溫小然，王亞坤，習(xí)一凡，趙銳，胡金玲

（1.電信科學(xué)技術(shù)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(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)股份有限公司智能網(wǎng)聯(lián)產(chǎn)品事業(yè)部，北京 100191）

0 引言

隨著信息技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，車聯(lián)網(wǎng)（V2X,Vehicle-to-Everything）作為跨通信、汽車和交通等領(lǐng)域的新一代信息通信技術(shù)，已成為極具潛力的研究熱點。車聯(lián)網(wǎng)一方面可以實現(xiàn)車輛與周圍車輛、行人、道路基礎(chǔ)設(shè)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(fā)實時數(shù)據(jù)合理規(guī)劃行車路線，協(xié)助交通管理，提高交通運行效率[1]。

蜂窩車聯(lián)網(wǎng)（C-V2X,Cellular-V2X）作為融合蜂窩網(wǎng)通信和終端直通通信的新一代車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[2]，在3GPP（3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴計劃）標準化發(fā)展過程中包括了兩個階段：基于LTE（Long Term Evolution，長期演進）技術(shù)的蜂窩車聯(lián)網(wǎng)（LTE-V2X）和基于5G NR（New Radio，新空口）技術(shù)的蜂窩車聯(lián)網(wǎng)（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(yè)務(wù)和交通效率類業(yè)務(wù)，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(guān)協(xié)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(yīng)用，基于5G NR空口設(shè)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(xié)議制定[6]。為進一步實現(xiàn)NR-V2X支持更復(fù)雜應(yīng)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(shù)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(xù)電源供給的終端，例如弱勢交通參與者設(shè)備（VRU,Vulnerable Road User）。為保證具有節(jié)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(jié)電機制進行了研究，使其能夠以省電的方式執(zhí)行直通鏈路操作。

（2）先前版本主要基于發(fā)送端的感知結(jié)果進行資源選擇，并未考慮收發(fā)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(xié)調(diào)（Inter-UE coordination）機制進行了研究，旨在滿足V2X增強應(yīng)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(guān)鍵技術(shù)，包括直通鏈路終端節(jié)電機制和終端間協(xié)調(diào)機制，并對NR-V2X技術(shù)的后續(xù)演進方向進行展望。

1 NR-V2X增強關(guān)鍵技術(shù)

1.1 直通鏈路終端節(jié)電機制

（1）需求分析

Rel-16 NR-V2X的設(shè)計基于終端持續(xù)工作的場景，例如車載終端（OBU,On Board Unit）和路側(cè)設(shè)備（RSU,Road Side Unit）可以分別通過車輛和路側(cè)設(shè)施獲得持續(xù)的能量供給。然而對于能量持續(xù)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(shù)據(jù)包接收機制，則可能導(dǎo)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(jié)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(nèi)容之一。

（2）技術(shù)方案

根據(jù)NR-V2X通信機制的設(shè)計，終端的能量消耗主要集中在信道感知、數(shù)據(jù)發(fā)送以及數(shù)據(jù)接收等環(huán)節(jié)。因此，NR-V2X增強階段對于終端節(jié)電機制的研究主要包括節(jié)電模式UE（例如VRU設(shè)備）的部分感知（Partial sensing）機制和直通鏈路非連續(xù)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(tài)）持續(xù)進行信道感知帶來的功耗問題，3GPP在LTE-V2X標準設(shè)計時引入了部分感知機制。執(zhí)行部分感知的PUE根據(jù)高層配置的最小候選子幀個數(shù)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(jiān)聽子幀上的資源占用結(jié)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(shù)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(yè)務(wù)為周期性業(yè)務(wù)，因此僅設(shè)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(yè)務(wù)，節(jié)電模式UE對于資源池中的周期性資源預(yù)留和非周期性資源預(yù)留都需要進行監(jiān)聽。為在節(jié)省功耗的同時保證業(yè)務(wù)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(xù)部分感知機制。

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

針對V2X增強應(yīng)用更復(fù)雜的業(yè)務(wù)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(jiān)聽時隙上的資源占用結(jié)果，確定候選時隙上的可用資源。其中Preserve對應(yīng)于資源池中支持的所有或部分周期，k可以對應(yīng)于最近的一次（默認設(shè)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(xù)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(shè)計了連續(xù)部分感知機制。節(jié)電模式UE需要在一段連續(xù)的部分感知時機上持續(xù)進行信道監(jiān)聽，根據(jù)其它UE的資源預(yù)留情況進行候選資源的排除，進而確定選擇窗口中相應(yīng)候選時隙上的資源是否可用。NR-V2X的連續(xù)部分感知機制如圖4所示。

