0 引言

    車聯網的提出和發展可以有效緩解或解決由于車輛快速增長而帶來的各種問題，并有可能徹底改變人們未來的出行模式，大大提升道路交通網絡的運輸效率、安全水平、智能化水平及環保水平，對支撐汽車產業升級轉型具有重要意義。車聯網是以車內網、車際網和車載移動互聯網為基礎，按照約定的通信協議和數據交互標準，在V2X（Vehicle to Everything）之間進行無線通信和信息交換的大系統網絡，是能夠實現智能化交通管理、智能動態信息服務和車輛智能化控制的一體化網絡。

1 LTE-V標準進展及業務需求

    國際上車聯網標準包括兩大通信陣營，一種是DSRC(Dedicated Short Range Communications)方案，作為WiFi的升級版技術。美國在1998年將5 850~5 925 MHz用于DSRC無線電服務，也是多數企業普遍采用的標準。另外一種是以LTE為基礎的車聯網專用的LTE-V方案，實現車輛與周邊環境節點低時延、高可靠的直接通信，滿足行車安全需求。

    3GPP標準進展如圖1所示，2015年12月，3GPP RAN啟動LTE-V的第1個工作項目，主要完成基于LTE PC5接口的V2V（PC5-based V2V）的標準化工作。2016年6月，3GPP RAN 啟動第2個LTE-V工作，主要完成基于Uu接口的LTE-V，以及其他第1階段遺留的標準化工作。2017年3月，3GPP RAN 啟動基于Rel-14 LTE-V的增強（Rel-15）的標準化工作，截止到2018年6月完成了LTE-V R15標準制定，同時6月份正式將eV2X列為R16標準化研究內容。5G eV2X可為自動駕駛汽車提供更多的無線通信功能以支持多種前沿用例，如車輛間高吞吐量傳感器數據及地圖共享，將車輛攝像頭捕捉到的信息流傳輸至其他車輛以實現“透視”功能，或實現寬帶測距以改善定位服務。3GPP主張未來5G eV2X是LTE-V的一個補充，而不是后向兼容。

    目前主要產品形態還是基于R14，在R14 中針對LTE-V定義了三類業務場景，分別是安全應用場景、交通效率提升應用場景、信息娛樂服務場景，共計27種用例^[1]。對網絡有如下需求：

    (1)速度：支持最高相對速度為500 km/h，最高絕對速度為250 km/h；

    (2)有效通信距離：網絡能夠提供足夠的有效通信距離，以保證司機有足夠的反應時間(如4 s)；

    (3)時延：直接或通過RSU(Road Side Unit)支持V2V(Vehicle to Vehicle)/V2P(Vehicle to Pedestrian)應用的兩個UE之間的最大端到端延遲應為100 ms。支持V2I(Vehicle to Infrastructrue)應用的UE和RSU之間的最大時延應為100 ms。為了支持預碰撞檢測，支持V2V應用的兩個UE之間的最大時延不超過20 ms。對于經過3GPP網絡實體的在支持V2N(Vehicle to Network)業務的車聯網終端和應用服務器之間通信，最大端到端時延不超過1 000 ms。

    (4)消息生成周期：E-UTRAN應能夠支持RSU和終端最大10 Hz的消息發送頻率。

2 LTE-V業務特點

    LTE-V業務包括BSM(Basic Safety Message)、DENM(Decentralized Environmental Notification Message)、CAM(Cooperative Awareness Message) 3種數據包。

    (1)BSM：BSM由SAE制定。它包含關鍵車輛狀態信息，通過BSM信息可以跟蹤車輛的位置和狀態，阻止可能的碰狀。BSM周期固定為100 ms。沒有認證的BSM長度為132~300 B，具備認證的BSM為241~409 B。

    (2)DENM：DENM消息由事件觸發，在一個會話期間，DENM以一個固定周期傳輸。對于不同業務類型DENM有不同周期。DENM消息長度為200~1 200 B。

    (3)CAM：由ETSI制定，基于車輛位置改變、速度改變和方向改變，將觸發CAM消息。具體滿足以下任何一種將會產生CAM消息：

    ①當前位置和之前位置超過4 m；

    ②當前速度與之前速度差別在0.5 m/s；

    ③當前方向和之前方向超過4°。

    CAM消息周期可能是100 ms、200 ms、…、900 ms、1 000 ms。如果CAM沒有認證消息大小為92~260 B，認證的CAM消息為201~369 B。

