NR-V2X直通鏈路定位技術標準研究

鄭石磊，習一凡，趙銳，胡金玲，房家奕，趙麗

（1.移動通信及車聯網國家工程研究中心，北京 100191；2.中信科智聯科技有限公司，北京 100191）

0 引言

近年來，隨著通信系統和車輛終端能力的快速發展，涌現出大量基于位置的服務應用，為了有效提高道路安全性，提升交通效率，獲取實時、準確的車輛位置信息，實現車輛的高精度定位成為了智慧交通和自動駕駛等應用的必要條件。C-V2X（Cellular-V2X，蜂窩車聯網）作為當前全球車聯網建設的主要候選技術，支持蜂窩通信和終端直通通信[1]。考慮到直通通信不受蜂窩網絡和全球導航衛星系統覆蓋限制的特點，與定位技術的結合可以支持車聯網的多場景定位，以及滿足車聯網低時延、高可靠和高精度的定位需求[2]。

為了滿足車輛在時延、精度、安全性等方面對定位服務的多樣化需求，2021年12月，在3GPP（3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴計劃）RAN（Radio Access Network，無線接入網）全會的第94次會議上，直通鏈路定位技術作為NR（New Radio，新空口）定位技術的擴展和增強，決定在版本Release 18（Rel-18）中開展標準化研究[3]。研究過程分為9個月的SI（Study Item，研究項目）和9個月的WI（Working Item，工作項目），面向覆蓋范圍內、部分覆蓋和覆蓋范圍外的應用場景，在定位方法、物理層結構設計、定位信令流程以及資源分配等方面開展研究。在2022年5月和8月的兩次3GPP RAN1會議中，直通鏈路（Sidelink，SL）定位討論主要集中在定位場景和需求、定位仿真評估以及潛在的定位解決方案三個方向。

本文主要內容如下：（1）對3GPP中提出的車聯網定位需求和定位場景進行介紹；（2）介紹直通鏈路定位架構，對SL定位中的關鍵技術原理進行分析說明；（3）分析總結直通鏈路定位研究可能面臨的挑戰，并對定位技術的后續演進方向進行展望。

1 定位場景和需求

從車聯網應用場景角度來看，需要定位技術支持的業務應用主要包括自動駕駛、交通安全、信息服務等[4]。對于不同業務應用，有不同的定位性能指標需求。

同時，車輛作為移動的實體會經歷不同的應用場景，包括高速公路、城市道路、封閉園區以及地下車庫等[4]。因此除車聯網應用場景外，還需要考慮和無線網絡覆蓋范圍相關的定位場景，3GPP TR 38.845對V2X定位的無線網絡覆蓋場景進行定義[5]。當至少兩個UE（User Equipment，終端）參與V2X定位時，可以考慮以下三種網絡覆蓋場景，以兩個UE參與定位的情況為例：覆蓋范圍內場景是指兩個UE都在蜂窩網絡覆蓋范圍內的情況；部分覆蓋是指一個UE處于蜂窩網絡覆蓋范圍內，而另一個UE在蜂窩網絡覆蓋范圍之外；覆蓋范圍外場景是指兩個UE都在網絡覆蓋范圍之外的情況。UE可以在覆蓋范圍內、部分覆蓋范圍和覆蓋范圍外場景之間轉換。

在不同的覆蓋場景中可以獲取不同的定位結果，根據測量量和解算結果不同，可將SL定位技術分為絕對定位、相對定位和測距，其中絕對定位是確定UE在絕對坐標系中的水平、垂直坐標；相對定位是確定UE相對于其他網絡節點或UE的位置坐標；測距是指測量兩個UE之間的距離和/或相對方位[5]。

V2X場景中車輛的定位需求取決于其所需的業務應用，具體由用例或定位服務級別來確定，3GPP將定位精度劃分為以下三個類別[5-7]：

（1）第一類：定位精度10～50 m，置信水平68%～95%，主要包含信息服務、信息提示類等對定位精度要求不高的業務應用。

（2）第二類：定位精度1～3 m，置信水平95%～99%，主要包含安全預警、交通效率提升類、動態交通管理類業務應用。

（3）第三類：定位精度0.1～0.5 m，置信水平95%～99%，主要包含自動駕駛類業務，協作式智能交通等無人駕駛或遠程駕駛類業務應用。

具體的V2X場景中對于SL定位的定位精度需求目前正在3GPP Rel-18中展開研究。

2 SL定位關鍵技術

本節主要介紹SL定位物理層的關鍵技術，并對潛在技術方案進行分析比較，主要包括：SL定位方法、SL定位資源池、SL定位物理層結構、SL定位資源分配機制。其中，SL定位方法確定了整體定位交互的流程以及信令內容；SL定位資源池是影響SL定位整體方案的主要技術點，后續關鍵技術依據不同的資源池確定方法分別對應不同的方案設計；SL定位物理層結構主要介紹SL定位物理信道結構等；SL定位資源分配機制則主要關注定位過程中涉及到的資源選擇以及資源確定的方法。

