【学术论文】5G车联网技术与标准进展

导读：车联网作为5G的重点业务之一，正在逐步构建以人、车、路协同的辅助驾驶、自动驾驶为核心的智能交通系统，新场景、新需求的引入对数据通信与计算提出了更高的要求，也推进车联网从支持车载信息服务（Telematics）向支持车联一切（V2X）服务的下一代车联网发展。为了促进5G通信的技术交流，推动我国5G通信技术的发展，《电子技术应用》杂志2019年第8期和第9期推出“5G与车联网”主题专栏，论文内容涵盖5G车联网关键技术与发展现状、5G车联网标准进展、5G车路协同解决方案和5G车联网应用方案与实践案例等，期待为5G时代的车联网技术和应用部署提供有益的借鉴。特约主编：朱雪田，北京邮电大学工学博士，教授级高级工程师，中关村国家自主创新示范区高端领军人才，北京邮电大学通信与信息专业工程硕士导师，现就职于中国电信智能网络与终端研究院。长期从事4G/5G移动通信和互联网技术创新与研发工作，作为项目组长先后负责多个4G/5G领域的移动通信国家重大项目，发表学术论文超过50篇，发明专利100余篇，个人专著3本。摘要：由于时延和可靠性的短板，基于LTE V2X的蜂窝车联网解决方案只适用于辅助驾驶和初级自动驾驶场景，必须通过更新技术满足未来高级自动驾驶的需求，基于5G的蜂窝车联网NR V2X应运而生。结合3GPP 5G NR V2X的标准制定过程，在分析车联网面向高级自动驾驶应用场景的基础上，重点分析了5G NR V2X关键技术要求和解决方案，并对当前3GPP标准化进展进行了介绍。中文引用格式：朱雪田. 5G车联网技术与标准进展[J].电子技术应用，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.

0 引言

随着城市规模的日益增长，高效的交通控制和管理成为一个基本和紧迫的挑战，最大化道路容量利用率，平衡交通流量，减少排放，改善交通安全，为驾驶者提供最佳的端到端交通体验是现代智能交通控制基础设施的最重要目标。经过近年来的技术发展，单车自动驾驶技术越来越成熟，自动驾驶和智能辅助驾驶成为汽车销售新的卖点。但是由于单车自身成本、空间和感知的局限性，使得单车智能驾驶使用场景有限。车联网和智能网联汽车概念的提出和技术的推进，给汽车和交通行业引入了新的革命性理念。其中车联网带来了信息交互和交通感知的革命，而智能网联车辆的出现则为个体层面的车辆控制提供了新的可能。 车联网(Vehicle to Everything，V2X)是实现车辆与周围的车、人、交通基础设施和网络等全方位连接和通信的新一代信息通信技术。车联网通信包括车与车之间(Vehicle to Vehicle，V2V)、车与路之间(Vehicle to Infrastructure，V2I)、车与人之间(Vehicle to Pedestrian，V2P)、车与网络之间(Vehicle-to-Network，V2N)等，具有低时延、高可靠等特殊严苛的通信要求。C-V2X是基于蜂窝移动通信为基础的V2X技术，分为LTE V2X和5G NR V2X。LTE V2X可以通过网络辅助通信和自主直接传输两种传输模式 [1-2]实现车联网业务。基于两种模式的V2V和V2I通信对时延和可靠性没有严格要求，但随着丢包和时延的增加，通信质量出现下降 [2]。由于时延和可靠性的短板，基于LTE V2X的车联网解决方案只能用于辅助驾驶和初级自动驾驶场景，必须通过更新V2X技术满足未来高级别自动驾驶的需求，5G新空口(New Radio，5G NR)V2X应运而生。本文将基于V2X新的应用场景，结合3GPP 5G NR V2X标准的主要进展，进行需求分析并提出解决方案。

1 应用场景[3]

