[论文笔记]Vehicle-to-Everything (v2x) Services Supported by LTE-based Systems and 5g

前言：这是一篇关于V2X的文章，里面主要对通信的标准演进进行了说明，牵扯较多的通信名词和知识，在看的时候一头雾水，因此本博客整理文章的内容外还将对一些通信知识进行补足。

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 受益于LTE系统的普及，3GPP正逐步推进基于LTE的V2X的标准，中国的LTE V2X被用作LTE-V，而3GPP将其定义为LTE-V2X。这篇文章完成了以下工作：

1. 分析3GPP规定的V2X服务的需求和用例
2. 综述LTE-V2X最新标准
3. LTE-V2X的挑战
4. LTE-V2X的设计方法
5. eV2X服务和可能的5G解决方案
6. LTE-V2X的实现

介绍

智能交通系统：将先进的信息技术、数据通信技术、传感器技术、电子控制技术以及计算机技术等有效地综合运用于整个交通运输管理体系，从而建立起一种大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合运输和管理系统。

ITS（智能交通系统）通过V2X通信来实现车辆、行人、基础设施的信息共享，从而达成长时间感知指定空间的目的。

DSRC（专用短程通信）作为WAVE（行车环境中的无线通信方案），因其平均延时低的特点，侧重于车辆安全方面的应用。DSRC因为使用异步通信，在CSMA/CA中性能很低；而部署支持DSRC的硬件的成本也很高。因此要改进DSRC很困难。

ESTI（IEEE和欧洲电信标准协会）规定的V2X报文分为两类：协作感知报文(CAMs)[1]和分散环境通知报文(DENMs)[2]。

• CAMs是接近最大延迟（100 ms）的用于交换状态信息的周期性消息；
• DENMs由事件触发，并向道路使用者发出警报。

作为异于DSRC的另一种V2X方案，近些年LTE-V2X以3GPP的R13、R14为代表，标准化工作正顺利进行，并在一些国家完成了现场测试，其前景一片光明。

V2X 的服务需求和3Gpp规定的用例

3GPP的V2X标准的进展

3GPP的V2X标准的进展示意图

2016.6：TSG SA1规定了基本需求集和用例，提出eV2X的需求

2016.12：SA2规定了增强的结构；SA3规定了安全问题的解决方案；确定RAN（无线接入网络）支持V2X服务的标准；

2017.3：使用蜂窝网的V2X场景的优化（R14）

一些eV2X的需求可通过LTE eV2X实现；NR V2X作为LTE eV2X的补充。

3GPP提出的V2X服务需求和用例

3GPP中，TSG SA1负责：1.安全方的用例；2.支持V2X的潜在的LTE需求。

5类服务需求定义如下：

• 速度：支持最大绝对速度160km/h和最大相对速度280km/h。在没有速度限制的场景下，最大相对速度为500公里/小时。
• 通信范围：有效距离要求大于在最大相对速度的场景下，根据驾驶员的充分反应时间（如4秒）计算得到的距离。
• 延迟/可靠性：

支持V2V/V2P应用程序的UEs之间的最大端到端延迟应为100 ms（直接通信或经过RSU通信）；

支持V2I应用程序的UE与RSU之间的最大延迟应为100 ms；

为了支持预碰撞感知，两个支持V2V应用程序的事件之间的最大延迟应该降低到20ms。有效距离和有限延迟时，且不需要重传应用层消息的前提下，需保证无线电层的最低可靠性。计算了在一定时间窗内连续传输时的累积传输可靠性。

• 消息大小：不包括与安全相关的消息元素时，支持V2X应用程序的两个UE之间的周期性广播消息的有效负载的可变长度仅为50-300字节。事件驱动的消息的大小可以达到1200字节。
• 消息生成周期：最小消息生成周期可以是100毫秒。

V2X的应用主要包含以下特点（定性）：低延迟、高可靠、高速率、大通信范围。

TSG SA1为eV2X确定了25个用例，可分为：列队行驶、高级驾驶、扩展传感器、远程驾驶、其他普遍化用例。

  

