0 引言

    車聯(lián)網(wǎng)的提出和發(fā)展可以有效緩解或解決由于車輛快速增長而帶來的各種問題，并有可能徹底改變?nèi)藗兾磥淼某鲂心Ｊ剑蟠筇嵘缆方煌ňW(wǎng)絡(luò)的運(yùn)輸效率、安全水平、智能化水平及環(huán)保水平，對支撐汽車產(chǎn)業(yè)升級轉(zhuǎn)型具有重要意義。車聯(lián)網(wǎng)是以車內(nèi)網(wǎng)、車際網(wǎng)和車載移動互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，按照約定的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)，在V2X（Vehicle to Everything）之間進(jìn)行無線通信和信息交換的大系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，是能夠?qū)崿F(xiàn)智能化交通管理、智能動態(tài)信息服務(wù)和車輛智能化控制的一體化網(wǎng)絡(luò)。

1 LTE-V標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展及業(yè)務(wù)需求

    國際上車聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)包括兩大通信陣營，一種是DSRC(Dedicated Short Range Communications)方案，作為WiFi的升級版技術(shù)。美國在1998年將5 850~5 925 MHz用于DSRC無線電服務(wù)，也是多數(shù)企業(yè)普遍采用的標(biāo)準(zhǔn)。另外一種是以LTE為基礎(chǔ)的車聯(lián)網(wǎng)專用的LTE-V方案，實(shí)現(xiàn)車輛與周邊環(huán)境節(jié)點(diǎn)低時延、高可靠的直接通信，滿足行車安全需求。

    3GPP標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展如圖1所示，2015年12月，3GPP RAN啟動LTE-V的第1個工作項(xiàng)目，主要完成基于LTE PC5接口的V2V（PC5-based V2V）的標(biāo)準(zhǔn)化工作。2016年6月，3GPP RAN 啟動第2個LTE-V工作，主要完成基于Uu接口的LTE-V，以及其他第1階段遺留的標(biāo)準(zhǔn)化工作。2017年3月，3GPP RAN 啟動基于Rel-14 LTE-V的增強(qiáng)（Rel-15）的標(biāo)準(zhǔn)化工作，截止到2018年6月完成了LTE-V R15標(biāo)準(zhǔn)制定，同時6月份正式將eV2X列為R16標(biāo)準(zhǔn)化研究內(nèi)容。5G eV2X可為自動駕駛汽車提供更多的無線通信功能以支持多種前沿用例，如車輛間高吞吐量傳感器數(shù)據(jù)及地圖共享，將車輛攝像頭捕捉到的信息流傳輸至其他車輛以實(shí)現(xiàn)“透視”功能，或?qū)崿F(xiàn)寬帶測距以改善定位服務(wù)。3GPP主張未來5G eV2X是LTE-V的一個補(bǔ)充，而不是后向兼容。

    目前主要產(chǎn)品形態(tài)還是基于R14，在R14 中針對LTE-V定義了三類業(yè)務(wù)場景，分別是安全應(yīng)用場景、交通效率提升應(yīng)用場景、信息娛樂服務(wù)場景，共計(jì)27種用例^[1]。對網(wǎng)絡(luò)有如下需求：

    (1)速度：支持最高相對速度為500 km/h，最高絕對速度為250 km/h；

    (2)有效通信距離：網(wǎng)絡(luò)能夠提供足夠的有效通信距離，以保證司機(jī)有足夠的反應(yīng)時間(如4 s)；

    (3)時延：直接或通過RSU(Road Side Unit)支持V2V(Vehicle to Vehicle)/V2P(Vehicle to Pedestrian)應(yīng)用的兩個UE之間的最大端到端延遲應(yīng)為100 ms。支持V2I(Vehicle to Infrastructrue)應(yīng)用的UE和RSU之間的最大時延應(yīng)為100 ms。為了支持預(yù)碰撞檢測，支持V2V應(yīng)用的兩個UE之間的最大時延不超過20 ms。對于經(jīng)過3GPP網(wǎng)絡(luò)實(shí)體的在支持V2N(Vehicle to Network)業(yè)務(wù)的車聯(lián)網(wǎng)終端和應(yīng)用服務(wù)器之間通信，最大端到端時延不超過1 000 ms。

