1.3 5G/C-V2X技术

C-V2X是基于3GPP全球统一标准的通信技术，主要包含LTE-V2X（LTE-eV2X）和NR-V2X（5G eV2X）。从技术演进角度讲，LTE-V2X支持向NR-V2X平滑演进。

1.3.1 LTE-V2X通信技术

1.3.1.1 工作模式

基于LTE系统的LTE-V技术包括蜂窝方式（LTE-V-cell）和直通方式（LTE-V-direct）两种工作模式。

1）蜂窝方式

蜂窝方式主要使用LTE-Uu空口。LTE-Uu是eNodeB和终端之间的传统空口，主要利用基站作为集中式的控制中心和数据信息转发中心，由基站完成集中式调度、拥塞控制和干扰协调等，可以显著提高LTE-V2X的接入和组网效率，保证业务的连续性和可靠性。

为了减少与V2X上行链路调度开销，LTE-V2X的上行传输支持基于业务特性的多路半静态调度，即eNodeB不仅为下一次传输而且还为多个后续传输分配资源给终端。半静态调度既可以保证业务传输的高可靠性需求，又可以大幅降低上行调度时延，能够提升一些数据包大小固定、具有周期性流量的V2X应用的性能。对于LTE-V2X的下行传输，该方法针对V2X业务的局部通信特性，不仅支持小范围的广播，还支持低时延的单小区点到多点传输（SC-PTM）和多播/组播单频网络（MBSFN）。此外，LTE-V2X支持核心网元本地化部署，并且为了保证业务传输性能，还针对V2X业务特性定义了专用服务质量（QoS）参数。

2）直通方式

针对直通方式，LTE-V2X使用PC5接口上的侧行链路（Sidelink）实现车与车间的直接通信。直通方式主要针对道路安全业务的低时延高可靠传输要求、节点高速运动、隐藏终端等挑战，进行了资源分配机制增强。

基于PC5接口的V2V通信包括两种模式：管理模式（PC5 Mode 3）和非管理模式（PC5 Mode 4）。在管理模式下基站参与车辆调度，在非管理模式下车辆独立于网络。管理模式和非管理模式的区别：管理模式基于LTE-Uu接口进行集中调度，由基站通过Uu接口的控制信令辅助进行流量调度和干扰管理；而非管理模式基于PC5接口直通方式进行分布式调度，基于车辆间的分布式算法进行流量调度和干扰管理，如图1-6所示。

1.3.1.2 关键技术

针对V2X通信中节点高速移动、低时延高可靠传输需求等问题，3GPP LTE-V2X主要的技术增强包括以下几个方面^[5]。

1）子帧结构增强设计

LTE-D2D通常面向静止设备或低速移动设备，而在LTE-V2X中，车辆移动速度通常较高，且可能工作在更高的频段。因此，如果车辆相对移动速度为280km/h，工作中心频点为6GHz，信道的相干时间约为0.277ms。LTE-D2D中1个子帧的时长为1ms，其中有2列参考信号，相隔为0.5ms。如果还采用以前的参考信号设计，那么高速移动和高频导致的多普勒效应频率偏移会对信道估计产生严重影响。因此LTE-V2X中重用LTE-D2D的DMRS（Demodulation Reference Signal，解调参考信号）列结构设计，但是将1个子帧中的2列DMRS参考信号增加到4列，使得导频密度在时域上有所增加，这样LTE-V2X的DMRS参考信号时间间隔为0.25ms，能够有效处理车辆高速移动场景下高频段的信道检测、估计与补偿。LTE-V2X PC5接口的控制信道及数据信道的子帧结构如图1-7所示。

2）资源复用

由于V2X业务分组大小可能发生变化，LTE-V2X仍重用LTE-D2D中的控制信息SA（Scheduling Assignment）来指示数据分组大小。LTE-V2X的PC5接口直通通信中设计SA指示的数据资源在同一个子帧进行传输，即同一子帧中的SA和数据的资源池进行FDM（Frequency Division Multiplexing）方式的资源复用。同时，SA和数据的资源池也可以采用TDM（Time Division Multiplexing）方式进行复用。为进一步降低SA的信令开销，SA指示的资源粒度在频域可以划分为相同大小的子信道，数据传输可以使用一个或多个子信道。LTE-V2X资源池配置的频域指示方法如图1-8所示。

