Vehicle-to-Everything (v2x) Services Supported by LTE-based Systems and 5g
Shanzhi Chen, Jinling Hu, Yan Shi, Ying Peng, Jiayi Fang, Rui Zhao, and Li Zhao
前言：某高校研一學生的論文翻譯稿，參考有道並自己潤色，有部分詞彙不甚瞭解導致錯譯請見諒，虛心接受批評意見和建議，侵刪
摘要
車用無線通信技術(V2X)，包括車輛對車輛(V2V)，車輛對行人(V2P)，車輛對基礎設施(V2I)，車輛對網絡(V2N)通信，可以有效提高道路安全、交通效率，以及增加信息娛樂服務的可用性。受益於LTE系統的全球部署和快速商業化，第三代合作伙伴計劃(3GPP)積極開展基於長期演進(LTE)的V2X標準化工作，爲V2X通信提供解決方案。在中國車載通信行業中，基於LTE的V2X被廣泛用作LTE- V，而在3GPP標準化進程中，基於LTE的V2X被重新定義爲LTE-V2X。在本文中，對3GPP中V2X服務中的需求和用例進行了介紹。給出了3GPP中LTE-V2X的最新標準的綜述。討論了在LTE-V2X中所面臨的挑戰和詳細的設計方法。同時，分析了增強的V2X (eV2X)服務和可能的5G解決方案。最後，介紹了LTE-V2X的實現，以及在工業界的最新進展、研究、產品原型的開發和現場測試等方面的最新進展。
介紹
智能交通系統(ITS) 可以通過與V2X通信協同來進行推進。無線互聯的車輛、行人和基礎設施可以收集有關環境的信息，並與附近的其他實體（entities）實時交換這些信息。由此，可以長期的感知指定空間的潛在危險。V2X通信設備的服務對象可以作爲計算機和擴展傳感器板上的計算系統被使用。
專用短程通信(DSRC) 是一系列的標準，被設計爲車輛環境(WAVE)中的無線接口，以支持V2X通信，其特別側重於車輛安全應用的實現。IEEE和歐洲電信標準協會(ETSI)目前正與與汽車行業的標準化組織合作，如國際汽車工程師協會(SAE)，以定義DSRC 協議棧。V2X通信消息通常包含車輛狀態信息(例如，位置、速度、加速度和航向等)。在ETSI中，V2X報文分爲兩類：協作感知報文(CAMs)[1]和分散環境通知報文(DENMs)[2]。CAMs是接近最大延遲（100 ms）的用於交換狀態信息的週期性消息；DENMs由事件觸發，並向道路使用者發出警報。
許多研究項目和現場測試已經由政府、工業和學術界進行，以使V2X通信在許多國家成爲可能，如美國的崩潰迴避度量夥伴(CAMP)和歐洲的車隊車通信聯盟 (C2C-CC)等。
由於DSRC的通信具有異步的缺點，在具有衝突避免的載波感知多址訪問(CSMA/CA)中，隱藏節點衝突問題可能會降低性能。鏈路預算通過卷積碼和不使用頻分複用(FDM)的方案來減少。由於固定的傳感閾值，空間雙工增益可能是低效的。與此同時，在路邊部署不變單元的的成本效益並不理想。目前，下一代DSRC在可靠性、健壯性和覆蓋率方面並沒有明確的改進路徑。
通過使用來自於單對單到單對多的多種通信類型，LTE系統可以得到增強，從而支持V2X服務。基於LTE的V2X被廣泛用於中國車載通信行業的LTE-V，在3GPP標準化進程中，基於LTE的V2X被重新定義爲LTE-V2X。爲了實現更好的系統性能和應對不斷髮展的市場潛力，用於支持基於LTE的V2V和V2X服務的標準化方案，計劃將於2016年和2017年在3GPP完成，並通過第14版標準（Release 14）呈現，它將應用於汽車行業的LTE系統[4,5]。隨着複用SAE應用層標準的協調，LTE-V2X可以專注於具有頻譜效率空中接口的無線電和網絡層的標準開發。
