萬俊青，何華偉，芮杰，張建國

（1.華信咨詢設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310052；2.中國電信股份有限公司杭州分公司，浙江 杭州 310002）

0 引言

NR-V2X 主要有城區(qū)和高速公路兩種部署場景。對于城區(qū)場景，其典型特征是無線信號傳播環(huán)境復(fù)雜、用戶集中分布，主要的評估指標(biāo)是在高網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷和高密度用戶條件下的可靠性、可用性和時(shí)延；對于高速公路場景，其典型特征是UE 移動(dòng)速度快、信道變化快速、切換頻繁、多普勒頻移大，主要評估指標(biāo)是在高速/ 移動(dòng)條件下的可靠性、可用性[1]。

NR-V2X 支持單播、組播和廣播三種傳輸模式，支持gNB 調(diào)度和NR-V2X UE 自主選擇兩種資源分配模式。對于gNB 調(diào)度資源分配模式，NR-V2X UE 需要先通過NR Uu 接口和gNB 建立RRC 連接，由gNB 分配PC5 接口上的時(shí)頻資源，因此，NR-V2X UE 的通信過程涉及到2 個(gè)空中接口，分別是PC5 接口和NR Uu 接口。

3GPP 在2020 年6 月發(fā)布了NR-V2X 標(biāo)準(zhǔn)，基于NR-V2X 技術(shù)的車聯(lián)網(wǎng)部署日益臨近。國內(nèi)外對NR-V2X的標(biāo)準(zhǔn)、關(guān)鍵技術(shù)研究較多，但是對基于NR-V2X 技術(shù)的車聯(lián)網(wǎng)無線覆蓋的研究較少，本文將通過鏈路預(yù)算分析，分別計(jì)算PC5 接口和NR Uu 接口在城區(qū)和高速公路場景下的MAPL（Maximum Allowable Path Loss，最大允許的路徑損耗）和小區(qū)覆蓋半徑，并給出NR-V2X 的站點(diǎn)布局和覆蓋規(guī)劃。

1 NR-V2X頻段分析

當(dāng)NR Uu 接口和PC5 接口并發(fā)操作時(shí)，PC5 接口支持的頻率是n47 頻段（TDD 制式：5 855—5 925 MHz）；NR Uu 接口支持的頻率有n39、n40、n41、n71、n78、n79 頻段。

n39、n40、n41 分別是中國移動(dòng)的F 頻段、E 頻段和D 頻段。F 頻段（1 885—1 915 MHz）的頻率相對較低、覆蓋半徑較大，是中國移動(dòng)4G 室外覆蓋的主力頻段，短期內(nèi)無法重耕為5G 網(wǎng)絡(luò)；E 頻段（2 320—2 370 MHz）帶寬較大，用于室外會(huì)對雷達(dá)等設(shè)備造成干擾，只能限定在室內(nèi)使用，是中國移動(dòng)4G 室內(nèi)覆蓋的主力頻段；D頻段（2 515—2 675 MHz）可兼顧4G 容量和5G 覆蓋需求，主要用于中國移動(dòng)在城區(qū)的4G 容量補(bǔ)充和5G 覆蓋。

n78 是中國電信和中國聯(lián)通的C 頻段（3 300—3 600 MHz），相對于高頻段具有較好的傳播特性，相對于低頻段具有更寬的連續(xù)覆蓋，可以實(shí)現(xiàn)覆蓋和容量的平衡，是中國電信和中國聯(lián)通在市區(qū)的主力覆蓋頻段。

n79 是中國移動(dòng)和中國廣電的4.9 GHz 頻段（中國移動(dòng)：4 800—4 900 MHz；中國廣電：4 900—4 960 MHz），頻率較高，覆蓋半徑較小，不適合于室外廣覆蓋，可用于熱點(diǎn)容量補(bǔ)充和專網(wǎng)覆蓋。