自动驾驶是未来汽车的终极发展目标，但由于技术的发展规律，会经历从最初的辅助驾驶、部分自动驾驶、有条件自动驾驶、高度自动驾驶到未来的完全自动驾驶的发展阶段。车联网通信在这一发展过程中将发挥重要作用，当前单车自动驾驶主要基于现有传感器技术，如雷达、摄像头等。现有传感器仍然存在距离、成本、传播路径限制、恶劣天气等重要缺陷，且成本较高，而网联恰好可以在这些方面很好地发挥互补作用，提升驾驶安全。V2X通信技术的发展将为自动驾驶提供更加稳定、高速、低时延、高可靠的通信服务，使得网联式自动驾驶成为未来重要发展方向。 5G V2X技术重点支持面向自动驾驶的应用场景，总体分为编队驾驶、高级驾驶、远程驾驶和传感器共享等主要领域，并为不同等级的自动驾驶提供全方位的网联化信息。

1.1 远程驾驶

远程驾驶是指远程司机或V2X应用程序为那些不能自己驾驶的乘客或位于危险环境中的远程车辆操作远程车辆，在变化有限且路由可预测的情况下(例如：公共交通等)，可以使用基于云计算的驾驶。5G NR V2X中的远程驾驶场景如图1所示。

远程驾驶需要实施路况回传，这对无线网络的带宽和时延需求是一个很大的挑战。根据5G汽车联盟(5GAA)定义，该场景要求最小的通信覆盖距离是300 m，20 ms的端到端时延，单车要求25 Mb/s的上行吞吐，可靠性最大需求99.999%。

1.2 编队行驶[4]

车辆自动编队允许车队成员动态变化，车队中的跟随车辆实时接收头车的相关操作信息指示。这样车队内的车辆间距可以非常小，从而使得跟随车辆可以轻松实现自动驾驶。首先，车辆需要建立编组，基于中心调度的建组过程需要支持；其次，在组队过程中，车辆间需要协同变道实现车队的汇入和汇出；再次，头车发出的操作指令需要以最小时延和最高的可靠性保证所有尾随车辆的操作可靠；最后，车辆还需要分享各自视野或者收到的路况及预警信息。5G NR V2X中的编队行驶场景如图2所示。

车辆编队分为临时行为和长期行为。临时行为可以是车辆在某繁忙的交通路口通过编队临时组成通行车队，协作式地快速高效地通过交叉路口和城市地区，可以有效缓解城市交通拥堵状况，减少噪声和尾气污染。通过车辆协作式通行，可望达成该目标；长期行为主要体现在高速路口上，一种可能的场景为同一物流公司的载货汽车，由于目的地相同，可以组成一个由头车控制的车队，跟随车辆可实现自动驾驶，减少驾驶员疲劳驾驶，从而提高通行的安全性，减少交通事故。 车辆编队需要基于中心控制器来实现整体调度。中心控制器可以从路边单元(Road Side Unit，RSU)、车辆上报信息和路边行人反馈信息获得实时参考信息，从而做出具体调度判断。该业务推动车、路、云一体化，进而给城市交通规划设想了一种新的可能。 根据5GAA定义，针对不同级别的编队需求及不同的通信渠道，该场景要求最小的通信覆盖距离是100 m左右，最小10 ms的端到端时延，单车要求50 Mb/s的上行吞吐，可靠性最大要求99.99%。

1.3 扩展传感

扩展传感场景允许车辆、路边单元(RSU)、行人设备和V2X应用服务器之间交换本地传感器采集的数据(包括原始数据或处理数据)，提高对环境的感知，更全面地了解当地情况。 基于扩展传感的城市交通网络建设可以实现基于实时互联数据的信号灯动态优化、动态潮汐车道配置优化、车辆路径引导优化、智能停车引导、专用车道紧急调度等城市交通功能的优化处理，实现真正的车、路、人、云协同。5G NR V2X中的拓展传感场景如图3所示。

根据5GAA定义，针对不同的应用场景需求，该场景要求最大的通信覆盖距离是1 000 m左右，最小3 ms的端到端时延，最大要求1 Gb/s的系统吞吐，可靠性最大要求99.999%。

1.4 高级驾驶

高级驾驶可以实现半自动或全自动驾驶。每辆车和/或RSU将从本地传感器获得的数据与接近的车辆共享，从而使车辆能够协调其轨迹或机动。每辆车的驾驶意向与接近的车辆共享，这种使用案例组的好处是更安全的旅行、避碰和提高交通效率。典型的应用场景包括车道内车辆的协同汇入汇出、车辆间协同紧急避险、停车场自动泊车等。5G NR V2X中的高级驾驶场景如图4所示。