    由于LTE-V業務數據包BSM、DENM、CAM周期性特點，如果使用常規動態調度，需要針對每個包發送SR(Service Request)信令，將會帶來大量信令開銷。針對該類業務數據包特點，適合使用SPS(Semi-Persistent Scheduling)調度，UE可以周期使用對應資源。

3 LTE-V調度分析

    基于3GPP標準，LTE-V終端可以選擇兩種接口進行V2X消息傳遞，一種是PC5接口方式，另一種是Uu方式。下文將針對兩種方式分析不同調度算法。

3.1 PC5接口調度方式

    LTE-V PC5方式發送數據信道包括PSCCH 和PSSCH，其中PSCCH 傳送的是SA(Scheduling Assignment)信息，PSSCH傳送的是用戶數據信息。數據資源池和SA資源池是一一對應的關系，每個數據傳輸都由一個SA調度，解出的SA信息指示數據傳輸資源的時頻位置信息。資源池的分布方式有兩種^[2]：(1)數據資源與SA資源相鄰，如圖2所示，這樣可以降低帶內輻射，為降低用戶間干擾，只需要對用戶在頻帶上所占資源的兩側進行功率回退即可；(2)數據資源與SA資源不相鄰，如圖3所示，這種資源分布的優勢是由于SA所在資源池較小，有利于SA的盲檢測，方便進一步檢測到數據資源。無論哪種分布方式，SA與對應的數據資源相比總處于較低的子信道上，用戶總是選擇整數倍的相鄰子信道進行發送。在資源調度上，PC5接口方式下LTE-V有Mode 3和Mode 4兩種資源調度模式，即基站調度模式或自主選擇模式，同時為減少空口信令開銷，采用預約的SPS半靜態資源調度方式，以提高資源利用率和通信可靠性。一個終端在同一個時刻只能在基站調度模式或自主選擇模式中選取一種，不能同時存在，并且Mode 3和Mode4的資源池是相互獨立的。Uu方式下，采用SPS增強調度方式，針對傳統LTE網絡SPS調度方式進行了增強。

    (1)Mode3調度方式

類似于LTE調度，UE在連接態下，首先向基站發送SR資源調度請求，基站根據用戶位置以及資源利用情況通過DCI format 5A調度發送端UE發送PSCCH及PSSCH。該方式終端在基站覆蓋范圍內，通過在LTE授權頻譜移動網絡發送調度信令用于調度LTE-V專用頻譜5.9G上的V2X傳輸，因此需要移動網絡及時掌握5.9G網絡資源使用情況。Mode3調度方式完全由基站調度，當車輛較多，PC5資源緊張時，基站可以選擇為其中某些車輛優先分配資源，而為其他車輛分配較少甚至不分配資源，如圖4所示。

    (2)Mode4調度方式

    Mode4調度方式是終端自主選擇方式，資源的選擇采用Sensing+SPS 的策略。由于LTE-V業務數據包隨時可能發生，終端用戶始終在1 000 ms的窗口內進行Sensing，在需要進行數據業務發送時進行資源選擇，流程如圖5所示，資源選擇窗口如圖6所示。

    ①標記所有可用資源：根據上層業務需求，終端在【m+T₁，m+T₂】(R14標準限定T₁≤4 ms，20 ms≤T₂<100 ms)資源選擇窗口內進行資源選擇，標記該窗口內所有資源均為可用資源^[3-5]。

    ②排除其他終端使用的資源：在資源選擇窗口內進行RSRP測量，超出門限的資源排除。其中門限值取決于要發送TB的優先級和解到其他終端SA的優先級，參考圖7共計64個門限。如果可用資源比例低于20%，門限自動提升3 dB，重新進行判斷。

    ③確定候選資源：為了避免出現RSRP測量不準，在步驟②可用資源基礎上再進行RSSI測量，將功率進行排序，選擇功率最低的20%資源。

    ④針對步驟③所選資源隨機選擇。

    資源選擇后將基于SPS調度方式進行數據包傳輸，Mode4調度方式完全由終端自主選擇和管理資源，沒有網絡設備參與，相比Mode3調度方式降低資源調度處理時延。

3.2 Uu調度方式

    傳統LTE方式下，VOLTE一般使用SPS調度方法“一次分配，多次使用”。LTE-V與VOLTE最大區別是車輛可能同時進行多項周期不同的業務。因此，在3GPP中針對Uu口調度最多可配置8個不同參數的SPS配置，所有SPS配置的激活、釋放和資源調度可通過UL-SPS-V-RNTI加擾的PDCCH進行指示^[5-6]。