    (4)消息生成周期：E-UTRAN應(yīng)能夠支持RSU和終端最大10 Hz的消息發(fā)送頻率。

2 LTE-V業(yè)務(wù)特點(diǎn)

    LTE-V業(yè)務(wù)包括BSM(Basic Safety Message)、DENM(Decentralized Environmental Notification Message)、CAM(Cooperative Awareness Message) 3種數(shù)據(jù)包。

    (1)BSM：BSM由SAE制定。它包含關(guān)鍵車輛狀態(tài)信息，通過BSM信息可以跟蹤車輛的位置和狀態(tài)，阻止可能的碰狀。BSM周期固定為100 ms。沒有認(rèn)證的BSM長度為132~300 B，具備認(rèn)證的BSM為241~409 B。

    (2)DENM：DENM消息由事件觸發(fā)，在一個會話期間，DENM以一個固定周期傳輸。對于不同業(yè)務(wù)類型DENM有不同周期。DENM消息長度為200~1 200 B。

    (3)CAM：由ETSI制定，基于車輛位置改變、速度改變和方向改變，將觸發(fā)CAM消息。具體滿足以下任何一種將會產(chǎn)生CAM消息：

    ①當(dāng)前位置和之前位置超過4 m；

    ②當(dāng)前速度與之前速度差別在0.5 m/s；

    ③當(dāng)前方向和之前方向超過4°。

    CAM消息周期可能是100 ms、200 ms、…、900 ms、1 000 ms。如果CAM沒有認(rèn)證消息大小為92~260 B，認(rèn)證的CAM消息為201~369 B。

    由于LTE-V業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包BSM、DENM、CAM周期性特點(diǎn)，如果使用常規(guī)動態(tài)調(diào)度，需要針對每個包發(fā)送SR(Service Request)信令，將會帶來大量信令開銷。針對該類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包特點(diǎn)，適合使用SPS(Semi-Persistent Scheduling)調(diào)度，UE可以周期使用對應(yīng)資源。

3 LTE-V調(diào)度分析

    基于3GPP標(biāo)準(zhǔn)，LTE-V終端可以選擇兩種接口進(jìn)行V2X消息傳遞，一種是PC5接口方式，另一種是Uu方式。下文將針對兩種方式分析不同調(diào)度算法。

3.1 PC5接口調(diào)度方式

    LTE-V PC5方式發(fā)送數(shù)據(jù)信道包括PSCCH 和PSSCH，其中PSCCH 傳送的是SA(Scheduling Assignment)信息，PSSCH傳送的是用戶數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)資源池和SA資源池是一一對應(yīng)的關(guān)系，每個數(shù)據(jù)傳輸都由一個SA調(diào)度，解出的SA信息指示數(shù)據(jù)傳輸資源的時頻位置信息。資源池的分布方式有兩種^[2]：(1)數(shù)據(jù)資源與SA資源相鄰，如圖2所示，這樣可以降低帶內(nèi)輻射，為降低用戶間干擾，只需要對用戶在頻帶上所占資源的兩側(cè)進(jìn)行功率回退即可；(2)數(shù)據(jù)資源與SA資源不相鄰，如圖3所示，這種資源分布的優(yōu)勢是由于SA所在資源池較小，有利于SA的盲檢測，方便進(jìn)一步檢測到數(shù)據(jù)資源。無論哪種分布方式，SA與對應(yīng)的數(shù)據(jù)資源相比總處于較低的子信道上，用戶總是選擇整數(shù)倍的相鄰子信道進(jìn)行發(fā)送。在資源調(diào)度上，PC5接口方式下LTE-V有Mode 3和Mode 4兩種資源調(diào)度模式，即基站調(diào)度模式或自主選擇模式，同時為減少空口信令開銷，采用預(yù)約的SPS半靜態(tài)資源調(diào)度方式，以提高資源利用率和通信可靠性。一個終端在同一個時刻只能在基站調(diào)度模式或自主選擇模式中選取一種，不能同時存在，并且Mode 3和Mode4的資源池是相互獨(dú)立的。Uu方式下，采用SPS增強(qiáng)調(diào)度方式，針對傳統(tǒng)LTE網(wǎng)絡(luò)SPS調(diào)度方式進(jìn)行了增強(qiáng)。