根據3GPP中LTE V2X標準化的進展，LTE-V2X在一些國家或地區有研究項目和現場測試。在中國，20兆赫(5905 5925兆赫)的頻率已經被官方分配給LTE-V2X的驗證工作，並在六個試點地區進行試驗。LTE-V項目的標準化和原型驗證已被列爲國家科技專項。與此同時，2016年，新一代移動網絡聯盟(NGMN) V2X工作組和5G汽車協會(5GAA)成立，TD-LTE的利益相關者正與汽車行業合作，推廣基於LTE和NR (New Radio)的V2X解決方案。
在本文中，概述了3GPP中V2X服務的需求和用例。然後對3GPP中LTE V2X的最新標準進行了綜述。討論了在LTE V2X中所面臨的挑戰和詳細的設計問題。同時，分析了eV2X服務和可能的5G解決方案。介紹了LTE V2X的實現，以及在行業聯盟、樣機研發和現場測試方面的最新進展。最後，文章對5G-V2X未來的研究方向進行了討論。
V2X 的服務需求和3Gpp規定的用例
3GPP的V2X標準的進展
3GPP中V2X標準化的進展3GPP中V2X標準化的進展如圖1所示。基本需求集的學習項目和工作項目、技術規範組(TSG)服務項目和系統方面工作組(SA1)的用例，以上均於2016年6月完成。SA2架構的增強和SA3的安全問題於2016年12月完成。TSG無線接入網絡(RANs)中支持V2V服務的最初標準已於2016年9月至9月期間完成，而使用蜂窩網絡的附加V2X場景的進一步增強計劃將於2017年3月在第14版標準中完成。eV2X要求已於2016年12月在TSG SA1中提出，而3GPP RAN的相關研究已於2016年底被廣泛提出。一些eV2X的需求可以通過通過規範和進一步的改進，通過LTE eV2X實現。由於某些eV2X用例需要極高的數據速率、極高的可靠性和極低的延遲，NR V2X被認爲是LTE eV2X的補充。因此，LTE eV2X和NR V2X可以提供5G V2X解決方案。
3GPP提出的V2X服務需求和用例
在3GPP中，TSG SA1負責識別安全與非安全方面的用例，以及支持V2X服務的LTE的潛在需求。當正在傳信的UE（user equipment）由「 已發展通用地面無線電接達網絡」(E-UTRAN)提供服務時，消息傳送應由3GPP網絡控制。此外，LTE-V2X的安全要求還包括授權、匿名和隱私。
V2V可以直接在附近的UEs之間交換V2V相關的應用信息。RSU可以接收支持V2I應用程序的UE傳輸的信息，並將應用層信息傳輸給支持V2I應用程序的UE或一組UE。在LTE網絡中，支持V2N應用的服務實體可以與UE通信。V2P通信可以通過基於LTE的通信來實現，以方便攜帶設備支持V2P應用的弱勢道路用戶。由於V2V/V2P的直接通信範圍有限，所以UE之間的V2V/V2P相關的應用信息可以通過支持V2X服務的基礎設施進行傳輸，如RSU、應用伺服器等[6]。
TSG SA1中的研究包含了上述四種類型的V2X服務，在版本14[6]中定義了27個用例。由於27個用例可以分爲V2X的安全性服務和非安全性服務，因此應該對消息的傳輸進行分類，並提供根據消息類型(例如安全性和非安全性)確定優先級的方法。與安全相關的用例主要關注於避免和減少事故的發生以及生命和財產的保護。非安全性用例的目的是改善運輸機動性和提高環境性能的補充服務。
27個用例的5類服務需求定義如下：[6]。
速度：支持最大絕對速度160km/h和最大相對速度280km/h。在沒有速度限制的場景下，最大相對速度爲500公里/小時。
