3GPP LTE-V2X標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展及技術(shù)介紹

李　鳳　大唐無線移動(dòng)創(chuàng)新中心高級標(biāo)準(zhǔn)工程師房家奕　大唐無線移動(dòng)創(chuàng)新中心高級技術(shù)經(jīng)理趙　麗　大唐無線移動(dòng)創(chuàng)新中心高級標(biāo)準(zhǔn)研究工程師

3GPP LTE-V2X標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展及技術(shù)介紹

李鳳大唐無線移動(dòng)創(chuàng)新中心高級標(biāo)準(zhǔn)工程師
房家奕大唐無線移動(dòng)創(chuàng)新中心高級技術(shù)經(jīng)理
趙麗大唐無線移動(dòng)創(chuàng)新中心高級標(biāo)準(zhǔn)研究工程師

自2015年2月3GPPSA1立項(xiàng)LTE-V2X研究課題，LTE-V隨即在3GPP各小組成為研究和標(biāo)準(zhǔn)的熱點(diǎn)。本文總結(jié)和分析了LTE-V技術(shù)在3GPP核心網(wǎng)和無線接入網(wǎng)各小組的標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)的技術(shù)進(jìn)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(fā)達(dá)國家分別通過Connected Vehicles、VSC、SmartWay、CVIS和 Drive C2X等項(xiàng)目，深入研究車與車（V2V）、車與路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）、車與人（V2P）等之間實(shí)時(shí)高效的雙向通信，用來有效地解決傳統(tǒng)激光、雷達(dá)、機(jī)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(dòng)安全系統(tǒng)的感知范圍，從而解決碰撞引起的事故和生命財(cái)產(chǎn)損失。同時(shí)，通過該系統(tǒng)，還可以搭建車輛、行人以及路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施之間的信息交互橋梁，為交通參與者提供全時(shí)空的、高可靠的交通信息，實(shí)現(xiàn)人—車—路的充分協(xié)同，從而有效提升道路通行效率，減少排放，改善交通環(huán)境，增加出行舒適度。

以上項(xiàng)目底層都是基于IEEE802.11p通信技術(shù)，由于IEEE802.11p基于IEEE802.11a擴(kuò)展而來，其物理層采用OFDM調(diào)制方式，MAC層采用基于CSMA/CA的EDCA接入機(jī)制，使得IEEE802.11p在輕負(fù)載條件下可以滿足道路安全類應(yīng)用的時(shí)延、可靠性及節(jié)點(diǎn)接入公平性的要求，然而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷增加時(shí)，由于CSMA/CA機(jī)制導(dǎo)致隱藏節(jié)點(diǎn)的問題突出，使得數(shù)據(jù)發(fā)送的可靠性受到影響。隨著LTE通信技術(shù)的普及，尤其是LTED2D通信標(biāo)準(zhǔn)的制定，使得基于LTE技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(shí)延、高可靠性的通信需求。2015年2月，3GPPSA1正式啟動(dòng)了LTEV2X業(yè)務(wù)需求研究項(xiàng)目，拉開了LTE-V技術(shù)在3GPP各小組的標(biāo)準(zhǔn)化序幕。

2　LTE-V業(yè)務(wù)需求

2015年2月，LG公司在3GPPSA1#69次會議立項(xiàng)牽頭“基于LTE的V2X業(yè)務(wù)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(xiàng)“基于LTE的V2X業(yè)務(wù)需求”的標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目，并在2016年2月SA1#73次會議完成該項(xiàng)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(gè)用例（見表1）。

在標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目中，基于研究課題的27個(gè)用例，SA1定義了LTEV2X支持的最大移動(dòng)速度、時(shí)延、消息發(fā)送頻率、數(shù)據(jù)包大小、安全等通用的業(yè)務(wù)要求。

●移動(dòng)速度：最高絕對速度160km/h，最大相對速度280km/h。

●數(shù)據(jù)包大小：典型的周期性數(shù)據(jù)包為50～400字節(jié)，事件觸發(fā)數(shù)據(jù)包最大到1200字節(jié)。

●消息發(fā)送頻率：1～10Hz。

●時(shí)延：100～1000ms，預(yù)碰撞感知場景下為20ms。

●安全：通信設(shè)備需要被網(wǎng)絡(luò)授權(quán)才能支持V2X業(yè)務(wù)，要支持用戶的匿名性并保護(hù)用戶隱私。

●資源管理：網(wǎng)絡(luò)覆蓋內(nèi)資源可控，網(wǎng)絡(luò)覆蓋外通過預(yù)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(yè)務(wù)優(yōu)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(gè)用例

同時(shí)，為了讓RAN能夠盡快開展技術(shù)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(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及信息安全

