3GPP LTE-V2X標準進展及技術介紹

李　鳳　大唐無線移動創新中心高級標準工程師房家奕　大唐無線移動創新中心高級技術經理趙　麗　大唐無線移動創新中心高級標準研究工程師

3GPP LTE-V2X標準進展及技術介紹

李鳳大唐無線移動創新中心高級標準工程師
房家奕大唐無線移動創新中心高級技術經理
趙麗大唐無線移動創新中心高級標準研究工程師

自2015年2月3GPPSA1立項LTE-V2X研究課題，LTE-V隨即在3GPP各小組成為研究和標準的熱點。本文總結和分析了LTE-V技術在3GPP核心網和無線接入網各小組的標準及相關的技術進展。

LTE-V2X；3GPP；D2D；Uu；V2X；V2V/V2I/V2P

1　引言

近年來，美國、日本和歐盟等發達國家分別通過Connected Vehicles、VSC、SmartWay、CVIS和 Drive C2X等項目，深入研究車與車（V2V）、車與路側基礎設施（V2I）、車與人（V2P）等之間實時高效的雙向通信，用來有效地解決傳統激光、雷達、機器視覺分析等存在的距離、角度等缺陷，全方位提升汽車主動安全系統的感知范圍，從而解決碰撞引起的事故和生命財產損失。同時，通過該系統，還可以搭建車輛、行人以及路側基礎設施之間的信息交互橋梁，為交通參與者提供全時空的、高可靠的交通信息，實現人—車—路的充分協同，從而有效提升道路通行效率，減少排放，改善交通環境，增加出行舒適度。

以上項目底層都是基于IEEE802.11p通信技術，由于IEEE802.11p基于IEEE802.11a擴展而來，其物理層采用OFDM調制方式，MAC層采用基于CSMA/CA的EDCA接入機制，使得IEEE802.11p在輕負載條件下可以滿足道路安全類應用的時延、可靠性及節點接入公平性的要求，然而當網絡負荷增加時，由于CSMA/CA機制導致隱藏節點的問題突出，使得數據發送的可靠性受到影響。隨著LTE通信技術的普及，尤其是LTED2D通信標準的制定，使得基于LTE技術實現車車、車路、車人之間直接通信成為可能，從而滿足車車、車路、車人之間低時延、高可靠性的通信需求。2015年2月，3GPPSA1正式啟動了LTEV2X業務需求研究項目，拉開了LTE-V技術在3GPP各小組的標準化序幕。

2　LTE-V業務需求

2015年2月，LG公司在3GPPSA1#69次會議立項牽頭“基于LTE的V2X業務需求”研究課題，并在2015年11月完成。2015年8月，LG公司又牽頭立項“基于LTE的V2X業務需求”的標準項目，并在2016年2月SA1#73次會議完成該項目。

SA1研究課題中共定義了包含車車、車路、車人以及車與后臺通信的27個用例（見表1）。

在標準項目中，基于研究課題的27個用例，SA1定義了LTEV2X支持的最大移動速度、時延、消息發送頻率、數據包大小、安全等通用的業務要求。

●移動速度：最高絕對速度160km/h，最大相對速度280km/h。

●數據包大小：典型的周期性數據包為50～400字節，事件觸發數據包最大到1200字節。

●消息發送頻率：1～10Hz。

●時延：100～1000ms，預碰撞感知場景下為20ms。

●安全：通信設備需要被網絡授權才能支持V2X業務，要支持用戶的匿名性并保護用戶隱私。

●資源管理：網絡覆蓋內資源可控，網絡覆蓋外通過預配置方式。

●通信范圍：TTC（Time To Collision）為4s的通信距離。

●其他：需要支持高精度定位以及業務優先級。

注1：在2016年3月RAN#71次會議上，考慮歐洲有些國家高速不限速的情況，最大相對速度修改為500km/h。

表1　SA1定義的27個用例

同時，為了讓RAN能夠盡快開展技術評估，SA1還給出了7種特定場景的性能要求參考，具體參見表2。

3　LTE-V網絡架構及信息安全

2015年10月，“支持LTE V2X業務的增強架構”的研究課題在3GPPSA2立項，確定在PC5接口的Prose和Uu接口的LTE蜂窩通信的架構基礎上增強支持V2X業務。研究的關鍵問題包括V2X業務授權、V2V/ V2I/V2P消息發送和接收、V2V/V2I/V2P業務策略及參數開通、V2V/V2P消息優先級、基于eMBMS架構的V2X消息發送和接收（包括MBMS業務區域匹配、減少時延和本地服務器發現）、V2X業務的QoS和不同PLMN間的V2X業務運營。