運(yùn)營商在室外部署的4G 或5G 網(wǎng)絡(luò)（n39、n41、n78），是以室內(nèi)淺層覆蓋為目標(biāo)，在城區(qū)道路和高速公路上都有良好的覆蓋，現(xiàn)有的站點(diǎn)基本上能滿足Uu 接口的覆蓋要求。另外，使用運(yùn)營商的5G 網(wǎng)絡(luò)調(diào)度NR-V2X UE 會(huì)導(dǎo)致商業(yè)模式不清晰的問題，預(yù)計(jì)不會(huì)在運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)上部署NR-V2X 網(wǎng)絡(luò)。因此本文不再單獨(dú)分析已經(jīng)部署的5G 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋能力。

n71 頻段（上行：663—698 MHz；下行：61—652 MHz）是FDD 制式，具有空口時(shí)延小、覆蓋廣等優(yōu)點(diǎn)，且該頻段不會(huì)與運(yùn)營商的5G 網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生容量沖突，未來極有可能是車聯(lián)網(wǎng)使用的5G 頻段，因此本文重點(diǎn)分析n71 頻段的覆蓋能力[2]。

2 PC5接口的覆蓋能力

V2X 共有多種應(yīng)用類型，包括V2V（Vehicle to Vehicle，車輛對車輛）、V2R（Vehicle to Road side unit，車輛對路側(cè)單元）、V2P（Vehicle to Pedestrian，車輛對行人）、V2N（Vehicle to Network，車輛對網(wǎng)絡(luò)），其中V2V、V2R、V2P 均使用PC5 接口進(jìn)行通信。

PC5 接口定義的物理信道有廣播信道PSBCH（Physical Sidelink Broadcast Channel）、控制信道PSCCH（Physical Sidelink Control Channel）、共享信道PSSCH（Physical Sidelink Shared Channel）和可選的反饋信道PSFCH（Physical Sidelink Feedback Channel）[3]。

PSBCH 主要用于傳輸NR Uu 接口的TDD 配置、幀號、時(shí)隙號以及覆蓋指示等同步信息，在頻域上占用11 個(gè)PRB。PSCCH 用于傳輸PSSCH 資源配置相關(guān)信息。PSSCH 用于傳輸數(shù)據(jù)塊以及HARQ 進(jìn)程和CSI 反饋觸發(fā)等信息。PSCCH 和其相關(guān)聯(lián)的PSSCH 在時(shí)間重疊但是頻率非重疊的資源上傳輸，PSSCH 的另外一部分和PSCCH 在時(shí)間非重疊的資源上傳輸，也即PSCCH占用的PRB 數(shù)少于等于PSSCH 占用的PRB 數(shù)，建議PSCCH/PSSCH 占用的PRB 數(shù)是25 個(gè)PRB[4]。PSFCH用于承載HARQ 反饋信息，在時(shí)域上占用一個(gè)時(shí)隙的最后面2 個(gè)OFDM 符號，在頻域上占用1 個(gè)或多個(gè)PRB。

當(dāng)PSBCH、PSCCH/PSSCH 以及PSFCH 采用時(shí)分復(fù)用的方式發(fā)射時(shí)，終端可以以較大的功率發(fā)送這幾個(gè)信道，因此顯著增加覆蓋范圍，同時(shí)終端的實(shí)現(xiàn)也較為簡單。由于傳遞HARQ 信息只需要1 個(gè)bit，一般不會(huì)成為覆蓋的瓶頸，本文接下來分別計(jì)算PSBCH、PSCCH、PSSCH 的覆蓋能力。

（1）系統(tǒng)帶寬：n47 頻段的頻率范圍是5 855—5 925 MHz，最大帶寬是70 MHz，當(dāng)NR Uu 接口和PC5 接口并發(fā)操作時(shí)，PC5 接口的系統(tǒng)帶寬最大是40 MHz，根據(jù)前文建議，PSBCH、PSCCH、PSSCH 實(shí)際發(fā)射的帶寬分別是11 個(gè)PRB、25 個(gè)PRB、25 個(gè)PPB。

（2）子載波間隔：n47 頻段支持的子載波間隔（SCS,Sub-Carrier Spacing）是15 kHz、30 kHz 和60 kHz，n71 頻段支持的子載波間隔是15 kHz、30 kHz，較大的子載波間隔能容忍較大的多普勒頻移，適合高速移動(dòng)的終端。此外，NR Uu 接口和PC5 接口使用相同子載波間隔可以使終端的實(shí)現(xiàn)比較簡單，本文建議NR Uu 接口和PC5 接口的子載波間隔都是30 kHz，40 MHz 帶寬對應(yīng)的PRB 數(shù)是106 個(gè)。

