基于移動通信系統的車聯網通信資源管理

楊瑾　陳琳　許玲　盧有雄　黃雙紅

摘要：基于移動通信系統的車聯網通信中，無線資源管理是實現有效的車聯網通信的關鍵。車聯網通信具有區別于傳統移動通信的需求和特征，傳統的調度式資源管理或者競爭式資源管理無法滿足車聯網通信的需求。為了進一步提高車聯網通信的資源效率，分析并提出了基于共享資源池的車聯網通信資源管理方案，在共享資源池中通過測量并反饋信道使用情況，或者將預占用資源的信息通知給相關節點的方式，形成了協調調度式及競爭式資源管理的綜合性車聯網資源管理方案，以避免資源使用沖突，達到更高效的車聯網資源管理。

關鍵詞：車聯網;資源管理;資源競爭;資源調度

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.11.013? ? ? ? 中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2019）11-0081-07

引用格式：楊瑾，陳琳，許玲，等. 基于移動通信系統的車聯網通信資源管理[J]. 移動通信， 2019，43（11）： 81-87.

The Resource Management in V2X Communication Based on

Mobile Communication System

YANG Jin， CHEN Lin， XU Ling， LU Youxiong， HUANG Shuanghong

（ZTE Corporation， Shenzhen 518057， China）

[Abstract]?For the V2X communication based on mobile communication system， one of the most important key issues is the radio resource management. As there are some different requirements and characters between legacy mobile communication and V2X communication， legacy resource scheduling scheme or contention based resource selection scheme cannot satisfy the requirement of V2X communication. A V2X communication resource scheme based on shared resource pool structure is presented， by using channel status measure and report， or indicating reserved resource information， it can combine scheduling scheme and contention based resource selection into a V2X resource scheme， and it can also avoid potential resource collision and improve the resource efficiency in V2X communication.

[Key words]V2X; resource management; resource competition; resource scheduling

0? ?引言

近年來隨著汽車產業和短距離無線通信技術的發展，車聯網通信受到了廣泛的關注。車聯網通信根據具體的通信節點類型，可以細分為車與車（V2V， Vehicle-to-Vehicle）、車與路側設施（V2I， Vehicle-to-Infrastructure）、車與人（V2P， Vehicle-to-Pedestrian）、車與網絡（V2N， Vehicle-to-Network）之間的互聯和通信傳輸。上述與車輛相關的各種類型的通信可統稱為車聯網通信（V2X， Vehicle-to-Everything），如圖1所示。

車聯網通信的主要場景需求為短距離內的節點之間的通信，因此基于Wi-Fi體系的技術方案應用于V2X通信具有明顯的易用性。美國IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers）的DSRC（Dedicated Short Range Communications）標準已經發布十多年，并被美國交通部確認為V2V標準，具備相當的成熟度且得到了部分車企的支持[1-3]。但由于DSRC源于Wi-Fi技術，其所能使用的無線資源頻段受限，且資源管理采用競爭式資源方案，缺乏集中式控制節點的技術特征，在一定程度上導致整體的資源管理效率和資源利用率受限。而基于移動通信系統的V2X通信可以在網絡側的集中協調管理下，具有比DSRC更可靠高效的服務。

為實現基于移動通信系統的V2X通信，3GPP（3rd Generation Partnership Project）于2015年正式開啟了基于LTE通信系統的V2X功能設計及標準化，首先定義了一些主要的V2X通信的場景，具體需求如表1所示[4]。

為了滿足上述場景需求，3GPP討論并制定了基于LTE系統的V2X通信方案，并于2017年發布了第一階段的LTE V2X標準協議[5-10]。進一步地，3GPP正在進行基于NR系統的V2X標準化討論工作，并將于2020年完成NR V2X通信的第一版標準。同時，基于LTE及NR移動通信系統的V2X通信標準可以使用移動通信系統的授權頻譜，也可以使用5.9 GHz的ITS（Intelligent Transport System）頻譜。

