C-V2X PC5接口通信關鍵技術及性能評估

申亞飛 錢肇鈞 馮曉楓

(1．上海機動車檢測認證技術研究中心有限公司，上海 201805；2. 國家無線電監測中心，北京 100037)

0 前言

車聯網借助新一代信息通信技術，提升了車輛智能化水平和自動駕駛能力，提高了交通效率，改善了駕駛員的駕駛體驗，為用戶提供了智能、安全、舒適及高效的駕駛服務。車聯網技術在降低交通事故發生率、提高交通效率、緩解交通擁擠、降低能耗及減少環境污染方面具有重要意義。通信技術作為車聯網中重要的技術，是實現信息交互的載體，可為車聯網提供全方位高效網絡連接[1]。

目前，基于長期演進網絡(R14版本)的車聯網(LTE-V2X)的蜂窩車聯網(C-V2X)通信技術已接近商業化階段。該技術可實現交通工具與其他車輛，以及其他使用短距離通信或蜂巢式網路的道路使用者的有效溝通。未來，隨著第五代移動通信(5G)技術的強化，C-V2X通信技術將大幅提升交通效率和道路安全。

C-V2X通信技術是智能交通運輸系統(ITS)的重要組成部分。由于涉及到車輛與人員的安全，C-V2X通信終端產品在實際投入使用前必須對其進行嚴格的測試。鑒于現場測試的效率較低，成本較高，故使用建模仿真測試方法是車聯網行業內公認的最重要、最有效的方式之一。

1 C-V2X概述

車聯網通信支持車輛與任何事物(V2X)之間的信息交互。V2X通信模式包括：車與車(V2V)、車與人(V2P)、車與基礎設施(V2I)、車與網絡(V2N)的通信交互。

C-V2X是基于第三代移動通信(3G)/第四代移動通信(4G)/5G蜂窩網絡通信技術演化而成的蜂窩車聯網通信技術。C-V2X技術主要采用2種通信模式，分別定義為模式3和模式4。2種模式分別對應不同的通信接口[2]。圖1示出了C-V2X模式3通信技術示意圖。該模式由基站集中控制管理無線資源分配相關工作，車輛僅在基站覆蓋范圍內才能進行通信，其對應于終端和基站之間的通信接口(Uu)。在C-V2X模式4中，車輛可自主選擇無線資源進行V2X業務傳輸，不需要借助基站等網絡基礎設施。該模式采用C-V2X的底層直連蜂窩通信協議(PC5)接口進行通信，利用側鏈(SL)發送V2X消息，從而實現車輛間的低時延、高可靠及高容量通信(圖2)。

圖1 C-V2X模式3 Uu接口通信示意圖

圖2 C-V2X模式4 PC5接口直通方式示意圖

C-V2X通信技術作為面向車輛、行人、道路基礎設施、云平臺的通信綜合解決方案，具備在高速移動環境中低時延、高可靠、高速率、安全的通信能力，能實現更加全方位的連接和更高效的信息交互，以滿足車聯網通信的多種應用需求。C-V2X典型的應用場景包括信息服務、交通安全、交通效率提升，以及自動駕駛等[3]。

2 C-V2X PC5接口的關建技術

C-V2X模式4支持車輛之間的直接通信，允許車輛以分布式調度方式自主選擇無線通信資源，而不需要通過基站進行資源集中調度。本文主要對C-V2X模式4的通信方式進行分析和研討。針對車聯網應用場景中車輛高速移動的特性，以及數據傳輸要求低時延、高可靠等需求，C-V2X標準對子幀結構、同步機制及資源池配置進行了增強[4-8]。

2.1 子幀結構

在C-V2X應用場景中，車輛運動速度較快，且車輛可能在高頻段工作，這會導致多普勒頻率發生偏移，對信道產生嚴重影響。因此，需要在C-V2X PC5接口通信中優化設計解調參考信號(DMRS)結構。C-V2X通信技術借鑒了基于長期演進(LTE)網絡終端直通技術的DMRS列結構，將1個子幀中的2列DMRS增加到4列DMRS。圖3示出了C-V2X PC5接口通信的子幀結構。該結構可使鄰近的DMRS間隔從先前的0.50 ms縮減為0.25 ms，導頻密度在時域上有所增加，有效解決了典型高速場景時高頻段的信道檢測、估計及補償等問題。除DMRS結構外，增強后的C-V2X PC5接口通信的子幀結構還包括上下行保護時間(GP)及自動增益控制(AGC)。

圖3 C-V2X PC5接口通信的子幀結構

2.2 同步機制

在C-V2X系統中，C-V2X通信節點可配置全球衛星導航系統(GNSS)模塊，并可直接作為同步源向周圍節點提供同步信息。同時，基站也可作為同步源之一，通過廣播方式將基站與GNSS之間的時間偏差通知用戶，進行時間補償。由于在基站覆蓋范圍下的節點與基站同步，故基站覆蓋范圍下的用戶也可作為同步源，將基站同步信號發送到基站覆蓋范圍外的節點。因此，C-V2X通信技術支持GNSS、節點自同步及基站等3種同步源。

