蜂窩車聯網（C-V2X）演進技術研究

溫小然，王亞坤，習一凡，趙銳，胡金玲

（1.電信科學技術研究院有限公司無線移動通信國家重點實驗室，北京 100191；2.大唐高鴻數據網絡技術股份有限公司智能網聯產品事業部，北京 100191）

0 引言

隨著信息技術的持續發展，車聯網（V2X,Vehicle-to-Everything）作為跨通信、汽車和交通等領域的新一代信息通信技術，已成為極具潛力的研究熱點。車聯網一方面可以實現車輛與周圍車輛、行人、道路基礎設施等的全方位連接和高效準確的通信，通過信息交互識別危險情況，降低碰撞風險，保障交通安全；另一方面還可以通過收集和播發實時數據合理規劃行車路線，協助交通管理，提高交通運行效率[1]。

蜂窩車聯網（C-V2X,Cellular-V2X）作為融合蜂窩網通信和終端直通通信的新一代車聯網技術[2]，在3GPP（3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴計劃）標準化發展過程中包括了兩個階段：基于LTE（Long Term Evolution，長期演進）技術的蜂窩車聯網（LTE-V2X）和基于5G NR（New Radio，新空口）技術的蜂窩車聯網（NRV2X）[3]。圖1給出了C-V2X標準的演進過程。其中，LTEV2X主要面向基本道路安全類業務和交通效率類業務，引入了基于PC5接口的終端直通鏈路（SL,Sidelink）通信方式，以支持低時延高可靠的直通通信，相關協議的制定已于2018年完成[4]。NR-V2X主要面向傳感器共享、車輛編隊、增強自動駕駛等V2X增強應用，基于5G NR空口設計，引入了直通鏈路單播、組播通信模式以及基于混合自動重傳（HARQ,Hybrid Automatic Repeat reQuest）的反饋機制[5]，并于2020年6月完成了首個版本Release 16（Rel-16）的協議制定[6]。為進一步實現NR-V2X支持更復雜應用場景和滿足更高可靠性的需求，Rel-17 NR-V2X增強階段主要考慮在以下兩個方面進行技術演進[7]。

圖1 3GPP C-V2X標準演進

（1）Rel-16版本未考慮行人等無持續電源供給的終端，例如弱勢交通參與者設備（VRU,Vulnerable Road User）。為保證具有節電需求的終端參與通信時的性能，Rel-17 NR-V2X增強階段對終端的節電機制進行了研究，使其能夠以省電的方式執行直通鏈路操作。

（2）先前版本主要基于發送端的感知結果進行資源選擇，并未考慮收發兩端感知信息的交互。為進一步提高直通通信的可靠性，Rel-17 NR-V2X增強階段對終端間協調（Inter-UE coordination）機制進行了研究，旨在滿足V2X增強應用嚴苛的傳輸性能需求。

本文將針對上述演進方向，詳細介紹NR-V2X增強階段的關鍵技術，包括直通鏈路終端節電機制和終端間協調機制，并對NR-V2X技術的后續演進方向進行展望。

1 NR-V2X增強關鍵技術

1.1 直通鏈路終端節電機制

（1）需求分析

Rel-16 NR-V2X的設計基于終端持續工作的場景，例如車載終端（OBU,On Board Unit）和路側設備（RSU,Road Side Unit）可以分別通過車輛和路側設施獲得持續的能量供給。然而對于能量持續供給受限的終端，例如依靠電池工作的VRU，如果采用與Rel-16相同的信道感知和數據包接收機制，則可能導致終端無法進行長時間工作。因此，如何在保證可靠工作的同時節省終端的能耗，以延長終端的工作時間，是NR-V2X增強階段的核心研究內容之一。

（2）技術方案

根據NR-V2X通信機制的設計，終端的能量消耗主要集中在信道感知、數據發送以及數據接收等環節。因此，NR-V2X增強階段對于終端節電機制的研究主要包括節電模式UE（例如VRU設備）的部分感知（Partial sensing）機制和直通鏈路非連續接收（DRX,Discontinuous Reception）機制[7]。

1）Partial sensing機制

考慮到行人手持終端（PUE,Pedestrian UE，VRU的一種形態）持續進行信道感知帶來的功耗問題，3GPP在LTE-V2X標準設計時引入了部分感知機制。執行部分感知的PUE根據高層配置的最小候選子幀個數Ymin，在資源選擇窗中自主確定Y個候選子幀的位置（Y≥Ymin）。通過監聽子幀上的資源占用結果，確定候選子幀上的可用資源。其中k值的集合由高層參數確定，在SL通信不與上下行傳輸共載波的情況下，Pstep取值為100 ms。LTEV2X的Partial sensing機制如圖2所示：