2015年10月，“支持LTE V2X業(yè)務(wù)的增強(qiáng)架構(gòu)”的研究課題在3GPPSA2立項(xiàng)，確定在PC5接口的Prose和Uu接口的LTE蜂窩通信的架構(gòu)基礎(chǔ)上增強(qiáng)支持V2X業(yè)務(wù)。研究的關(guān)鍵問題包括V2X業(yè)務(wù)授權(quán)、V2V/ V2I/V2P消息發(fā)送和接收、V2V/V2I/V2P業(yè)務(wù)策略及參數(shù)開通、V2V/V2P消息優(yōu)先級、基于eMBMS架構(gòu)的V2X消息發(fā)送和接收（包括MBMS業(yè)務(wù)區(qū)域匹配、減少時(shí)延和本地服務(wù)器發(fā)現(xiàn)）、V2X業(yè)務(wù)的QoS和不同PLMN間的V2X業(yè)務(wù)運(yùn)營。

表2　V2X業(yè)務(wù)性能要求示例

圖1是基于PC5接口的LTE V2X參考架構(gòu)，在Prose架構(gòu)的基礎(chǔ)上引入了V2X控制功能單元，用于支持V2X業(yè)務(wù)相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)控制功能，如V2X業(yè)務(wù)授權(quán)等功能。圖1中各接口定義如下：

（1）V1

V2X應(yīng)用和V2X應(yīng)用服務(wù)器之間的接口。

（2）V2

V2X應(yīng)用和運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)的V2X控制功能單元的接口。V2X應(yīng)用可以連接到屬于多個(gè)PLMN的V2X控制功能單元。

（3）V3

支持V2X業(yè)務(wù)的終端和運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)的V2X控制功能單元的接口。

（4）V4

HSS和運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)的V2X控制功能單元的接口。

（5）V5

V2X應(yīng)用之間的接口。

圖2是基于eMBMS的LTE V2X參考架構(gòu)，在eMBMS架構(gòu)的基礎(chǔ)上引入了V2X應(yīng)用服務(wù)器，用于支持V2X業(yè)務(wù)相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)控制功能，與GCS應(yīng)用服務(wù)器類似。圖2中各接口定義如下：

（1）VC1

V2X應(yīng)用服務(wù)器和終端上客戶端應(yīng)用的接口。

（2）VMB2

V2X應(yīng)用服務(wù)器和BM-SC之間的接口。

2015年11月，3GPPSA3立項(xiàng)調(diào)研V2X安全威脅，研究V2X安全需求并調(diào)研和評估對現(xiàn)有的安全功能和架構(gòu)的重用和增強(qiáng)；在2016年2月的會議上，分析了V2X通信、V2X無線資源授權(quán)和V2X實(shí)體安全環(huán)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(shù)

圖1　基于PC5接口的參考架構(gòu)

圖2　基于eMBMS的參考架構(gòu)

2015年6月RAN#68次會議，由LG、大唐和華為3家公司聯(lián)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(yè)務(wù)增強(qiáng)技術(shù)的方法，研究基于PC5接口和Uu口技術(shù)方案增強(qiáng)支持V2X業(yè)務(wù)，并評估基于LTE不同技術(shù)增強(qiáng)的性能。同時(shí)，明確優(yōu)先研究基于PC5接口支持V2V業(yè)務(wù)，其他的研究內(nèi)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(shí)間安排及LTE V2X與IEEE802.11p共存內(nèi)容的增加，將研究課題完成時(shí)間延期到2016年9月。基于研究課題的研究進(jìn)展，2015年12月RAN#70次會議，由LG、大唐和華為3家公司聯(lián)合牽頭“基于LTE PC5接口的V2V”標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目，確定基于LTE D2D通信的物理層和高層進(jìn)行增強(qiáng)以支持V2X業(yè)務(wù)，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(guān)的射頻指標(biāo)及性能要求等。該項(xiàng)目預(yù)計(jì)2016年9月完成。

在“基于LTE的V2X可行性研究”的技術(shù)報(bào)告中，共定義了3種運(yùn)營場景，如圖3、4、5所示：僅基于PC5接口的V2X運(yùn)營場景、僅基于Uu接口的V2X運(yùn)營場景以及同時(shí)基于PC5接口和Uu接口的V2X運(yùn)營場景。

其中，基于PC5接口的V2X運(yùn)營場景主要考慮了導(dǎo)頻、同步和資源調(diào)度增強(qiáng)技術(shù)。

（1）導(dǎo)頻增強(qiáng)

LTE D2D中雙方通信的設(shè)備之間主要是靜止或者低速移動(dòng)，而在車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中車輛移動(dòng)速度高，同時(shí)考慮LTEV2X可能工作在6GHz頻段，為了克服高速移動(dòng)和高載頻帶來的頻率偏移，提升信道估計(jì)性能，在R12 D2D基礎(chǔ)上，需要將導(dǎo)頻序列加密，一種可能的方案是將導(dǎo)頻序列從2列增加為4列，也有公司提出增加載波間隔、設(shè)計(jì)新的DMRS結(jié)構(gòu)等，方案還在討論中。

圖3　基于PC5接口的V2X運(yùn)營場景

（2）同步增強(qiáng)