2.1 SL定位方法

NR Uu常用的無線定位方法[8]主要包括RTT（Round Trip Time，往返時間）、AoA（Azimuth of Arrival，到達方位角）、TDOA（Time Difference of Arrival，到達時間差）、AoD（Azimuth of Departure，離開方位角）、ZoA（Zenith of Arrival，到達天頂角）、ZoD（Zenith of Departure，離開天頂角）、E-CID（Enhanced-Cell ID，增強小區ID）。SL定位應該結合自身特性盡可能地復用NR Uu通信相關的定位方法。考慮到V2X場景中用戶的高速移動性，因此對于定位的時延以及精度均具有較高的要求。綜合考慮，RTT、AoA/ZoA、TDOA三種定位方法比較適用于現階段的V2X定位，但是每種定位方法都存在一定的局限性，需要繼續分析研究。

RTT定位方法由于需要收發節點之間往復發送一對或多對SL-PRS（Positioning Reference Signal，定位參考信號），交互時延對高速移動場景的影響需要重點考慮。AoA/ZoA定位方法的主要問題在于目前V2X UE接收天線數有限，導致測角精度受限。TDOA定位方法對于節點間的同步要求非常嚴格，如果想采用此方法，必須優先解決節點間同步問題。AoD/ZoD定位方法則更適合于高頻段的FR2（Frequency Range 2，頻率范圍2）頻段以及具備MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多天線）能力的UE，對于目前的V2X UE并不是十分適用。對于E-CID方法，由于其精度較差，可能無法滿足V2X定位場景的基本需求。

對于SL定位流程的觸發，可以考慮由目標UE主動觸發整體定位流程，或者由網絡側觸發整體定位流程。對于SL定位的解算過程，車輛UE可以考慮在UE側完成，也不排除由網絡側輔助完成的相關方案。上述相關內容由SA（Service and System Aspects，服務及系統）技術規范組確定，目前仍在研究[9]。

2.2 SL定位資源池

對于SL定位資源池的劃分，由于需要與SL通信資源池共享相同的頻譜資源，因此考慮以下兩種方案：引入SL定位專用資源池、SL定位與SL通信共享資源池。

（1）SL定位專用資源池：對于SL定位專用資源池，該資源池僅可以用于SL定位相關信道/信號的傳輸。SL定位資源池可以與SL通信資源池采用時分/頻分的物理資源復用方式，而由于定位精度直接受到帶寬的影響，因此建議二者僅采用時分復用的方式，如圖1（a）所示。引入定位專用資源池的優點在于將SL定位與SL通信二者完全從物理資源上分離，互相之間沒有任何影響；其弊端在于只有等到特定資源池對應的時間段才可以發送相應的業務，會增加SL通信以及SL定位系統的整體時延。

（2）SL定位與SL通信共享資源池：對于SL定位與SL通信復用相同的資源池，二者可以在共享資源池內部采用時分復用或頻分復用的方式，如圖1（b）所示。共享資源池的優點在于可以提升整體的資源利用率，但由于復用相同資源池，二者間的資源干擾是無法避免的，并且SL定位傳輸的帶寬也會受限，導致整體定位精度可能無法滿足V2X場景需求。此外，該模式對于NR-V2X Rel-16/17用戶也會引入兼容性問題，舊版本的UE無法正常接收SL定位相關信息。

圖1 SL定位資源池示意圖

綜上所述，不論是引入SL定位專用資源池，還是SL定位與SL通信共享資源池，二者各自存在優缺點。考慮到系統的兼容性、可擴展性、高效性以及可靠性，兩種方案均可以作為未來SL定位標準化的潛在技術方向。

2.3 SL定位物理層結構

SL定位物理層結構的設計很大程度上受到SL定位資源池方案的影響。如果引入SL定位專用資源池，則需要參考SL定位與NR Uu定位的特性，設計一套全新的適用于SL定位的物理層結構。而對于SL定位與SL通信共享資源池的情況，為了保證兼容性，SL定位很大程度需要繼承SL通信物理層結構的特性。

