NR-V2X容量能力綜合分析

張建國，彭博，段春旭

（華信咨詢設計研究院有限公司，浙江 杭州 310052）

0 引言

NR-V2X支持單播、組播和廣播三種傳輸模式，三種傳輸模式都支持控制信息和用戶數據的發送和接收。除此之外，單播傳輸模式支持Sidelink HARQ反饋、Sidelink功率控制、Sidelink確認模式傳輸、檢測PC5-RRC連接失敗等功能；組播傳輸模式支持Sidelink HARQ反饋功能[1]。

NR-V2X UE在PC5接口上，支持NG-RAN（Next Generation-Radio Access Network，下一代無線接入網）調度資源分配和NR-V2X UE自主資源選擇兩種資源分配模式。對于NG-RAN調度資源分配模式，NR-V2X UE需要先和NG-RAN建立RRC連接，由NG-RAN分配PC5接口上的時頻資源；對于NR-V2X UE自主資源選擇模式，在NG-RAN覆蓋區內和NG-RAN覆蓋區外，NR-V2X UE均可傳輸數據，NR-V2X UE從資源池中自主選擇PC5接口上的時頻資源。

根據3GPP協議，當NR Uu接口和PC5接口并發操作時，NR Uu接口支持的頻率是n71頻段（FDD制式，上行：663—698 MHz，下行：617—652 MHz），PC5接口支持的頻率是n47頻段（TDD制式：5 855—5 925 MHz）。NR Uu接口的最大信道帶寬是20 MHz，支持的子載波間隔是15 kHz和30 kHz；PC5接口的最大信道帶寬是40 MHz，支持的子載波間隔是15 kHz、30 kHz和60 kHz，較大的子載波間隔有助于減少多普勒頻移的影響并減少數據的傳輸時間[2-3]。

本文接下來的容量能力分析基于以下假設：廣播傳輸模式；采用NG-RAN調度資源分配模式；NR Uu接口的信道帶寬是20 MHz，子載波間隔是30 kHz；PC5接口的信道帶寬是40 MHz，子載波間隔是30 kHz。

1 NG-RAN動態調度資源分配過程

NR Sidelink物理層信道包括PSSCH（Physical Sidelink Shared Channel，物理Sidelink共享信道）、PSBCH（Physical Sidelink Broadcast Channel，物理Sidelink廣播信道）、PSCCH（Physical Sidelink Control Channel，物理Sidelink控制信道）、PSFCH（Physical Sidelink Feedback Channel，物理Sidelink反饋信道）。NR Sidelink物理層信號包括DM-RS（Demodulation Reference Signal，解調參考信號）、CSI-RS（Channel-State Information Reference Signal，信道狀態信息參考信號）、PT-RS（Phase-tracking Reference Signal，相位跟蹤參考信號）、S-PSS（Sidelink Primary Synchronization Signal，Sidelink主同步信號）、S-SSS（Sidelink Secondary Synchronization Signal，Sidelink輔同步信號）。當采用廣播傳輸模式時，不配置PSFCH信道以及CSI-RS信號，對于FR 1（410—7 125 MHz），也不配置PT-RS信號[4]。

Sidelink資源池包括m個子信道，每個子信道由nSubCHsize個PRB組成，nSubCHsize取值為10、12、15、20、25、50、75或100[5]，見圖1。PSCCH和其相關聯的PSSCH在時間重疊但是頻率非重疊的資源上傳輸，PSSCH的另外一部分和PSCCH在時間非重疊的資源上傳輸，PSCCH在時隙的開始位置傳輸有助于NRV2X UE盡早解調PSCCH信道，NR-V2X UE提前獲得PSCCH可以降低UE功耗。NR-V2X的SCI（Sidelink Control Information，Sidelink控制信息）由兩部分組成，1st階段SCI在PSCCH上傳輸，2nd階段SCI在PSSCH上傳輸。

圖1 Sidelink資源池示意圖

對于PC5接口上的時頻資源，頻域資源分配的最小單位是子信道，1個PSSCH可以占用多個連續的子信道，時域資源分配的最小單位是時隙。

NG-RAN調度資源分配模式涉及到2個空中接口，分別是NR-V2X UE與NG-RAN之間的NR Uu接口以及NR-V2X UE之間的PC5接口。PC5接口與NR Uu接口的協議棧類似，包括PHY、MAC、RLC、PDCP和RRC層，用于NR-V2X UE之間的信令和數據傳輸[1]。

NG-RAN可以通過多種方式分配PC5接口上的時頻資源。第一種是NG-RAN動態分配資源方式，即NGRAN通過NR Uu接口的PDCCH信道（使用SL-RNTI對CRC進行擾碼），動態為NR-V2X UE分配PC5接口上的時頻資源。第二種是配置授權方式，即通過RRC信令，直接為NR-V2X UE提供配置授權，或RRC定義周期性的配置授權。第三種是半靜態分配方式，即NG-RAN通過NR Uu接口的PDCCH信道（使用V-RNTI對CRC進行擾碼），半靜態分配PC5接口上的時頻資源。本文接下來主要分析NG-RAN動態分配資源模式。