通信範圍：有效距離要求大於在最大相對速度的場景下，根據駕駛員的充分反應時間（如4秒）計算得到的距離。
延遲/可靠性：兩個支持V2V/V2P應用程序的UEs之間的最大端到端延遲應爲100 ms（直接通信或經過RSU通信）。支持V2I應用程序的UE與RSU之間的最大延遲應爲100 ms。爲了支持預碰撞感知，兩個支持V2V應用程序的事件之間的最大延遲應該降低到20ms。在有效距離和有限延遲的情況下，且不需要重傳應用層消息的前提下，保證無線電層的最低可靠性。計算了在一定時間窗內連續傳輸時的累積傳輸可靠性。
消息大小：不包括與安全相關的消息元素時，支持V2X應用程序的兩個UE之間的週期性廣播消息的有效負載的可變長度僅爲50-300字節。事件驅動的消息的大小可以達到1200字節。
消息生成周期：最小消息生成周期可以是100毫秒。
爲了加速TSG RAN的技術評估，將上述需求彙總，表1給出了3GPP版本14的V2X服務的示例參數。
因爲V2X的應用已經超出了道路安全服務的範疇，其已經被歸於汽車行業內，如編隊行駛和自動駕駛，這些先進應用的特點包括，更嚴格的延遲（只有幾毫秒），非常嚴格的可靠性（近100%），高數據率（約10 mbps），和更大的通信的範圍（例如1000米），儘管對於大多數應用程序來說，這些的要求不必被同時滿足。TSG SA1已經爲eV2X服務確定了25個自動化程度不同的用例，這些用例被分爲5組，包括車輛隊列化、高級駕駛、擴展傳感器、遠程駕駛和普遍化用例[8]。TSG RAN於近期同意不打算用NR-based V2X來取代LTE-based V2X所提供的服務。因此，NR-based V2X將會對LTE-based V2X進行補充，用於支持高級的V2X服務，並支持與LTE-based V2X[9]的相互協作。
3GPP提出的對於LTE V2X的基礎挑戰和設計要點
對於LTE V2X的結構增強和物理層設計
基於TSG SA1中定義的V2X服務需求，結構的增強由TSG SA2[10]確定。在圖2中，重用LTE Device to Device (D2D)架構，將新的V2X控制功能模型加入到原有的LTE網絡架構中，用於操作與網絡相關的控制功能，如服務授權和供應。LTE- Uu接口經重用後，可用於單播 and/or 演進的多媒體廣播多播服務(eMBMS)。從而建立車輛UE的V2X應用與V2X應用服務器的通信鏈路。同時，通過PC5接口，可以支持直接的旁通通信，以交換車輛之間或車輛與行人之間V2X應用程序的信息。
隨着LTE V2X系統架構的不斷完善，根據以下挑戰，對於無線層的設計需求是迫切的。這些挑戰主要包括：物理層結構設計、資源分配、同步[11]。
爲了加快標準化進程，3GPP中的LTE D2D機制被認爲是基於PC5的V2V通信的baseline，它提供了適當的和特定的增強來支持V2V服務。由於V2X服務的消息大小是可變的，因此對傳統系統的調度分配(SA)進行了重用，用以指示初始傳輸和重新傳輸數據的資源。SA內的控制信息仍由包含修改內容的物理旁路控制信道(PSCCH)承載，流量有效載荷由物理旁路共享信道(PSSCH)傳輸。爲了保持較低的峯均功率比(PAPR)，採用單載波頻分多址(SC-FDMA)進行傳輸。考慮到LTE V2X業務對通信範圍的要求，支持普通循環前綴(CP)。