3）资源分配机制

考虑到V2X业务的周期性，LTE-V2X直通通信的PC5接口采用了一种全新的分布式资源分配方案：感知（Sensing）+预约的SPS（Semi-Persistent Scheduling，半持续调度）。该方案能减少空口信令开销，如图1-9所示。该方案充分利用了V2X业务的周期性特点。一方面，发送节点预留周期性传输资源，承载周期性的V2X业务。另一方面，由于发送节点预留资源的周期性重复，因此有助于接收节点感知资源状态、避免冲突，提高资源利用率和传输可靠性。

4）同步机制

在LTE-D2D系统中，基站被用作同步源，并且蜂窝覆盖中的节点与基站同步。一些覆盖节点可以接收到蜂窝覆盖范围内节点转发的同步信号，因此一些覆盖节点将蜂窝覆盖范围内节点的同步信息转发给覆盖范围外的节点。在LTE-V2X系统中，由于LTE-V2X通信节点支持GNSS（Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统）模块，因此可以直接获得可靠GNSS信号的节点。由于具有定时和频率精度较高的特点，因此它可直接作为同步源为周围节点提供同步信息。如果LTE-V2X与其他蜂窝系统共享载波，那么LTE-V2X直接通信的传输信号可能会对蜂窝网络的上行链路造成干扰，在这种情况下基站仍然被认为是同步源，基站可以通过广播的方式通知UE（User Equipment，用户设备）基站与GNSS之间的时间偏差，以进行调整和补偿。因此，LTE-V2X中有三种同步源：GNSS、UE自同步和eNode B，同步源和同步方式由基站配置，覆盖外采用预配置方式确定同步源，实现全网统一同步定时。

1.3.2 NR-V2X通信技术

NR-V2X的工作模式与LTE-V2X基本一致，主要体现在以下几个方面。

1）NR-V2X模式增强

NR-V2X定义了Mode-1和Mode-2两种侧行链路模式。NR-V2X侧行链路Mode-1模式定义了允许在gNB覆盖范围内与车辆通信的机制。在该模式中，gNB将资源分配给UE。另一方面，NR-V2X侧行链路Mode-2模式支持在覆盖范围外的点对点通信。

在Mode-1模式下，基站调度Sidelink资源给UE进行Sidelink传输。在Mode-2模式下，终端确定由基站/网络（预）配置的Sidelink资源。NR-V2X在Mode-2模式下支持资源感知和选择/重选过程，感知过程可以基于解调其他UE的SCI信息或者其他Sidelink测量结果，解调SCI（Sidelink Control Information）信息至少反映出Sidelink上资源使用情况，其他测量有基于Sidelink DMRS的L1 Sidelink RSRP测量。资源选择/重选过程可以基于上述感知过程结果来决定用于Sidelink传输的资源。根据功能Mode-2模式又分为4种sub-mode。

Mode-2（a）：UE自主选择Sidelink资源用于Sidelink传输。在该sub-mode下，考虑感知和资源选择过程，包括在半静态场景下对多个传输过程的多个TB分配资源以及在动态场景下为每个TB分配资源。通过解调Sidelink控制信道信息，Sidelink测量和检测Sidelink传输过程来对资源占用情况进行鉴定。

Mode-2（b）：UE辅助其他UE选择用于传输的Sidelink资源。该sub-mode作为其他三种sub-mode的一部分不再进行单独讨论。

Mode-2（c）：通过NR Configured Grant对Sidelink传输进行配置。在该sub-mode下，对于资源池中的单个或多个Sidelink传输模式（传输模式由资源在时域和频域的大小和位置以及资源数量来定义），对于覆盖范围内UE假定这些传输模式是（预）配置的，对于覆盖范围外UE则假设是由gNB配置指示的。如果UE只配置了一种传输模式，则不需要进行感知过程，如果配置了多个模式，则考虑使用感知过程。

