Vehicle-to-Everything (v2x) Services Supported by LTE-based Systems and 5g
Shanzhi Chen, Jinling Hu, Yan Shi, Ying Peng, Jiayi Fang, Rui Zhao, and Li Zhao
前言：某高校研一学生的论文翻译稿，参考有道并自己润色，有部分词汇不甚了解导致错译请见谅，虚心接受批评意见和建议，侵删
摘要
车用无线通信技术(V2X)，包括车辆对车辆(V2V)，车辆对行人(V2P)，车辆对基础设施(V2I)，车辆对网络(V2N)通信，可以有效提高道路安全、交通效率，以及增加信息娱乐服务的可用性。受益于LTE系统的全球部署和快速商业化，第三代合作伙伴计划(3GPP)积极开展基于长期演进(LTE)的V2X标准化工作，为V2X通信提供解决方案。在中国车载通信行业中，基于LTE的V2X被广泛用作LTE- V，而在3GPP标准化进程中，基于LTE的V2X被重新定义为LTE-V2X。在本文中，对3GPP中V2X服务中的需求和用例进行了介绍。给出了3GPP中LTE-V2X的最新标准的综述。讨论了在LTE-V2X中所面临的挑战和详细的设计方法。同时，分析了增强的V2X (eV2X)服务和可能的5G解决方案。最后，介绍了LTE-V2X的实现，以及在工业界的最新进展、研究、产品原型的开发和现场测试等方面的最新进展。
介绍
智能交通系统(ITS) 可以通过与V2X通信协同来进行推进。无线互联的车辆、行人和基础设施可以收集有关环境的信息，并与附近的其他实体（entities）实时交换这些信息。由此，可以长期的感知指定空间的潜在危险。V2X通信设备的服务对象可以作为计算机和扩展传感器板上的计算系统被使用。
专用短程通信(DSRC) 是一系列的标准，被设计为车辆环境(WAVE)中的无线接口，以支持V2X通信，其特别侧重于车辆安全应用的实现。IEEE和欧洲电信标准协会(ETSI)目前正与与汽车行业的标准化组织合作，如国际汽车工程师协会(SAE)，以定义DSRC 协议栈。V2X通信消息通常包含车辆状态信息(例如，位置、速度、加速度和航向等)。在ETSI中，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。
许多研究项目和现场测试已经由政府、工业和学术界进行，以使V2X通信在许多国家成为可能，如美国的崩溃回避度量伙伴(CAMP)和欧洲的车队车通信联盟 (C2C-CC)等。
由于DSRC的通信具有异步的缺点，在具有冲突避免的载波感知多址访问(CSMA/CA)中，隐藏节点冲突问题可能会降低性能。链路预算通过卷积码和不使用频分复用(FDM)的方案来减少。由于固定的传感阈值，空间双工增益可能是低效的。与此同时，在路边部署不变单元的的成本效益并不理想。目前，下一代DSRC在可靠性、健壮性和覆盖率方面并没有明确的改进路径。
通过使用来自于单对单到单对多的多种通信类型，LTE系统可以得到增强，从而支持V2X服务。基于LTE的V2X被广泛用于中国车载通信行业的LTE-V，在3GPP标准化进程中，基于LTE的V2X被重新定义为LTE-V2X。为了实现更好的系统性能和应对不断发展的市场潜力，用于支持基于LTE的V2V和V2X服务的标准化方案，计划将于2016年和2017年在3GPP完成，并通过第14版标准（Release 14）呈现，它将应用于汽车行业的LTE系统[4,5]。随着复用SAE应用层标准的协调，LTE-V2X可以专注于具有频谱效率空中接口的无线电和网络层的标准开发。
根据3GPP中LTE V2X标准化的进展，LTE-V2X在一些国家或地区有研究项目和现场测试。在中国，20兆赫(5905 5925兆赫)的频率已经被官方分配给LTE-V2X的验证工作，并在六个试点地区进行试验。LTE-V项目的标准化和原型验证已被列为国家科技专项。与此同时，2016年，新一代移动网络联盟(NGMN) V2X工作组和5G汽车协会(5GAA)成立，TD-LTE的利益相关者正与汽车行业合作，推广基于LTE和NR (New Radio)的V2X解决方案。
在本文中，概述了3GPP中V2X服务的需求和用例。然后对3GPP中LTE V2X的最新标准进行了综述。讨论了在LTE V2X中所面临的挑战和详细的设计问题。同时，分析了eV2X服务和可能的5G解决方案。介绍了LTE V2X的实现，以及在行业联盟、样机研发和现场测试方面的最新进展。最后，文章对5G-V2X未来的研究方向进行了讨论。