在傳統的LTE系統中，兩個參考信號之間的時間間隔爲0.5毫秒。當傳輸信號的中心頻率爲6GHz，相對速度爲280 km/h時，相干時間約爲0.277 ms，低於當前參考信號的時間間隔。因此，由於信道估計不足和信道信息的缺乏，數據解調性能將會急劇下降。因爲在傳統的LTE參考信號設計中，可以校正的最大頻率偏差約爲1khz，當網絡提供了同步參考時，相鄰cell的UE的最大頻偏可達2.2 kHz以上。這裏的頻率誤差包含了網絡和UE，UE之間的傳輸誤差和多普勒頻移。爲了在高多普勒頻移的場景下提高性能，如：在滿足信道估計和同步跟蹤的前提下，將PSSCH和PSCCH一個子幀內的解調參考信號(DMRS)的列數從2個增加到4個，以獲得更好的鏈路級性能。由於在DMR序列中沒有利用用戶身份信息，因此考慮了PSSCH的SA循環冗餘校驗(CRC)和PSCCH的固定參數隨機選擇，避免了UE之間的干擾。LTE V2X的DMRS結構的改進如圖3所示。
全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System, GNSS)具有較高的定時和頻率精度，可以作爲LTE V2X的同步源。當PC5和LTE-Uu在同一頻段運行時，如果PC5和LTE-Uu之間的的時序偏移量較大，並且UE直接與GNSS同步，此時UE通過PC5結構的通信將會對LTE-Uu的上行傳輸產生干擾。eNB將指示車輛UE選擇基於eNB或基於GNSS的同步。利用傳統的LTE D2D機制，增強的同步源優先級可以通過對旁路同步信號(SLSS)和物理旁路廣播信道(PSBCH)建立新的連接來支持。考慮到對LTE-Uu上行鏈路傳輸的保護以及確保同步源的定時和頻率的準確性，同步源優先級的規則應根據eNB-based或GNSS-based同步配置來實施。當eNB配時的優先級高於GNSS時，直接或間接同步到eNB的UE的優先級高於GNSS，然後優先級高於直接或間接同步到GNSS的和其他剩餘UE的優先級。當GNSS的優先級高於eNB配時時，GNSS的優先級最高，而直接同步到GNSS或eNB的UE的優先級低於GNSS但高於UE，間接同步到GNSS或eNBm的，低於其他剩餘UE。利用所提出的同步機制，可以實現全局同步，減少同步集羣的數量，保證同步精度。
3GPP給出的對LTE V2X的增強資源分配機制
考慮到低延遲和有效資源利用的影響，LTE D2D中的時分多路複用(TDM)機制不適合LTE V2X。因此，在沒有額外時間窗口的情況下，通常將FDM機制用於LTE V2X的SA資源池和數據資源池。3dB功率提升可以幫助SA實現比數據預算更好的鏈路預算。由於選擇了FDM作爲多路複用機制，在同一子幀的不同子信道上，由其他方式傳輸的帶內發射(IBE)由於近遠效應對系統容量的影響特別大。因此，SA和DATA被設計成在相同的子幀中被髮送到相鄰或不相鄰的RBs中。
在LTE D2D通信中，有兩種資源分配機制（如用於集中式控制的模式1和用於分佈式的控制模式2）被標準化，以支持公共安全通信中典型的VoIP (VoIP)服務。在集中資源分配(模式1)中，下行控制信息(DCI)格式5被調度來指示SA和數據資源。同時，在分佈式資源分配中，由於LTE D2D中發射機密度較低，且標準化程度較低，因此隨機選擇是確定的。
然而，在發射機高密度的情況下，由於V2X服務是週期性的或事件觸發的消息，V2X服務的屬性不同於LTE D2D通信，如週期、消息大小、可靠性和延遲。與LTE D2D通信相比，針對V2X業務的特點，提出了以下資源分配的改進方案：
- 支持模式3的集中式資源分配機制 和 支持模式4的分佈式資源分配機制。
- 感知和SPS資源分配。
- FDM和TDM用於跨車輛的資源複用。
- 地理信息在資源配置中的應用。
- 使用信道忙比(CBR)和消耗比(CR)進行擁塞控制。
- 行人UE 的功耗節約。
