黃陳橫（廣東省電信規(guī)劃設計院有限公司，廣東廣州 ）

1 概述

車用無線通信技術（V2X）是將車輛與一切事物相連接的新一代信息通信技術，其中V代表車輛，X代表任何與車交互信息的對象，主要包含車、人、交通路側基礎設施和網絡。當前支持V2X通信的2種主流無線接入技術（RAT）是專用短距離通信（DSRC）和Cellu?lar-V2X（C-V2X）。DSRC主要用于5.9 GHz專用頻段，該頻段已在許多國家專門用于ITS應用，C-V2X則可以在5.9 GHz專用頻段以及蜂窩運營商的其他公眾頻段中使用［1］。

DSRC源于IEEE 802.11p標準，其MAC層協議具備簡單且能夠進行點對點通信的特點。但其在高移動性環(huán)境及其廣域覆蓋下性能較差。與此同時，3GPP也開發(fā)了基于C-V2X的LTE-V2X，使得C-V2X既能在沒有蜂窩基礎設施的情況下以分布式方式運行，同時也可利用運營商向現有的網絡基礎設施進行廣域覆蓋。隨著V2X用例的服務質量（QoS）要求變得更加嚴格，如更低的時延要求，更高頻次的消息交互，當前這2種V2X RAT無法提供所需的性能。

為了縮小DSRC和C-V2X之間的性能差距，IEEE于2019年1月成立任務組802.11bd（TGbd），計劃將802.11p演進至802.11bd。另一方面，3GPP也計劃將基于LTE的R14演進到基于新無線電（NR）的R16版本。NR V2X將支持更先進的V2X應用，與LTE-V2X相比，這些應用可以獲得更嚴格的QoS服務保障［2］，其中一些用例要求如端到端延遲低至3 ms，可靠性為99.999%，再加上高移動性環(huán)境帶來的現有挑戰(zhàn)，這些額外的需求使得802.11bd和NR V2X的設計極具挑戰(zhàn)。

本文重點解析了V2X在無線接入層（物理層和MAC層）設計和演進理念，首次深入對比探討了這2種技術演進的設計思路和開發(fā)過程，并結合國內行業(yè)發(fā)展狀況為建設方提出相應的組網方案。

2 DSRC及V2X現有版本概述

2.1 關鍵技術

2.1.1專用短程通信（DSRC）

DSRC的物理層和MAC層在IEEE 802.11p標準中定義，該標準主要源自Wi-Fi的IEEE 802.11a協議。由于DSRC是為具有高移動性的車載網絡而設計的，因此引入了增強功能以使DSRC適用于此類環(huán)境。DSRC物理層采用正交頻分復用（OFDM），其信道帶寬為10 MHz。與Wi-Fi相比，DSRC子載波間隔減少到原來的1/2。其MAC協議采用CSMA載波偵聽多址接入［3］，沒有指數避讓，是基于競爭的MAC協議，其競爭窗口參數保持固定，原因有2個：DSRC主要為基于廣播的系統(tǒng)設計的，沒有確認幀返回發(fā)射端；二是指數避讓可能導致大的競爭窗口，從而導致高延遲。

2.1.2蜂窩V2X（C-V2X）

C-V2X是由3GPP在其R14中開發(fā)的V2X無線接入技術，其物理層時頻資源結構與LTE基本相同，可在現有的蜂窩網絡中直接部署?？紤]到無法依賴蜂窩基礎設施場景的存在，且進一步降低時延，C-V2X定義了使用PC5接口上的側行鏈路（Sidelink）實現點對點V2X通信。

a）使用LTE-Uu空口的V2X：LTE-Uu是eNodeB和UE之間的傳統(tǒng)空口。為了減少與V2X上行鏈路調度開銷，eNodeB可以使用半靜態(tài)調度，即eNodeB不僅為下一次傳輸而且還為多個后續(xù)傳輸分配資源給UE。半靜態(tài)調度對于一些具有周期性流量且數據包大小固定的V2X應用是有好處的［4］。

b）使用PC5空口的V2X：PC5空口允許UE之間的點對點通信（D2D），而不需要每個分組都通過eNo?deB。此時UE可以在eNodeB存在和不存在的情況下選擇使用PC5接口。