V2X 的服务需求和3Gpp规定的用例
3GPP的V2X标准的进展
3GPP中V2X标准化的进展3GPP中V2X标准化的进展如图1所示。基本需求集的学习项目和工作项目、技术规范组(TSG)服务项目和系统方面工作组(SA1)的用例，以上均于2016年6月完成。SA2架构的增强和SA3的安全问题于2016年12月完成。TSG无线接入网络(RANs)中支持V2V服务的最初标准已于2016年9月至9月期间完成，而使用蜂窝网络的附加V2X场景的进一步增强计划将于2017年3月在第14版标准中完成。eV2X要求已于2016年12月在TSG SA1中提出，而3GPP RAN的相关研究已于2016年底被广泛提出。一些eV2X的需求可以通过通过规范和进一步的改进，通过LTE eV2X实现。由于某些eV2X用例需要极高的数据速率、极高的可靠性和极低的延迟，NR V2X被认为是LTE eV2X的补充。因此，LTE eV2X和NR V2X可以提供5G V2X解决方案。
3GPP提出的V2X服务需求和用例
在3GPP中，TSG SA1负责识别安全与非安全方面的用例，以及支持V2X服务的LTE的潜在需求。当正在传信的UE（user equipment）由「 已发展通用地面无线电接达网络」(E-UTRAN)提供服务时，消息传送应由3GPP网络控制。此外，LTE-V2X的安全要求还包括授权、匿名和隐私。
V2V可以直接在附近的UEs之间交换V2V相关的应用信息。RSU可以接收支持V2I应用程序的UE传输的信息，并将应用层信息传输给支持V2I应用程序的UE或一组UE。在LTE网络中，支持V2N应用的服务实体可以与UE通信。V2P通信可以通过基于LTE的通信来实现，以方便携带设备支持V2P应用的弱势道路用户。由于V2V/V2P的直接通信范围有限，所以UE之间的V2V/V2P相关的应用信息可以通过支持V2X服务的基础设施进行传输，如RSU、应用伺服器等[6]。
TSG SA1中的研究包含了上述四种类型的V2X服务，在版本14[6]中定义了27个用例。由于27个用例可以分为V2X的安全性服务和非安全性服务，因此应该对消息的传输进行分类，并提供根据消息类型(例如安全性和非安全性)确定优先级的方法。与安全相关的用例主要关注于避免和减少事故的发生以及生命和财产的保护。非安全性用例的目的是改善运输机动性和提高环境性能的补充服务。
27个用例的5类服务需求定义如下：[6]。
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：两个支持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。在有效距离和有限延迟的情况下，且不需要重传应用层消息的前提下，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。
为了加速TSG RAN的技术评估，将上述需求汇总，表1给出了3GPP版本14的V2X服务的示例参数。
因为V2X的应用已经超出了道路安全服务的范畴，其已经被归于汽车行业内，如编队行驶和自动驾驶，这些先进应用的特点包括，更严格的延迟（只有几毫秒），非常严格的可靠性（近100%），高数据率（约10 mbps），和更大的通信的范围（例如1000米），尽管对于大多数应用程序来说，这些的要求不必被同时满足。TSG SA1已经为eV2X服务确定了25个自动化程度不同的用例，这些用例被分为5组，包括车辆队列化、高级驾驶、扩展传感器、远程驾驶和普遍化用例[8]。TSG RAN于近期同意不打算用NR-based V2X来取代LTE-based V2X所提供的服务。因此，NR-based V2X将会对LTE-based V2X进行补充，用于支持高级的V2X服务，并支持与LTE-based V2X[9]的相互协作。
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
