NR-V2X在智能網(wǎng)聯(lián)中的應(yīng)用研究*

［楊燕玲］

1 引言

在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的大潮中，智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)成為全球汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略發(fā)展方向。中國(guó)為加快推進(jìn)智能汽車(chē)創(chuàng)新發(fā)展，近期由國(guó)家發(fā)展改革委聯(lián)合多個(gè)部門(mén)印發(fā)了《智能汽車(chē)創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略》[1]，將智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的快速發(fā)展提高到國(guó)家戰(zhàn)略層面，智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)發(fā)展走上快車(chē)道。將通信技術(shù)與汽車(chē)的電子化、智能化相融合是智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的重要特征，V2X 技術(shù)支持汽車(chē)與X（人、車(chē)、路、云端等）的信息交互，可以推動(dòng)智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的進(jìn)一步發(fā)展。NR-V2X 技術(shù)作為3GPP 標(biāo)準(zhǔn)化的第三階段，可以支持車(chē)輛與互聯(lián)網(wǎng)之間的全面信息交互，將成為5G 在智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)垂直應(yīng)用的主要關(guān)鍵技術(shù)之一。

2 NR-V2X 應(yīng)用場(chǎng)景

汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向是智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)。根據(jù)《智能汽車(chē)創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略》的定義：智能汽車(chē)，即智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)是指通過(guò)搭載先進(jìn)傳感器等裝置，運(yùn)用人工智能等新技術(shù)，具有自動(dòng)駕駛功能，逐步成為智能移動(dòng)空間和應(yīng)用終端的新一代汽車(chē)。汽車(chē)正在從人工操控的機(jī)械產(chǎn)品逐步向電子信息系統(tǒng)控制的智能產(chǎn)品轉(zhuǎn)變；汽車(chē)將與信息通信等相關(guān)產(chǎn)業(yè)全面融合，向智能化，網(wǎng)聯(lián)化全面發(fā)展。智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)已經(jīng)成為汽車(chē)強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略選擇[2]。

基于V2X 的協(xié)同通信是智能網(wǎng)聯(lián)的一種基本通信方式。V2X 協(xié)同通信是車(chē)輛與車(chē)輛、行人和路側(cè)設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息交換的通信方式[3]。與基于蜂窩移動(dòng)通信的通信方式相比，V2X 協(xié)同通信包含在車(chē)輛、道路和行人之間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息交換的通信方式，它將一個(gè)個(gè)獨(dú)立的車(chē)輛通過(guò)信息通信連成一體，采用自組網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)車(chē)輛間或車(chē)輛與路側(cè)通信設(shè)施之間的無(wú)線通信，使駕駛員能夠在超視距范圍內(nèi)獲得其他車(chē)輛的狀況信息（如車(chē)輛位置，行駛方向，行車(chē)速度，剎車(chē)操作等）和實(shí)時(shí)路況信息，還可以通過(guò)路邊的站點(diǎn)接入互聯(lián)網(wǎng)[4]。

3GPP SA1 定義了V2X 的4 種應(yīng)用[5]：

（1）V2V（Vehicle to Vehicle，車(chē)到車(chē)）：主要提供車(chē)輛位置，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等信息，提供安全預(yù)警，提高行車(chē)安全性。

（2）V2I（Vehicle to Infrastructure，車(chē)到路）：主要提供及時(shí)有效的車(chē)輛交通環(huán)境信息。

（3）V2N（Vehicle to Network，車(chē)到網(wǎng)）：主要提供云端服務(wù)接入，實(shí)現(xiàn)更大范圍的網(wǎng)聯(lián)服務(wù)，提供交通效率提升服務(wù)；

（4）V2P（Vehicle to Pedestrian，車(chē)到人）：主要提供行人車(chē)輛的安全提醒，側(cè)重于保護(hù)行人安全。

3GPP 的V2X 標(biāo)準(zhǔn)化工作分為：面向輔助駕駛應(yīng)用的LTE-V2X，實(shí)現(xiàn)部分增強(qiáng)業(yè)務(wù)的LTE-V2X 和面向自動(dòng)駕駛應(yīng)用的5G 新空口NR-V2X 三個(gè)階段[6]。NR-V2X 具有增強(qiáng)的新NR 系統(tǒng)以及NR 直通鏈路傳輸模式，可以滿足車(chē)輛通信過(guò)程中對(duì)高可靠、低時(shí)延的要求，旨在提供車(chē)輛編隊(duì)駕駛（Vehicle Platooning）、傳感共享（Sensor and state map sharing，SSMS)、遠(yuǎn)程駕駛（Remote Drive）等能力[7]。