2.3 資源池配置

C-V2X利用單載波頻分多址(SC-FDMA)支持多用戶接入網絡。同時，C-V2X支持10 MHz及20 MHz信道帶寬用于傳輸V2X業務，每個信道在時域上被劃分為子幀，在頻域上被劃分為子信道。每個子信道由多個資源塊(RB)組成。資源塊是分配給用戶的最小時頻資源單位，1個資源塊在時域上占1 ms，在頻域上占180 KHz。每個子信道上的資源塊數目是可以變化的。

數據和側鏈控制信息(SCI)占用子信道進行傳輸。具體而言，就是數據在傳輸塊(TB)上的物理側鏈共享信道(PSSCH)進行傳輸，每個傳輸塊包含了所有要傳輸的數據包，傳輸塊的大小取決于數據包大小。傳輸塊必須與其關聯的SCI在同一個子幀內進行傳輸，該SCI在物理側鏈控制信道(PSCCH)上占用2個資源塊，SCI包含了用于傳輸塊的調制和編碼方案等控制信息。

PSCCH與PSSCH可采用2種資源配置方式，即鄰帶資源配置方式和非鄰帶資源配置方式。在鄰帶資源配置方式中，SCI和數據在同一子幀的相鄰資源塊上進行傳輸，占用1個或多個子信道；在非鄰帶資源配置方式中，SCI和數據在同一子幀的非相鄰資源塊上進行傳輸。圖4示出了2種資源池的配置方式。

圖4 資源池的配置方式

3 基于感知的半持續調度(S-SPS)資源分配機制

3.1 S-SPS資源分配機制概述

C-V2X PC5接口通信技術采用了一種全新的分布式資源分配方案，即S-SPS資源分配機制，該機制可以在不借助蜂窩基站的情況下自主選擇資源進行周期性消息的傳輸。

S-SPS資源分配算法利用V2X業務的周期性特點，通過感知預約周期性的資源傳輸V2X業務，可避免沖突，提高資源利用率，提升傳輸可靠性。假設N為資源選擇或重選時刻，車輛在選擇傳輸資源后相隔時間長度后傳輸V2X業務，并假設半持續周期時間長度，則資源選擇窗口的2個時間間隔t的計算公式如下：

t=N+t1

(1)

t=N+t2

(2)

式(1)中：t1通常取值為4 ms；式(2)中：t2通常取值為100 ms。

圖5示出了C-V2X PC5接口的S-SPS機制時序。候選資源(CSR)是指資源選擇窗口內的系統資源，N-1 000到N-1之間的時間間隔稱為感知窗口。車輛在進行資源選擇或重選時，會根據過去1 000 ms的感知窗口來判斷選擇窗口內的CSR是否空閑。若CSR空閑，則資源為可用資源，車輛可選擇該CSR作為傳輸資源。當車輛從可用資源中選定傳輸資源后，可在式(3)所示的時刻內占用該傳輸資源傳輸V2X業務，也可以在式(4)所示的時刻內對傳輸資源的使用進行預約。相關計算公式如下：

圖5 C-V2X PC5接口S-SPS機制時序

t=N+M

(3)

t=N+M+l

(4)

式(3)中：N為資源選擇或重選時刻；M為車輛在選擇傳輸資源后相隔時間長度。式(4)中：l為半持續周期時間長度。

3.2 S-SPS資源分配過程

C-V2X模式4通信介質訪問控制層(MAC)的資源分配機制主要采用S-SPS資源分配算法。S-SPS資源分配算法主要分為3個過程：資源感知過程、資源選擇過程、資源重選過程[9]。基于S-SPS資源分配機制，車輛可以根據信道感知結果選擇可用的傳輸資源，并保留此資源便于下一次傳輸。

3.2.1 資源感知過程

資源感知是執行S-SPS資源分配算法的先導過程。感知的本質就是在感知窗口內檢測其他車輛使用資源塊的情況，從而在資源選擇窗口中確定可用資源。在資源選擇窗口中，車輛會檢測最近1 000 ms時域子幀內資源塊的使用情況，并根據不斷接收的直通鏈路接收信號強度指示(RSSI)閾值來判斷給定的資源塊是否空閑。在第3代合作伙伴計劃(3GPP)中，每個資源塊RSSI閾值通常設為107 dBm。若S-RSSI值大于該閾值，則被認為資源塊忙碌，反之，資源塊為空閑。根據感知結果，車輛可將S-RSSI在閾值之下的資源塊作為可用資源。若可用資源小于20%，則該車輛需要增加3 dB的參考信號接收功率(RSRP)閾值，直到建立大于20%的可用資源，否則，車輛將繼續執行上述循環步驟。