3GPP提出的对于LTE V2X的基础挑战和设计要点

对于LTE V2X的结构增强和物理层设计

图2 3GPP规定的基于V2X通信的 PC5和LTE-Uu的参考结构

 

TSG SA2 规定的结构增强如上图所示，这个图是在LTE D2D架构的基础上，将新的V2X控制模块加入其中得到的。观察后发现以下特点：

1. 存在4个UE，分别为行人、车辆A、车辆B、路边设施，每个UE皆附属一个V2X应用。UE之间以PC5连接，应用之间以V5连接。
2. V2X控制器与UE均通过V3连接。
3. 移动通信无线网络E-UTRAN通过LTE-Uu与UE连接；通过S1与核心网（即MME那部分）连接。
4. V2X应用服务器 通过V2与V2X控制功能相连，通过V1与V2X应用相连。

经过查阅这篇文章后发现，接口是被所连接的主体所定义的，即：连接V2X应用的接口成为V1接口。而非将V1接口用于连接V2X应用。此外这篇文章的后半段对接口也进行了简单的描述性定义。

为了配合LTE V2X的结构。无线层（radio layer）需要新的改进，以应对以下挑战：物理层结构的设计、资源分配、同步。

 将目光放在LTE D2D上，它现在被视作基于V2V通信的PC5接口的baseline。接下来讨论V2V通信与LTE D2D不相适应的地方。1.V2X服务的消息大小可变，所以需要对传统的SA（调度分配）进行重用，以便知识初始传输和重传的数据资源。2.SA内的控制信息仍由PSCCH（物理旁路控制信道）承载，流量有效载荷由PSSCH（物理旁路共享信道）传输。（PSCCH和PSSCH以数据帧的形式存在，分别用于传输终端控制数据和用户数据）3.为保持较低的PAPR（峰均功率比），采用SC-FDMA(单载波频分多址)进行传输。 

接下来介绍DMRS（物理层上行控制、共享信道的解调参考信号）的结构变化：传统LTE系统的两个参考信号间隔0.5ms，当相对速度大于280km/h时，相干时间将小于符号周期，从而导致时间选择性衰落（快衰落）。另一方面，传统LTE系统可以矫正的最大频偏为1kHz，但相邻cell的UR间的频偏（调频波频率摆动的幅度）可达2.2kHz以上，因此还会导致频率选择性衰落。对此提出的改善方法为：1.将帧内DMRS的列数从2个增加到4个。2.加入循环冗余校验和固定参数随机选择避免UE之间的干扰。

DMRS结构的增强：基于LTE D2D DMRS的LTE V2X中PSSCH / PSCCH的4列DMRS

因为GNSS（全球导航卫星系统）具有较高的定时和频率精度，因此可用作LTE V2X的同步源。但当PC5和LTE Uu在同一频段运行且它们之间的时序偏移量过大时，若UE直接与GNSS同步，则通过PC5的通信将对LTE-Uu的上行传输产生干扰。此时，eNB将指示车辆UE在eNB-based和GNSS-based的同步中二选一。

利用传统的LTE D2D机制，增强的同步源优先级可以通过对旁路同步信号(SLSS)和物理旁路广播信道(PSBCH)建立新的连接来支持。考虑到对LTE-Uu上行链路传输的保护以及确保同步源的定时和频率的准确性，同步源优先级的规则应根据eNB-based或GNSS-based同步配置来实施。当eNB配时的优先级高于GNSS时，直接或间接同步到eNB的UE的优先级高于GNSS，然后优先级高于直接或间接同步到GNSS的和其他剩余UE的优先级。当GNSS的优先级高于eNB配时时，GNSS的优先级最高，而直接同步到GNSS或eNB的UE的优先级低于GNSS但高于UE，间接同步到GNSS或eNBm的，低于其他剩余UE。利用所提出的同步机制，可以实现全局同步，减少同步集群的数量，保证同步精度。