表2　V2X業務性能要求示例

圖1是基于PC5接口的LTE V2X參考架構，在Prose架構的基礎上引入了V2X控制功能單元，用于支持V2X業務相關的網絡控制功能，如V2X業務授權等功能。圖1中各接口定義如下：

（1）V1

V2X應用和V2X應用服務器之間的接口。

（2）V2

V2X應用和運營商網絡的V2X控制功能單元的接口。V2X應用可以連接到屬于多個PLMN的V2X控制功能單元。

（3）V3

支持V2X業務的終端和運營商網絡的V2X控制功能單元的接口。

（4）V4

HSS和運營商網絡的V2X控制功能單元的接口。

（5）V5

V2X應用之間的接口。

圖2是基于eMBMS的LTE V2X參考架構，在eMBMS架構的基礎上引入了V2X應用服務器，用于支持V2X業務相關的網絡控制功能，與GCS應用服務器類似。圖2中各接口定義如下：

（1）VC1

V2X應用服務器和終端上客戶端應用的接口。

（2）VMB2

V2X應用服務器和BM-SC之間的接口。

2015年11月，3GPPSA3立項調研V2X安全威脅，研究V2X安全需求并調研和評估對現有的安全功能和架構的重用和增強；在2016年2月的會議上，分析了V2X通信、V2X無線資源授權和V2X實體安全環境的安全威脅和安全要求。針對這些安全問題解決方案還在討論中。

4　LTE-V無線接入技術

圖1　基于PC5接口的參考架構

圖2　基于eMBMS的參考架構

2015年6月RAN#68次會議，由LG、大唐和華為3家公司聯合牽頭“基于LTE的V2X可行性研究”的研究課題，該課題主要是定義評估支持V2X業務增強技術的方法，研究基于PC5接口和Uu口技術方案增強支持V2X業務，并評估基于LTE不同技術增強的性能。同時，明確優先研究基于PC5接口支持V2V業務，其他的研究內容在2016年6月會議完成，在2016年3月RAN#71次會議，考慮到會議時間安排及LTE V2X與IEEE802.11p共存內容的增加，將研究課題完成時間延期到2016年9月。基于研究課題的研究進展，2015年12月RAN#70次會議，由LG、大唐和華為3家公司聯合牽頭“基于LTE PC5接口的V2V”標準項目，確定基于LTE D2D通信的物理層和高層進行增強以支持V2X業務，包括同步過程、資源分配、同載波和相鄰載波間的PC5和Uu接口共存、RRC信令和相關的射頻指標及性能要求等。該項目預計2016年9月完成。

在“基于LTE的V2X可行性研究”的技術報告中，共定義了3種運營場景，如圖3、4、5所示：僅基于PC5接口的V2X運營場景、僅基于Uu接口的V2X運營場景以及同時基于PC5接口和Uu接口的V2X運營場景。

其中，基于PC5接口的V2X運營場景主要考慮了導頻、同步和資源調度增強技術。

（1）導頻增強

LTE D2D中雙方通信的設備之間主要是靜止或者低速移動，而在車聯網應用中車輛移動速度高，同時考慮LTEV2X可能工作在6GHz頻段，為了克服高速移動和高載頻帶來的頻率偏移，提升信道估計性能，在R12 D2D基礎上，需要將導頻序列加密，一種可能的方案是將導頻序列從2列增加為4列，也有公司提出增加載波間隔、設計新的DMRS結構等，方案還在討論中。

圖3　基于PC5接口的V2X運營場景

（2）同步增強

圖4　基于Uu接口的V2X運營場景

LTE D2D系統中以基站作為唯一的同步源，覆蓋內節點通過基站下發的下行同步信號同步，部分覆蓋節點與覆蓋內節點同步，部分覆蓋節點可將同步信息向覆蓋外節點轉發。而在V2X系統中，由于終端或路側設備支持GNSS模塊，直接獲得可靠GNSS信號的終端或路側設備定時和頻率精度都較高，可以作為同步源為周圍節點提供同步信息。在網絡覆蓋內的終端，由基站配置是以基站還是以GNSS為同步源。當終端無法收到基站配置的同步方式信息時，按照覆蓋外場景進行同步優先級處理。網絡覆蓋外，GNSS為最高的同步優先級，系統的同步優先級設計還再進一步研究。