（3）車載終端類型：根據(jù)車輛類型和車載終端天線高度的不同，有三種類型的車載終端：1）Type 1 是低天線位置的轎車，長、寬和高分別是5 m、2.0 m 和1.6 m，天線高度是0.75 m；2）Type 2 是高天線位置的轎車，長、寬和高分別是5 m、2.0 m 和1.6 m，天線高度是1.6 m；3）Type 3 是卡車/公交車，長、寬和高分別是13 m、2.6 m和3 m，天線高度是3 m。在本文中，假設(shè)車載終端類型是Type 2，2T4R，天線放置在車頂，天線高度是1.6 m，天線增益是3 dBi，天線接收分集增益是4 dB，單個(gè)終端的饋線損耗是0.5 dB，兩個(gè)終端的饋線損耗合計(jì)是1.0 dB[5]。

（4）終端發(fā)射功率：當(dāng)NR Uu 接口和PC5 接口并發(fā)操作時(shí)，NR-V2X UE 在n47 頻段和n71 頻段發(fā)射的總功率是23 dBm，為了增加覆蓋距離，本文建議NR-V2X UE在NR Uu 接口和PC5 接口上采用時(shí)分復(fù)用的方式發(fā)射，也即NR-V2X UE 在PC5 接口上的發(fā)射功率是23 dBm。

（5）傳播模型：根據(jù)車輛位置和阻擋物的不同，傳播模型分為三類。1）LOS（Line of Sight，視距傳播）：兩輛車在相同的街道上且兩車之間沒有車輛阻擋；2）NLOS（Non Line of Sight，非視距傳播）：兩輛車在不同的街道上且兩車之間有車輛阻擋；3）NLOSv：兩輛車在相同的街道上且兩輛車之間有車輛阻擋。

對于LOS、NLOSv：

在高速公路場景，路徑損耗的計(jì)算見式(1)：

在市區(qū)場景，路徑損耗的計(jì)算見式(2)：

對于NLOS 場景，路徑損耗的計(jì)算見式(3)：

在式(1)到式(3)中，fc是載波的中心頻率，單位是GHz；d3D是發(fā)射天線和接收天線的歐式距離，單位是m。

（6）阻擋損耗和標(biāo)準(zhǔn)差：對于NLOSv 模型，根據(jù)收發(fā)天線的高度與阻擋物的高度不同，需要增加額外的車輛阻擋損耗。

Case1：發(fā)射天線和接收天線的最低高度均大于阻擋物的高度，不需要考慮額外的阻擋損耗；

Case2：發(fā)射天線和接收天線的最高高度均小于阻擋物的高度，阻擋損耗的平均值是9+max(0,15*log10(d3D)-41)，標(biāo)準(zhǔn)差是4.5 dB，其中d3D是收發(fā)天線之間的距離；

Case3：Case1 和Case2 之外的其它情形，阻擋損耗的平均值是5+max(0,15*log10(d3D)-41)，標(biāo)準(zhǔn)差是4 dB，其中d3D是收發(fā)天線之間的距離。

當(dāng)15*log10(d3D)-41＞0，可以計(jì)算出d3D＞541 m，即收發(fā)天線之間的距離大于541 m 時(shí)，式(1)需要進(jìn)行修正，見式(4)：

對式(4) 進(jìn)行化簡，可以得到式(5)：

在高速公路場景，本文采用Case3；在城區(qū)場景，NLOS 模型已經(jīng)考慮了車輛阻擋損耗的因素，因此不再重復(fù)計(jì)算車輛的阻擋損耗。

在本文中，城區(qū)采用NLOS 模型，即使用式(3)計(jì)算路徑損耗；高速公路采用修正后的NLOSv 模型，即使用式(5) 計(jì)算路徑損耗。

（7）陰影衰落余量：在城區(qū)場景，傳播模型LOS和NLOSv 的標(biāo)準(zhǔn)差是3 dB，傳播模型NLOS 的標(biāo)準(zhǔn)差是4 dB，本文采用傳播模型NLOS，標(biāo)準(zhǔn)差是4 dB，陰影衰落余量取4.2 dB；在高速公路場景，無線環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)差是3 dB，阻擋損耗的標(biāo)準(zhǔn)差是4 dB，總的標(biāo)準(zhǔn)差是7 dB，陰影衰落余量取7.2 dB[6]。