Mode-2（d）：UE调度其他UE的Sidelink传输。该sub-mode用于Group-Based Sidelink通信方式，在该方式中，UE-A向它的serving gNB上报组内成员（UE-B和UE-C），gNB通过UE-A向组内成员提供资源池/资源配置，UE-A不能对配置信息进行修改，其他成员与gNB间不需要建立直接连接，仅使用高层信令来提供配置，该功能取决于UE的能力。

2）NR-PC5支持组播与单播通信

单播通信方式分为两种，一种是面向特定终端建立单播链路，另一种是面向特定业务建立单播链路。单播链路建立前，发起方终端和接收方终端会先进行地址信息交互、QoS协商和安全连接建立。

LTE-PC5接口仅支持广播模式，即发送端能够与其传输范围内的所有终端通信。NR-V2X则支持组播，即当发送端希望与多于一个的附近特定终端子集进行通信时，使用组播模式。在组播通信方式下，V2X应用层通过终端的ID和组播群组的大小来识别组播的对象。

3）增强的QoS控制

NR-Uu接口增强了多等级QoS机制的支持。车联网业务可预先在5G网络中配置多等级QoS，当基站由于资源受限无法满足当前QoS要求时，5G网络将通过自动降低QoS等级的操作，尽可能地保持车联网业务的连续性，同时基站将新的QoS等级通知车联网业务和终端。

LTE-PC5接口仅支持广播模式，因此也没有QoS控制。而NR-PC5接口支持组播，因此增加了QoS控制能力。NR-PC5 QoS控制复用5QI参数，并定义了PC5 QoS模型。在终端层面PC5 QoS参数新增UE PC5 AMBR来指示每个终端PC5的最大聚合比特率，RANGE限定了PC5组播通信时QoS参数的应用范围；在会话层面PC5 Link AMBR限制了每个PC5单播链路能提供的期望的聚合比特率。NR-PC5支持QoS控制，使得5G网络可以满足更多高服务质量要求的V2X应用。

4）PSCCH和PSSCH的复用

在空口方面，NR-V2X对LTE-V2X的增强主要体现在直连链路（Sidelink，包括Uplink和Downlink）方面。NR Sidelink主要包括PSBCH（Physical Sidelink Broadcast Channel，广播信道）、PSCCH（Physical Sidelink Control Channel，控制信道）、PSSCH（Physical Sidelink Shared Channel，共享信道）、PSFCH（Physical Sidelink Feedback Channel，反馈信道），其中前三种信道在LTE-V2X时已经存在，PSFCH是在NR-V2X为了支持HARQ传输新引入的。

1.3.3 C-V2X通信资源调度

3GPP在R14中启动了基于LTE系统的V2X服务标准研究，提出了PC5 Mode 3，即由基站进行流量调度和干扰管理。在此背景下，我们提出sdnMAC协议，用于在基站[1]的协调下去分配资源，管理干扰，从而实现控制和转发的分离。sdnMAC协议借鉴SDN（Software Defined Network，软件定义网络）控制与传输分离的特性，由控制层面给节点分配时隙，调度时隙资源来避免时隙上的冲突，由转发层面在分配的时隙上去广播安全类消息，由此解决不可靠的时隙感知带来的时隙分配冲突问题。sdnMAC协议分为三个部分。

1）基于控制与传输分离的时隙资源分配管理体系

随着V2X的普及以及5G物联网技术发展，越来越多的自动驾驶车辆会基于5G V2X实现信息的相互传播，同时，也会引导产生更多的车联网应用。大规模车辆和路侧基础设施对5G车联网的资源竞争将成为主要问题。为了解决资源竞争冲突问题，我们提出了基于软件定义网络的媒体接入层协议sdnMAC，其借鉴控制层和数据转发层解耦的思想，利用Uu接口来收集车辆的位置等状态信息，来分配与管理PC5接口的资源。由于基站具有全局统一的视角，其能够确保最优的资源分配方式，确保较低的接入时延。同时，在基站之间利用软件定义网络技术，可以解决车辆的快速移动性带来的频繁切换问题。其中，软件定义网络支持基站之间根据交通态势来共享时隙信息，并根据预测的轨迹在车辆即将到达下一个基站之前分配资源，避免因大量车辆同时到达而引起的接入困难问题。sdnMAC协议分为两层，底层是局部时隙资源调度，上层是全局的时隙信息共享，sdnMAC系统架构图如图1-10所示。