3GPP R14包括以下2種PC5傳輸模式（Mode-3和Mode-4），以支持低延遲V2X通信［5］。

a）Mode-3：側行鏈路傳輸的資源分配由eNodeB完成。此模式是針對eNodeB覆蓋范圍內的情況定義的。其使用以下幾種調度機制。

（a）半靜態(tài)調度：與LTE-Uu類似。

（b）基于UE上報的調度：UE可以主動上報需求，以幫助eNodeB進行側行鏈路資源分配。

（c）跨載波調度：如果運營商擁有2個或多個載波，則eNodeB可以在其中一個載波上調度資源，而通過另外一個載波進行側行鏈路傳輸。

b）Mode-4：蜂窩覆蓋范圍外的UE可以使用Mode-4，此時UE使用資源預留算法自主地預留資源，具體可參考文獻［4］。

2.2 性能對比

根據參考文獻［6］，DSRC的性能對于大多數車載安全應用是令人滿意的，只要車輛密度適中，端到端延遲一般在100 ms以內。若車輛密度超過一定限度，則DSRC性能由于2個主要因素而迅速惡化：同時傳輸引起的分組沖突和隱藏節(jié)點引起的分組沖突。

與DSRC相比，C-V2X是一種較新的技術。參考文獻［7］表明，在鏈路預算方面，C-V2X側行鏈路Mode-4的性能優(yōu)于DSRC，這可以通過參考文獻［6］中的試驗得到證實。此外，C-V2X側行鏈路Mode-3中通過集中分配資源有效利用頻率可獲得更好的性能保證，如參考文獻［8］中所述。但當流量密度增加時，C-V2X的性能也會迅速下降［7］，特別是對于Mode-4。

2.3 演進業(yè)務需求

2種技術演進的一個顯而易見的需求是提高現有應用的可靠性，同時確保其時延性能滿足需求。3GPP在參考文獻［9］中定義了一些高級車載應用的要求。這些V2X應用不僅可以提高道路安全性，還可以幫助改善交通管理，并滿足乘客的信息娛樂需求。這些應用分為四大類。

a）車輛編隊。

b）高級自動駕駛。

c）擴展傳感器。

d）遠程操控駕駛

表1總結了這些應用的QoS要求。

如表1所示，這些V2X應用程序的延遲和可靠性要求較高，為了支持這種多樣且具有挑戰(zhàn)性的V2X應用，必須對現有的V2X技術進行改進。

表1 高級V2X應用QoS需求

3 DSRC演進：IEEE 802.11bd

3.1 演進目標

IEEE 802.11bd演進目標包括［10］：

a）實現2倍的802.11p的MAC吞吐量，且相對速度高達500 km/h。

b）實現802.11p覆蓋半徑的2倍達到2 000 m。

c）實現與V2X通信相關的車輛定位。

此外，802.11bd必須支持［10］：

a）互操作性：802.11p設備必須能夠解碼（至少1種）來自802.11bd設備的傳輸，反之亦然。

b）共存：802.11bd必須能夠檢測802.11p傳輸并推遲信道訪問，反之亦然。

c）向后兼容性：至少有1種802.11bd模式必須可與802.11p互操作。

d）公平性：在同信道方案中，802.11bd和802.11p必須獲得相同的信道接入機會。

3.2 增強技術

3.2.1中間碼（Midambles）

802.11a物理層基于OFDM，具有64個子載波，312.5 kHz的子載波間隔。通過將子載波間隔減少到原來的1/2，即可得到802.11p的物理層配置。對于典型的車速，156.25 kHz子載波間隔獲得了抗多徑衰落和抗多普勒頻移之間的權衡。因此，設計802.11bd物理層的一種方法是使用802.11ac物理層作為基線，并將子載波間隔減半，以便64個802.11bd子載波可以適合10 MHz帶寬。然而，在參考文獻［11］中已經表明，使用一半的子載波間隔的802.11ac物理層實際上表現不如802.11p，歸因于幀內的信道變化。為了解決這個問題，802.11bd建議使用中間碼，其形式和功能與前導碼相似，不同在于它們在幀內位置。前導碼位于幀開始處，對于快速變化的信道，初始位置的信道估計可能很快就會過時。因此在適當的OFDM數據符號之間引入中間碼用于信道跟蹤，可有效獲得數據符號準確的信道估計。在C-V2X和NR V2X中，DMRS符號扮演類似的角色。

3.2.2重傳

增加可靠性的機制是對數據包進行1次或多次重傳。使用如圖1所示的幀結構，可以提高802.11p和802.11bd的可靠性。初始傳輸及其重傳可以在相同的信道訪問機會內發(fā)送，也可以使用單獨的競爭過程。IEEE的802.11 TGbd提出了一種自適應重傳方案，其中重新發(fā)送幀的決定和重傳的次數基于擁塞級別。在C-V2X中使用了類似的重傳機制來提高其可靠性。