使用集中資源分配的用戶必須連接到eNB，這將造成額外的信令開銷，而使用分散式資源的用戶可能會在本地做出單方面的錯誤決策。因此，爲了保證V2X服務的QoS要求，提出支持模式3的集中式資源分配機制和支持模式4的分佈式資源分配機制，以適應V2X服務的特點。依賴集中式eNB，模式3只工作在存在eNB覆蓋的場景，而模式4可以提供分佈時資源分配，即便無eNB覆蓋。由於V2X的服務具有週期性和可預測的大小，因此可以在模式3和模式4中將半持久性調度(SPS)作爲一種資源分配機制來支持。基於SPS的週期性資源預留機制，其他事件的感測傳輸可以避免碰撞，從而有效地提高系統性能。
感知和SPS資源分配的具體機制如圖4所示。UEs應該在一個1000毫秒的滑動傳感窗口中，在每個接收子幀中繼續檢測來自其他UEs的傳輸。如果資源選擇或重新選擇被觸發，UE將在資源選擇窗口中選擇可用的資源。資源選擇窗口的上邊緣受當前有效載荷延遲的限制，而資源選擇窗口的下邊緣則由基於UE s實現的進程延遲決定。根據感知窗口中檢測到的資源佔用狀態，如果一個UE選擇的可用資源在資源選擇窗口的(n + d)子幀，那麼相同的頻率 資源(n + d + SPS週期)將會被在(n+d)傳輸的SA預留。
當資源選擇/重新選擇機制被觸發時，SPS的計數器值將在建議的範圍內均勻隨機選擇。每次傳輸完流量包後，SPS計數器的值減小1。SPS計數器滿足終止條件時，當前資源將以p概率保留並重置SPS計數器，或以概率(1 - p)觸發重新選擇。
此外，資源分配可結合地理信息將通信區域於劃分到不同的zone中。將不同的資源分配給鄰近zone內的UE，通常是爲了減少干擾和IBE（基於身份認證的加密）。由車輛的相對速度引發的高移動性，導致了Handover（基站覆蓋區的切換），爲了保證V2X服務的連續性，用於隨機選擇的exceptional pool被引入。
在LTE V2X模式3中，支持動態調度和SPS調度機制。DCI格式5A用於指示流量包傳輸的詳細資源信息。在DCI格式5A的內容中，即使沒有在V2V專用載波上部署eNB，載波索引字段(CIF)也可以指示V2V傳輸的載波。考慮到LTE-Uu通信範圍大、集中控制等特點，廣播機制需要提高頻譜效率和延遲要求。通過傳輸資源池和接收資源池的配置，可以對干擾進行協同控制。
具有100 ms週期的Pool-specific CBR測量可用於反映接收UE的池的擁塞級別。CR被定義爲UE用於其傳輸的子信道總數除以配置的子信道總數(在1000毫秒的測試周期內)的比率。在CBR和CR測量的支持下，LTE V2X中的擁塞控制功能可以採用分佈式或集中式的方式實現。如果將CBR與UE的位置信息報告給eNB, eNB將在系統級更有效地控制擁塞。
從用戶用例的省電角度看，傳感操作消耗了通信中的大部分能量。因此，必須在傳輸性能和行人UE的有限電池容量之間進行權衡。行人UE不需要接收來自車輛UE的消息，即使其他車輛UE在這些子幀中傳輸信息，行人UE也可能在某些子幀中處於休眠狀態。如果允許UE支持端口部分感知，則資源選擇的性能可以提高到優於隨機選擇的性能。
根據eV2X用例的性能需求分析，基於LTE的V2X解決方案應該得到儘可能多的增強，以覆蓋eV2X服務。基於LTE的V2X可以滿足一些車輛隊列應用和有限的自動駕駛應用的基本要求。基於NR的V2X可以與基於LTE的解決方案兼容，以覆蓋更先進的服務。未來的工作將支持LTE- A Pro and/or 5G NR的全自動駕駛應用。因此，協調技術可以爲LTE V2X的發展鋪平道路，並保持相對於IEEE 802.11p的優勢。
LTE V2X的實現
