車聯網高層協議關鍵技術

（中興通訊股份有限公司，廣東 深圳 518057）

(ZTE Corporation, Shenzhen 518057, China)

隨著通信技術的發展及需求的豐富，無線通信的應用場景日益廣泛，其中比較典型的是車聯網[1]。車聯網指車輛可以參與到無線通信中，通過利用先進的無線蜂窩通信技術，實現車到車（V2V）、車到基礎設施（V2I）的實時信息交互，告知彼此的當前狀態（包括車輛的位置、速度、加速度、行駛路徑）及獲知的道路環境信息，協作感知道路危險狀況，及時提供多種碰撞預警信息，防止道路交通安全事故的發生。車聯網通信根據車輛對端通信節點類型具體分為4種通信模式：V2V、V2I、車到網絡（V2N）和車到人（V2P），如圖1所示，這4種統稱為車用無線通信（V2X）技術通信[2-4]。

在基于移動通信系統的V2X，為了區別于傳統的用戶設備（UE）終端與基站之間的上行鏈路和下行鏈路，車輛終端與其他節點（除基站）之間的通信鏈路被稱為Sidelink。本文中，我們主要針對V2X通信中的Sidelink資源分配進行分析。

1 車聯網資源分配方案

在V2X標準中，支持網絡側集中式調度Sidelink資源以及競爭式UE自主選擇Sidelink資源2種資源分配方案。其中，基于競爭的Sidelink資源方案可以更廣泛地應用于沒有移動通信系統覆蓋的地區，從而保障了基于移動通信系統的V2X通信方案具有擴展性，適用于所有車聯網通信場景[5]。

1.1 基于網絡側調度的資源分配

對于基于網絡側調度的資源分配，UE須進入無線資源控制（RRC）連接狀態向基站請求Sidelink傳輸資源[6]。UE通過向基站發送Sidelink UE信息來請求資源，基站接收到該消息后得知該UE為車聯網UE，則為該UE執行相關授權，授權通過后為UE分配用于車聯網通信的Sidelink資源。考慮到V2X消息在很多情況下具有周期發送的特點，為了節省信令開銷并縮短延時，半靜態調度（SPS）成為一種較為合適的調度方式。UE可能同時需要發送多種V2X消息且各種消息的周期、大小不同。如果網絡側可以根據UE業務的產生情況，為其分配合適的周期、子幀偏置以及包大小，那么就可以最合理地分配資源且產生最小的延時。為達到這個目的，文章中我們提出UE上報輔助信息的方案，告知網絡側其期望的資源周期、大小等，用于幫助網絡側配置以及激活一個或多個合適的SPS進程，同時網絡側也可以為UE配置并且同時激活一個或多個SPS進程以滿足多業務的需求。

▲圖1 車聯網通信

1.2 UE自主資源選擇

UE進行自主資源選擇時，會基于一定的資源選擇規則自主地從資源池中選擇資源以傳輸Sidelink控制消息以及數據[7]。對于RRC空閑態UE，可以通過系統消息獲取V2X通信配置信息，具體包含V2X發送資源池信息、接收資源池信息及V2X Sidelink通信其他必要信息；對于RRC連接態UE，如果被基站配置為使用UE自主選擇資源的模式，則UE傳輸Sidelink控制消息以及數據的發送資源池通過基站的RRC專有信令獲得。為了讓相鄰區域的UE之間不會產生干擾同時減緩遠近效應帶來的問題，第三代合作伙伴計劃（3GPP）將全世界范圍的區域劃分為一個個矩形區域，稱之為zone。若資源池被配置有相關聯的zone，則UE還需要通過網絡側獲取zone配置信息計算當前所處zone，并選擇當前所處zone對應的V2X發送資源池。通過這種方式來實現鄰近的UE使用相同的資源池而相鄰區域的UE使用不同的資源池。

為了避免不同UE選擇的資源產生沖突，在V2X UE選擇確定所使用的資源之前，UE需要在資源檢測窗口內對Sidelink可用資源進行檢測，判斷出其中已被其他UE使用的資源以及可能空閑的資源。然后，在滿足Sidelink數據發送需求的資源選擇窗口中選擇合適的資源進行發送。Sidelink業務具有一定的周期性，其資源控制指示信息中包含對后續資源使用的預留指示；因此，發送UE能夠通過對檢測窗口內檢測到的Sidelink信號及信息情況來預測后續資源選擇窗口中的資源使用情況，并基于此選擇資源，從而達到盡可能避免資源選擇沖突的目的。如果UE預留多個資源，那么UE可以根據業務到達規律選擇合適的傳輸間隔。如果UE無法預估數據到達的準確時間，也可以根據時延需求來預留資源。對于時延敏感型業務，即使數據還未到達，也可以通過一個單獨的資源控制指示信息提前預留資源，并在該資源控制指示信息中攜帶預留資源將承載的業務的優先級信息。當其他UE檢測到該資源控制信息時，則根據彼此待傳業務之間的優先級高低來選擇是否避讓該預留。