圖2 LTE-V2X的partial sensing機制

LTE-V2X支持的典型業務為周期性業務，因此僅設計了周期性部分感知機制。而在NR-V2X中，由于額外引入了非周期性業務，節電模式UE對于資源池中的周期性資源預留和非周期性資源預留都需要進行監聽。為在節省功耗的同時保證業務的傳輸性能，3GPP在NR-V2X增強階段對LTE-V2X中的周期性部分感知機制進行了改進，并額外引入了連續部分感知機制。

①周期性部分感知（Periodic-based partial sensing）

針對V2X增強應用更復雜的業務類型，NR-V2X增強階段主要對部分感知時機的確定方式進行了改進，使其配置更加靈活。對于資源選擇窗中的Y個候選時隙，UE通過監聽時隙上的資源占用結果，確定候選時隙上的可用資源。其中Preserve對應于資源池中支持的所有或部分周期，k可以對應于最近的一次（默認設置）或多于一次的感知時機。NR-V2X的周期性部分感知機制如圖3所示，其中ty0表示Y個候選時隙中的第一個時隙。

圖3 Periodic-based partial sensing機制

②連續部分感知（Continuous partial sensing）

為進一步提升信道感知的可靠性，在NR-V2X增強階段還設計了連續部分感知機制。節電模式UE需要在一段連續的部分感知時機上持續進行信道監聽，根據其它UE的資源預留情況進行候選資源的排除，進而確定選擇窗口中相應候選時隙上的資源是否可用。NR-V2X的連續部分感知機制如圖4所示。

圖4 Continuous partial sensing機制

結合上述兩種NR-V2X部分感知機制，節電模式UE可以高效地對資源池中的資源預留情況進行監聽，從而在不犧牲業務傳輸可靠性的基礎上，滿足節電模式UE的節電需求。目前，根據多家公司在3GPP提交的系統級仿真結果，與執行持續感知（full sensing）的UE相比，采用部分感知機制的UE的傳輸可靠性沒有出現明顯下降[8-10]，同時能量消耗得到了明顯改善，可以降低90%以上[11]。

2）SL DRX機制

為解決UE持續執行信道監聽帶來的耗電問題，LTE蜂窩移動通信系統在Uu接口引入了DRX機制。UE通過周期性地對控制信道進行監聽，可以達到節電的目的。然而，在LTE-V2X的設計過程中，由于假設PUE沒有接收需求，并未在PC5接口引入DRX機制。在NR-V2X增強階段，考慮到NR-V2X多樣化的應用場景，節電模式UE不僅有發送需求，同樣也有接收需求。為了減少節電模式UE執行接收操作時產生的功耗，在NR-V2X增強階段為PC5接口引入了DRX機制。

SL DRX機制的基本原理如圖5所示。其中On Duration表示UE監聽直通鏈路控制信息（SCI,Sidelink Control Information）的時間段，在此期間，接收射頻通道打開，UE持續監聽直通鏈路控制信道承載的第一階段SCI（1ststage SCI）和直通鏈路共享信道承載的第二階段SCI（2ndstage SCI）。除On Duration之外的其它時間，UE可以跳過SCI的監聽，以達到節電的目的。On Duration在每個DRX周期的起始子幀基礎上偏移drx-SlotOffset個時隙后開始，其持續時間由高層參數sl-drx-onDurationTimer配置。

圖5 SL DRX機制

在以上基本原理的基礎上，SL DRX機制還與HARQ過程相結合，引入了SL Inactivity Timer、SL HARQ RTT Timer和SL Retransmission Timer等定時器，使得UE可以動態地激活來接收重傳，減少丟包帶來的性能損失。針對單播、組播等不同的通信模式，發送UE或基站還可為接收UE設置不同的DRX配置，以適應不同的業務類型和傳輸需求。在sl-drx-onDurationTimer、SL Inactivity Timer和SL retransmission Timer中任意一個定時器運行期間，UE都將持續監聽SCI。UE監聽SCI的時間又稱為DRX激活時間（DRX Active Time）。

雖然SL DRX可以通過減少UE監聽SCI的時間的方式實現終端節電，但同時也會對UE的感知和資源選擇機制造成一定影響。例如，如果接收UE采用了DRX機制，發送UE在進行資源選擇時除了考慮信道占用情況，還需要考慮接收UE的DRX配置，保證接收UE可以在DRX Active Time內成功監聽到SCI。因此，對于配置了SL DRX的UE，還需要進一步考慮感知和資源選擇機制的增強。