3.2.2 資源選擇過程

在資源感知過程中，當確定了大于20%的可用資源后，需要從中選出最好的20%的可用資源作為傳輸資源，即具有最低平均S-RSSI值的20%的可用資源。假設QRSSI為平均S-RSSI值，并將其定義為10個子幀的S-RSSI的平均值，計算公式如下：

(5)

式中：QRSSI為S-RSSI值；j為選擇窗口；t為時間間隔。

QRSSI值越小，說明該資源被其他車輛占用的可能性越小，因而選擇該資源可以減少資源沖突。圖6為平均S-RSSI的計算示意圖。

圖6 平均S-RSSI值的計算

3.2.3 資源重選過程

當車輛隨機在最好的20%可用資源中選擇傳輸資源時，系統會相應地產生1個資源計數器，該計數器的取值范圍為5～10。車輛每傳輸1次V2X業務，資源計數器的值相應地減1。當資源計數器的值為零時，車輛會以一定概率重新選擇新的傳輸資源。

3.3 S-SPS算法具體實現步驟

圖7示出了C-V2X中S-SPS算法的具體步驟[10]。S-SPS算法程序的實現步驟如下：①設置資源選擇窗口，把資源選擇窗口內的所有資源設為候選資源。②車輛連續監測子幀，并記錄解碼的SCI和SL接收信號強度指示測量值，根據感知窗口確定可用資源。③設置信號功率閾值ThreshRsrp。④設置資源分配參數，初始化集合CSRA、CSRB。其中，CSRA為資源選擇窗口內的所有候選資源，CSRB為空集。⑤在集合CSRA中，排除RSRP閾值大于信號功率閾值的候選資源。⑥確定大于20%的可用資源。若不滿足該條件，則將RSRP閾值增加3 dB，直至滿足大于20%的可用資源。⑦在CSRA集合中選擇最好的20%可用資源。其選擇準則為具有最低平均S-RSSI值的20%可用資源，并放入集合CSRB中。⑧從CSRB中隨機選擇資源進行V2X業務傳輸。

圖7 C-V2X S-SPS算法具體實現步驟

4 仿真分析

采用網絡仿真器NS3對C-V2X的S-SPS算法性能進行仿真分析，并評估了資源重選概率、資源預留間隔、信道帶寬對數據包接收率(PRR)的影響。PRR是指在基線距離范圍內所有車輛成功接收的數據包數目與所傳輸的所有數據包數目的比值。表1示出了仿真分析的參數。

表1 C-V2X的S-SPS算法仿真參數

圖8示出了城市道路場景中，當信道帶寬為10 MHz時，不同資源重選概率下PRR的變化情況。從圖中可以看出，隨著仿真時間的增加，各條曲線趨于平穩。當資源重選概率過高時，S-SPS性能欠佳，其原因是資源重選概率越高，資源可用性變化將加劇，從而導致通信可靠性較低，PRR值下降。

圖8 不同資源重選概率下PRR的變化情況

圖9示出了城市道路場景中，當信道帶寬為10 MHz時，不同資源預留間隔下PRR的變化情況。隨著資源預留間隔的增加，PRR值有所提升。這是因為資源預留間隔增加，車輛在給定時間內可使用的資源數量減少，因此，多個車輛選擇同一資源的概率降低，從而資源沖突減少，PRR有所提升。

圖9 不同資源預留間隔下PRR的變化情況

圖10示出了不同場景下不同信道帶寬對PRR值影響的評估情況。針對3種不同仿真場景，20 MHz信道帶寬的性能優于10 MHz信道帶寬的性能。這是因為信道帶寬越大，可供車輛選擇的資源越多，多個車輛選擇相同資源的概率將降低，發生碰撞的機率就越小。因此，成功接收數據包的數量增加，PRR增加。同時，在高速公路場景下的PRR性能略優于城市道路場景，其原因是相比于城區道路場景，高速公路場景下的信道模型只包含視距傳輸，無線網絡信道質量較好，因此PRR性能會有所提升。

圖10 不同帶寬對應的PRR變化情況

5 結語

本文對C-V2X PC5接口通信關鍵技術進行了概述，并對S-SPS機制進行了性能評估。C-V2X PC5接口通信可以在沒有蜂窩基礎設施支持的場景中為車輛提供車車間的直接通信，C-V2X PC5接口通信引入S-SPS資源分配方案后，系統允許車輛自主地選擇和保留無線資源進行消息的傳輸。仿真分析結果表明，資源重選概率、資源預留間隔及信道帶寬對C-V2X PC5接口通信性能具有一定影響。

隨著智能網聯汽車產業的迅猛發展，智能駕駛技術已經日臻成熟，但是用于車聯網通信的C-V2X的頻段尚未正式確定。因此，通過仿真手段開展對C-V2X相關資源的配置和通信質量的測試分析，將有助于為我國C-V2X的頻段分配提供技術支撐，為車聯網商用部署打下技術基礎。