圖4　基于Uu接口的V2X運(yùn)營場景

LTE D2D系統(tǒng)中以基站作為唯一的同步源，覆蓋內(nèi)節(jié)點(diǎn)通過基站下發(fā)的下行同步信號同步，部分覆蓋節(jié)點(diǎn)與覆蓋內(nèi)節(jié)點(diǎn)同步，部分覆蓋節(jié)點(diǎn)可將同步信息向覆蓋外節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)。而在V2X系統(tǒng)中，由于終端或路側(cè)設(shè)備支持GNSS模塊，直接獲得可靠GNSS信號的終端或路側(cè)設(shè)備定時(shí)和頻率精度都較高，可以作為同步源為周圍節(jié)點(diǎn)提供同步信息。在網(wǎng)絡(luò)覆蓋內(nèi)的終端，由基站配置是以基站還是以GNSS為同步源。當(dāng)終端無法收到基站配置的同步方式信息時(shí)，按照覆蓋外場景進(jìn)行同步優(yōu)先級處理。網(wǎng)絡(luò)覆蓋外，GNSS為最高的同步優(yōu)先級，系統(tǒng)的同步優(yōu)先級設(shè)計(jì)還再進(jìn)一步研究。

圖5　同時(shí)基于PC5接口和Uu接口的V2X運(yùn)營場景

（3）資源分配增強(qiáng)

LTE D2D系統(tǒng)主要是為了滿足用戶日益增長的業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)、社交、數(shù)據(jù)共享等商業(yè)應(yīng)用和公共安全的設(shè)備間直接通信。針對不同的應(yīng)用場景，LTE D2D系統(tǒng)支持基站集中調(diào)度和分布式調(diào)度方式兩種方式，基站集中調(diào)度的方式下，終端向基站發(fā)送資源請求并接收基站下發(fā)的資源分配信息；在分布式調(diào)度方式下，終端在所分配的資源池中隨機(jī)選擇發(fā)送資源。而在V2X系統(tǒng)中，V2X消息大多具有周期性的特點(diǎn)，并且數(shù)據(jù)發(fā)送頻率較高（如10Hz），業(yè)務(wù)持續(xù)時(shí)間較長。另外，由于車輛快速移動(dòng)導(dǎo)致車輛網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓欤瑫r(shí)在擁堵場景下會導(dǎo)致無線信道擁塞，因此要求V2X底層傳輸機(jī)制要具備更高效、更可靠、時(shí)延更低的資源分配方案，像LTE D2D一樣，V2X也支持集中式調(diào)度和分布式調(diào)度兩種調(diào)度方法，但利用了V2X業(yè)務(wù)的周期性，減少空口信令開銷，采用預(yù)約的半靜態(tài)資源調(diào)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(diào)度中采用基于終端地理信息的半靜態(tài)資源調(diào)度，分布式調(diào)度采用感知加半靜態(tài)調(diào)度的方式，具體的機(jī)制還在討論中。

圖6　半靜態(tài)資源調(diào)度

基于Uu接口的V2X運(yùn)營場景，RAN2工作組評估了eMBMS和SC-PTM不同參數(shù)配置下支持V2V業(yè)務(wù)的容量和時(shí)延，評估結(jié)果表明連接狀態(tài)下，有兩種參數(shù)配置可以滿足100ms的時(shí)延要求；而在空閑狀態(tài)下，使用SC-PTM，只有一種參數(shù)配置可以滿足時(shí)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(qiáng)eMBMS/SC-PTM、減少M(fèi)BMSF的時(shí)延，尤其是控制面的時(shí)延、增強(qiáng)上行SPS機(jī)制、支持不同運(yùn)營商互通幾個(gè)方向的增強(qiáng)，有些方向已經(jīng)給出可能的解決方案，如下行增強(qiáng)包括減小廣播周期/調(diào)度周期、基于消息內(nèi)容縮小廣播區(qū)域以及采用動(dòng)態(tài)調(diào)度等。

雖然前期各工作組的重點(diǎn)是研究支持低時(shí)延、高可靠性要求的V2V業(yè)務(wù)，但對V2I和V2P的業(yè)務(wù)支持也進(jìn)行了初步的研究，對于V2I業(yè)務(wù)的支持，確定了UEType的RSU采用與V2V相同的方案；對于V2P業(yè)務(wù)，重點(diǎn)考慮P-UE節(jié)電、復(fù)雜度，并考慮優(yōu)先支持P發(fā)V收的場景。

5　結(jié)束語

隨著LTE技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)的普及，基于LTE的演進(jìn)技術(shù)也逐漸從傳統(tǒng)的公眾移動(dòng)應(yīng)用向行業(yè)應(yīng)用普及，LTE-V就是為車聯(lián)網(wǎng)量身定制的技術(shù)，除了能提供原有支持的交通效率、信息娛樂服務(wù)業(yè)務(wù)，還能夠支持低時(shí)延、高可靠性要求的道路安全業(yè)務(wù)，能夠很好地推動(dòng)車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的普及。但在LTE-V技術(shù)研究過程中，也看到由于運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)制訂過程的工作量，目前預(yù)計(jì)LTE-V的標(biāo)準(zhǔn)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.

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［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，F(xiàn)ANG 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）