1.2 直通鏈路終端間協調機制

（1）需求分析

在分布式資源分配機制中，終端基于信道感知結果進行資源排除和資源選擇，從而達到減少資源碰撞，提高可靠性的目的。然而考慮到V2X實際部署場景的多樣性和復雜性，隱藏節點和半雙工等問題會直接降低通信的可靠性。

1）隱藏節點問題

在實際通信系統中，遮擋或者通信距離的限制會導致終端的感知范圍受限。如圖6所示，UE-B和UE-C無法互相感知，因此兩者在選擇資源時可能發生資源碰撞，導致UE-A無法成功解碼兩者的信息。

圖6 隱藏節點問題

2）半雙工問題

當前直通鏈路雙工模式為半雙工，即終端在同一信道上無法同時執行發送和接收。如圖7所示，如果UE-A和UE-B選擇相同時刻的發送資源，則會導致UE-A和UE-B因為半雙工問題無法確保兩者之間的信息傳輸。

圖7 半雙工問題

為解決上述問題帶來的傳輸性能損失，提升NR-V2X在復雜場景應用的可靠性，基于現有分布式資源分配機制，3GPP在NR-V2X增強階段引入了終端間協調機制[6]。

（2）技術方案

終端間協調機制在傳統的自主式資源選擇機制的基礎上增加了終端間感知結果交互的過程，根據協調信息的差異，設計了兩種方案：方案1中，協調UE向被協調UE發送感知到的資源集合信息；方案2中，協調UE向被協調UE發送資源碰撞指示信息。

1）方案1：協調UE向被協調UE發送的協調信息為資源集合

在觸發資源選擇或者資源重選之后，被協調U E（UE-B）首先向協調UE（UE-A）發送協調請求信息，可以包括優先級、子信道個數、剩余業務包傳輸時延預算等；UE-A在接收到該請求信息后，確定并反饋協調信息給UE-B；然后UE-B基于協調信息進行資源選擇。處理流程如圖8所示。

圖8 終端間協調機制方案1處理流程

方案1中的協調信息為資源集合，可以為期望使用的資源集合（Preferred resource set）或非期望使用的資源集合（Non-preferred resource set）。例如，UE-A為了避免半雙工的影響可以將自身待發送時隙上的資源設置為非期望使用的資源集合；為了避免隱藏節點的影響可以將空閑資源或者干擾較小的資源設置為期望使用的資源集合。

UE-B在接收到協調信息后，可以基于自身的感知結果和協調信息確定最終的可用資源集合。例如可以將接收到的非期望使用的資源集合從候選資源集合中排除，從而確定可用資源集合，或者將自身感知到的可用資源集合和期望使用的資源集合的交集設為最終的可用資源集合。此外，對于有節電需求的終端，可以選擇不進行信道感知而直接從期望使用的資源集合中選擇傳輸資源，從而降低能耗。

2）方案2：協調UE向被協調UE發送的協調信息為資源碰撞指示

不同于方案1中直接指示資源集合的方式，方案2采用隱式指示的方式：協調UE（UE-A）針對被協調UE（UEB）的SCI預約的資源進行碰撞檢測，如果發現UE-B預約的資源出現資源碰撞，則將資源碰撞指示（Resource conflict indication）作為協調信息反饋給UE-B，進而觸發UE-B的資源重選。處理流程如圖9所示。

圖9 終端間協調機制方案2處理流程

在標準討論過程中，提出了兩類資源碰撞類型：檢測到的資源碰撞（Detected resource conflict）和潛在資源碰撞（Expected/potential resource conflict）。如圖10所示，UE-A可以通過解碼UE-B和UE-C的SCI，判斷UE-B和UE-C的當前傳輸存在檢測到的資源碰撞。此外，UE-A可以通過解碼UE-B的SCI，判斷UE-B預約的傳輸資源和自身所選資源存在潛在資源碰撞。然而，考慮到NRV2X中的HARQ反饋機制已經可以有效解決檢測到的資源碰撞，終端間協調機制在該場景中帶來的增益有限，因此當前在方案2中僅支持潛在資源碰撞。

圖10 終端間協調機制的資源碰撞類型

綜上所述，方案1中，雖然指示資源集合的開銷比較大，但是協調UE可以提供更完整的感知信息。方案2中，協調UE僅提供碰撞指示信息，被協調UE并不能獲取協調UE的感知信息，但是相比于方案1，協調信息的信令開銷會相對較小。目前，多家公司在3GPP提交的仿真結果也已經證明，終端間協調機制在多種場景、多種業務類型下均可以帶來系統可靠性的增益[12]。其中在單播場景下，周期性業務數據包接收成功率的增益可以達到5%左右[13]。因此，引入終端間協調機制，可以有效地緩解隱藏節點和半雙工機制帶來的問題。