随着车辆密度和车辆通信范围的不同，影响车辆时隙的范围是不同的。车辆可能跨基站覆盖范围，需要多基站协作管理与调度时隙资源。为了实现可靠性广播，基站需保证节点和两跳范围内的其他节点使用不同的时隙。但是，随着车辆密度的增大，两跳范围内的车辆数目可能大于一帧的时隙数。此时，如果不采取其他措施，必然会产生干扰。为了确保算法的可扩展性，可以通过自适应调整节点通信范围来解决车辆密度变化问题，即可以降低车辆的通信范围，以提高网络容量。

在sdnMAC系统中，基站的传输范围是固定的，而车辆的通信范围则可以根据密度的不同而相应地改变。在车辆密度很大时，减小通信范围以容纳更多的车；而在车辆密度很小时，扩大通信范围以增加车辆的感知范围。基站首先根据覆盖范围内的车辆数确定通信范围，然后通过基站间的协作获取周围的时隙使用情况。

在确定车辆α₀的通信范围R_t（α₀）时，需要考虑两个因素：首先是每个车辆的广播数据包应该至少被一个基站接收；其次，为了支持可靠广播，不能有隐藏终端问题，即任何节点必须使用两跳范围内唯一的时隙。因此，R_t（α₀）可以计算如下：

其中，R_min是最小的通信距离，SR₂（σ，r）是节点σ通信距离为r时两跳范围内的节点集合，|C|是集合C的基数，N_s是一帧内时隙的数量，β₀是α₀接入的基站，v（β₀）为基站β₀覆盖范围内的车辆。

每个基站β₀需要距离为R_ne（β₀）范围内的时隙信息。其中，R_ne（β₀）可以由如下公式计算：

根据这个范围，可以确定和当前基站覆盖范围内的车辆相互影响的其他车辆集合，表示为Ω（β₀），计算公式如下：

其中，P_σ表示节点σ的位置，‖a‖₂是向量a的L₂范数。

控制节点首先集中式地确定车辆的通信范围和相互影响范围Ω（β），然后更新相应的流表，以便基站之间相互协作，实现时隙信息的共享。因此，每个基站在转发平面共享时隙信息后，会获得车辆集合Ω（β）的时隙使用情况。

2）路侧协调下的时隙资源调度

基站通过广播资源占用报文完成时隙资源的分配与管理，车辆接收基站广播，获取分配的时隙，完成安全类消息的广播。基站通过侦听覆盖范围内车辆的广播，可以获得车辆的密度，从而自适应地调整通信范围。其中车辆和基站发送的数据包格式是不相同的，如图1-11所示，车辆或者路边单元发送的消息格式为：标识（ID）、类型（Type，标记是车辆还是基站的广播）、位置（Position）、方向（Heading）、速度（Velocity）以及其他信息。而基站发送的信息包括：标识（ID）、类型（Type，标记是车辆还是基站的广播）、位置（Position）、传输范围（TR）、即将碰撞的车请求更换时隙信息（RESS）、可供接入使用的时隙数量（FFS）、正在被接入的时隙（RESUS）以及其他信息。

基站管理车辆的协议具体分为五步，以基站β₀为例，协议流程如下。

步骤一：检查距离基站β₀范围为R_min内的车是否即将要发生碰撞。其检测方法是，对其覆盖范围内任意车辆α₁，计算潜在的干扰节点集合SRG₂（α₁，R_t（α₁））。如果存在α₂∈SRG₂（α₁，R_t（α₁））使用的时隙和α₁相同，那么，α₁需要获取一个新的时隙。这个新的时隙记为New_s，步骤二至步骤四会分配一个最合适的时隙给New_s。