根据第三代合作伙伴计划(Third Generation Partnership Project，3GPP)定义，针对不同的应用场景需求，该场景要求最大的通信覆盖距离是1 000 m左右，最小3 ms的端到端时延，最大要求1 Gb/s的系统吞吐，可靠性最大要求99.999%。

2 关键技术

5G NR V2X基于5G空口无线技术体系演进，并继承了NR网络的诸多关键技术。

2.1 NR V2X架构

NR V2X架构分为独立部署(Standalone)和双连接部署(Multi-Rat Dual Connectivity，MR-DC)两种类型，涵盖6种场景，如图5所示。其中场景1～3为Standalone场景，场景4～6为MR-DC场景，在MR-DC场景下，辅节点(Secondary Node)不能对侧行链路(Sidelink)资源进行管理和分配。

场景1～3中，分别由gNB、ng-eNB和eNB对在LTE Sidelink和NR Sidelink中进行V2X通信的UE进行管理或配置；场景4～6中，由主节点(Main Node，MN)来对在LTE Sidelink和NR Sidelink中进行V2X通信的UE进行管理或配置。

2.2 侧行链路设计和增强

侧行链路(Sidelink)是为了支持V2X设备间直接通信而引入的新链路类型，最早是在D2D应用场景下引入的，V2X体系中进行了扩充和增强。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)组成。 侧行链路的设计和增强具体内容包括研究侧行链路上的单播、组播和广播传输，研究基于NR的侧行链路的物理层架构和流程，研究侧行链路的同步机制，研究侧行链路的资源分配模式，研究侧行链路的层2/层3协议等。

2.3 Uu链路增强

NR V2X网络中的车辆通过Uu链路与基站/路边单元进行通信。相比于LTE V2X车联网，NR V2X所支持的高级业务对传输速率、时延和可靠性都有更高的要求，因而对Uu链路性能也提出了更高要求。当前3GPP研究点主要包括Uu链路高速率低时延多播传输、更加灵活的半静态调度(Semi-Persistent Scheduling，SPS)或免调度的传输模式等。

2.4 基于Uu的侧行链路资源分配

在车联网系统中，当车辆位于蜂窝网的覆盖范围内时，车辆与车辆之间通过侧行链路进行通信的资源可以通过基站来进行分配。同时，考虑到NR Uu、NR V2X与LTE Uu、LTE V2X会同时存在，因而需要研究通过LTE Uu和NR Uu来控制NR侧行传输，以及通过NR Uu来控制LTE侧行传输，从而保证无论是装载LTE V2X终端的车辆还是装载NR V2X终端的车辆在处于LTE基站覆盖下或NR基站覆盖下时均能正常地进行侧行链路通信，如图6所示。

2.5 设备内共存

随着LTE V2X和NR V2X的陆续商用，车载终端设备可能既有LTE V2X模块，也有NR V2X模块，并且会同时支持LTE V2X业务和NR V2X业务。为了保证不同类型V2X业务的正常传输，需要研究设备内的LTE侧行链路和NR侧行链路的共存问题。具体内容包括LTE侧行发送和NR侧行发送重叠时车载终端设备的传输模式，以及LTE侧行接收和NR侧行接收重叠时的车载终端传输模式。相应的传输模式可能为FDM频分复用和TDM时分复用。其中，TDM解决方案是避免NR和LTE Sidelink的同时或交叠传输，FDM解决方案是涉及NR和LTE sidelink的同时传输。图7给出LTE V2X传输和NR V2X传输时分复用的示意。

2.6 通信链路类型选择

在车联网中，车载设备的通信可以选择通过侧行链路进行，也可以选择通过Uu链路进行。对于同时支持LTE V2X和NR V2X的车载终端，其可以选择的通信链路包括LTE Uu、NR Uu、LTE侧行、NR侧行。同时，车载终端在不同的环境或者状态下，各个链路的状况也会有所不同。例如，在无覆盖的场景下，车载终端只能通过侧行链路进行通信；或者在带通信车辆相距较远时，可以通过Uu链路通信。因此，需要系统地研究在不同的网络环境下、不同的场景下以及不同的通信需求下，如何选择合适的通信链路，从而保证V2X通信的质量。同时，也要考虑到不同类型车载终端的能力的不同，例如部分车载终端只支持LTE V2X或者部分车载终端支持NR V2X。