圖5　同時基于PC5接口和Uu接口的V2X運營場景

（3）資源分配增強

LTE D2D系統主要是為了滿足用戶日益增長的業務發現、社交、數據共享等商業應用和公共安全的設備間直接通信。針對不同的應用場景，LTE D2D系統支持基站集中調度和分布式調度方式兩種方式，基站集中調度的方式下，終端向基站發送資源請求并接收基站下發的資源分配信息；在分布式調度方式下，終端在所分配的資源池中隨機選擇發送資源。而在V2X系統中，V2X消息大多具有周期性的特點，并且數據發送頻率較高（如10Hz），業務持續時間較長。另外，由于車輛快速移動導致車輛網絡拓撲變化快，同時在擁堵場景下會導致無線信道擁塞，因此要求V2X底層傳輸機制要具備更高效、更可靠、時延更低的資源分配方案，像LTE D2D一樣，V2X也支持集中式調度和分布式調度兩種調度方法，但利用了V2X業務的周期性，減少空口信令開銷，采用預約的半靜態資源調度方式，提高資源利用率和通信可靠性，具體參見圖6。在基站集中式調度中采用基于終端地理信息的半靜態資源調度，分布式調度采用感知加半靜態調度的方式，具體的機制還在討論中。

圖6　半靜態資源調度

基于Uu接口的V2X運營場景，RAN2工作組評估了eMBMS和SC-PTM不同參數配置下支持V2V業務的容量和時延，評估結果表明連接狀態下，有兩種參數配置可以滿足100ms的時延要求；而在空閑狀態下，使用SC-PTM，只有一種參數配置可以滿足時延要求。在研究過程中，RAN2工作組確定基于終端地理信息增強eMBMS/SC-PTM、減少MBMSF的時延，尤其是控制面的時延、增強上行SPS機制、支持不同運營商互通幾個方向的增強，有些方向已經給出可能的解決方案，如下行增強包括減小廣播周期/調度周期、基于消息內容縮小廣播區域以及采用動態調度等。

雖然前期各工作組的重點是研究支持低時延、高可靠性要求的V2V業務，但對V2I和V2P的業務支持也進行了初步的研究，對于V2I業務的支持，確定了UEType的RSU采用與V2V相同的方案；對于V2P業務，重點考慮P-UE節電、復雜度，并考慮優先支持P發V收的場景。

5　結束語

隨著LTE技術及網絡的普及，基于LTE的演進技術也逐漸從傳統的公眾移動應用向行業應用普及，LTE-V就是為車聯網量身定制的技術，除了能提供原有支持的交通效率、信息娛樂服務業務，還能夠支持低時延、高可靠性要求的道路安全業務，能夠很好地推動車聯網應用的普及。但在LTE-V技術研究過程中，也看到由于運營模式的不清晰，引入了LTE V2X與802.11p共存、PC5接口與Uu接口同頻還是異頻共存等問題的研究，增加了LTE-V標準制訂過程的工作量，目前預計LTE-V的標準在2017年3月完成。

［1］S1-150284.Study on LTE support for V2X services.

［2］S1-152738.LTE support for V2X services.

［3］3GPP TR22.885V14.0.0.Study on LTE support for Vehicle to Everything（V2X）services.

［4］3GPP TS 22.185 V14.0.0.Service requirements for V2X services.

［5］S2-153355.Study on architecture enhancements for LTE support of V2X services.

［6］3GPP TR 23.785 V0.3.0.Study on architecture enhancements for LTE support of V2X services.

［7］S3-152465.New SID on security aspects for LTE support of V2X services.

［8］3GPP TR 33.885 V0.2.0.Study on Security Aspect for LTE support of V2X Services.

［9］RP-160657.Feasibility Study on LTE-based V2X Services.

［10］RP-152293.Support for V2V services based on LTE sidelink.

［11］3GPPTR36.885V1.0.0.Studyon LTE-based V2X Services.

Introduction of standard and technology of LTE-Vin 3GPP

LI Feng，FANG Jiayi，ZHAO Li

Since SI of LTE-V2X was proposed in 3GPP SA1 in February， 2015， LTE-V became the hot topic in all working groups in 3GPP. This paper summarizes the standardization progress and the technologies of core network and radio access network of LTE-Vin3GPP.

LTE-V2X；3GPP；D2D；Uu；V2X；V2V/V2I/V2P

2016-05-17）