隨着LTE V2X標準化在3GPP的推進，行業間的合作以及TD-LTE行業與利益相關者之間的合作將會更加緊密。因爲許多基於IEEE 802.11p的 對於車輛互聯的研究項目和現場測試連接的技術已經在一些國家或地區實施多年，對LTE V2X提供一個合適的解決方案是非常必要的，這可以滿足市場需要並且促進發展的基於LTE-V2X通信相關的行業。
2016年7月，NGMN與汽車行業合作，成立NGMN V2X工作組，推廣運營商對LTE-based V2X和DSRC的看法，並分享試驗結果，以縮短LTE V2X[12]的上市時間。2016年9月，5GAA成立，旨在促進通信解決方案，以支持互聯移動、道路安全應用、泛在接入和集成到智能城市和智能交通。信息通信技術的重點可能會通過基於LTE V2X和5G-NR的解決方案[13]實現。
2015年5月，工業和信息化部制定了《中國製造2025》智能互聯汽車國家戰略。智能輔助駕駛和自動駕駛的整體技術和關鍵技術將分別在2020年和2025年得到發展和驗證。LTE-V[5](即LTE V2X)的解決方案是支持這種願景的關鍵技術。中國通信標準協會(CCSA)根據中國國情，制定了一系列基於LTE的車載通信行業標準。需求、體系結構標準、頻譜的研究已於2016年完成，完成空口標準將於2017年完成。
爲了加快LTE V2X網絡和終端的原型的研究和開發，以及實驗室測試和現場測試，2016年11月，中國工信部分配20 MHz (5905-5925MHz)的頻率促進LTE V2X的直連通信的試驗，包括不同的應用程序之間的功能測試和兼容性測試。LTE V2X系統性解決方案將在選定的六個試點地區進行驗證：北京、上海、杭州、重慶、長春和武漢。
在頻譜分配和試點地區選擇的刺激下，通信行業推出了預商用產品。根據最新的3GPP LTE V2V標準，2016年11月，大唐電信集團推出了首款基於自有芯片組解決方案的LTE V2X預商用產品。OBU和RSU的預商用產品如圖5所示。華爲和其他公司從2016年開始提供預商業產品。ITC產業和汽車行業的 更廣闊的LTE V2X生態系統和價值鏈將會被升級到一個跨行業合作的新階段。
5G V2X的未來研究方向和結論
V2X可以用來提高道路安全，交通效率，以及信息娛樂服務的可用性。LTE V2X繼承了TD-LTE的優勢，包括多用途的通信模式、低部署成本、無處不在的蜂窩網絡覆蓋、高容量和頻譜高效的空中接口。3GPP積極開展LTE V2X標準化工作，爲受益於LTE系統全球部署和快速商業化的V2X通信提供解決方案。
目前，已經爲eV2X服務確定了25個用例，包括5個用例組：隊列化、擴展傳感器、高級驅動、遠程驅動和其他/通用驅動。eV2X的需求要求即使在高密度的場景也滿足嚴格的可靠性，低延遲，高數據率和更大的通信範圍。對5G-NR上行鏈路、下行鏈路和旁線業務，函需適當的改進，如超可靠低延遲通信(URLLC)旁線和Uu、增強型移動寬帶(eMBB)旁線等。5G-NR高層的解決方案應包括以下幾個方面：近端組管理、擁塞控制、移動性管理、QoS管理、PC5與Uu之間的切換。由於同時存在多個RAT，因此必須使用多RAT可以高效協同和共存的機制。網絡架構應該得到改進，以支持eV2X服務的改進。此外，爲了滿足eV2X需求的挑戰，必須開發新的特性來實現極低的穩定性、高可靠性、高效率的PC5和Uu通信。
本文綜述了3GPP中LTE V2X標準的最新進展。分析了eV2X的服務和可能的5G解決方案。介紹了LTE V2X的實現，以及行業聯盟的最新進展、樣機的研發和典型的現場測試。基於LTE V2X和新興的5G-NR V2X的演進過程，通過跨行業協作的聯合創新，實現全自動化駕駛和未來汽車服務。