基于TSG SA1中定义的V2X服务需求，结构的增强由TSG SA2[10]确定。在图2中，重用LTE Device to Device (D2D)架构，将新的V2X控制功能模型加入到原有的LTE网络架构中，用于操作与网络相关的控制功能，如服务授权和供应。LTE- Uu接口经重用后，可用于单播 and/or 演进的多媒体广播多播服务(eMBMS)。从而建立车辆UE的V2X应用与V2X应用服务器的通信链路。同时，通过PC5接口，可以支持直接的旁通通信，以交换车辆之间或车辆与行人之间V2X应用程序的信息。
随着LTE V2X系统架构的不断完善，根据以下挑战，对于无线层的设计需求是迫切的。这些挑战主要包括：物理层结构设计、资源分配、同步[11]。
为了加快标准化进程，3GPP中的LTE D2D机制被认为是基于PC5的V2V通信的baseline，它提供了适当的和特定的增强来支持V2V服务。由于V2X服务的消息大小是可变的，因此对传统系统的调度分配(SA)进行了重用，用以指示初始传输和重新传输数据的资源。SA内的控制信息仍由包含修改内容的物理旁路控制信道(PSCCH)承载，流量有效载荷由物理旁路共享信道(PSSCH)传输。为了保持较低的峰均功率比(PAPR)，采用单载波频分多址(SC-FDMA)进行传输。考虑到LTE V2X业务对通信范围的要求，支持普通循环前缀(CP)。
在传统的LTE系统中，两个参考信号之间的时间间隔为0.5毫秒。当传输信号的中心频率为6GHz，相对速度为280 km/h时，相干时间约为0.277 ms，低于当前参考信号的时间间隔。因此，由于信道估计不足和信道信息的缺乏，数据解调性能将会急剧下降。因为在传统的LTE参考信号设计中，可以校正的最大频率偏差约为1khz，当网络提供了同步参考时，相邻cell的UE的最大频偏可达2.2 kHz以上。这里的频率误差包含了网络和UE，UE之间的传输误差和多普勒频移。为了在高多普勒频移的场景下提高性能，如：在满足信道估计和同步跟踪的前提下，将PSSCH和PSCCH一个子帧内的解调参考信号(DMRS)的列数从2个增加到4个，以获得更好的链路级性能。由于在DMR序列中没有利用用户身份信息，因此考虑了PSSCH的SA循环冗余校验(CRC)和PSCCH的固定参数随机选择，避免了UE之间的干扰。LTE V2X的DMRS结构的改进如图3所示。
全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)具有较高的定时和频率精度，可以作为LTE V2X的同步源。当PC5和LTE-Uu在同一频段运行时，如果PC5和LTE-Uu之间的的时序偏移量较大，并且UE直接与GNSS同步，此时UE通过PC5结构的通信将会对LTE-Uu的上行传输产生干扰。eNB将指示车辆UE选择基于eNB或基于GNSS的同步。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
考虑到低延迟和有效资源利用的影响，LTE D2D中的时分多路复用(TDM)机制不适合LTE V2X。因此，在没有额外时间窗口的情况下，通常将FDM机制用于LTE V2X的SA资源池和数据资源池。3dB功率提升可以帮助SA实现比数据预算更好的链路预算。由于选择了FDM作为多路复用机制，在同一子帧的不同子信道上，由其他方式传输的带内发射(IBE)由于近远效应对系统容量的影响特别大。因此，SA和DATA被设计成在相同的子帧中被发送到相邻或不相邻的RBs中。
在LTE D2D通信中，有两种资源分配机制（如用于集中式控制的模式1和用于分布式的控制模式2）被标准化，以支持公共安全通信中典型的VoIP (VoIP)服务。在集中资源分配(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。同时，在分布式资源分配中，由于LTE D2D中发射机密度较低，且标准化程度较低，因此随机选择是确定的。
然而，在发射机高密度的情况下，由于V2X服务是周期性的或事件触发的消息，V2X服务的属性不同于LTE D2D通信，如周期、消息大小、可靠性和延迟。与LTE D2D通信相比，针对V2X业务的特点，提出了以下资源分配的改进方案：
- 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。
- 感知和SPS资源分配。
- FDM和TDM用于跨车辆的资源复用。
- 地理信息在资源配置中的应用。
- 使用信道忙比(CBR)和消耗比(CR)进行拥塞控制。
- 行人UE 的功耗节约。