    (1)Mode3調(diào)度方式

類似于LTE調(diào)度，UE在連接態(tài)下，首先向基站發(fā)送SR資源調(diào)度請求，基站根據(jù)用戶位置以及資源利用情況通過DCI format 5A調(diào)度發(fā)送端UE發(fā)送PSCCH及PSSCH。該方式終端在基站覆蓋范圍內(nèi)，通過在LTE授權(quán)頻譜移動網(wǎng)絡(luò)發(fā)送調(diào)度信令用于調(diào)度LTE-V專用頻譜5.9G上的V2X傳輸，因此需要移動網(wǎng)絡(luò)及時掌握5.9G網(wǎng)絡(luò)資源使用情況。Mode3調(diào)度方式完全由基站調(diào)度，當(dāng)車輛較多，PC5資源緊張時，基站可以選擇為其中某些車輛優(yōu)先分配資源，而為其他車輛分配較少甚至不分配資源，如圖4所示。

    (2)Mode4調(diào)度方式

    Mode4調(diào)度方式是終端自主選擇方式，資源的選擇采用Sensing+SPS 的策略。由于LTE-V業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包隨時可能發(fā)生，終端用戶始終在1 000 ms的窗口內(nèi)進(jìn)行Sensing，在需要進(jìn)行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)送時進(jìn)行資源選擇，流程如圖5所示，資源選擇窗口如圖6所示。

    ①標(biāo)記所有可用資源：根據(jù)上層業(yè)務(wù)需求，終端在【m+T₁，m+T₂】(R14標(biāo)準(zhǔn)限定T₁≤4 ms，20 ms≤T₂<100 ms)資源選擇窗口內(nèi)進(jìn)行資源選擇，標(biāo)記該窗口內(nèi)所有資源均為可用資源^[3-5]。

    ②排除其他終端使用的資源：在資源選擇窗口內(nèi)進(jìn)行RSRP測量，超出門限的資源排除。其中門限值取決于要發(fā)送TB的優(yōu)先級和解到其他終端SA的優(yōu)先級，參考圖7共計(jì)64個門限。如果可用資源比例低于20%，門限自動提升3 dB，重新進(jìn)行判斷。

    ③確定候選資源：為了避免出現(xiàn)RSRP測量不準(zhǔn)，在步驟②可用資源基礎(chǔ)上再進(jìn)行RSSI測量，將功率進(jìn)行排序，選擇功率最低的20%資源。

    ④針對步驟③所選資源隨機(jī)選擇。

    資源選擇后將基于SPS調(diào)度方式進(jìn)行數(shù)據(jù)包傳輸，Mode4調(diào)度方式完全由終端自主選擇和管理資源，沒有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備參與，相比Mode3調(diào)度方式降低資源調(diào)度處理時延。

3.2 Uu調(diào)度方式

    傳統(tǒng)LTE方式下，VOLTE一般使用SPS調(diào)度方法“一次分配，多次使用”。LTE-V與VOLTE最大區(qū)別是車輛可能同時進(jìn)行多項(xiàng)周期不同的業(yè)務(wù)。因此，在3GPP中針對Uu口調(diào)度最多可配置8個不同參數(shù)的SPS配置，所有SPS配置的激活、釋放和資源調(diào)度可通過UL-SPS-V-RNTI加擾的PDCCH進(jìn)行指示^[5-6]。

    SPS流程包括4個步驟：(1)SPS參數(shù)配置；(2)激活SPS；(3)傳輸SPS；(4)釋放SPS。

3.2.1 SPS參數(shù)配置

    相比傳統(tǒng)LTE SPS，新增UE AssistenceInformation 用于UE向網(wǎng)絡(luò)上報V2X通信的SPS輔助信息。例如，當(dāng)預(yù)估的周期改變或數(shù)據(jù)包到達(dá)的時間偏移改變等場景。eNB可以基于UE上報的SPS輔助信息為UE進(jìn)行SPS配置。