（8）快衰落余量：由于車輛節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)拓?fù)淇焖僮兓?，且部分業(yè)務(wù)對可靠性要求嚴(yán)苛，因此需要考慮小尺度衰落即快衰落對通信的影響。3GPP 組織在制定PC5 接口協(xié)議時(shí)，采取了以下措施來消除快衰落的影響，滿足車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)對可靠性的嚴(yán)苛要求：每個(gè)時(shí)隙的第1 個(gè)符號為AGC（Automatic Gain Control）符號，AGC 符號為同時(shí)隙中第2 個(gè)符號的完全復(fù)制映射，以滿足發(fā)送端和接收端距離頻繁變化對AGC 時(shí)延的要求；每個(gè)時(shí)隙的最后1 個(gè)符號為保護(hù)符號；為了增加傳輸?shù)目煽啃裕? 個(gè)PSSCH 信道可以調(diào)度1 個(gè)、2 個(gè)或3 個(gè)PSSCH。本文不再單獨(dú)考慮快衰落余量。

（9）穿透損耗：在城區(qū)場景，采用的是NLOS 模型，街邊的建筑、樹木等會(huì)對車載天線造成一定的阻擋，因此需要考慮穿透損耗，本文取值8 dB；在高速公路場景，采用的是NLOSv 模型，由于兩輛車在相同的街道上，比較開闊，不考慮車體的穿透損耗。

根據(jù)以上的參數(shù)，可以計(jì)算出NR-V2X UE 在城區(qū)和高速公路場景的MAPL 和覆蓋半徑，見表1。

根據(jù)表1，可以發(fā)現(xiàn)，NR-V2X UE 在城區(qū)和高速公路場景的覆蓋半徑分別是125 m 和1 177 m。對于表1，有三點(diǎn)說明，第一點(diǎn)：在城區(qū)場景，本文假定兩輛車在不同的街道上，使用的是NLOS 傳播模型，同時(shí)考慮了穿透損耗，因此覆蓋半徑較小，如果兩輛車是在相同的街道上，使用NLOSv 傳播模型，則覆蓋半徑會(huì)大大增加。第二點(diǎn)：本文假設(shè)采用車頂小天線，如果在車輛的前部和后部各放置一個(gè)大尺寸的板狀天線，板狀天線的增益是11 dBi，則在城區(qū)和高速公路場景，覆蓋半徑分別增加到426 m 和3 372 m 左右。第三點(diǎn)：V2R 的覆蓋能力也可以參照表1，由于RSU（Road Side Unit，路側(cè)單元）的安裝位置高于路面，因此RSU 的覆蓋半徑會(huì)大一些。

表1 NR-V2X UE在城區(qū)和高速公路場景的MAPL和覆蓋半徑（PC5接口）

由于支持NR-V2X 的模組還沒有發(fā)布，所以目前還沒有NR-V2X 的測試案例。LTE-V2X 的PC5 接口也是使用的n47 頻段，LTE-V2X 的測試結(jié)果對NR-V2X 具有一定的參考意義。ConVeX 項(xiàng)目的LTE-V2X 場地測試結(jié)果如下：在視距場景下，V2V 的通信距離至少是1 200 m；在城區(qū)十字路口，V2V 的通信距離可以達(dá)到140 m；V2R 沒有視距測試環(huán)境，受測試地形、阻擋、街道彎曲等因素的影響，V2R 的通信距離波動(dòng)較大，至少在1 065 m 以上。NR-V2X 的物理層在LTE-V2X 基礎(chǔ)上進(jìn)行了較大的優(yōu)化，有理由相信NR-V2X 的覆蓋能力應(yīng)該優(yōu)于LTE-V2X 的覆蓋能力[11]。