在基于移動通信系統的V2X通信中，為了區別于傳統用戶設備終端UE（User Equipment）與基站之間的上行鏈路和下行鏈路，車輛終端與其他節點（除基站）之間的通信鏈路被稱為Sidelink，V2X通信的資源管理主要關注Sidelink上的資源配置及使用。在車聯網通信中，車輛所攜帶的V2X通信模塊可以認為是一類具有V2X功能的UE，由網絡側集中調度Sidelink資源是一種基于移動通信網絡的V2X通信基本資源方案。除此以外，3GPP定義的V2X通信標準中，也支持由UE在給定的可用資源范圍內，競爭式地選擇Sidelink資源。

1? ?Sidelink資源管理方案

在LTE V2X標準中，網絡側集中式調度Sidelink資源管理的方案稱為Mode 3資源方案，由UE競爭式選擇Sidelink資源的方案稱為Mode 4資源方案。在NR系統中，這兩類資源方案相應被稱為Mode 1和Mode 2資源方案。其中，基于競爭的Sidelink資源方案（Mode 2/4）可以更廣泛地應用于沒有移動通信系統覆蓋的地區，從而保障了基于移動通信系統的V2X通信方案具有擴展性，可適用于所有車聯網通信場景。

整體上，Sidelink資源管理方案的應用模式可以由圖2所示的流程確定。當車輛處于移動通信網絡的覆蓋范圍內且與基站有直接連接時，Sidelink資源可以由基站集中控制管理，其他情況下可以采用競爭式的資源管理方案。

1.1? 調度式資源管理

傳統移動通信系統中，UE與基站進行蜂窩通信所使用的無線資源統一由基站調度管理，基站作為集式控制節點，統籌調度所有UE的空口資源。調度式資源管理的優點之一是沒有資源使用沖突，資源效率高。V2X UE進行Sidelink通信時，基站也同樣可以采用類似于移動通信系統中的調度式資源管理方案，協調調度多個V2X UE之間的Sidelink資源使用。

如圖3所示，基站通過蜂窩網絡的空口向V2X UE下達Sidelink資源調度指示，其中包含調度配置給發送端UE（Tx UE）的Sidelink控制信道和數據信道資源。另外，根據具體的V2X通信業務及場景需求，還可以同時配置Sidelink重傳資源。Tx UE根據接收到的調度信令，使用所指示的Sidelink資源，進行Sidelink信息傳輸。

1.2? 競爭式資源管理

考慮到V2X通信可能發生在沒有移動通信網絡覆蓋的區域，另外V2X通信場景的一些特征能夠適用自組織的局部網絡，因此在給定資源范圍內的競爭式資源管理是一種必備的Sidelink資源管理方案。目前，3GPP定義的Sidelink Mode 2/4資源管理方案支持Tx UE在系統預配置的資源池或基站指示的資源池中，根據資源選擇策略，由V2X UE自主地選擇需要使用的Sidelink資源。

如圖4所示，在V2X UE選擇確定所使用的資源之前，UE需要在監聽窗口內對Sidelink可用資源進行監聽，判斷其中已經被其他UE使用的資源以及可能空閑的資源。進一步地，在滿足Sidelink數據發送需求的資源選擇窗口中，選擇合適的資源進行發送。

由于Sidelink業務具有一定的周期性，Sidelink的資源控制指示信息中含有對后續資源使用的預留指示，因此Tx UE能夠通過對監聽窗口內檢測到的Sidelink信號及信息情況來預測后續資源選擇窗口中的資源使用情況，并基于此優選資源，以達到盡可能避免資源選擇沖突的作用。

2? ?Sidelink資源池

V2X通信可使用的無線資源可以位于移動通信的授權頻譜上，也可以使用為車聯網配置的專用頻段資源。

當V2X通信工作在授權頻譜上時，Sidelink通信需要與移動通信網絡中的普通用戶分享無線資源。為了避免Sidelink通信與蜂窩通信之間的干擾或方便調度管理等，基站需要在所管理的蜂窩通信資源中劃分出一部分時/頻域資源作為Sidelink通信的專用資源，這部分資源也稱為Sidelink資源池[11]。當使用Mode 1/3調度資源方案時，基站配置指示Sidelink資源池，以便Sidelink接收端UE（Rx UE）能夠在確定的資源范圍內進行Sidelink信號接收。當使用在Mode 2/4資源方案時，基站需要為V2X UE配置指示可用的Sidelink資源池，Tx UE在資源池內監聽并選擇資源。