3.2.3雙載波調制

雙載波調制（DCM）是802.11ax中引入的一種技術。DCM包括在相隔足夠遠的子載波上2次發(fā)送相同的符號，從而實現頻率分集。

3.2.4其他物理層和MAC層特性

考慮包含在802.11bd中的其他物理層特征如使用LDPC碼和多個發(fā)射/接收天線以使用空間分集來增加可靠性或使用空間復用來增加吞吐量［11］。

在MAC層，為了確保802.11bd和802.11p設備具有相同和公平的信道接入機會，802.11bd將重新使用802.11p的競爭參數用于支持不同分布式信道接入場景。

3.2.5毫米波頻段

毫米波頻段（60 GHz及以上）具有巨大的潛力，可滿足需要小距離通信但吞吐量非常高的用例（例如視頻流，下載高分辨率3D地圖等）。毫米波版802.11bd的設計基礎有類似802.11ad這樣的802.11標準可參考，或者802.11的增強版802.11ay，后者已經在毫米波頻段中運行。顯然，該頻帶的一個缺點是局限于不需要大通信范圍的應用場景。

3.3 挑戰(zhàn)

3.3.1互操作性和向后兼容性

圖1 802.11bd重傳幀格式

如前所述，互操作性和向后兼容性是802.11bd必須滿足的2個關鍵要求。但其對802.11bd的物理層和MAC層的設計增加了一些限制。例如，空時編碼或替代波形的使用等多種天線方案無法滿足互操作性要求。

3.3.2共存

802.11bd還考慮了802.11p和802.11bd設備共存的場景。共存不同于互操作性和向后兼容性，前者不需要802.11p設備來解碼802.11bd幀，而只需將802.11bd傳輸檢測為有效的802.11幀并推遲信道接入。采用如圖2所示的幀格式，802.11bd設備僅傳輸802.11bd（而非802.11p）設備的消息［12］，而傳統(tǒng)設備在公共域L-STF，L-LTF和SIG解碼后將信道識別為忙碌并推遲信道訪問。表2為802.11p和802.11bd總結對比。

圖2 802.11和802.11bd共存幀格式

表2 802.11p 和802.11bd對比

3.4 性能

根據802.11bd的鏈路級仿真結果［11］，重傳可獲得3～8 dB的增益（BLER為10-1）。純802.11bd設備場景中，DCM可用于802.11bd。在吞吐量改進方面，在數據符號之間插入中間碼使得更高階MCS的使用成為可能，其在高速公路NLOS場景中使用中間碼和LDPC編碼在20 MHz信道上實現吞吐量加倍［13］。此外高信噪比（SNR）（>20 dB）情況下吞吐量加倍，這在車輛間距離小的情況下可以較容易地實現。

4 C-V2X演進：NR V2X

4.1 演進目標

NR V2X的設計目標不是取代已有C-V2X，而是補充C-V2X以擴展支持更多用例。雖然這些用例中的一部分需要傳輸周期性數據，但是大量NR V2X用例還是基于非周期性消息的可靠傳遞。此外，雖然大量應用需要廣播傳輸，但是也存在通過僅向特定的車輛子集（UE）傳輸消息來有效地支持諸如車輛編隊之類的應用。為此NR V2X引入2種新的通信類型，即單播和組播。與IEEE 802.11bd一樣，NR V2X也考慮將mmWave頻段用于V2X應用，特別是對于短距離和需要高吞吐量的應用。但是，考慮到R16的時間表，NR V2X對mmWave支持近期無法實現。

NR V2X目標如下。

a）增強的側行鏈路設計。

b）Uu接口增強功能。

c）基于Uu接口的側行鏈路分配/配置。

d）RAT/接口選擇：用于識別給定V2X消息傳輸的最佳接口（在LTE側行鏈路、NR側行鏈路、LTE Uu和NR Uu之間）的研究機制。

e）QoS管理：研究滿足不同無線接口QoS要求的解決方案。

f）共存：在單個設備中C-V2X和NR V2X共存的可行性研究和技術解決方案，即設備內共存。

4.2 增強技術

a）基本功能。

（a）NR V2X側行鏈路模式：與C-V2X一樣，NR V2X定義了2種側行鏈路模式。NR V2X側行鏈路Mode-1定義了允許在gNodeB覆蓋范圍內與車輛通信的機制。在該模式中，gNodeB將資源分配給UE。另一方面，NR V2X側行鏈路Mode-2支持在覆蓋范圍外的點對點通信。