當UE處于異常情況時，例如UE檢測發生了無線鏈路失敗、UE正在執行RRC連接重建、UE在切換過程中或UE發現資源檢測的結果不可用時，如果網絡側配置了異常資源池，UE可以使用異常資源池中的資源進行V2X通信。為了減少異常情況下V2X通信中斷時間，滿足V2X業務時延需求，異常資源池使用隨機選擇方式選擇資源，對異常資源池進行監聽。

1.3 擁塞控制

在車輛高密度場景下，如出行高峰期、交通路口或發生交通事故的地方，較多車輛會產生較多的V2X消息且有些V2X消息的發送頻率較高，那么就會有大量V2X消息需要傳輸。而V2X資源是有限的，那么就可能出現擁塞。為了緩解并控制擁塞，車聯網為Sidelink擁塞測量定義了信道繁忙度（CBR）參數，即Sidelink在其資源池中一段時間內的接收信號強度（S-RSSI）超過（預）配置門限值的子信道的比例。UE可通過基站配置或預配置的方式獲得CBR測量配置信息，具體包括S-RSSI門限值、要執行CBR測量的資源池信息、用于發送參數自適應調整的映射表等。空閑態以及連接態的UE都可進行CBR測量，并根據CBR的測量結果和業務的優先級來自適應調整發送參數。其中，發送參數包括最大發送功率、重傳次數范圍、資源塊數量范圍、調制編碼方式范圍等。此外，連接態UE可根據基站配置進行CBR測量結果上報，以使基站可獲得Sidelink資源池的使用情況并調整資源池配置。通過這種方式，UE能夠基于Sidelink資源池的擁塞情況來調整Sidelink發送參數配置，從而達到擁塞控制的目的。

2 Sidelink載波聚合

隨著第1階段支持V2X通信基本功能的標準制訂完成，V2X應用場景進一步擴展以支持更高的業務性能需求，如更低時延、更高可靠性、更高數據率需求。為了滿足高級V2X業務的更高性能需求，V2X標準提出支持Sidelink載波聚合的目標。

V2X Sidelink通信支持至多8個載波的載波聚合。Sidelink載波聚合中沒有主載波單元與輔載波單元的概念。Sidelink載波聚合包括Sidelink數據分流和Sidelink數據復制2種應用場景。如果支持Sidelink載波聚合的UE使用競爭式資源選擇，UE須首先選擇用于V2X Sidelink通信的一個或多個載波。

2.1 載波選擇及重選

V2X業務類型與V2X頻點之間的映射關系由上層配置。UE基于高層提供的V2X業務類型與V2X頻點之間的映射關系，確定待傳輸V2X數據所在Sidelink邏輯信道的可用載波集合。媒體接入控制（MAC）子層基于可用載波上的CBR及待傳輸V2X數據所在Sidelink邏輯信道的優先級進行載波選擇，確定Sidelink邏輯信道所使用的一個或多個載波。具體來看，UE分別測量Sidelink邏輯信道的可用載波集合中各個可用載波上的CBR，并與基站配置或預配置的載波選擇CBR閾值進行比較。其中，該載波選擇CBR閾值是與當前Sidelink邏輯信道優先級相關聯的。若可用載波上的CBR測量值小于載波選擇CBR閾值，則將當前載波作為一個候選載波；若有多個候選載波，則按照候選載波CBR測量值升序（由小到大）選擇一個或多個最終所使用的載波，具體選擇多少個載波由UE基于自身能力決定。

Sidelink資源重選觸發時會觸發載波重選。為了避免因頻繁地在不同載波間切換而導致的轉換時間及資源浪費，UE應盡可能繼續使用當前所使用的載波即重選當前載波，在當前載波上進行Sidelink資源重選。具體來看，當載波重選觸發時，UE首先檢測是否可繼續使用當前所使用的載波，并將當前載波CBR測量值與基站配置或預配置的載波保持CBR閾值進行比較。其中，該載波保持CBR閾值是與當前Sidelink邏輯信道優先級相關聯的。若當前載波CBR測量值小于載波保持CBR閾值，則UE可繼續使用當前載波，否則，當前載波處于擁塞狀態不適宜繼續被使用，UE會按照上述載波選擇機制重選新的載波。

2.2 Sidelink數據分流

高級V2X業務具有更高的端到端數據傳輸速率需求。通過載波聚合方式，將V2X數據包分流到多個載波傳輸，可以實現更大的傳輸帶寬，有效提高Sidelink數據傳輸速率。Sidelink數據分流具體如圖2所示。

