR）和QCI 79（non-GBR）可以用于V2X消息的單播傳輸，QCI 75（GBR）只能用于MBMS承載的V2X消息，通過專用的QCI極大提升了傳輸?shù)目煽啃浴?/P>
通過PC5接口新增加的DMRS符號(hào)、新的信道結(jié)構(gòu)以及調(diào)度分配功能，使得網(wǎng)絡(luò)參與到V2V的通信中，避免了干擾、擁塞等問題的出現(xiàn)，成為一個(gè)事實(shí)上可產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)。
雖然LTE-V比DSRC起步晚，但基因好，系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)良，繼承移動(dòng)蜂窩網(wǎng)的技術(shù)和運(yùn)營優(yōu)勢(shì)，同時(shí)有中國和歐洲政府支持，預(yù)期產(chǎn)業(yè)規(guī)模較大。
4 V2X系統(tǒng)架構(gòu)
V2X通信有兩種互為獨(dú)立、相互補(bǔ)充的工作模式，即基于PC5直通模式的V2X通信和基于LTE-Uu的V2X通信。基于LTE-Uu的工作模式可以是單播Unicast也可以是MBMS方式。UE可以分別使用這兩種工作模式進(jìn)行接收和發(fā)送。例如：一個(gè)UE可以使用MBMS組播方式接收V2X消息，但發(fā)送V2X消息不使用LTE-Uu。一個(gè)UE也可以通過LTE-Uu下行單播來接收V2X消息。基本上V2X應(yīng)用服務(wù)器之間，可以相互通信以交換V2X信息。合法的偵聽行為適用于V2X業(yè)務(wù)。
4.1 基于PC5和LTE-Uu的V2X通信架構(gòu)
基于PC5和LTE-Uu的V2X的通信架構(gòu)如圖2所示：
圖2 基于PC5和LTE-Uu的V2X的通信架構(gòu)
（1）接口網(wǎng)元
車聯(lián)網(wǎng)是移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)全新應(yīng)用，因此涉及到的接口網(wǎng)元眾多，下面逐一解釋：
V1：V2X應(yīng)用（內(nèi)置在UE里）和V2X應(yīng)用服務(wù)器之間的接口。很明顯，V1是應(yīng)用層的接口，相關(guān)信息不在3GPP范圍內(nèi)定義。
V2：V2X應(yīng)用服務(wù)器和V2X控制功能（V2X Control Function）之間的接口。V2X應(yīng)用服務(wù)器可以連接多個(gè)PLMN的V2X控制功能。
V3：UE和歸屬PLMN中的V2X控制功能之間的接口，適用于基于PC5和基于LTE-Uu的V2X通信，基于LTE-Uu的V2X通信可選支持MBMS。
V4：運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)中HSS和V2X控制功能之間的接口。
V5：UE中V2X應(yīng)用之間的接口。
V6：不同PLMN中的V2X控制功能間的接口（本文不涉及）。
PC5：使用V2X業(yè)務(wù)UE之間用戶面進(jìn)行D2D（Device to Device）直接通信的接口。
S6a：在V2X場(chǎng)景下，在E-UTRAN附著過程期間，S6a接口可用于向MME可以下載V2X通信相關(guān)的簽約信息，或者當(dāng)HSS中的簽約信息改變時(shí)通知MME。
S1-MME：在V2X場(chǎng)景下，該接口可將V2X業(yè)務(wù)授權(quán)從MME傳送到eNodeB。
LTE-Uu：UE和E-UTRAN之間的接口。
（2）功能要求
對(duì)V2X直通鏈路通信，PC5接口是無連接的。支持V2X直通鏈路通信的UE可工作于兩種資源分配模式：
1）資源調(diào)度分配（直通鏈路發(fā)送模式3），其特點(diǎn)是：
◆發(fā)送數(shù)據(jù)前，UE需先處于RRC_CONNECTED狀態(tài)；
◆UE從eNB請(qǐng)求傳輸資源，eNB調(diào)度傳輸資源給UE進(jìn)行直通鏈路控制信息和數(shù)據(jù)的傳輸，并支持直通鏈路半持續(xù)調(diào)度（SPS）。
2）UE自主資源選擇（直通鏈路發(fā)送模式4），其特點(diǎn)是：
◆UE自主從資源池中選擇資源、執(zhí)行傳輸格式選擇，發(fā)送直通鏈路控制信息和數(shù)據(jù)；
◆如果配置了地理區(qū)域和發(fā)送資源池的映射關(guān)系，則UE基于所處的地理區(qū)域選擇V2X直通鏈路發(fā)送資源池；
UE執(zhí)行感知以選擇/或重新選擇資源。基于感知結(jié)果，UE選擇/或重新選擇一些直通鏈路資源，并預(yù)留多個(gè)直通鏈路資源。UE可最多支持2個(gè)并行而且獨(dú)立的資源預(yù)留過程，UE也可以執(zhí)行單次的資源選擇。
對(duì)于V2X直通通信，切換過程中，發(fā)送資源池的配置，包括用于目標(biāo)小區(qū)的異常發(fā)送資源池配置可以在切換信令中發(fā)送給UE，以減少發(fā)送中斷。
為了避免因捕獲目標(biāo)小區(qū)廣播的接收資源池而帶來的V2X消息接收的中斷時(shí)間，目標(biāo)小區(qū)的同步配置和接收資源池配置可在切換命令中通知給RRC_Conneted狀態(tài)的UE。對(duì)于處于空閑狀態(tài)的UE，由UE實(shí)現(xiàn)來最小化與捕獲目標(biāo)小區(qū)SIB21相關(guān)的直通鏈路發(fā)送和接收中斷的時(shí)間。