編隊(duì)駕駛：實(shí)現(xiàn)多個(gè)車(chē)輛自動(dòng)編隊(duì)行駛，隊(duì)伍中所有車(chē)輛接受頭車(chē)周期性的廣播數(shù)據(jù)。編隊(duì)操作可以實(shí)現(xiàn)后車(chē)跟隨式的自動(dòng)駕駛。

傳感共享：車(chē)輛和路邊單元通過(guò)傳感器獲得的數(shù)據(jù)共享給周邊車(chē)輛，允許車(chē)輛協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)軌跡或操作，從而提高駕駛安全性，提高交通效率；實(shí)現(xiàn)車(chē)、路、人、網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)交換，擴(kuò)展車(chē)輛傳感器的探測(cè)范圍，從而使車(chē)輛增強(qiáng)了對(duì)自身環(huán)境的感知能力。

遠(yuǎn)程駕駛：實(shí)現(xiàn)在某些駕駛條件受限或者行駛軌跡相對(duì)固定的場(chǎng)景下，由駕駛?cè)藛T或程序遠(yuǎn)程駕駛車(chē)輛。

3GPP 針對(duì)每種應(yīng)用場(chǎng)景提供了用例說(shuō)明，其對(duì)于數(shù)據(jù)速率、可靠性、時(shí)延要求和車(chē)輛行駛速度等需求不盡相同，NR-V2X 采用了不同的技術(shù)組合來(lái)滿足這些需求。下面，將對(duì)3GPP所給出的部分用例及其技術(shù)支持進(jìn)行分析[8][9][10]。

（1）編隊(duì)駕駛

編隊(duì)駕駛使車(chē)輛能夠緊密地在一起安全行駛。這就減少了高速公路上許多車(chē)輛使用的空間。因此，更多的車(chē)輛可以使用公路而沒(méi)有交通堵塞。通過(guò)編隊(duì)行駛，可以減小車(chē)輛阻力，提高安全和舒適性，同時(shí)也可以減少總體油耗。為了保持編隊(duì)中車(chē)輛之間的距離，車(chē)輛需要共享速度、航向和制動(dòng)、加速等意圖等狀態(tài)信息。編隊(duì)駕駛應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)需要支持車(chē)輛的加入或離開(kāi)；完成編隊(duì)操作的通知或者告警；以及在編隊(duì)中進(jìn)行群組通信等功能。

正常密度編隊(duì)的車(chē)輛間距可以大于2 m。當(dāng)編隊(duì)以100 公里/小時(shí)的速度行駛時(shí)，車(chē)輛以36 ms 的速度行駛1 m，考慮到往返時(shí)間和處理延遲，要求300～400 字節(jié)左右的信息傳輸時(shí)延應(yīng)小于25 ms。對(duì)于車(chē)輛間距為1 m 的高密度編隊(duì)，當(dāng)編隊(duì)以100 公里/小時(shí)的速度移動(dòng)時(shí)，車(chē)輛在36 ms 內(nèi)移動(dòng)1 米。考慮到往返時(shí)間和處理延遲要求50～1200 字節(jié)左右的信息傳輸時(shí)延應(yīng)小于10 ms。

（2）傳感共享

傳感共享全稱為傳感器和狀態(tài)地圖共享，它通過(guò)共享原始或經(jīng)過(guò)處理的傳感器數(shù)據(jù)來(lái)建立集群的狀態(tài)感知，以實(shí)現(xiàn)從局部范圍到網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的狀態(tài)感知。這一應(yīng)用將利用高可靠性傳輸?shù)忍匦詫?shí)現(xiàn)協(xié)同駕駛，路口安全等行人和車(chē)輛的緊急通信。由于在這一應(yīng)用中涉及到大量的傳感器，因此需要大于25 Mbps 的數(shù)據(jù)帶寬，小于10 毫秒端到端時(shí)延，還應(yīng)支持高精度的定位技術(shù)。

（3）遠(yuǎn)程駕駛

遠(yuǎn)程駕駛不同于自動(dòng)駕駛，可以由操作人員根據(jù)實(shí)時(shí)視頻輕松了解車(chē)輛的潛在危險(xiǎn)，發(fā)送遠(yuǎn)程命令。其實(shí)時(shí)視頻流不僅包括外部圖像，還包括內(nèi)部圖像，同時(shí)還需要對(duì)如乘客上下車(chē)等更多樣化的場(chǎng)景做出反應(yīng)，并通過(guò)云數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)車(chē)輛之間的協(xié)調(diào)，這種協(xié)調(diào)將減少潛在的交通擁堵，整體出行時(shí)間，導(dǎo)致更好的燃油效率。遠(yuǎn)程駕駛必須滿足高質(zhì)量視頻流的可靠性傳輸需求，假設(shè)H.265/HEVC HD 流高達(dá)10 Mbps，則該應(yīng)用需要系統(tǒng)應(yīng)支持99.999%或更高的UL 和DL 可靠性，同時(shí)可以滿足250 km/h 的移動(dòng)性需求。