如果支持Sidelink載波聚合的UE使用競爭式資源選擇，UE則按照載波選擇及重選機制確定Sidelink邏輯信道所使用的一個或多個載波。若選擇了多個可使用的載波，則UE可將該Sidelink邏輯信道的V2X數據分流到這多個載波上進行傳輸。

▲圖2 Sidelink數據分流示例圖

如果支持Sidelink載波聚合的UE被配置基站調度資源，基站基于UE上報的感興趣的發送頻點和V2X業務標識信息，以及Sidelink緩存狀態報告（BSR）中的V2X業務標識索引信息、邏輯信道組和緩存數據量，自主確定Sidelink邏輯信道對應的可用頻點，并在可用頻點上為UE分配Sidelink資源，具體在哪些可用載波上各分配多少資源屬于基站決策。

2.3 Sidelink數據復制

對于具有超可靠低時延需求的高級V2X業務，數據復制可以利用頻域分集增益在多個載波上傳輸相同的V2X數據包提高可靠性。

Sidelink數據復制在分組數據匯聚協議（PDCP）層執行[8]。1個PDCP實體對應2個RLC實體并關聯2個邏輯信道。對于數據復制傳輸，每個PDCP 協議數據單元（PDU）在PDCP實體中被復制，原PDCP PDU和復制的PDCP PDU分別遞交到關聯的2個RLC實體及邏輯信道進行傳輸，并且只能通過不同的載波傳輸[9]。圖3給出了Sidelink數據復制示例。

UE根據基站配置或預配置的可靠性閾值決定激活或去激活Sidelink數據復制。當V2X數據關聯的可靠性級別高于基站配置或預配置的可靠性閾值時，則激活Sidelink數據復制；對于之前正在進行數據復制傳輸的V2X數據，如果其關聯的可靠性級別低于當前配置的可靠性閾值，則去激活Sidelink數據復制。

對于基站調度資源模式，基站基于UE上報的V2X業務對應的可靠性級別列表、感興趣的發送頻點和V2X業務標識信息[10]，配置可靠性級別與邏輯信道組的映射關系，并配置允許進行Sidelink數據復制的可靠性閾值，并為每個V2X業務標識配置2組互不重疊的載波集合用于Sidelink數據復制傳輸。UE將對應同一PDCP實體的2個邏輯信道分別關聯到這2組載波集合，這2個邏輯信道分別關聯到哪個載波集合由UE自主實現。

UE通過Sidelink BSR上報一個或多個可靠性級別的緩存數據量及數據所屬V2X業務標識。基站通過Sidelink BSR中的邏輯信道組標識獲知對應的可靠性級別，并根據配置的可靠性閾值，知道邏輯信道組中的邏輯信道是否要進行數據復制傳輸。如果邏輯信道組關聯的可靠性級別高于可靠性閾值則要進行數據復制傳輸，基站在對應的2組互不重疊的載波集合上分別配置所請求的資源量，具體各個載波上分配多少Sidelink資源由基站決策。

用于原PDCP PDU和復制的PDCP PDU傳輸的2個邏輯信道是一一對應的，接收端UE根據邏輯信道標識可識別哪2個邏輯信道用于同一數據復制傳輸，從而將關聯的2個邏輯信道的數據遞交到對應的同一PDCP實體。接收端UE PDCP實體進行重復包檢測，丟棄重復的數據包，并進行重排序，將數據包按序遞交給上層協議實體。

▲圖3 Sidelink數據復制示例圖

3 結束語

本文中，我們闡述了基于移動通信網絡的車聯網通信中的Sidelink資源分配方案，包括移動通信網絡中傳統的基站調度式資源分配方案以及基于競爭的UE自主資源選擇方案。

為了提高車聯網通信的資源效率，對于網絡側調度式資源分配的方式，提出了上報UE輔助信息，同時配置和激活多個半靜態調度資源的方案；對于UE自主選擇資源方式，提出了降低資源沖突概率的資源選擇策略。另外，我們還提出了擁塞控制方案和支持Sidelink載波聚合方案以進一步提高車聯網資源利用效率和可靠性等性能。

在長期演進（LTE）-V2X Sidelink廣播通信的基礎上，5G 新空口（NR）-V2X針對5G NR Sidelink單播和組播通信進行了設計，以進一步增強資源分配方案性能。我們建議下一步工作可以重點研究支持Sidelink單播和組播的反饋機制以提高傳輸的可靠性，支持更加精細化的服務質量（QoS）管理機制以優化資源分配方案，支持UE之間的協調調度方案，以及包括非連續接收在內的車聯網節能方案。