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蜂窝车联网的标准、关键技术及网络架构的研究

http://www.c114.com.cn ( 2018/8/10 17:03 )

【摘要】车联网是当前信息化与工业化融合的典型代表,也是当前各界研究的重要方向,因此从美国短距离通信技术入手,引出基于3GPP的蜂窝车联网标准,解析3GPP中车联网的标准历程、由LTE D2D到R14引入的LTE V2X标准,并重点讲述LTE V2X的场景及关键技术等。【关键词】5GAA;uRLLC;V2X;V2V

引用格式:朱红梅,林奕琳. 蜂窝车联网的标准、关键技术及网络架构的研究[J]. 移动通信, 2017,42(1): 00-00.

Research on Cellular Vehicle Network Standards, Key Technologies and Network Architectures

ZHU Hongmei, LIN Yilin

(Guangzhou Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Guangzhou 510630, China)

[Abstract]The Internet of vehicles is the typical representative of current information and industrialization integration, and the current research is important. This paper starts with the short distance communication technology in the United States, and introduces the network standard of cellular vehicle based on 3GPP. The standard course of car networking in 3GPP is analyzed, LTEV2X standard introduced by LTE D2D to R14. And focusing on the LTEV2X scene, key technologies, etc.

[Key words] 5GAA; URLLC; V2X; V2V

1   引言

伴随着信息技术的发展,车联网成为继移动互联网后的一大热点。2016年9月28日,主要由车企、运营商与设备商成员共40多家公司组成的5G汽车联盟(5GAA, 5G Automotive Association)正式成立。5GAA建立目的是希望共同定义蜂窝车联网(C-V2X,Cellular Vehicle to X)的需求,通过多行业联合共同推动智能驾驶端到端解决方案实现,建立一个成功的车联网生态系统,在开发、测试及促进销售方面展开全方位合作,制定标准,加快商用化和向全球市场推广。本文重点解析3GPP制定的基于4G/LTE的V2X标准以及开始出现的5G V2X需求。

2   V2X标准概况

在2013年初,韩国LG、美国高通在3GPP SA1提出车联网立项的申请,随即展开了从需求到标准制定的研究工作。同时伴随着车联网是信息化和工业化的深度融合,催生一系列的产业变革,这是新的发展机遇,中国通信标准化协会CCSA也积极开展LTE V2X标准制定工作,具体如图1所示:

图1    LTE V2X的标准概况

蜂窝车联网从3GPP R14版本开始引入,该版本是4G技术LTE的最后一个版本,因此称为LTE-V2X,2017年第一季度标准冻结,年中完成;中国通信标准紧跟3GPP标准进展,开展基于LTE系统的车联网总体技术要求的研究。

LTE-eV2X将于R15的5G NR同步进行,将于2018年中左右完成。

LTE-eV2X相对LTE-V2X,主要针对编队驾驶、增强驾驶、扩展传感器、遥控驾驶等场景进行了技术增强。LTE-V2X和LTE-eV2X旨在满足未来10年的车联网需求。

当然如果有新增的应用需求无法通过V2X和eV2X解决,3GPP也会在R16阶段启动5G NR-V2X进行增强,包括终端和基站之间Uu接口的增强,终端和终端之间接口的增强等。虽然这部分工作还没有实际开展,但从5G的性能可看出:5G NR V2X将实现更短的时延、更高的可靠性,但是不会取代LTE V2X/eV2X,而是作为补充,提供更高级的V2X服务,并支持和LTE V2X/eV2X的互操作。

3   V2X关键技术

众所周知,V2X诞生前,美国已经有成熟的车联网通信方案:基于IEEE 802.11p的特定短距离通信(DSRC, Dedicated Shorted Range)方案,也是V2V的通信协议。许多车企在DSRC系统上开展了几乎10多年的研究和测评工作,几乎是各个车企认定车辆智能化的发展方向,但是进展并不理想。蜂窝网络运营商期望进入车联网的阵营,因此标准的制定是在借鉴DSRC的基础上逐步开展的。

3.1  LTE D2D技术

纵观3GPP的发展史,所有的通信都是经由网络的,用户A到用户B的任何一条信令,信息的发送都需要先通过基站,然后进行后续节点的处理转发等,没有用户A与用户B的直接对话。但是到了车联网,场景发生变化,需求随着不同,如车辆的自动驾驶场景下( 如编队行驶、并道等),收发车辆的距离近,车与车的直联是更好的通讯模式。因此3GPP标准体系一个全新的承载通信方式的标准产生了,即LTE D2D(Device To Device,又称LTE Direct),该标准由美国高通公司于2011年9月在3GPPSA1提出并展开研究,后续延续到SA2以及RAN开展了一系列从需求到架构到具体信道、资源分配等的标准工作制定。

LTE D2D为车联网的V2V通信提供了一种全新的通信方式,即基于PC5接口(车-车的接口)的直通方式。

3.2  LTE MBMS

众所周知,ITU提出的5G白皮书提到,5G有着比4G更高的性能要求:毫秒级的时延、0.1 Gbit·s-1~1 Gbit·s-1的用户体验速率及每平方公里一百万的连接数密度。随着IPv6的部署,一个脚掌就有数十个IP地址。因此原来传统意义的基于应答确认式的单播点对点通信方式(Unicast)已经不能满足车联网通信的需求,而要引入广播多播技术(MBMS, Multi Broadcast Multi Service),以更高效地分享周边的信息。因此可见,LTE MBMS只是车联网的一环,是车联网的一种使用场景。