4.2 基于MBMS LTE-Uu的V2X通信架構(gòu)
基于MBMS LTE-Uu的V2X通信架構(gòu)如圖3所示：
圖3 基于MBMS LTE-Uu的V2X通信架構(gòu)
（1）接口
大部分接口與圖2相同，這里只描述不同的2個(gè)接口：
MB2：2X應(yīng)用服務(wù)器和BM-SC之間的接口。
SGmb/SGi-mb/M1/M3:MBMS系統(tǒng)內(nèi)的SGmb/SGi-mb/M1/M3接口。
（2）功能要求
如果UE配置了通過MBMS接收V2X應(yīng)用服務(wù)器信息，則通過相應(yīng)的廣播信道接收本地信息。本地信息包括本地V2X應(yīng)用服務(wù)器地址信息。另外如果下行使用MBMS，本地信息還可能包括V2X應(yīng)用服務(wù)器的USD（User Service Description，用戶業(yè)務(wù)描述）。
UE根據(jù)收到的信息，獲取本地V2X應(yīng)用服務(wù)器地址，如果這過程中UE沒有收到USD，那么需要UE建立到V2X應(yīng)用服務(wù)器的連接后獲取用戶USD信息。
因?yàn)樯婕暗組BMS，因此V2X服務(wù)器需要將用戶的信息映射為MBMS能識(shí)別的信息再下發(fā)，即格式的匹配，此外UE可能提供地理位置信息，V2X應(yīng)用服務(wù)器通過這些信息來確定目標(biāo)MBMS廣播區(qū)域的MBMS業(yè)務(wù)區(qū)域。V2X應(yīng)用服務(wù)器向BM-SC（組播控制器）提供MBMS業(yè)務(wù)區(qū)域或者小區(qū)ID，以備后續(xù)LTE-Uu口的精確下發(fā)。同時(shí)為了減小時(shí)延，MBMS需要支持更短的下發(fā)/更新周期。
4.3 小結(jié)
縱觀上述的分析，車聯(lián)網(wǎng)對(duì)運(yùn)營商來說是一個(gè)全新的網(wǎng)絡(luò)，需要額外增加很多接口以及網(wǎng)元，運(yùn)營商在夯實(shí)自己基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的同時(shí)，要面向車企，將網(wǎng)絡(luò)信息更好地配合應(yīng)用層的需求，實(shí)現(xiàn)精確有效的傳遞，這無論在投資還是在技術(shù)上，都是一大挑戰(zhàn)。
隨著5G的推進(jìn)，會(huì)進(jìn)一步加大產(chǎn)業(yè)的融合，提升V2X服務(wù)平臺(tái)的功能，比如現(xiàn)有輔助的無線技術(shù)以及調(diào)度，干擾消除等原本移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的功能上移云端，同時(shí)配合5G的切片功能，運(yùn)營商會(huì)單獨(dú)為車聯(lián)網(wǎng)提供獨(dú)立的組網(wǎng)，使得V2X車載終端和V2X平臺(tái)功能分別演進(jìn)、各自創(chuàng)新及升級(jí)，加速車聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展。
5 總結(jié)
本文LTE V2X標(biāo)準(zhǔn)入手，詳述了標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀以及可能基于5G NR演進(jìn)版本的考慮。再從與DSRC的對(duì)比出發(fā)，詳述LTE V2X涉及到的關(guān)鍵技術(shù)，如LTE D2D、多播組播以及針對(duì)車聯(lián)網(wǎng)特點(diǎn)進(jìn)行的基于LTE結(jié)構(gòu)的技術(shù)增強(qiáng)。通過本文分析，可見LTE V2X技術(shù)具備卓越的性能，支持豐富的V2X業(yè)務(wù)，能面向5G演進(jìn)路線以支持不斷發(fā)展的V2X需求。當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)的試點(diǎn)逐步增加，隨著試點(diǎn)推行、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題這個(gè)閉環(huán)的出現(xiàn)，相信在不久的將來，車聯(lián)網(wǎng)不再停留在學(xué)習(xí)、報(bào)告，而是如同互聯(lián)網(wǎng)一樣，給廣大用戶帶來全新的體驗(yàn)。
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作者簡(jiǎn)介
朱紅梅：高級(jí)工程師，碩士畢業(yè)于華南理工大學(xué)，現(xiàn)任職于中國電信股份有限公司廣東研究院，從事移動(dòng)通信新技術(shù)及應(yīng)用研究與試驗(yàn)工作。
林奕琳：高級(jí)工程師，博士畢業(yè)于華南理工大學(xué)，現(xiàn)任職于中國電信股份有限公司廣東研究院，從事移動(dòng)通信新技術(shù)及應(yīng)用研究與試驗(yàn)工作。