（b）單播、組播、廣播：在NR V2X單播中，發(fā)送UE與接收UE點對點通信，當發(fā)送UE希望與多于一個但僅在其附近的特定UE子集進行通信時，使用組播模式。廣播模式使UE能夠與其傳輸范圍內的所有UE通信（C-V2X僅支持廣播傳輸）。單個UE可以同時激活多種通信類型。例如，車輛編隊UE可以使用組播模式與其編隊成員UE進行通信，同時使用廣播模式將其他周期性消息發(fā)送到不屬于該排的另外一部分UE。

b）OFDM參數集。子載波、時隙及調度：支持3GPP Rel.15中引入的靈活參數集和低時延特性，具體參見參考文獻［14］。

c）PSCCH和PSSCH的復用。不同于Uu空口中的上下行鏈路（Uplink和Downlink），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，其最早是在D2D應用場景下引入的，V2X體系對其進行了擴充和增強。NR側行鏈路主要由PSCCH控制信道、PSSCH共享信道、PSBCH廣播信道和PSFCH反饋信道組成。在C-V2X中，PSCCH和PSSCH在頻率上復用（參見圖3（a））。這種方法的缺點是接收器必須緩沖整個子幀的消息，并且只能在子幀的末尾解碼消息。為了解決這個問題，PSCCH和PSSCH將在NR V2X中時分多路復用，即首先發(fā)送PSCCH，然后發(fā)送PSSCH。如圖3（b）所示，其中標記為“空閑/PSS?CH”的資源的使用仍在考慮之中并且可以保持空閑或用于PSSCH的傳輸。

圖3 PSCCH和PSSCH復用

d）新增側行鏈路反饋信道（sidelink feedback channel）。盡管C-V2X提供對重傳的支持，但是這些重傳是盲目的，即如果配置了源UE，則重新發(fā)送而不知道周圍UE是否已經接收到初始傳輸，顯然這種方式的資源利用率低。此外，如果源UE可以在其目的地UE處訪問信道狀態(tài)信息，則可以利用這一點來調整諸如MCS的傳輸參數。為了促進啟用基于反饋的重傳和信道狀態(tài)信息獲取，NR V2X引入了新的反饋信道，即物理側行鏈路反饋信道（PSFCH）。

e）其他物理層改進。除上述功能外，NR V2X還將在物理層提供許多其他增強功能，其大部分都是從NR繼承來的。如使用LDPC編碼、64-QAM的高階MCS以及每個時隙采用靈活數量的DMRS符號。

f）新增資源調度NR Mode-2子模式。NR V2X支持2種資源分配方案：Mode-1和Mode-2，Mode-1即基站調度側行鏈路資源給UE進行側行鏈路傳輸。與沒有子模式的C-V2X側行鏈路Mode-4不同，3GPP開始評估NR V2X側行鏈路Mode-2的4個子模式如下：

a）Mode-2（a）：UE自主選擇用于側行鏈路的資源傳輸。

b）Mode-2（b）：UE輔助其他UE選擇用于側行鏈路的傳輸資源。

c）Mode-2（c）：由NR configured grant（和type1類似）對UE的側行鏈路傳輸進行配置。

d）Mode-2（d）：UE調度其他UE的側行鏈路傳輸。

在隨后的3GPP會議中，已經同意不再支持模式2（b）和2（c）作為單獨的子模式［15］。UE輔助（即，模式2（b））可以在模式2（a）/（d）中使用，以改善資源選擇的性能。另一方面，即使不支持模式2（c）作為單獨的子模式，也不排除在模式2（a）中使用時頻資源模式［15］。模式2（a）和2（d）的設計提出了前所未有的挑戰(zhàn)。

4.3 挑戰(zhàn)

a）C-V2X and NR V2X共存。NR V2X并不向 后兼容C-V2X［16］，這種不兼容性源于NR V2X中使用多種參數集等因素。因此，較新的車輛將配備2種技術模塊，即C-V2X和NR V2X，由此必須設計有效的共存機 制。對 于C-V2X和NR V2X共 存，NR V2X研 究組［16］僅考慮“非共信道”場景，可通過頻分復用（FDM），或者時分復用（TDM）實現。C-V2X和NR V2X對比如表3所示。