（1）SL定位專用資源池

如果引入SL定位專用資源池，考慮到SL通信的資源分配機制，首先應該解決SL-PRS資源預約指示的問題。

方式一：在SL定位專用資源池中引入控制信道用于承載SL-PRS資源預約指示信息；

2）方式二：在SL通信資源池中指示SL-PRS的資源預約情況，即控制信息與關聯的SL-PRS分別位于不同的資源池上。

第一種方式的優點在于控制信道與關聯的SL-PRS在相同的定位專用資源池中傳輸，可以簡化信息指示的內容，無需跨資源池交互，整體處理復雜度較低；但是可能需要重新設計相應的信道結構、信令內容，并且會額外占用部分用于傳輸SL-PRS的資源[10]。第二種方式的優點在于無需在定位專用資源中引入除SL-PRS外的其他信號，信道結構簡單[11]，其問題在于SL UE需要在SL通信資源池上設計相應的SL-PRS控制信令，信令內容也較為復雜，并且涉及到跨資源池調度的相關問題。目前兩種方式均在討論中，具體的說明示意圖如圖2（a）、（b）所示。

圖2（a）中AGC（Automatic Gain Control）為自動增益控制符號，用于接收機調整接收信號功率。GP（Guard Period）為保護間隔，用于預留UE收發轉換所需的時間。不同用戶的SL-PRS資源可以采用時分復用或者RE（Resource Element）級的頻分復用，也可能在SL定位專用資源池中僅支持時隙級的傳輸，不支持多用戶復用單個時隙的情況。對于方式一，需要對PSCCH（Physical Sidelink Control Channel，直通鏈路控制信道）中承載的用于調度SL-PRS的相關控制信息進行設計。對于方式二，需要設計資源預約包含的相關控制信息，該控制信息可以由PSSCH（Physical Sidelink Shared Channel，直通鏈路共享信道）承載（圖2（b）中的PSCCH用于調度關聯的PSSCH，而非SL-PRS）。

圖2 解決SL-PRS資源預約指示問題的兩種方式

在方式一的結構中，由于PSCCH與SL-PRS占用帶寬不同，UE在進行接收時需要一定的轉換時間，因此是否將PSCCH的末尾符號設置為GP符號也需要進一步討論。

（2）SL定位與SL通信共享資源池

當SL定位與SL通信共享相同的資源池時，在原來的信道結構基礎上插入SL-PRS[12]，如圖3所示，需要重點考慮系統兼容性。對于這種新型的信道結構會導致舊版本的UE無法識別SL-PRS；此外，為了降低對系統中其他版本UE資源感知過程的影響，SL-PRS的傳輸帶寬需要與PSSCH保持一致，限制了SL-PRS的測量性能；而且為了保證兼容性，PSCCH的相關設計需要保持Rel-16/17內容不變，對于SL-PRS的映射規則也需要進行限制，如何指示相應的SLPRS資源占用情況同樣也是需要解決的問題。

圖3 SL定位與SL通信共享資源池時的信道結構圖

為了解決SL定位與SL通信共享資源池時SL-PRS帶寬受限的問題，跨多個資源池發送SL-PRS可以作為一種解決方案，但需要保證多個資源池的資源感知過程不受影響。該方案在實現中，可能很難選出合適的且可用于支持跨資源池傳輸的資源。

2.4 SL定位資源分配機制

SL定位資源分配機制整體設計思路與原SL通信資源分配機制類似，具體可以分為兩類：

（1）集中式：以網絡為中心進行SL-PRS資源調度；

（2）分布式：UE自主進行SL-PRS資源分配。

對于集中式機制，主要考慮網絡側分配資源用于SL-PRS的傳輸，如通過gNB、LMF（Location Management Function，位置管理功能）、gNB結合LMF等進行調度。原有的NR-SL Mode 1的三種調度方式：動態調度、配置授權類型1、配置授權類型2可以作為研究的出發點，需要重新設計相應的DCI（Downlink Control Information，下行控制信息）以及RRC（Radio Resource Control，無線資源控制）信令內容。

對于分布式機制，如果SL定位與SL通信共享資源池，那么此場景下的分布式資源分配機制可以重用NRSL Mode 2資源分配機制。當引入SL定位專用資源池，且SL定位專用資源池中僅包括SL-PRS時，資源分配過程同樣復用NR-SL Mode 2資源分配機制即可。本節重點討論當SL定位專用資源池中既包括SL-PRS又包括用于調度PSCCH時的資源分配機制。

如圖4所示，UE1在時隙1和時隙2上預約了用于發送PSCCH和SL-PRS的資源。當UE2在T時刻觸發了資源選擇過程時，可以感知確定UE1在時隙2上的資源占用情況，如果UE2在時隙2上的PSCCH 資源集和SL-PRS資源集中選擇資源，應該分別避開UE1預約的PSCCH資源和SL-PRS資源。相比于原Mode 2資源分配機制，主要的區別在于UE需要獨立地對PSCCH和SL-PRS進行資源分配，而具體的資源分配流程類似[5]。