3GPP给出的对LTE V2X的增强资源分配机制

在时域上，最小的资源粒度是一个OFDM符号（上行是SC-FDMA符号。下文统一称为OFDM符号）。在频域上，最小的粒度是一个子载波。一个OFDM符号与一个子载波组成的一个时频资源单元，叫做RE（Resouce Element）。物理层在进行资源映射的时候，是以RE为基本单位的。一个时隙内所有的OFDM符号与频域上12个子载波组成的一个资源块，叫做RB（Resource Block），LTE资源调度就是以RB为基本单位的。[1]

考虑到低延时和有效资源利用的情况，LTE V2X采取FDM（频分多路复用）而非TDM。

在时间窗口有限的情况下，将FDM机制用于LTE V2X的SA（scheduling assignment，调度分配）资源池和数据资源池。

在相同子帧中的SA和DATA会被发送到相邻或不相邻的RBs中。

LTE D2D的两种资源分配机制：集中资源分配(模式1)中，下行控制信息(DCI)格式5被调度来指示SA和数据资源；分布式资源分配中，由于LTE D2D中发射机密度较低，且标准较为简单，因此随机选择是确定的。然而，在发射机密集时，由于V2X服务信息是周期性的或事件触发的，LTE D2D通信的方案不适用于V2X服务，如周期、消息大小、可靠性和延迟等。针对V2X业务的特点，提出了以下资源分配的改进方案：

1. 支持模式3的集中式资源分配机制 和 支持模式4的分布式资源分配机制。
2. 感知和SPS资源分配。
3. FDM和TDM用于跨车辆的资源复用。
4. 地理信息在资源配置中的应用。
5. 使用信道忙比(CBR)和消耗比(CR)进行拥塞控制。
6. 行人UE 的功耗节约。

资源分配机制大致可分为集中式或分布式两种，但其各有缺点：

• 使用集中资源分配的用户必须连接到eNB，这将造成额外的信令开销
• 使用分散式资源的用户可能会在本地做出单方面的错误决策。

因此，为了保证V2X服务的QoS要求，提出支持模式3的集中式资源分配机制和支持模式4的分布式资源分配机制，以适应V2X服务的特点。依赖集中式eNB，模式3只工作在存在eNB覆盖的场景，而模式4可以在无eNB覆盖的场景下提供分布时资源分配。另一方面。由于V2X的服务具有周期性和可预测的大小，因此可以在模式3和模式4中将半持久性调度(SPS)作为一种资源分配机制来支持。基于SPS的周期性资源预留机制，其他事件的感测传输可以避免碰撞，从而有效地提高系统性能。

基于资源分配机制的LTE V2X PC5的时序

 感知和SPS资源分配的具体机制如上图所示，感知窗口为1000ms，UEs在每个接收子帧中继续检测来自其他UEs的传输。当资源选择或重新选择被触发，UE将在资源选择窗口中选择可用的资源。资源选择窗口的上边缘受当前有效载荷延迟的限制，下边缘则由基于UE s实现的进程延迟决定。根据感知窗口中检测到的资源占用状态，如果一个UE选择的可用资源在资源选择窗口的(n + d)子帧，那么相同的频率 资源(n + d + SPS周期)将会被在(n+d)传输的SA预留。为什么这里面trigger没有在window里，感知是感知资源占用还是trigger？为什么根据感知窗口的占用状态可以为与资源选择窗口相关的帧预留资源

当资源选择/重新选择机制被触发时，SPS的计数器值将在建议的范围内均匀随机选择。每次传输完流量包后，SPS计数器的值减小1。SPS计数器满足终止条件时，当前资源将以p概率保留并重置SPS计数器，或以概率(1 - p)触发重新选择。正因为有这个计数器的存在才称之为半永久性的吧~