當V2X通信工作在車聯網專用頻譜上時，為了減少干擾或降低終端處理復雜度等，也同樣劃分有不同的Sidelink資源池，其結構與工作在授權頻譜上時一致。圖5所示是一種典型的Sidelink資源池配置，其中，時域上劃分部分子幀作為Sidelink子幀，在每個Sidelink子幀上，劃分頻域中的部分或全部資源為Sidelink資源，同時按照配置，進一步將頻域資源劃分為多個Sidelink控制信道及相應的Sidelink數據信道。

需要注意的是，由于調度式資源管理方案與競爭式資源管理方案存在本質區別，其資源管理節點不同，因此對調度式資源管理方案和競爭式資源管理方案會分別配置獨立的資源池，以避免二者的資源管理沖突，如圖6所示。

在Mode 1/3對應的資源池中，所有Sidelink可用資源都由基站調度管理，使用此資源池的V2X UE不能自行選擇資源使用。相應地，配置為Mode 2/4對應的資源池，全部資源由使用此資源池的所有V2X UE共享，基站不會調度使用其中的資源。

為不同資源管理方案配置相應的資源池，雖然簡化了V2X UE的處理復雜度，降低了基站調度管理資源的難度，但同時也導致了一定程度的資源浪費。因為二者之間的資源使用隔離，使資源不能得到充分共享。本文進一步分析并提出對兩種資源方案實現資源共享的方案，從而提供更高效的車聯網資源管理方案。

3? ?共享資源池的Sidelink資源管理方案

同一個UE在相同頻帶內一般不能同時處于不同的資源管理模式下，相應地，受基站調度控制的V2X UE可稱為Mode 1/3 UE，通過競爭選擇資源的V2X UE可稱為Mode 2/4 UE。例如，處于LTE網絡覆蓋內的UE，由基站調度其Sidelink資源，則此UE也稱為Mode 3 UE。

由于按資源管理方案分別獨立配置的Sidelink資源池會導致一定程度的資源浪費，整體的資源利用效率受限，因此增強型的Sidelink資源管理方案中考慮采用共享式Sidelink資源池，即在資源池中允許同時支持調度式和競爭式資源方案，即Mode 1/3 UE及Mode 2/4 UE在資源池中共存。

3.1? 共享資源池結構

共享式資源池方案中，根據允許的資源共享程度可以分為完全共享型Sidelink資源池和部分共享型Sidelink資源池。如圖7所示，完全共享型資源池是指Mode 1/3 UE及Mode 2/4 UE能夠使用的Sidelink資源池中的資源完全相同，而部分共享型資源池是指二者的資源池有部分重疊共享，剩余部分則是專用獨立資源，不能被另一種資源方式所使用[12]。

對于部分共享型Sidelink資源池結構，根據具體的共享資源重疊情況，可以采用時域資源部分共享，如圖8所示，或者頻域資源部分共享，如圖9所示，以及時域和頻域復合型共享，即二者的疊加使用。

3.2? 增強的調度式Sidelink資源管理方案

在獨立資源池配置的情況下，基站可以完全掌握資源池中的所有Sidelink資源的使用情況，而共享資源池中的資源可能被Mode 2/4 UE自行選擇使用，也可以被基站調度使用。無論是完全共享或是部分共享的Sidelink資源池，按照Mode 1/3資源方案的一般處理，基站不接收Sidelink信號，因此基站無法獲知被Mode 2/4 UE選擇使用的Sidelink資源信息，則基站調度時可能會調度使用已被Mode 2/4 UE使用的資源，導致所調度的Sidelink資源與Mode 2/4 UE選擇的資源形成沖突。

進一步地，此資源沖突將導致被調度的Mode 1/3 UE與競爭選擇了相同資源的Mode 2/4 UE的Sidelink信號疊加在相同資源上，使二者的信息對于Rx UE來說無法正確接收。此問題是由于基站與Mode 2/4 UE可以同時作為資源池中Sidelink資源管理節點，而二者卻無法獲知其它節點使用Sidelink資源的信息造成的。

為克服上述問題，對于基站調度式資源方案來說，需要設計反饋渠道使基站能夠盡可能地獲得被Mode 2/4 UE選擇使用的Sidelink資源情況，并進一步在基站的調度中避免使用相同資源。為實現上述目的，可以通過配置指示基站所管理的Mode 1/3 UE對共享部分的Sidelink資源進行監聽及測量，并向基站反饋其監聽測量結果。

