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摘要：C-V2X是自动驾驶和智能交通系统的关键通信技术，具有低延迟、高可靠性、高吞吐量的优点。本文首先给出了C-V2X协议栈架构与技术演进路径；其次，详细解析了LTE-V2X与NR-V2X标准的接入层原理机制；最后分别梳理出了LTEV2X与NR-V2X的系统架构及其网络部署形式。
关键词：车联网；C-V2X；LTE-V2X；NR-V2X；网络部署
Research on C-V2X Key Technology and System Architecture
ZHANG Qiang1,ZHAO Yichen2,JIANG Meixia1
(1.Department of Information Engineering,Sichuan Vocational and Technical College of Communications,Chengdu Sichuan 611130;2.School of Physics and Engineering Technology,Chengdu Normal University,Chengdu Sichuan 611130)
【Abstract】：C-V2X is a key communication technology for autonomous driving and intelligent transportation systems,with the advantages of low latency,high reliability,and high throughput.This article fi rst gives the C-V2X protocol stack architecture and technological evolution path;secondly,it analyzes the access layer principle and mechanism of the LTE-V2X and NR-V2X standards in detail,and finally gives the LTE-V2X and NR-V2X systems respectively Architecture and its network deployment form.
【Key words】：internet of vehicles;C-V2X;LTE-V2X;NR-V2X;network deployment
0引言
C-V2X（Cellular Vehicle-to-Everything）是自动驾驶和智能交通系统的关键通信技术，具有低延迟、高可靠性、高吞吐量的优点。C-V2X于2013年由中国大唐电信提出，由于其充分运用了4G/5G网络的固有优点，能更简便、更好地支持V2N应用场景，同时又拓展了短距离直连通信接口以支持V2V、V2I与V2P业务，发展潜力巨大，得到了我国的重点支持。
1 C-V2X协议栈
C-V2X协议栈同样参考了OSI模型，由接入层、网络层、应用层等组成[1]，如图1所示。其中，接入层支持Uu（蜂窝通信接口）和PC5（直连通信接口）两种接口类型，包含PHY、MAC、RLC（Radio Link Control，无线链路控制）、PDCP（Packet Data Convergence Protocol，分组数据汇聚协议）、RRC（Radio Resource Control，无线资源控制）、SDAP（Service Data Adaptation Protocol，服务数据适配协议）等子层。网络层包括数据子层与管理子层，其中数据子层主要由适配层、IPv6、TCP/UDP以及DSMP（Dedicated Short Message Protocol，专用短消息协议）组成；管理子层主要完成系统配置及维护等功能。DME（Dedicated Management Entity，专用管理实体）作为管理子层的核心，集合了通用的管理业务，为所有数据子层实体提供管理接口，并使用数据子层提供的服务在不同设备间传递管理数据流。应用层含消息子层与用户应用。消息子层完成与应用层的交互接口，同时定义了5种基本消息体及其内部元素组成，分别为BSM（基本安全消息）、RSM（路侧单元消息）、MAP（地图消息）、SPAT（信号灯相位与配时消息）与RSI（路侧交通消息）。用户应用由车联网应用程序构成，如车辆编队、地图更新等。