此外，资源分配可结合地理信息将通信区域于划分到不同的zone中。将不同的资源分配给邻近zone内的UE，通常是为了减少干扰和IBE（基于身份认证的加密）。由车辆的相对速度引发的高移动性，导致了Handover（基站覆盖区的切换），为了保证V2X服务的连续性，用于随机选择的exceptional pool被引入。

LTE V2X模式3支持动态调度和SPS调度机制。DCI格式5A用于指示流量包传输的详细资源信息。在DCI格式5A的内容中，即使没有在V2V专用载波上部署eNB，载波索引字段(CIF)也可以指示V2V传输的载波。考虑到LTE-Uu通信范围大、集中控制等特点，广播机制需要提高频谱效率和延迟要求。通过传输资源池和接收资源池的配置，可以对干扰进行协同控制。

具有100 ms周期的Pool-specific CBR测量可用于反映接收UE的池的拥塞级别。CR被定义为UE用于其传输的子信道总数除以配置的子信道总数(在1000毫秒的测试周期内)的比率。在CBR和CR测量的支持下，LTE V2X中的拥塞控制功能可以采用分布式或集中式的方式实现。如果将CBR与UE的位置信息报告给eNB, eNB将在系统级更有效地控制拥塞。

从用户用例的省电角度看，传感操作消耗了通信中的大部分能量。因此，必须在传输性能和行人UE的有限电池容量之间进行权衡。行人UE不需要接收来自车辆UE的消息，即使其他车辆UE在这些子帧中传输信息，行人UE也可能在某些子帧中处于休眠状态。如果允许UE支持端口部分感知，则资源选择的性能可以提高到优于随机选择的性能。

根据eV2X用例的性能需求分析，基于LTE的V2X解决方案应该得到尽可能多的增强以覆盖eV2X服务。基于LTE的V2X可以满足一些车辆队列应用和有限的自动驾驶应用的基本要求。基于NR的V2X可以与基于LTE的解决方案兼容，以覆盖更先进的服务。未来的工作将支持LTE- A Pro and/or 5G NR的全自动驾驶应用。因此，协调技术可以为LTE V2X的发展铺平道路，并保持相对于IEEE 802.11p的优势。

LTE V2X的实现

这部分实际是对目前各种技术落地和政策制定的描述，略

5G V2X的未来研究方向

LTE V2X继承了TD-LTE的优势，包括多用途的通信模式、低部署成本、无处不在的蜂窝网络覆盖、高容量和频谱高效的空中接口。

目前，已经为eV2X服务确定了25个用例，包括5个用例组：队列化、扩展传感器、高级驱动、远程驱动和其他/通用驱动。eV2X的需求要求即使在高密度的场景也满足严格的可靠性，低延迟，高数据率和更大的通信范围。

对5G-NR上行链路、下行链路和旁线业务，函需适当的改进，如超可靠低延迟通信(URLLC)旁线和Uu、增强型移动宽带(eMBB)旁线等。

5G-NR高层的解决方案应包括以下几个方面：近端组管理、拥塞控制、移动性管理、QoS管理、PC5与Uu之间的切换。

由于同时存在多个RAT(无线接入技术)，因此必须使用多RAT可以高效协同和共存的机制。

网络架构应该得到改进，以支持eV2X服务的改进。此外，为了满足eV2X需求的挑战，必须开发新的特性来实现极低的稳定性、高可靠性、高效率的PC5和Uu通信。

Reference

[1]https://blog.csdn.net/m_052148/article/details/51336410

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后记

这是我看的第二篇关于V2X的论文，比起上一篇多了很多名词，为了完成这篇笔记也进行了很多查找（多了很多小blog~0~），到现在这文已经写了3天有余，因为不想拖的太久，后半段有一些名词没来得及查找，以后有机会补上~

文中很多东西都是参考其他大神的blog或者百度百科，在此对这些知识路上的巨人表示感谢。

因为文中多使用了外链来对名词进行说明，而引用一般都在外链bolg中有提及。印象中只有一处照搬了reference，如有其他没及时标注请私信告知，本人将马上修改。