3 NR Uu接口的覆蓋能力

NR-V2X UE 在NR Uu 接口上傳遞的數(shù)據(jù)可以分為兩類：一類是配置信息和應(yīng)用層數(shù)據(jù)，配置信息包括系統(tǒng)消息、RRC 連接建立以及RRC 重配置消息；應(yīng)用層數(shù)據(jù)包括高精度地圖、定位導(dǎo)航以及車輛采集的狀態(tài)信息等，這類數(shù)據(jù)在下行方向使用PDCCH 和PDSCH 信道，在上行方向使用PUCCH 和PUSCH 信道。另一類是gNB調(diào)度PC5 接口時(shí)頻資源的信令，這類信令通過PDCCH信道發(fā)送給NR-V2X UE，主要包括PC5 接口上的資源池索引、子信道分配的最低索引、頻域配置和時(shí)域配置以及HARQ 進(jìn)程號等信息[7]。本文接下來分別分析下行的PDCCH 和PDSCH信道、上行的PUCCH 和PUSCH 信道的覆蓋能力。

5G 覆蓋能力分析的計(jì)算方法可以參照文獻(xiàn)[8]。文獻(xiàn)[8] 分析的是3.5 GHz 頻段的覆蓋能力，本文接下來對n71 頻段和3.5GHz 頻段差異較大的部分進(jìn)行說明。

（1）系統(tǒng)帶寬：NR-V2X 在NR Uu 接口使用的頻率是n71 頻段（FDD 制式，上行：663—698 MHz；下行：617—652 MHz），共計(jì)是35 MHz×2，當(dāng)NR Uu 接口和PC5 接口并發(fā)操作時(shí)，NR Uu 接口的系統(tǒng)帶寬最大是20 MHz。

（2）子載波間隔：根據(jù)第2 節(jié)的建議，n71 頻段的子載波間隔是30 kHz，20 MHz 帶寬對應(yīng)的PRB 數(shù)是51 個(gè)。

（3）邊緣速率：由于n71 頻段的系統(tǒng)帶寬較小，吞吐量較低，如果視頻等大流量數(shù)據(jù)通過n71 頻段傳輸，則需要定義較高的邊緣速率，會(huì)導(dǎo)致小區(qū)覆蓋半徑較小。比較合理的傳輸方案是配置信息和應(yīng)用層的關(guān)鍵數(shù)據(jù)通過n71 頻段傳輸，視頻等大流量數(shù)據(jù)通過其他5G 頻段傳輸，這樣n71 頻段的邊緣速率可以定義得較小，本文建議n71 頻段的下行邊緣速率是5 Mbps，上行邊緣速率是1 Mbps。

（4）基站設(shè)備和天線選型：n71 頻段的波長較長，使用AAU 會(huì)導(dǎo)致天線尺寸過大，難以安裝在桿塔上，本文建議基站設(shè)備采用4 通道RRU+無源天線形態(tài)，RRU的功率是50 W/通道，天線增益是14.5 dBi。

（5）車載終端類型：車載終端類型是Type 2，2T4R，天線高度是1.6 m，天線放置在車頂，n71 頻段的波長較長，天線增益是0 dBi，接收分集增益是3 dB。

（6）傳播模型：在城區(qū)場景，采用3GPP 定義的UMa NLOS 模型，基站的天線高度是25 m，車載終端的天線高度是1.6 m；在高速公路場景，采用3GPP 定義的RMa LOS 模型，基站的天線高度是35 m，車載終端天線的高度是1.6 m，雙向八車道的高速公路平均寬度是40 m，建筑物平均高度是5 m[9]。

（6）穿透損耗：由于天線放置在車頂，可以不考慮車體的穿透損耗，但是道路外面的建筑、樹木等會(huì)對車載天線造成一定的阻擋，因此在計(jì)算鏈路預(yù)算時(shí)，需要考慮穿透損耗。

（7）陰影衰落余量：在城區(qū)場景，UMa NLOS 的標(biāo)準(zhǔn)差是8 dB，陰影衰落余量取9 dB；在高速公路場景，RMa LOS 的標(biāo)準(zhǔn)差是6 dB，陰影衰落余量取6.2 dB[10]。