圖4 Continuous partial sensing機制

結(jié)合上述兩種NR-V2X部分感知機制，節(jié)電模式UE可以高效地對資源池中的資源預(yù)留情況進行監(jiān)聽，從而在不犧牲業(yè)務(wù)傳輸可靠性的基礎(chǔ)上，滿足節(jié)電模式UE的節(jié)電需求。目前，根據(jù)多家公司在3GPP提交的系統(tǒng)級仿真結(jié)果，與執(zhí)行持續(xù)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(xiàn)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(xù)執(zhí)行信道監(jiān)聽帶來的耗電問題，LTE蜂窩移動通信系統(tǒng)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(jiān)聽，可以達到節(jié)電的目的。然而，在LTE-V2X的設(shè)計過程中，由于假設(shè)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(yīng)用場景，節(jié)電模式UE不僅有發(fā)送需求，同樣也有接收需求。為了減少節(jié)電模式UE執(zhí)行接收操作時產(chǎn)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(jiān)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(xù)監(jiān)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(jiān)聽，以達到節(jié)電的目的。On Duration在每個DRX周期的起始子幀基礎(chǔ)上偏移drx-SlotOffset個時隙后開始，其持續(xù)時間由高層參數(shù)sl-drx-onDurationTimer配置。

圖5 SL DRX機制

在以上基本原理的基礎(chǔ)上，SL DRX機制還與HARQ過程相結(jié)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(tài)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(fā)送UE或基站還可為接收UE設(shè)置不同的DRX配置，以適應(yīng)不同的業(yè)務(wù)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(xù)監(jiān)聽SCI。UE監(jiān)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(jiān)聽SCI的時間的方式實現(xiàn)終端節(jié)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(fā)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(nèi)成功監(jiān)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(xié)調(diào)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(jié)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(fù)雜性，隱藏節(jié)點和半雙工等問題會直接降低通信的可靠性。

1）隱藏節(jié)點問題

在實際通信系統(tǒng)中，遮擋或者通信距離的限制會導(dǎo)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(fā)生資源碰撞，導(dǎo)致UE-A無法成功解碼兩者的信息。

圖6 隱藏節(jié)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(zhí)行發(fā)送和接收。如圖7所示，如果UE-A和UE-B選擇相同時刻的發(fā)送資源，則會導(dǎo)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(fù)雜場景應(yīng)用的可靠性，基于現(xiàn)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(xié)調(diào)機制[6]。

（2）技術(shù)方案

終端間協(xié)調(diào)機制在傳統(tǒng)的自主式資源選擇機制的基礎(chǔ)上增加了終端間感知結(jié)果交互的過程，根據(jù)協(xié)調(diào)信息的差異，設(shè)計了兩種方案：方案1中，協(xié)調(diào)UE向被協(xié)調(diào)UE發(fā)送感知到的資源集合信息；方案2中，協(xié)調(diào)UE向被協(xié)調(diào)UE發(fā)送資源碰撞指示信息。

1）方案1：協(xié)調(diào)UE向被協(xié)調(diào)UE發(fā)送的協(xié)調(diào)信息為資源集合

在觸發(fā)資源選擇或者資源重選之后，被協(xié)調(diào)U E（UE-B）首先向協(xié)調(diào)UE（UE-A）發(fā)送協(xié)調(diào)請求信息，可以包括優(yōu)先級、子信道個數(shù)、剩余業(yè)務(wù)包傳輸時延預(yù)算等；UE-A在接收到該請求信息后，確定并反饋協(xié)調(diào)信息給UE-B；然后UE-B基于協(xié)調(diào)信息進行資源選擇。處理流程如圖8所示。

圖8 終端間協(xié)調(diào)機制方案1處理流程

方案1中的協(xié)調(diào)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(fā)送時隙上的資源設(shè)置為非期望使用的資源集合；為了避免隱藏節(jié)點的影響可以將空閑資源或者干擾較小的資源設(shè)置為期望使用的資源集合。