2 NR-V2X技術演進展望

NR-V2X增強階段的設計可以降低設備功耗并提升系統可靠性。隨著通信技術的演進，后續NR-V2X還可考慮對以下幾個技術方向進行研究。

（1）直通鏈路定位技術

車輛的高精度定位是實現智慧交通和自動駕駛等應用的必要條件，對定位準確性和覆蓋完整性提出了更高要求。3GPP在Rel-17已經完成了包含V2X場景在內的覆蓋內、部分覆蓋和覆蓋外定位場景與需求的研究課題[14]?？紤]到直通通信不受蜂窩網絡和全球導航衛星系統覆蓋限制，其與定位技術的結合預期可支持車聯網的全場景定位。因此，NR-V2X的后續演進潛在包括直通鏈路定位技術的研究和標準化，主要考慮針對以下技術問題開展工作[15]：

1）現有智能交通系統（ITS,Intelligent Transportation System）專用頻段的頻譜資源受限，需要對候選頻段以及適用性技術進行研究。

2）面向V2X的直通鏈路定位對定位時延和精度均有較高要求，需要考慮定位參考信號的設計、直通鏈路定位過程設計、資源分配增強、測量以及信令設計等[16]。

（2）支持更大帶寬的直通鏈路增強技術

隨著NR-V2X支持的場景不斷豐富，V2X業務對于高數據速率和高可靠性的需求也將持續提升，同時考慮全球不同地區頻譜規劃情況存在差異，NR-V2X技術演進需要考慮多載波機制和高頻段通信等支持更大帶寬的直通鏈路增強技術。

1）多載波機制

目前全球ITS專用頻譜分配情況已經逐漸清晰。國內，工信部已于2018年為LTE-V2X直通通信分配了20 MHz（5 905—5 925 MHz）頻譜資源[17]。國外，美國、歐洲等多個國家或地區也已明確ITS專用頻譜。由于V2X頻譜資源通常被劃分為多個載波，如果C-V2X業務需要充分利用可用頻段上的頻譜資源，則需要基于載波聚合技術來實現。另一方面，為進一步提升V2X業務的傳輸性能，還可通過多載波重復傳輸技術來提升業務傳輸的可靠性。

2）高頻段通信

由于當前低頻段的頻譜劃分已經基本固定且帶寬資源比較受限，利用帶寬范圍更廣的高頻段進行直通通信是滿足NR-V2X高數據速率需求的有效解決方案。目前，FR2頻段（24.25—71 GHz）上的直通通信機制僅定義了相位參考符號等部分內容，對于實現FR2頻段上高效通信的波束管理等機制還未進行系統的研究和定義。因此，為實現高頻段上直通通信的更好性能，還需要對FR2頻段上的直通通信機制進行進一步的研究和增強。

（3）NR-V2X共存及兼容性技術

考慮到中、美等國家或地區的頻譜規劃和分配現狀，為有效解決當前ITS頻譜資源受限的問題，保證C-V2X技術在平滑演進的同時，實現LTE-V2X和NR-V2X的長期共存，后續需要進一步展開共存相關技術的研究，例如同信道共存技術或其它潛在的共存增強技術。

（4）直通鏈路中繼技術

目前直通鏈路中繼技術的研究主要專注于UE到網絡（UE-to-NW）的中繼方式[18]，遠端UE可以通過處于網絡覆蓋內的UE-to-NW中繼節點與網絡進行通信，這種方式可以有效提升網絡的覆蓋范圍，增強網絡服務的連續性[19]。然而，考慮到V2X通信中存在網絡無法覆蓋的場景，并且收發兩端UE也可能具有通信的需求，為提升直通通信的可靠性和連續性，UE到UE（UE-to-UE）的中繼方式將是NR-V2X技術演進需要考慮的方向之一。

3 結束語

本文針對蜂窩車聯網演進過程中面臨的低功耗和高可靠性等通信需求，對目前NR-V2X增強階段主要研究的直通鏈路終端節電機制及直通鏈路終端間協調機制進行了詳細介紹及分析，并展望了NR-V2X后續技術演進方向。蜂窩車聯網（C-V2X）技術標準的演進將持續推動國內外車聯網產業化進程，有效使能智能交通和自動駕駛。