NG-RAN動態分配PC5接口上的時頻資源由以下4個步驟組成[1]，如圖2所示：

陳鶴琴先生說過：“小孩子是生來好動的，是以游戲為生命的。”幼兒園的活動都是以游戲為基本方式。在家長實施助教活動之前，教師應對家長進行“上崗培訓”，讓家長充分了解幼兒活動的特點，注重游戲性。如，教師可以指導助教爸爸以游戲化的語言導入活動：“我是小頭爸爸，你們是大頭兒子，今天小頭爸爸要帶你們去探險了。”這不僅可以幫助家長吸引孩子更多的注意力，而且也可以使家長放松自己。

圖2 NG-RAN動態分配PC5接口上的時頻資源示意圖

第1步：NG-RAN通過系統消息SIB12或RRC重配置過程，把資源池配置信息發送給NR-V2X UE，資源池配置信息包括PSCCH配置、PSSCH配置、子信道尺寸以及子信道數量、資源池在時域上的位圖等信息。

第2步：NR-V2X UE在NR Uu接口上，解調DCI（Downlink Control Information，下行控制信息）格式3_0的PDCCH信道，DCI格式3_0的PDCCH信道用于調度PSCCH和PSSCH，DCI格式3_0包括資源池索引、時間間隔、子信道分配的最低索引以及SCI格式1-A的部分信息（包括頻域配置指配和時域配置指配）。

第3步：NR-V2X UE根據接收到的DCI格式3_0信息，在PC5接口上發送SCI格式1-A的PSCCH信道以及PSSCH信道，SCI格式1-A承載的是1st階段SCI，用于調度PSSCH，SCI格式1-A包括優先級、頻率資源指配、時域資源指配、DM-RS模式、MCS（Modulation and Coding Scheme，調制編碼方案）、DM-RS端口數量等信息，為了增加傳輸的可靠性，1個PSCCH信道可以調度1個、2個或3個PSSCH。

第4步：NR-V2X UE根據SCI格式1-A信息，解調PSSCH信道，NR-V2X UE首先解調PSSCH上承載的控制信息，即SCI格式2-A信息，SCI格式2-A承載的是2nd階段SCI信息，SCI格式2-A包括HARQ進程號、源地址和目的地址等信息。如果該消息是發送給5G V2X UE的，則NRV2X UE繼續接收PSSCH上承載的數據信息。

2 NR-V2X容量能力分析

NG-RAN動態分配PC5接口上的時頻資源涉及兩個空中接口的資源，分別是PC5接口上的時頻資源和NR Uu接口上的PDCCH資源。PC5接口的容量能力即PC5接口承載的NR-V2X用戶數與PC5接口的帶寬、發送消息的頻率和發送消息的大小等有關；NR Uu接口的PDCCH容量能力與控制區域提供的CCE數以及1個PDCCH占用的CCE數等有關[6]。

2.1 NR-V2X的業務模型

NR-V2X UE的業務數據分為兩類：一類是非周期性的數據，另一類是周期性的數據。

對于非周期數據，業務模型如下：物理層的數據包尺寸在200個字節到2 000個字節之間，步長是200個字節；分布規律是均勻分布；數據包之間的間隔是50 ms+指數分布的隨機變量，指數分布的隨機變量的平均值是50 ms，本文假設非周期數據包的平均間隔是100 ms；調制方式是QPSK或16QAM，編碼速率是0.33～1.67。控制包尺寸是64個比特，調制方式是QPSK，編碼速率是0.26。對于不同的數據包尺寸，非周期數據需要的RE（Resource Element，資源單元）數如表1所示[7]：

表1 NR-V2X非周期數據包需要的RE數

對于周期數據，業務模型如下：物理層的數據包尺寸分別是800個字節和1 200個字節；800個字節的概率是0.8，1 200個字節的概率是0.2；數據包的時間間隔是50 ms；調制方式是16QAM，800字節的編碼速率是0.66，1200字節的編碼速率是1。控制包的尺寸是64個比特；調制方式是QPSK，編碼速率是0.26。對于不同的數據包尺寸，周期數據包需要的RE數如表2所示：

表2 NR-V2X周期數據包需要的RE數

根據表1和表2，可以發現，NR-V2X UE在PC5接口上傳輸1個非周期數據包需要2 513到2 549個RE，傳輸1個周期數據包需要2 524或2 549個RE。為了計算上的方便，本文假設NR-V2X UE傳輸1個非周期數據包和1個周期數據包各需要2 549個RE。