如圖10所示，當V2X UE工作在共享型Sidelink資源池中時，Mode 1/3 UE可以根據基站的配置要求，對共享部分的資源進行監聽測量，以判斷信道的使用情況，并進一步上報給基站。基站通過Mode 1/3 UE的反饋報告，可以實時地獲得當前Sidelink資源池中被Mode 2/4 UE占用的資源，從而優化調度避免沖突。其中，由UE上報給基站的Sidelink監聽測量報告可以有多種方式，例如向基站上報已被Mode 2/4 UE選擇使用的資源，或者對監聽測量結果先進行初步處理，篩選出較優的可用資源向基站上報，再由基站最終進行綜合調度。

可以看到，增強的調度式Sidelink資源管理方案一方面需要令Mode 1/3 UE具備對Sidelink資源池中的資源進行監聽測量的功能，另一方面也需要基站具備相應的配置管理能力，包括選擇并指示合適的Mode 1/3 UE執行測量反饋，以及接收UE上報的測量報告后，進一步根據測量報告進行綜合調度，優選適當的Sidelink資源調度給Mode 1/3 UE。

3.3? 增強的競爭式Sidelink資源管理方案

對于Mode 2/4 UE來說，在共享資源池中選擇資源時，也同樣存在無法準確獲知基站調度信息的問題。在傳統的Mode 1/3資源調度方案中，由于資源統一由基站管理，各個UE之間不需要協調資源，即不需要告知其它UE后續將使用的Sidelink資源，因此缺乏相應的資源預留指示。也就是說，在共享資源池中，被基站調度使用的Sidelink資源，Mode 2/4 UE可能無法預測其使用情況，從而導致選擇資源的沖突。

為了使Mode 2/4 UE能夠獲得基站調度Sidelink資源的情況，可以通過一定方式增強競爭式Sidelink資源方案，以避免資源選擇沖突。例如，基站以廣播方式通知其調度使用的Sidelink共享資源，Mode 2/4 UE可通過接收相應的基站廣播獲得此信息;或者在Mode 1/3 UE的Sidelink控制信息發送中，增加資源預留相關指示，使Mode 2/4 UE能夠能過檢測接收Mode 1/3 UE的Sidelink控制信息，獲得相應的基站調度情況。

如圖11所示，基站為V2X UE調度共享資源池中的Sidelink資源，被調度的Mode 1/3 UE在Sidelink控制信道中發送相應的資源預留信息，指示將使用的Sidelink資源。Mode 2/4 UE在同一資源池中檢測接收Sidelink控制信息，并從中獲得了Mode 1/3 UE的指示。進一步地，Mode 2/4 UE基于此信息進行資源選擇，從而達到在共享資源池中優化資源選擇，避免資源選擇沖突，提高共享資源利用率的效果。

增強的競爭式Sidelink資源選擇方案需要基站側與V2X UE的配合，一方面基站調度的Sidelink共享資源信息需通過廣播或其他渠道通知給Mode 2/4 UE，另一方面V2X UE在選擇資源時，需要考慮被調度的資源的影響，在資源選擇算法中應增加相應的考慮因素。

綜上所述，在Sidelink共享資源池中，為了同時支持調度式和競爭式資源方案，需要在已有的資源管理方案中增加相應的信息交互，使不同的資源管理節點間能夠獲知其他節點的資源使用情況，從而在自身的資源調度或選擇中，以更優的算法確定使用的Sidelink資源。通過協調基站與UE之間的資源管理，可以有效地達到避免資源使用沖突，提高Sidelink資源利用率，增強Sidelink通信效率的作用。

4? ?結束語

本文首先闡述了基于移動通信網絡的車聯網通信中的資源管理方案，包括移動通信網絡中傳統的基站調度式資源方案，以及基于競爭的資源選擇方案，隨后針對車聯網通信的資源管理，提出了共享資源池的結構，并基于此資源結構提出了協調調度式和競爭式資源管理方案的具體實現方法，以達到更高效地使用無線資源，提高基于移動通信網絡的車聯網通信資源效率的效果。

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