2 技术演进路线
目前C-V2X有LTE-V2X与NR-V2X两种类型，推出了三个技术标准[2]，如图2所示。首先，3GPP于2017年发布了基于LTE网络的Rel-14版本，主要面向7个典型的基本V2X应用场景，如道路安全、交通效率等。接着在2018年发布了Rel-15版本，用于增强型的应用，如车辆编队等；随着移动网络已演进到5G时代，3GPP于2019年发布了5G NR-V2X的Rel-16版本，用于协作自动驾驶等；Rel-17版本预计2021年发布。
为保证C-V2X的平滑演进，新制定的标准均能向后兼容，关键指标对比如表1所示。
3 LTE-V2X技术解析
按照3GPP规定，PC5接口处于B47频段，频谱范围为：5855～5925MHz。信道带宽方面，Uu接口支持1.4MHz～20MHz等6种可变带宽，PC5接口只支持10MHz或20MHz两种。
3.1物理层
LTE-V2X Uu接口支持FDD（频分双工）或TDD（时分双工）制式，PC5接口只支持半双工制式。
LTE-V2X将可用的时频资源组合成资源池。频域资源按照颗粒大小分为：子信道、RB（资源块）、子载波[3]。物理信道在频域中被划分为若干子信道（≥4个连续RB集合，其大小取决于预配置）与最多110个RB，每个RB含12个子载波，子载波间隔为15KHz。时域资源方面，无线帧结构由帧（frame）、子帧（subframe）、时隙（slot）、子时隙（subslot）构成。每个帧持续时间为10ms，并且包含10个1ms子帧，子帧进一步细分为0.5ms的时隙。每个时隙包含7个SC-FDMA（单载波频分多址）符号，子时隙包含2～3个SC-FDMA符号。每个符号周期达71.4us，远大于802.11p/bd，可大幅提升抗多径衰落的能力，减少符号间干扰。
MCS方面，Uu上行与PC5采用SC-FDMA技术，具有更好的功率效益，Uu下行采用OFDM技术。其支持BPSK、QPSK、16QAM与64QAM等多种调制方式，并采用先进的Turbo信道编码[4]。此外，LTE-V2X还支持4×4MIMO技术与多载波工作模式，以提升吞吐量。
信道估计与同步方面[5]，LTE-V2X通过在子帧不同位置中插入DMRS，可以大大提高时变信道估计精度，其DMRS子帧结构如图3所示。
V2X设备可以通过四种同步源来产生自身同步：GNSS（卫星定位授时）、基站、参考站（发射同步信号的用户设备）、内部时钟，其中GNSS与基站同步精度最高。参考站发出的同步信号有两种：主同步信号与辅助同步信号，同步周期为160ms，LTE-V2X同步子帧结构如图4所示。
3.2 MAC层
资源分配、感知和选择以子信道为单位执行[6-7]。PC5接口支持两种资源分配模式：基站集中调度式（Mode-3）和用户设备自主式（Mode-4），Uu接口主要采用集中式调度。
Mode-3模式下，基站根据用户设备的业务类型选择集中式SPS（半持久性调度）或者动态调度。SPS调度适合周期性的基本安全业务传输，而动态调度适合事件触发消息的传输。允许基站同时为用户设备预设最多8个SPS配置，以减少基站的调度开销，且每种配置可提供不同的传输周期。
Mode-4模式主要采用基于感知的半持久性调度（SB-SPS），V2X设备会持续感知资源池中各时频资源的使用情况。在资源选择操作被触发时，V2X设备会维持一个移动感知窗口（截止到触发时刻），时间宽度为1000ms。设备在移动感知窗口内通过测量子帧的RSRP（参考信号接收功率），然后在资源选择窗口（100ms内）中筛选出RSRP值低于感知阈值的资源，用于传输。该阈值由业务的优先级确定，即高优先级业务设备可以抢占低优先级业务设备已占用的资源。在特定次数的周期性传输后或者有事件触发资源重选时，用户设备将释放该资源的占用。
此外，LTE-V2X还支持集中式和分布式相结合的拥塞控制机制，这种机制可以显著提升高密度场景下接入系统的用户数。
4 NR-V2X技术解析