圖4 分布式資源分配機制示意圖

2.5 帶寬對SL定位精度的影響

本節基于引入SL定位專用資源池的假設，在高速公路場景下對不同帶寬下能達到的定位精度進行了仿真驗證，仿真拓撲模型如圖5所示[14-15]：

圖5 高度公路拓撲結構圖

仿真參數如表1所示：

表1 仿真參數

仿真中RSU（Road Side Unit，路側單元）作為錨節點，UE作為定位目標節點，假設各個RSU之間時間理想同步，每次采用6個RSU聯合進行絕對定位解算，節點間的信道均為LOS（Line of Sight，視距）信道，仿真結果如圖6所示。當帶寬為40 MHz時，在高速場景下，系統的定位精度可以滿足車道級的定位需求（約1.77 m）；當信號帶寬提升至100 MHz時，定位精度可以達到亞米級（約0.74 m）。

圖6 高速場景下UE定位仿真結果

3 挑戰與展望

3.1 SL定位技術面臨的挑戰

影響SL定位技術精度的核心因素包括以下方面：

（1）信號帶寬：信號頻域帶寬越大，其時域信號時間分辨率越高，支持的定位精度越高。目前SL頻譜資源有限，如果想通過SL定位技術支持高精度定位場景，需要進一步拓展SL頻譜資源才可能實現。

（2）信道環境：信道環境會直接影響信號傳播時延的測量精度。如果當前通信環境比較復雜，收發節點間遮擋物比較多，那么此時的信道多徑傳輸可能以NLOS（Non-Line of Sight，非視距）為主，定位精度會急劇下降。在實際車聯網定位應用的過程中，由于車輛運行速度較快，通信環境變化較快，如果可以快速準確地獲得信道多徑類型信息，對于提升整體定位精度具有極大的幫助。測量過程中可以基于信道類型篩選定位結果，提升定位系統整體的置信度[16]。

（3）高速移動性：對于靜止或低速運動的目標UE，定位時延帶來的影響幾乎可以忽略不計。然而對于高速運動場景下的車輛定位，較大的定位時延會使得定位結果存在較大誤差，甚至導致其獲得的位置信息是無效的。以相對速度240 km/h為例，20 ms的定位時延導致約1.3 m的偏移誤差。因此對于SL定位需要盡量簡化定位流程，減小定位時延，在解算過程中需要考慮到由于車輛高速移動導致的偏移誤差。

（4）UE間干擾：UE間干擾問題主要存在于UE自主選擇SL-PRS資源，即Mode 2資源分配。此時沒有網絡側進行資源調度，UE通過感知以及分布式資源分配機制進行資源選擇。當系統中節點數較多時，各UE自主選擇SL-PRS傳輸資源，互相之間難免造成干擾，會導致定位精度受到影響。因此需要進一步改進SL資源選擇機制支持SL定位技術，降低UE間的干擾，提升系統資源利用率。為了解決UE間資源碰撞問題，基于Rel-17 UE間協調機制增強設計SL定位技術，是潛在的增強技術。

3.2 SL定位技術演進展望

通過提升信號帶寬是最直接有效的提升定位精度的方法，目前3GPP Rel-18正在開展的非授權頻段SL技術可以考慮作為優選方案[17]。將SL定位通信在頻域維度擴展到非授權頻段，可以有效地提升SL-PRS的傳輸帶寬，進而獲得定位精度的提升，需要重新設計相應的物理層信道結構以及對應的信道接入機制。

另外一種可能提升定位精度的方法是在SL定位技術中引入載波相位追蹤定位技術。載波相位追蹤定位雖然對于信號帶寬沒有嚴格的要求，但是為了保證相位追蹤的連貫性，可能需要時域連續（或周期較小）發送SLPRS，通過犧牲時域資源以及高復雜度來提升整體定位精度。在比較理想的通信環境下，載波相位追蹤定位技術通過實時迭代可達厘米級定位精度[18]，但需要解決時域資源密度過高以及復雜度較高的問題，可作為未來重點研究方向。

4 結束語

本文針對目前C-V2X業務對低時延、高可靠、高精度定位的需求，對近期在3GPP Rel-18開展標準化研究的SL定位進行介紹，給出SL定位技術的場景和需求；對SL定位標準化過程中涉及到的物理層關鍵技術和潛在方案進行了詳細的分析介紹；通過仿真說明了3GPP Rel-18 SL定位精度；最后分析目前SL定位技術面臨的挑戰，并對SL定位技術演進方向進行展望。