根據(jù)以上的參數(shù)，可以計(jì)算出NR-V2X UE 在城區(qū)和高速公路場景的MAPL 和覆蓋半徑，見表2。

表2 NR-V2X UE在城區(qū)和高速公路場景的MAPL和覆蓋半徑（NR Uu接口）

根據(jù)表2，可以發(fā)現(xiàn)，對于NR Uu 接口，城區(qū)場景和高速公路場景的小區(qū)覆蓋半徑分別是771 m 和8 853 m。對于表2，有兩點(diǎn)說明。第一點(diǎn)：高速公路場景采用的是視距傳播模型，由于受地形、高速公路走向等影響，實(shí)際的小區(qū)覆蓋半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于8 853 m，如果采用非視距傳播模型，則小區(qū)覆蓋半徑下降到1 200 m 左右。第二點(diǎn)：與PC5 接口的計(jì)算類似，如果采用板狀天線，天線增益是7 dBi，在城區(qū)和高速公路場景，小區(qū)的覆蓋半徑分別增加到1 165 m 和13 246 m 左右。

4 NR-V2X覆蓋規(guī)劃建議

對于使用n71 頻段的5G 覆蓋規(guī)劃，可以參考運(yùn)營商的5G 規(guī)劃原則。由于在1 個(gè)時(shí)隙內(nèi)，NR 可以配置1 到4 個(gè)CORESET（Control-resource set，控制資源集合），控制信道的容量較多，且n71 頻段基站覆蓋半徑大，在初期，部署較少的5G 站點(diǎn)就可以滿足覆蓋和容量需求，后期隨著NR-V2X 用戶數(shù)的增加，再逐步增加5G 站點(diǎn)。

對于V2V 覆蓋規(guī)劃，當(dāng)卡車編隊(duì)行駛時(shí)，V2V 通信采用組播模式，需用通過一個(gè)距離參數(shù)來指示滿足QoS的最小距離，可以根據(jù)表1 給出的覆蓋半徑來設(shè)置這個(gè)距離參數(shù)，當(dāng)編隊(duì)車輛之間的距離為20 m 時(shí)，建議3～4輛卡車組成一個(gè)編隊(duì)。

對于覆蓋城區(qū)的RSU 站點(diǎn)，有以下幾點(diǎn)建議：（1）應(yīng)充分利用十字路口、道路沿線的紅綠燈燈桿、監(jiān)控桿、道路指示牌等現(xiàn)有設(shè)施，可以降低建設(shè)難度，減少建設(shè)成本和維護(hù)成本；（2）城區(qū)平直的快速路、高架橋等道路，可以參照高速公路場景，適當(dāng)增加RSU 站址的站間距；（3）為降低干擾，RSU 天線的安裝位置不宜過高。

對于覆蓋高速公路的RSU 站點(diǎn)，有以下幾點(diǎn)建議：（1）應(yīng)充分利用道路沿線的監(jiān)控桿、道路指示牌等現(xiàn)有設(shè)施；（2）對于直線高速公路，相鄰RSU 站址宜交叉分布于高速公路兩側(cè)，形成“之”字形布局，有利于信號的均勻分布；（3）對于高速彎道，RSU 站址宜設(shè)置在彎道內(nèi)側(cè)，可提高入射角，保證覆蓋的均衡性；（4）當(dāng)高速公路進(jìn)入城區(qū)時(shí)，為了降低干擾，RSU 天線掛高可以稍低，但是應(yīng)保證天線與路面視通。

5 結(jié)束語

本文給出了NR-V2X 的鏈路預(yù)算，并分別分析了PC5 接口和NR Uu 接口的MAPL 及小區(qū)覆蓋半徑。在實(shí)際組網(wǎng)的時(shí)候，還需要考慮現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、站址布局、道路走向、紅綠燈分布等因素，因此NR-V2X 的實(shí)際覆蓋半徑與本文計(jì)算的覆蓋半徑會(huì)有一定差異。當(dāng)運(yùn)營商或車企大規(guī)模部署NR-V2X 網(wǎng)絡(luò)后，可以通過現(xiàn)場勘查，結(jié)合本文給出的NR-V2X 覆蓋能力計(jì)算方法，更有效地指導(dǎo)NR-V2X 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋規(guī)劃和站點(diǎn)布局。