3.3  LTE V2X

前面提到DSRC早于LTE-V十年多出现,但是并没有赢得市场,主要原因在于车车直接通信时,拥塞、干扰和覆盖等很多问题没有解决。就如同两个平级的用户出现矛盾,没有第三方上级来仲裁,那么两个平级之间就会陷入僵局。LTE-V在实现直连,即车与车直接通信的时候,又利用蜂窝网络充当起仲裁的角色,很好地解决了拥塞及干扰等问题。

以下先介绍基于PC5直连的LTE V2V关键技术:

(1)为V2V子帧增加了4个DMRS(DemodulaTI <http://bbs.elecfans.com/zhuti_715_1.html>on Reference Signal)符号。这些符号与500 kph以下的速度和智能交通系统(ITS, Intelligent Transport Systems)频段(主要是5.9GHz频段)相关联,进行高速信道追踪,解决了高速移动导致的多普勒效应和频率偏移带来的问题。

(2)导入了采用半持续调度(Semi Persistent Scheduling)方式的分散型调度技术。一次无线资源分配可以使用多个子帧,减少了频内辐射,可以优化信道的使用,提高传输效率。

(3)导入了新调度分配功能。这样便可在车辆多通信节点密度更高的环境下进行恰当的数据资源处理,延迟时间也面向V2V得到改善。

(4)时钟同步,在网络不覆盖的情况下,缺少同步源。V2X同时支持基站和全球导航卫星系统(GNSS)的时间同步。

(5)专业的QoS技术:V2X消息可以通过non-GBR和GBR承载传输:QCI 3(GBR)和QCI 79(non-GBR)可以用于V2X消息的单播传输,QCI 75(GBR)只能用于MBMS承载的V2X消息,通过专用的QCI极大提升了传输的可靠性。

通过PC5接口新增加的DMRS符号、新的信道结构以及调度分配功能,使得网络参与到V2V的通信中,避免了干扰、拥塞等问题的出现,成为一个事实上可产业化的技术。

虽然LTE-V比DSRC起步晚,但基因好,系统设计优良,继承移动蜂窝网的技术和运营优势,同时有中国和欧洲政府支持,预期产业规模较大。

4   V2X系统架构

V2X通信有两种互为独立、相互补充的工作模式,即基于PC5直通模式的V2X通信和基于LTE-Uu的V2X通信。基于LTE-Uu的工作模式可以是单播Unicast也可以是MBMS方式。UE可以分别使用这两种工作模式进行接收和发送。例如:一个UE可以使用MBMS组播方式接收V2X消息,但发送V2X消息不使用LTE-Uu。一个UE也可以通过LTE-Uu下行单播来接收V2X消息。基本上V2X应用服务器之间,可以相互通信以交换V2X信息。合法的侦听行为适用于V2X业务。

4.1  基于PC5和LTE-Uu的V2X通信架构

基于PC5和LTE-Uu的V2X的通信架构如图2所示:

图2    基于PC5和LTE-Uu的V2X的通信架构

(1)接口网元

车联网是移动蜂窝网络的一个全新应用,因此涉及到的接口网元众多,下面逐一解释:

V1:V2X应用(内置在UE里)和V2X应用服务器之间的接口。很明显,V1是应用层的接口,相关信息不在3GPP范围内定义。

V2:V2X应用服务器和V2X控制功能(V2X Control Function)之间的接口。V2X应用服务器可以连接多个PLMN的V2X控制功能。

V3:UE和归属PLMN中的V2X控制功能之间的接口,适用于基于PC5和基于LTE-Uu的V2X通信,基于LTE-Uu的V2X通信可选支持MBMS。

V4:运营商网络中HSS和V2X控制功能之间的接口。

V5:UE中V2X应用之间的接口。

V6:不同PLMN中的V2X控制功能间的接口(本文不涉及)。

PC5:使用V2X业务UE之间用户面进行D2D(Device to Device)直接通信的接口。

S6a:在V2X场景下,在E-UTRAN附着过程期间,S6a接口可用于向MME可以下载V2X通信相关的签约信息,或者当HSS中的签约信息改变时通知MME。

S1-MME:在V2X场景下,该接口可将V2X业务授权从MME传送到eNodeB。

LTE-Uu:UE和E-UTRAN之间的接口。

(2)功能要求

对V2X直通链路通信,PC5接口是无连接的。支持V2X直通链路通信的UE可工作于两种资源分配模式:

1)资源调度分配(直通链路发送模式3),其特点是:

◆发送数据前,UE需先处于RRC_CONNECTED状态;

◆UE从eNB请求传输资源,eNB调度传输资源给UE进行直通链路控制信息和数据的传输,并支持直通链路半持续调度(SPS)。

2)UE自主资源选择(直通链路发送模式4),其特点是:

◆UE自主从资源池中选择资源、执行传输格式选择,发送直通链路控制信息和数据;

◆如果配置了地理区域和发送资源池的映射关系,则UE基于所处的地理区域选择V2X直通链路发送资源池;

UE执行感知以选择/或重新选择资源。基于感知结果,UE选择/或重新选择一些直通链路资源,并预留多个直通链路资源。UE可最多支持2个并行而且独立的资源预留过程,UE也可以执行单次的资源选择。

对于V2X直通通信,切换过程中,发送资源池的配置,包括用于目标小区的异常发送资源池配置可以在切换信令中发送给UE,以减少发送中断。

为了避免因捕获目标小区广播的接收资源池而带来的V2X消息接收的中断时间,目标小区的同步配置和接收资源池配置可在切换命令中通知给RRC_Conneted状态的UE。对于处于空闲状态的UE,由UE实现来最小化与捕获目标小区SIB21相关的直通链路发送和接收中断的时间。

4.2  基于MBMS LTE-Uu的V2X通信架构

基于MBMS LTE-Uu的V2X通信架构如图3所示:

图3    基于MBMS LTE-Uu的V2X通信架构

(1)接口

大部分接口与图2相同,这里只描述不同的2个接口:

MB2:2X应用服务器和BM-SC之间的接口。

SGmb/SGi-mb/M1/M3:MBMS系统内的SGmb/SGi-mb/M1/M3接口。

(2)功能要求

如果UE配置了通过MBMS接收V2X应用服务器信息,则通过相应的广播信道接收本地信息。本地信息包括本地V2X应用服务器地址信息。另外如果下行使用MBMS,本地信息还可能包括V2X应用服务器的USD(User Service Description,用户业务描述)。

UE根据收到的信息,获取本地V2X应用服务器地址,如果这过程中UE没有收到USD,那么需要UE建立到V2X应用服务器的连接后获取用户USD信息。

因为涉及到MBMS,因此V2X服务器需要将用户的信息映射为MBMS能识别的信息再下发,即格式的匹配,此外UE可能提供地理位置信息,V2X应用服务器通过这些信息来确定目标MBMS广播区域的MBMS业务区域。V2X应用服务器向BM-SC(组播控制器)提供MBMS业务区域或者小区ID,以备后续LTE-Uu口的精确下发。同时为了减小时延,MBMS需要支持更短的下发/更新周期。

4.3  小结

纵观上述的分析,车联网对运营商来说是一个全新的网络,需要额外增加很多接口以及网元,运营商在夯实自己基础网络建设的同时,要面向车企,将网络信息更好地配合应用层的需求,实现精确有效的传递,这无论在投资还是在技术上,都是一大挑战。

随着5G的推进,会进一步加大产业的融合,提升V2X服务平台的功能,比如现有辅助的无线技术以及调度,干扰消除等原本移动网络的功能上移云端,同时配合5G的切片功能,运营商会单独为车联网提供独立的组网,使得V2X车载终端和V2X平台功能分别演进、各自创新及升级,加速车联网的进一步发展。

5   总结

本文LTE V2X标准入手,详述了标准的现状以及可能基于5G NR演进版本的考虑。再从与DSRC的对比出发,详述LTE V2X涉及到的关键技术,如LTE D2D、多播组播以及针对车联网特点进行的基于LTE结构的技术增强。通过本文分析,可见LTE V2X技术具备卓越的性能,支持丰富的V2X业务,能面向5G演进路线以支持不断发展的V2X需求。当前车联网的试点逐步增加,随着试点推行、发现问题、解决问题这个闭环的出现,相信在不久的将来,车联网不再停留在学习、报告,而是如同互联网一样,给广大用户带来全新的体验。

参考文献:

[1] Recommendation ITU-R M.2083. IMT Vision-Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond[R]. 2015.

[2] ITU-R report M.2135. Guidelines for evaluation of radio interface technologies for IMT-Advanced[R]. 2015.

[3] 3GPP TS 22.261. Service requirements for next generation new services and markets; Stage 1[S]. 2017.

[4] 3GPP TR23.799. Study on Architecture for Next Generation System[S]. 2017.

[5] 3GPP TR 38.912. Study on new radio access technology[S]. 2017.

[6] 3GPP TR 38.913. Study on scenarios and requirements for next generation access technologies[S]. 2017.

[7] 3GPP TS 23.502. System Architecture for the 5G System; Stage 2[S]. 2017.

[8] 3GPP TS 23.501. Procedures for the 5G System; Stage 2[R]. 2017.

[9] 3GPP TS 23.203. Policies and Charging control architecture; Stage 2[S]. 2017.

[10] 中国信息通信研究院. 5G网络架构设计[S]. 2015. ★

作者简介

朱红梅:高级工程师,硕士毕业于华南理工大学,现任职于中国电信股份有限公司广东研究院,从事移动通信新技术及应用研究与试验工作。

林奕琳:高级工程师,博士毕业于华南理工大学,现任职于中国电信股份有限公司广东研究院,从事移动通信新技术及应用研究与试验工作。

作者:朱红梅 林奕琳   来源:《移动通信》2018年1月

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