對于非周期數據，數據包的平均間隔是100 ms，1 s內需要傳輸10個數據包；對于周期數據，數據包的時間間隔是50 ms，1 s內需要傳輸20個數據包。對于1個NRV2X用戶，1 s內傳輸的非周期數據包和周期數據包共計是30個。

2.2 PC5接口的容量能力分析

根據3GPP TS 38.214協議，分配給NR-V2X UE的PSSCH包含的RE數見式(1)[8]：

根據以上參數，可以計算出1個PRB內，PSSCH包含12×(12-0)-0-18=126個RE。根據2.1節的計算，NR-V2X UE傳輸1個數據包需要2 549個RE，即需要2 549/126=20.23個PRB，對應的子信道尺寸是25個PRB。需要注意的時，子信道除了傳輸PSSCH外，還需要傳輸PSCCH，25-20.23=4.77個PRB能夠滿足PSCCH的傳輸需求。

對于PC5接口，當信道帶寬是40 MHz、子載波間隔是30 kHz時，在頻域上共計有106個PRB，當子信道尺寸為25個PRB時，頻域上共計有4子信道。在時域上，1個時隙是0.5 ms，1 s內有2 000個時隙，共計有8 000個子信道。根據2.1節的分析，1個NR-V2X UE在1 s內需要傳輸30個數據包，因此PC5接口可以承載的NR-V2X用戶數是8 000/30=266個。當PSSCH傳輸2次或3次時，PC5接口可以承載的NR-V2X用戶數分別是133個和88個。

2.3 NR Uu接口的容量能力分析

NR Uu接口的PDCCH信道在CORESET（Control-Resource Set，控制資源集合）上傳輸，當信道帶寬是20 MHz、子載波間隔是30 kHz時，CORESET在頻域上最多占用48個PRB，在時域上占用1、2或3個OFDM符號。1個PDCCH可以包括1、2、4、8或16個CCE（Control-Channel Element，控制信道單元），1個CCE由6個REG（Resource-Element Group，資源單元組）組成；1個REG在頻域上占用1個RB，在時域上占用1個OFDM符號，1個REG上有12-3=9個RE用于傳輸PDCCH，1個CCE共計有9×6=54個RE用于傳輸PDCCH，PDCCH采用QPSK調制方式，因此1個CCE可以傳輸108個比特的信息。當配置的OFDM符號是1、2和3個時，1個CORESET可用的CCE數分別是8、16和24個[9]。

當采用NG-RAN動態調度資源分配模式時，通過DCI格式3_0的PDCCH信道分配PC5接口上的時頻資源，對于廣播傳輸模式，DCI格式3_0包括以下字段：

資源池索引：最大為3個比特。

時間間隔：最大為3個比特。

SCI格式1-A的時域資源指配：當PSSCH傳輸2次時，時域資源指配是5個比特；當PSSCH傳輸3次時，時域資源指配是9個。

CRC，24個比特[10]。

當CORESET配置為1個OFDM符號時，CORESET內可用的CCE數是8個，則1個CORESET內可以傳輸8/2=4個DCI格式3_0的PDCCH信道，1 s內可以傳輸4×2000=8000個DCI格式3_0的PDCCH信道。根據第2.1節的分析，1個NR-V2X UE在1s內需要傳輸30個數據包，因此當CORESET配置為1個OFDM符號時，可以動態調度的NR-V2X用戶數是8 000/30=266個。當CORESET配置為2個和3個OFDM符號時，CORESET可以動態調度的NR-V2X用戶數分別是533個和800個。

通過以上分析，可以發現，對于廣播傳輸模式，NR Uu接口的PDCCH信道調度的NR-V2X用戶數明顯高于PC5接口承載的NR-V2X用戶數，這是因為廣播傳輸模式下，DCI格式3_0包含的字段較少，1個DCI格式3_0的PDCCH信道只需要2個CCE。當采用單播傳輸和組播傳輸模式時，DCI格式3_0還需要包括HARQ進程號、PSFCH到HARQ定時索引、PUCCH資源索引等信息，則1個DCI格式3_0的PDCCH信道需要4個CCE，NR Uu接口的PDCCH信道調度的NR-V2X用戶數會減半。

3 結束語

本文給出了NR-V2X的業務模型，并分別分析了PC5接口和NR Uu接口承載的NR-V2X用戶數。在實際組網的時候，還需要考慮調度策略、網絡負荷、干擾等因素，因此NR-V2X網絡可以承載的用戶數會低于本文計算的NR-V2X用戶數。當運營商或車企大規模部署NR-V2X網絡后，可以通過對NR-V2X用戶的行為進行分析，結合本文給出的NR-V2X容量能力計算方法，更有效地指導NR-V2X網絡的容量規劃和擴容。