表3 C-V2X 和NR V2X對比

b）通信消息類型和周期的共存。由相同UE使用NR V2X發(fā)送的不同消息可能具有非常不同的QoS要求。例如，編隊車輛UE必須同時支持發(fā)送廣播、組播和單播消息。此外，這些消息中的一些可能是周期性的，而其他消息則是非周期性的。定期廣播的流量可以在覆蓋范圍外的場景中使用C-V2X側行鏈路Mode-4資源預留算法。而其他流量類別（如非周期性單播）則可能會使用不同的傳輸機制。

4.4 性能

參考文獻［17］中的結果表明，使用60 kHz子載波間隔相比15 kHz的C-V2X可以實現較大的性能增益。為了覆蓋較遠的距離，使用60 kHz子載波間隔需要擴展循環(huán)前綴，這增加了信道開銷，但同時可以通過在60 kHz子載波間隔使用更少的DMRS符號/時隙來補償。此外通過使用多天線技術，在60 kHz子載波間隔下將DMRS符號/時隙數量從4減少到2，使得即使在500 km/h下也幾乎沒有性能損失。

在高速公路場景下，使用60 kHz子載波間隔和20 MHz信道，所有通信類型（即廣播、組播和廣播）和消息類型（即周期性和非周期性）的可靠性為99.7%～99.8%。這表明，至少在高速公路方案中，NR V2X基本滿足表1中列出的一些性能要求。

然而，在通常以車輛密度較高和路徑損耗較大為特征的城市場景中，NR V2X的可靠性能在93%～97%的范圍內變化，表明在此環(huán)境下其可靠性需要進一步增強。此外，參考文獻［17］中給出的結果是針對相對低的消息傳輸頻率（～10 Hz），NR V2X對更苛刻應用的支持性能還有待觀察。此外參考文獻［17］中顯示的結果并未考慮第2章中描述的所有特征。

5 基于PC5-Uu混合組網的V2X組網方案

在技術路徑選擇上，由于802.11p技術成熟相對較早，產業(yè)鏈相對較成熟，因此車聯網起步較早的發(fā)達國家如美國、日本等早期均傾向部署802.11p技術［18-20］。但C-V2X作為后起之秀，以技術先進、性能優(yōu)越以及可長期演進等優(yōu)勢獲得產業(yè)界廣泛支持［18］，國內企業(yè)后續(xù)將主推NR/LTE-V2X技術。因此面向不同的建設方及應用場景，本文提出以下2種C-V2X組網方案。

5.1 基于PC5的Mode-4專網

如圖4所示，該方案通過RSU（路邊單元）組網，車-車之間，車-RSU之間通過PC5接口互聯，其架構簡單，交通管理部門可完全掌控，可快速閉環(huán)，但完全使用RSU組網成本較高，且未來PC5 only的終端的滲透率較低，此外基于UE間競爭獲取信道，當城區(qū)道路用戶密集時，無法保障QoS（如自動駕駛），也不利于開展大帶寬業(yè)務，組網可擴展性較差，此方案僅適用于特定區(qū)域的特定需求場景。

5.2 基于RSU優(yōu)先部署的PC5 Mode-3/4 混合組網

該方案有以下特點。

a）RSU和V2X server由道路運營方部署。

b）V2X server連接所有運營商的VCF。

c）V2X server通過VCF發(fā)送PC5到各運營商的終端。

圖4 基于PC5的Mode-4專網架構

如圖5（a）所示，相比專網方案，該混合組網方案較復雜，涉及道路運營方和電信運營商等多部門管理協同。首先由道路運營方組建以RSU為主的支持PC5接口的專網，再通過電信運營商的公網Uu接口配合滿足各種差異化服務和業(yè)務需求，其成本也較高，但建網初期也可以通過部分部署RSU的方式快速開展業(yè)務，如圖5（b）所示。

6 結束語

2類平行演進的V2X無線接入技術為各個國家、行業(yè)監(jiān)管機構及汽車制造商提供了2種技術選擇發(fā)展車聯網。本文重點從接入層（物理層、MAC層）角度闡述兩者的演進，并對比其不同特征及其對車聯網應用需求的滿足。在同一區(qū)域內同時采用2種不兼容的演進技術可能會導致沖突和安全問題，這不利于V2X產業(yè)鏈的健康發(fā)展，從而無法發(fā)揮V2X產業(yè)的社會價值?；趪鴥刃袠I(yè)發(fā)展趨勢和路線，本文針對3GPP的C-V2X技術，面向不同建設場景，提出了基于PC5-Uu混合組網的V2X組網方案，為相關網絡建設方提供建設性的參考方案。

圖5 PC5-Uu混合組網示意圖