    SPS參數(shù)通過IE：SPS-Config進(jìn)行配置，主要參數(shù)包括：

    (1)semiPersistSchedlntervalUL:表示上行鏈路中，半靜態(tài)調(diào)度間隔的子幀數(shù)量。取值范圍為sf10、sf20、sf32、sf40、sf64、sf80、sf128、sf160、sf320等，分別對應(yīng)10個子幀、20個子幀、32個子幀、40個子幀、64個子幀、80個子幀、128個子幀、160個子幀、320個子幀等；

    (2)sps-ConfigIndex：多個UL SPS配置中的某個SPS配置索引；

    (3)sps-ConfigUL-ToAddModList：表示要添加或修改的上行SPS配置，由sps-configindex標(biāo)識；

    (4)sps-ConfigUL-ToReleaseList：表示要釋放的上行SPS配置，由sps-configindex標(biāo)識。

3.2.2 激活SPS

    UE配置了SPS后，仍然不能使用SPS調(diào)度算法。只有接收到使用UL-V-SPS-RNTI加擾的DCI 0，驗(yàn)證成功，可以作為一個有效的SPS激活，如表1所示。

3.2.3 傳輸SPS

    SPS激活之后，V2X傳輸SPS與傳統(tǒng)傳輸SPS方法一致，在滿足下面公式的子幀中被分配SPS上行資源：

其中，SFN_{start time}和subframe_{start time}為UE接收到指示上行SPS激活的PDCCH所指定的將用來發(fā)送上行數(shù)據(jù)的系統(tǒng)幀號和子幀號。

    當(dāng)終端有上行數(shù)據(jù)需要傳輸，UE首先檢測DCI 0加擾的PDCCH，按照PDCCH中指示的MCS進(jìn)行傳輸。

3.2.4 釋放SPS

    V2X釋放SPS的方式與LTE類似，包含3種：

    (1)接收到使用UL-V-SPS-RNTI加擾的DCI 0，驗(yàn)證成功，可以作為一個有效的SPS釋放，如表2所示。

    (2)終端接收到RRC消息中SPS-ConfigUL配置成release時，終端會釋放對應(yīng)的SPS。

    (3)如果UE在分配的上行SPS資源上，連續(xù)implicitReleaseAfter次發(fā)送的MAC PDU不包含MAC SDU，則會自動釋放上行SPS并清除配置的UL grant。這種方式主要是為了避免UE沒有收到指示上行SPS釋放的PDCCH，而一直發(fā)送上行包。

    由于LTE-V支持最多8個不同參數(shù)的SPS配置，所有SPS配置可以同時被激活，因此存在多個UL SPS進(jìn)程之間出現(xiàn)資源碰撞，需要通過合理方案避免碰撞的發(fā)生。

4 結(jié)論

    本文介紹了LTE-V標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展和業(yè)務(wù)需求，基于LTE-V業(yè)務(wù)特點(diǎn)，重點(diǎn)分析PC5和Uu調(diào)度算法。針對PC5介紹了Mode3和Mode4調(diào)度算法及優(yōu)缺點(diǎn)：Mode3方式需要通過移動網(wǎng)絡(luò)分配LTE-V終端在5.9G網(wǎng)絡(luò)資源，雖然增加了調(diào)度的復(fù)雜度，但是可以針對不同車輛進(jìn)行資源優(yōu)化分配。Mode4方式完全由終端自主選擇資源，縮短調(diào)度處理時延。Uu調(diào)度算法是在傳統(tǒng)LTE SPS調(diào)度上進(jìn)行了增強(qiáng)，同時可以支持8個不同SPS配置，提高調(diào)度效率，降低LTE-V調(diào)度時延。隨著未來LTE-V應(yīng)用場景的增加，基于不同的網(wǎng)絡(luò)部署方式，在保證LTE-V業(yè)務(wù)時延、安全性前提下，可以選擇不同調(diào)度算法。

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作者信息:

李艷芬，朱雪田

(中國電信股份有限公司智能網(wǎng)絡(luò)與終端研究院，北京102209)