    SPS流程包括4個步驟：(1)SPS參數配置；(2)激活SPS；(3)傳輸SPS；(4)釋放SPS。

3.2.1 SPS參數配置

    相比傳統LTE SPS，新增UE AssistenceInformation 用于UE向網絡上報V2X通信的SPS輔助信息。例如，當預估的周期改變或數據包到達的時間偏移改變等場景。eNB可以基于UE上報的SPS輔助信息為UE進行SPS配置。

    SPS參數通過IE：SPS-Config進行配置，主要參數包括：

    (1)semiPersistSchedlntervalUL:表示上行鏈路中，半靜態調度間隔的子幀數量。取值范圍為sf10、sf20、sf32、sf40、sf64、sf80、sf128、sf160、sf320等，分別對應10個子幀、20個子幀、32個子幀、40個子幀、64個子幀、80個子幀、128個子幀、160個子幀、320個子幀等；

    (2)sps-ConfigIndex：多個UL SPS配置中的某個SPS配置索引；

    (3)sps-ConfigUL-ToAddModList：表示要添加或修改的上行SPS配置，由sps-configindex標識；

    (4)sps-ConfigUL-ToReleaseList：表示要釋放的上行SPS配置，由sps-configindex標識。

3.2.2 激活SPS

    UE配置了SPS后，仍然不能使用SPS調度算法。只有接收到使用UL-V-SPS-RNTI加擾的DCI 0，驗證成功，可以作為一個有效的SPS激活，如表1所示。

3.2.3 傳輸SPS

    SPS激活之后，V2X傳輸SPS與傳統傳輸SPS方法一致，在滿足下面公式的子幀中被分配SPS上行資源：

其中，SFN_{start time}和subframe_{start time}為UE接收到指示上行SPS激活的PDCCH所指定的將用來發送上行數據的系統幀號和子幀號。

    當終端有上行數據需要傳輸，UE首先檢測DCI 0加擾的PDCCH，按照PDCCH中指示的MCS進行傳輸。

3.2.4 釋放SPS

    V2X釋放SPS的方式與LTE類似，包含3種：

    (1)接收到使用UL-V-SPS-RNTI加擾的DCI 0，驗證成功，可以作為一個有效的SPS釋放，如表2所示。

    (2)終端接收到RRC消息中SPS-ConfigUL配置成release時，終端會釋放對應的SPS。

    (3)如果UE在分配的上行SPS資源上，連續implicitReleaseAfter次發送的MAC PDU不包含MAC SDU，則會自動釋放上行SPS并清除配置的UL grant。這種方式主要是為了避免UE沒有收到指示上行SPS釋放的PDCCH，而一直發送上行包。

    由于LTE-V支持最多8個不同參數的SPS配置，所有SPS配置可以同時被激活，因此存在多個UL SPS進程之間出現資源碰撞，需要通過合理方案避免碰撞的發生。

4 結論

    本文介紹了LTE-V標準發展和業務需求，基于LTE-V業務特點，重點分析PC5和Uu調度算法。針對PC5介紹了Mode3和Mode4調度算法及優缺點：Mode3方式需要通過移動網絡分配LTE-V終端在5.9G網絡資源，雖然增加了調度的復雜度，但是可以針對不同車輛進行資源優化分配。Mode4方式完全由終端自主選擇資源，縮短調度處理時延。Uu調度算法是在傳統LTE SPS調度上進行了增強，同時可以支持8個不同SPS配置，提高調度效率，降低LTE-V調度時延。隨著未來LTE-V應用場景的增加，基于不同的網絡部署方式，在保證LTE-V業務時延、安全性前提下，可以選擇不同調度算法。

參考文獻

[1] 3GPP TR22.885.Study on LTE support for Vehicle to Everything(V2X) services[S].2018.

[2] 拉里佩.車聯網關鍵技術及演進方案研究[OL].(2017-10-27)[2019-08-01].http：//www.360doc.com/content/17/1027/00/30375878_698434812.shtml.

[3] 3GPP TS 36.211(Release 14).Evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA)；physical channels and modulation[S].2018.

[4] 3GPP TS 36.213(Release 14).Evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA)；physical layer procedures[S].2018.

[5] 3GPP TS 36.321(Release 14).Evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA)；medium access control(MAC) protocol specification[S].2018.

[6] 3GPP TS 36.331(Release 14).Evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA)；radio resource control(RRC) protocol specification[S].2018.

作者信息:

李艷芬，朱雪田

(中國電信股份有限公司智能網絡與終端研究院，北京102209)