UE-B在接收到協(xié)調(diào)信息后，可以基于自身的感知結(jié)果和協(xié)調(diào)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(shè)為最終的可用資源集合。此外，對于有節(jié)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(xié)調(diào)UE向被協(xié)調(diào)UE發(fā)送的協(xié)調(diào)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(xié)調(diào)UE（UE-A）針對被協(xié)調(diào)UE（UEB）的SCI預(yù)約的資源進行碰撞檢測，如果發(fā)現(xiàn)UE-B預(yù)約的資源出現(xiàn)資源碰撞，則將資源碰撞指示（Resource conflict indication）作為協(xié)調(diào)信息反饋給UE-B，進而觸發(fā)UE-B的資源重選。處理流程如圖9所示。

圖9 終端間協(xié)調(diào)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(yù)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(jīng)可以有效解決檢測到的資源碰撞，終端間協(xié)調(diào)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(xié)調(diào)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(xié)調(diào)UE可以提供更完整的感知信息。方案2中，協(xié)調(diào)UE僅提供碰撞指示信息，被協(xié)調(diào)UE并不能獲取協(xié)調(diào)UE的感知信息，但是相比于方案1，協(xié)調(diào)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(jié)果也已經(jīng)證明，終端間協(xié)調(diào)機制在多種場景、多種業(yè)務(wù)類型下均可以帶來系統(tǒng)可靠性的增益[12]。其中在單播場景下，周期性業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)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(xié)調(diào)機制，可以有效地緩解隱藏節(jié)點和半雙工機制帶來的問題。

2 NR-V2X技術(shù)演進展望

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

（1）直通鏈路定位技術(shù)

車輛的高精度定位是實現(xiàn)智慧交通和自動駕駛等應(yīng)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(jīng)完成了包含V2X場景在內(nèi)的覆蓋內(nèi)、部分覆蓋和覆蓋外定位場景與需求的研究課題[14]。考慮到直通通信不受蜂窩網(wǎng)絡(luò)和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)覆蓋限制，其與定位技術(shù)的結(jié)合預(yù)期可支持車聯(lián)網(wǎng)的全場景定位。因此，NR-V2X的后續(xù)演進潛在包括直通鏈路定位技術(shù)的研究和標準化，主要考慮針對以下技術(shù)問題開展工作[15]：

1）現(xiàn)有智能交通系統(tǒng)（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(shù)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(shè)計、直通鏈路定位過程設(shè)計、資源分配增強、測量以及信令設(shè)計等[16]。

（2）支持更大帶寬的直通鏈路增強技術(shù)

隨著NR-V2X支持的場景不斷豐富，V2X業(yè)務(wù)對于高數(shù)據(jù)速率和高可靠性的需求也將持續(xù)提升，同時考慮全球不同地區(qū)頻譜規(guī)劃情況存在差異，NR-V2X技術(shù)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(shù)。

1）多載波機制

目前全球ITS專用頻譜分配情況已經(jīng)逐漸清晰。國內(nèi)，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(qū)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(yè)務(wù)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(shù)來實現(xiàn)。另一方面，為進一步提升V2X業(yè)務(wù)的傳輸性能，還可通過多載波重復(fù)傳輸技術(shù)來提升業(yè)務(wù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2）高頻段通信

由于當前低頻段的頻譜劃分已經(jīng)基本固定且?guī)捹Y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(shù)據(jù)速率需求的有效解決方案。目前，F(xiàn)R2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(nèi)容，對于實現(xiàn)FR2頻段上高效通信的波束管理等機制還未進行系統(tǒng)的研究和定義。因此，為實現(xiàn)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(shù)

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

（4）直通鏈路中繼技術(shù)

目前直通鏈路中繼技術(shù)的研究主要專注于UE到網(wǎng)絡(luò)（UE-to-NW）的中繼方式[18]，遠端UE可以通過處于網(wǎng)絡(luò)覆蓋內(nèi)的UE-to-NW中繼節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)進行通信，這種方式可以有效提升網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，增強網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的連續(xù)性[19]。然而，考慮到V2X通信中存在網(wǎng)絡(luò)無法覆蓋的場景，并且收發(fā)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(xù)性，UE到UE（UE-to-UE）的中繼方式將是NR-V2X技術(shù)演進需要考慮的方向之一。

3 結(jié)束語

本文針對蜂窩車聯(lián)網(wǎng)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(jié)電機制及直通鏈路終端間協(xié)調(diào)機制進行了詳細介紹及分析，并展望了NR-V2X后續(xù)技術(shù)演進方向。蜂窩車聯(lián)網(wǎng)（C-V2X）技術(shù)標準的演進將持續(xù)推動國內(nèi)外車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化進程，有效使能智能交通和自動駕駛。