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        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

        2018-05-04 08:13:50朱紅梅林奕琳
        移動(dòng)通信 2018年3期
        關(guān)鍵詞:直通鏈路架構(gòu)

        朱紅梅,林奕琳

        (中國(guó)電信股份有限公司廣州研究院,廣東 廣州 510630)

        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(yíng)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(guó)LG、美國(guó)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(guó)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L(zhǎng)TE-V2X,2017年第一季度標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié),年中完成;中國(guó)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(guó)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(yíng)商期望進(jìn)入車聯(lián)網(wǎng)的陣營(yíng),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)體系中一個(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(guó)高通公司于2011年9月在3GPP SA1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(DemodulaTIon 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5.9 GHz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(SPS, 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(yíng)優(yōu)勢(shì),同時(shí)有中國(guó)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?;贚TE-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LTEUu。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。

        (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。

        圖2 基于PC5和LTE-Uu的V2X的通信架構(gòu)

        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(yíng)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?;诟兄Y(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)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。

        (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)。

        圖3 基于MBMS LTE-Uu的V2X通信架構(gòu)

        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(yíng)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(yíng)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(yíng)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 結(jié)論

        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?gòu)呐cDSRC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)。

        參考文獻(xiàn):

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        [10]中國(guó)信息通信研究院. 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)[S]. 2015. ★

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