3 标准进展[1-2]

3GPP NR V2X标准化工作从Release 16开始，在2018年6月的RAN#80次会议上，沃达丰向全会提交了“New SID: Study on NR V2X”的研究议题申请 [5]，标志着NR V2X SI的正式立项。NR V2X SI一共经历了5次RAN1会议，包括RAN1#94、RAN1#94b、RAN1#95、RAN1 AH1901和RAN1#96。从RAN1#96b会议开始，NR V2X进入标准制定的WI阶段。目前，NR V2X标准化工作已取得很多实质性进展。

3.1 侧行链路的物理层结构

NR V2X的侧行传输波形统一为循环前缀-正交频分复用（Cyclic Prefix Orthogonal Frequency Division Multiplexing，CP-OFDMCP-OFDM）。NR V2X时频资源在继续沿用资源池概念同时，引入NR新定义的部分带宽。对于NR V2X的物理信道，除了支持LTE V2X中已经定义的物理侧行共享信道PSSCH、物理侧行控制信道PSCCH、物理侧行广播信道PSBCH外，新增物理侧行反馈信道PSFCH用于HARQ反馈信息的传输。

3.2 侧行链路物理层流程

NR V2X在支持单播和组播的传输的基础上，同时支持混合自动请求重传(Hybrid Automatic Repeat reQuest，HARQ)反馈、侧行链路功率控制、侧行链路信道状态信息（Channel State Information，CSI）测量及反馈。对于多播HARQ反馈，支持只反馈否定性确认（Negative ACKnowledgement，NACK）和反馈确认（ACKnowledgement，ACK）/NACK两种模式。对于侧行链路CSI，NR V2X新引入了侧行信道状态信息参考信号（Channel State Information Reference Signal，CSI-RS），支持信道质量指示（Channel Quality Indicator，CQI）/秩指示（Rank Indicator，RI）的上报，并且CSI-RS和PSSCH一起传输 [5]。对于侧行功率控制，支持基于下行链路路径损耗的功率控制、基于侧行链路路径损耗的功率控制以及基于下行链路路径损耗和侧行链路路径损耗的功率控制。

3.3 侧行链路资源分配

NR V2X支持两种类型的资源分配模式：模式一和模式二，其中模式一是在基站控制下的资源分配模式，而模式二是UE自主选择的资源分配模式。对于模式一，支持发送端UE向基站上报侧行传输的确认信息ACK/NACK。对于模式二，支持基于终端UE侦听的资源选择模式，并且最小侦听粒度是资源池中的一个子信道。

3.4 侧行同步

NR V2X引入了侧行同步信号块，其概念和NR的同步信号块类似。侧行同步信号块中包含侧行主同步信号（Sidelink Primary Synchronization Signal，S-PSS）、侧行辅同步信号（Sidelink Secondary Synchronization Signal，S-SSS）和PSBCH信道，并且其所占带宽确定为11个资源块（Resource Block，RB）。其中，S-PSS和S-SSS分别为长度为127的M序列和长度为127的Gold序列，并且S-PSS和S-SSS各占据2个OFDM符号。

3.5 NR Uu控制LTE侧行链路

当前的NR V2X标准重点讨论了NR Uu控制LTE侧行链路的模式。具体地，NR Uu链路可以配置LTE侧行链路的SPS传输，并且可以通过下行控制信息(Downlink Control Information，DCI)来激活或者去激活。而是否支持NR Uu控制LTE侧行传输则取决于UE能力。

4 结束语

5G NR V2X车联网技术以V2X高级自动驾驶业务为目标，支持更高传输速率、更高可靠性和更低的误码率。5G NR V2X以NR技术为基础，继承了NR诸多关键特性，从而具有更好的灵活性、更好的频谱效率，易于更好地适应各种不同类型的业务需求和通信环境，充分满足未来车联网包括高级自动驾驶在内的众多需求。

参考文献

[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

(中国电信股份有限公司研究院，北京102209)