NR-V2X在频谱分布方面做了一些调整[8]：PC5接口支持两个频段n38（2570～2620MHz）与n47（5855～5925MHz）。信道带宽方面，Uu接口支持5～100MHz等13种可变带宽，PC5接口则支持5MHz、10MHz、15MHz、20MHz、30MHz、40MHz等6种。
4.1物理层
资源池频域方面，NR-V2X支持15KHz、30KHz、60KHz、120KHz等4种子载波间隔，并且物理信道同样被划分为若干子信道[9]。每个子信道包含10个RB，每个RB含12个子载波。时域方面，无线帧结构由帧、子帧、时隙、OFDM符号等组成。每帧（持续时间10ms）包括10个子帧（持续时间1ms）。每个子帧根据子载波间隔配置不同，分为1（15KHz间隔）、2、4、8个时隙。1个时隙含14个OFDM符号。
MCS方面，Uu与PC5接口均采用OFDM技术，在LTE-V2X基础上新增支持256-QAM调制方式，提升了通信速率。其次，采用LDPC（低密度奇偶校验码）信道编码。此外，NR-V2X升级支持8×8 MIMO技术，包括单用户MIMO与多用户MIMO两种制式。
信道估计与同步方面[10]，NR-V2X同样采用基于参考信号（DMRS）的估计方法，只是NR-V2X以时隙为单位传输，图5展示了两种含DMRS的时隙格式。NR-V2X与LTE-V2X同步机制基本一致，同步周期为160ms，不过主、辅同步信号在时隙中构成不同，且同步信号占用子载波数量不同，具体如图6所示。
4.2 MAC层
与LTE-V2X只支持广播不同，NR-V2X支持广播、单播与组播等通信制式。其次，PC5接口同样支持两种资源分配模式：Mode-1和Mode-2，分别对应LTE-V2X的Mode-3与Mode-4。Uu接口仍采用集中式调度[11-13]。
Mode-1模式下，基站针对周期消息采用集中式SPS调度方法；非周期消息，采用动态调度。
Mode-2在Mode-4基础上做了一定改进，主要区别如下：将感知窗口宽度改为1100ms（周期消息）与100ms（非周期消息）两种。周期消息仍采用SB-SPS调度。由于高优先级非周期消息在感知窗口结束后会延迟一段时间才传输，这段时间内可能出现资源冲突，因此在选择好待传输资源后，Mode-2新增重评估程序。重评估时会更新资源选择窗口，发现资源不可用时再重新选择合适资源。
NR-V2X也采用了与LTE-V2X相同的拥塞控制机制，主要区别是每个分组均设置了优先级。
5 C-V2X系统架构
C-V2X网络系统主要由OBU、手持设备、RSU、eNodeB（4G基站）/gNodeB（5G基站）、4G/5G核心网、Internet网、V2X应用服务器等组成，如图7所示。其中核心网主要负责处理终端设备的移动性管理、会话管理以及数据传输等功能[14-17]。4G核心网也叫EPS（演进的分组核心网），主要由MME（移动性管理实体）、S-GW（服务网关）、P-GW（外部网关）、HSS（用户归属地服务器）、PCRF（策略与计费规则单元）等网元构成。
为解决4G核心网整体式网元结构固有缺陷，5G核心网将控制平面与数据平面完全分离，各网元功能独立，使得网元的新增、升级均不会影响其他网元。5G核心网由AMF（接入及移动性管理单元）、SMF（会话管理单元）、UDM（统一数据管理单元）、UDR（统一数据存储单元）、AUSF（认证服务器）、PCF（策略控制单元）、NSSF（网络切片选择单元）、NEF（网络开放功能单元）、NRF（网络存储功能单元）、UPF（用户面功能单元）等网元构成。网络拓扑与部署示意图如图8所示。
6结语
C-V2X拓展了当前的蜂窝移动通信系统，能提供低延迟、高可靠性和高吞吐量的V2X通信。它虽然年轻且还不够成熟，但其体系架构的先进性以及对车路协同全场景的支持，使其能更好支撑自动驾驶和智能交通系统中的高级应用。目前，我国积极推进C-V2X的研究与测试，技术标准已从LTE-V2X已发展到NR-V2X。本文在综合分析大量国内外文献的基础上，较为全面地梳理出C-V2X协议栈架构与技术演进路径；其次，详细解析了LTE-V2X与NR-V2X标准的接入层原理机制；最后分别给出了LTE-V2X与NR-V2X的系统架构及其网络部署形式。
参考文献
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