1 引言

伴隨著信息技術的發展，車聯網成為繼移動互聯網后的一大熱點。2016年9月28日，主要由車企、運營商與設備商成員共40多家公司組成的5G汽車聯盟（5GAA, 5G Automotive Association）正式成立。5GAA建立目的是希望共同定義蜂窩車聯網（C-V2X，Cellular Vehicle to X）的需求，通過多行業聯合共同推動智能駕駛端到端解決方案實現，建立一個成功的車聯網生態系統，在開發、測試及促進銷售方面展開全方位合作，制定標準，加快商用化和向全球市場推廣。本文重點解析3GPP制定的基于4G/LTE的V2X標準以及開始出現的5G V2X需求。

2 V2X標準概況

在2013年初，韓國LG、美國高通在3GPP SA1提出車聯網立項的申請，隨即展開了從需求到標準制定的研究工作。同時伴隨著車聯網是信息化和工業化的深度融合，催生一系列的產業變革，這是新的發展機遇，中國通信標準化協會CCSA也積極開展LTE V2X標準制定工作，具體如圖1所示：

圖1 LTE V2X的標準概況

蜂窩車聯網從3GPP R14版本開始引入，該版本是4G技術LTE的最后一個版本，因此稱為LTE-V2X，2017年第一季度標準凍結，年中完成；中國通信標準緊跟3GPP標準進展，開展基于LTE系統的車聯網總體技術要求的研究。

LTE-eV2X將于R15的5G NR同步進行，將于2018年中左右完成。

LTE-eV2X相對LTE-V2X，主要針對編隊駕駛、增強駕駛、擴展傳感器、遙控駕駛等場景進行了技術增強。LTE-V2X和LTE-eV2X旨在滿足未來10年的車聯網需求。

當然如果有新增的應用需求無法通過V2X和eV2X解決，3GPP也會在R16階段啟動5G NR-V2X進行增強，包括終端和基站之間Uu接口的增強，終端和終端之間接口的增強等。雖然這部分工作還沒有實際開展，但從5G的性能可看出：5G NR V2X將實現更短的時延、更高的可靠性，但是不會取代LTE V2X/eV2X，而是作為補充，提供更高級的V2X服務，并支持和LTE V2X/eV2X的互操作。

3 V2X關鍵技術

眾所周知，V2X誕生前，美國已經有成熟的車聯網通信方案：基于IEEE802.11p的特定短距離通信（DSRC, Dedicated Shorted Range）方案，也是V2V的通信協議。許多車企在DSRC系統上開展了幾乎10多年的研究和測評工作，幾乎是各個車企認定車輛智能化的發展方向，但是進展并不理想。蜂窩網絡運營商期望進入車聯網的陣營，因此標準的制定是在借鑒DSRC的基礎上逐步開展的。

3.1 LTE D2D技術

縱觀3GPP的發展史，所有的通信都是經由網絡的，用戶A到用戶B的任何一條信令，信息的發送都需要先通過基站，然后進行后續節點的處理轉發等，沒有用戶A與用戶B的直接對話。但是到了車聯網，場景發生變化，需求隨著不同，如車輛的自動駕駛場景下（ 如編隊行駛、并道等），收發車輛的距離近，車與車的直聯是更好的通訊模式。因此3GPP標準體系一個全新的承載通信方式的標準產生了，即LTE D2D（Device To Device，又稱LTE Direct），該標準由美國高通公司于2011年9月在3GPPSA1提出并展開研究，后續延續到SA2以及RAN開展了一系列從需求到架構到具體信道、資源分配等的標準工作制定。

LTE D2D為車聯網的V2V通信提供了一種全新的通信方式，即基于PC5接口（車-車的接口）的直通方式。

3.2 LTEMBMS

眾所周知，ITU提出的5G白皮書提到，5G有著比4G更高的性能要求：毫秒級的時延、0.1 Gbit·s-1~1 Gbit·s-1的用戶體驗速率及每平方公里一百萬的連接數密度。隨著IPv6的部署，一個腳掌就有數十個IP地址。因此原來傳統意義的基于應答確認式的單播點對點通信方式（Unicast）已經不能滿足車聯網通信的需求，而要引入廣播多播技術（MBMS, Multi Broadcast Multi Service），以更高效地分享周邊的信息。因此可見，LTE MBMS只是車聯網的一環，是車聯網的一種使用場景。

3.3 LTE V2X

前面提到DSRC早于LTE-V十年多出現，但是并沒有贏得市場，主要原因在于車車直接通信時，擁塞、干擾和覆蓋等很多問題沒有解決。就如同兩個平級的用戶出現矛盾，沒有第三方上級來仲裁，那么兩個平級之間就會陷入僵局。LTE-V在實現直連，即車與車直接通信的時候，又利用蜂窩網絡充當起仲裁的角色，很好地解決了擁塞及干擾等問題。