3 NR-V2X 在智能網(wǎng)聯(lián)中的應(yīng)用

NR-V2X 為滿足低時(shí)延和高可靠性的的性能需求，采用直通鏈路和資源池等關(guān)鍵技術(shù)作為支撐。在本節(jié)中，將研究NR-V2X 在智能網(wǎng)聯(lián)應(yīng)用中的資源分配，設(shè)計(jì)最適合智能網(wǎng)聯(lián)性能需求的應(yīng)用模式。

在NR-V2X 通信中，終端可以從共享許可載波或?qū)Ｓ玫闹蓖ㄦ溌份d波中分配資源，分配資源的模式為基站分配資源和用戶設(shè)備自主選擇資源兩種。

基站分配資源模式：由基站負(fù)責(zé)NR 直通鏈路調(diào)度，在信令控制方式上可以選擇高層信令完全控制和高層信令與物理信道下行控制信息配合的方式。

基站分配資源分配模式具體過(guò)程如圖1 所示。

圖1 基站分配資源分配模式

用戶設(shè)備自主選擇資源模式：該模式下，用戶設(shè)備可以自主完成資源選擇，其選擇需要通過(guò)頻譜感知和資源選擇來(lái)完成。在一定時(shí)間范圍內(nèi)，用戶設(shè)備感知資源池中的信息，為隨后的信息傳輸選擇合適的資源。用戶設(shè)備根據(jù)自身預(yù)配置信息，自主感知選擇直通鏈路，通過(guò)PSCCH傳輸直通鏈路控制信息（Sidelink Control Information，SCI），由于用戶設(shè)備利用預(yù)配置信息進(jìn)行資源分配，則該模式下，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)外的用戶設(shè)備都可以使用該模式。用戶設(shè)備自主選擇資源模式具體過(guò)程如圖2 所示。

圖2 用戶設(shè)備自主選擇資源模式

對(duì)比上述兩種模式，由于在智能網(wǎng)聯(lián)應(yīng)用中，車(chē)際網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)車(chē)輛間或車(chē)輛與路側(cè)通信設(shè)施之間中短程距離通信的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)，是NR-V2X 技術(shù)重點(diǎn)應(yīng)用的場(chǎng)景。在車(chē)輛、道路和行人之間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息交換，將一個(gè)個(gè)獨(dú)立的車(chē)輛通過(guò)信息通信連成一體，采用自組網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)車(chē)輛間或車(chē)輛與路側(cè)通信設(shè)施之間的無(wú)線通信，使駕駛員能夠在超視距范圍內(nèi)獲得其他車(chē)輛的狀況信息（如車(chē)輛位置，行使駛方向，行車(chē)速度，剎車(chē)操作等）和實(shí)時(shí)路況信息，還可以通過(guò)路邊的站點(diǎn)接入互聯(lián)網(wǎng)，使司機(jī)和乘客可以方便地獲取天氣狀況，實(shí)時(shí)交通狀況，商店購(gòu)物或網(wǎng)絡(luò)娛樂(lè)等相關(guān)信息。由此可見(jiàn)，采用圖2 所示的用戶設(shè)備自主選擇資源模式，可以更方便地進(jìn)行直通鏈路的資源選擇，進(jìn)一步支持智能網(wǎng)聯(lián)業(yè)務(wù)需求的實(shí)現(xiàn)。

NR-V2X 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)目前仍在制定過(guò)程中，預(yù)計(jì)將于2022 年完成完整標(biāo)準(zhǔn)版本的制定。在未來(lái)全天候、全天候的無(wú)人駕駛，NR-V2X 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)將作為基于5G 新空口的演進(jìn)階段，成為智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的重要補(bǔ)充。

4 小結(jié)

智能網(wǎng)聯(lián)是將通信技術(shù)與汽車(chē)的電子化、智能化相融合的技術(shù)體系，需要車(chē)輛之間以及車(chē)輛與X（人、車(chē)、路、云端等）的信息交互的支持。NR-V2X 技術(shù)作為3GPP 標(biāo)準(zhǔn)化的第三階段，可以支持車(chē)輛與互聯(lián)網(wǎng)之間的全面信息交互，其關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)可以滿足智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的業(yè)務(wù)需求。本文結(jié)合目前3GPP NR-V2X 標(biāo)準(zhǔn)化的最新進(jìn)展，介紹了NR-V2X 的應(yīng)用場(chǎng)景，并對(duì)其在智能網(wǎng)聯(lián)中的應(yīng)用模式進(jìn)行了研究和總結(jié)，后續(xù)將對(duì)NR-V2X 的應(yīng)用方案做進(jìn)一步的研究，以期推動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)網(wǎng)聯(lián)化的進(jìn)一步發(fā)展。