步骤二：检测SRG₂（α₁，R_t（α₁））中是否存在没有分配的时隙。SRG₂（α₁，R_t（α₁））中使用的时隙集合为{χ（σ）|σ∈SRG₂（α₁，R_t（α₁））}，其中χ（σ）表示节点σ所使用的时隙。因此未被分配的时隙为N_total-{χ（σ）|σ∈SRG₂（α₁，R_t（α₁））}，其中N_total为一帧内所有时隙的集合。如果这个集合非空，那么随机分配一个时隙给New_s，转到步骤一。否则，执行步骤三。最后，更新时隙使用状态，即更新α₁使用的时隙为New_s。

步骤三：寻找最合适的时隙。此时，两跳范围内的车必须共享时隙，可能会产生潜在的干扰。分配资源的原则是，尽可能地让两个远离的车使用同一时隙。两个节点α₁和α₂有三种运动状态，记为Y（σ₁，σ₂）。分别是：相反的方向，越来越远Y（σ₁，σ₂）=A；相反的方向，越来越近Y（σ₁，σ₂）=B；以及相同的方向Y（σ₁，σ₂）=C。它们的计算公式如下：

其中，是a和b的内积。两个车辆在不同的运动状态下，其相遇的概率是不同的，例如，如果两个车的方向相反，而且越来越远的话，它们相遇的概率很小，碰撞的概率也小。因此，首先让α₁和状态A的车共享时隙，其次再考虑状态为B和C的车。最后，把车辆α₁之前使用的时隙χ（α₁）和新分配的时隙New_s加入RESS中。

步骤四：构建给新接入的车辆使用的时隙集合。一个刚启动的车需要获取新时隙来广播周期性的安全消息，而这个车有可能在任何位置。因此，优先使用空闲的时隙，如果空闲的时隙小于N_FFS，那么，就使用如下排序准则来选取最大值，计算公式如下：

步骤五：构建RESUS。基站需要侦听信道一帧，去检测FFS的时隙是否被使用。如果在FFS时隙中侦听到数据传输，基站会把这些消息记录在RESUS，以便告诉其他车辆，这个时隙即将被占用。刚接入的车在收到基站的广播后，发现RESUS字段有相应的记录，则表示接入成功。

3）基站间时隙资源调配最优化

每一个基站β依靠Ω（β）的信息去决策。因此，基站间必须实时同步时隙使用情况，否则会导致干扰。例如，如果两个相邻的基站β₁和β₂，β₁已经分配了时隙i∈N_s，而基站β₂没有及时更新时隙使用情况，那么将可能把这个时隙分配给其他车，导致潜在的干扰，如图1-12所示。为了解决这个问题，基站之间需要实时同步时隙使用情况。

基站_iβ∈B需要在时隙χ（β_i）上广播数据后立刻把信息传递给周围的基站。因此，基站β_i分享信息的时隙集合为χ（β_i）+k_i1N_sδ_t+k_i2N_s，其中k_i1=0，1，2，…，k_i2∈{0，1，…，δ_t-1}。基站之间的数据传输通过有线链路进行，因此，其时延和丢包率可以忽略不计。假设有两个基站β₁和β₂需要实时同步信息，β₁在χ（β₁）发送数据给β₂，β₂能迅速接收到数据。但是β₂进行资源调度是在Δ₂₁=[χ（β₂）+k₂₁N_sδ_t+k₂₂N_s]-[χ（β₁）+k₁₁N_sδ_t+k₁₂N_s]=N_s+χ（β₂）-χ（β₁）之后，χ（β₂）≤χ（β₁），如图1-12（a）所示。同理，Δ₁₂=N_s+χ（β₁）-χ（β₂），其中，Δ₁₂+Δ₂₁=N_sδ_t，δ_t=2。Δ₁₂和Δ₂₁时间越长，可能会导致更多的碰撞。因此，给基站时隙分配时要最小化最大值，问题建模如下：

通过求解上述问题，可以获得基站的时隙最优分配。确定基站使用的资源后，再根据协议给每个车辆分配资源。