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，而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可以提供分布时资源分配，即便无eNB覆盖。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。
感知和SPS资源分配的具体机制如图4所示。UEs应该在一个1000毫秒的滑动传感窗口中，在每个接收子帧中继续检测来自其他UEs的传输。如果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，而资源选择窗口的下边缘则由基于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。
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。
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。
在LTE V2X模式3中，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
随着LTE V2X标准化在3GPP的推进，行业间的合作以及TD-LTE行业与利益相关者之间的合作将会更加紧密。因为许多基于IEEE 802.11p的 对于车辆互联的研究项目和现场测试连接的技术已经在一些国家或地区实施多年，对LTE V2X提供一个合适的解决方案是非常必要的，这可以满足市场需要并且促进发展的基于LTE-V2X通信相关的行业。
2016年7月，NGMN与汽车行业合作，成立NGMN V2X工作组，推广运营商对LTE-based V2X和DSRC的看法，并分享试验结果，以缩短LTE V2X[12]的上市时间。2016年9月，5GAA成立，旨在促进通信解决方案，以支持互联移动、道路安全应用、泛在接入和集成到智能城市和智能交通。信息通信技术的重点可能会通过基于LTE V2X和5G-NR的解决方案[13]实现。
2015年5月，工业和信息化部制定了《中国制造2025》智能互联汽车国家战略。智能辅助驾驶和自动驾驶的整体技术和关键技术将分别在2020年和2025年得到发展和验证。LTE-V[5](即LTE V2X)的解决方案是支持这种愿景的关键技术。中国通信标准协会(CCSA)根据中国国情，制定了一系列基于LTE的车载通信行业标准。需求、体系结构标准、频谱的研究已于2016年完成，完成空口标准将于2017年完成。
为了加快LTE V2X网络和终端的原型的研究和开发，以及实验室测试和现场测试，2016年11月，中国工信部分配20 MHz (5905-5925MHz)的频率促进LTE V2X的直连通信的试验，包括不同的应用程序之间的功能测试和兼容性测试。LTE V2X系统性解决方案将在选定的六个试点地区进行验证：北京、上海、杭州、重庆、长春和武汉。
在频谱分配和试点地区选择的刺激下，通信行业推出了预商用产品。根据最新的3GPP LTE V2V标准，2016年11月，大唐电信集团推出了首款基于自有芯片组解决方案的LTE V2X预商用产品。OBU和RSU的预商用产品如图5所示。华为和其他公司从2016年开始提供预商业产品。ITC产业和汽车行业的 更广阔的LTE V2X生态系统和价值链将会被升级到一个跨行业合作的新阶段。
5G V2X的未来研究方向和结论
V2X可以用来提高道路安全，交通效率，以及信息娱乐服务的可用性。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。3GPP积极开展LTE V2X标准化工作，为受益于LTE系统全球部署和快速商业化的V2X通信提供解决方案。
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，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。
本文综述了3GPP中LTE V2X标准的最新进展。分析了eV2X的服务和可能的5G解决方案。介绍了LTE V2X的实现，以及行业联盟的最新进展、样机的研发和典型的现场测试。基于LTE V2X和新兴的5G-NR V2X的演进过程，通过跨行业协作的联合创新，实现全自动化驾驶和未来汽车服务。
鸣谢 参考文献 作者介绍 略