以下先介紹基于PC5直連的LTE V2V關鍵技術：

（1）為V2V子幀增加了4個DMRS（DemodulaTI on Reference Signal）符號。這些符號與500 kph以下的速度和智能交通系統（ITS, Intelligent Transport Systems）頻段（主要是5.9GHz頻段）相關聯，進行高速信道追蹤，解決了高速移動導致的多普勒效應和頻率偏移帶來的問題。

（2）導入了采用半持續調度（Semi Persistent Scheduling）方式的分散型調度技術。一次無線資源分配可以使用多個子幀，減少了頻內輻射，可以優化信道的使用，提高傳輸效率。

（3）導入了新調度分配功能。這樣便可在車輛多通信節點密度更高的環境下進行恰當的數據資源處理，延遲時間也面向V2V得到改善。

（4）時鐘同步，在網絡不覆蓋的情況下，缺少同步源。V2X同時支持基站和全球導航衛星系統（GNSS）的時間同步。

（5）專業的QoS技術：V2X消息可以通過non-GBR和GBR承載傳輸：QCI 3（GBR）和QCI 79（non-GBR）可以用于V2X消息的單播傳輸，QCI 75（GBR）只能用于MBMS承載的V2X消息，通過專用的QCI極大提升了傳輸的可靠性。

通過PC5接口新增加的DMRS符號、新的信道結構以及調度分配功能，使得網絡參與到V2V的通信中，避免了干擾、擁塞等問題的出現，成為一個事實上可產業化的技術。

雖然LTE-V比DSRC起步晚，但基因好，系統設計優良，繼承移動蜂窩網的技術和運營優勢，同時有中國和歐洲政府支持，預期產業規模較大。

4 V2X系統架構

V2X通信有兩種互為獨立、相互補充的工作模式，即基于PC5直通模式的V2X通信和基于LTE-Uu的V2X通信。基于LTE-Uu的工作模式可以是單播Unicast也可以是MBMS方式。UE可以分別使用這兩種工作模式進行接收和發送。例如：一個UE可以使用MBMS組播方式接收V2X消息，但發送V2X消息不使用LTE-Uu。一個UE也可以通過LTE-Uu下行單播來接收V2X消息。基本上V2X應用服務器之間，可以相互通信以交換V2X信息。合法的偵聽行為適用于V2X業務。

4.1 基于PC5和LTE-Uu的V2X通信架構

基于PC5和LTE-Uu的V2X的通信架構如圖2所示：

圖2 基于PC5和LTE-Uu的V2X的通信架構

（1）接口網元

車聯網是移動蜂窩網絡的一個全新應用，因此涉及到的接口網元眾多，下面逐一解釋：

V1：V2X應用（內置在UE里）和V2X應用服務器之間的接口。很明顯，V1是應用層的接口，相關信息不在3GPP范圍內定義。

V2：V2X應用服務器和V2X控制功能（V2X Control Function）之間的接口。V2X應用服務器可以連接多個PLMN的V2X控制功能。

V3：UE和歸屬PLMN中的V2X控制功能之間的接口，適用于基于PC5和基于LTE-Uu的V2X通信，基于LTE-Uu的V2X通信可選支持MBMS。

V4：運營商網絡中HSS和V2X控制功能之間的接口。

V5：UE中V2X應用之間的接口。

V6：不同PLMN中的V2X控制功能間的接口（本文不涉及）。

PC5：使用V2X業務UE之間用戶面進行D2D（Device to Device）直接通信的接口。

S6a：在V2X場景下，在E-UTRAN附著過程期間，S6a接口可用于向MME可以下載V2X通信相關的簽約信息，或者當HSS中的簽約信息改變時通知MME。

S1-MME：在V2X場景下，該接口可將V2X業務授權從MME傳送到eNodeB。

LTE-Uu：UE和E-UTRAN之間的接口。

（2）功能要求

對V2X直通鏈路通信，PC5接口是無連接的。支持V2X直通鏈路通信的UE可工作于兩種資源分配模式：

1）資源調度分配（直通鏈路發送模式3），其特點是：

◆發送數據前，UE需先處于RRC_CONNECTED狀態；

◆UE從eNB請求傳輸資源，eNB調度傳輸資源給UE進行直通鏈路控制信息和數據的傳輸，并支持直通鏈路半持續調度（SPS）。

2）UE自主資源選擇（直通鏈路發送模式4），其特點是：

◆UE自主從資源池中選擇資源、執行傳輸格式選擇，發送直通鏈路控制信息和數據；

◆如果配置了地理區域和發送資源池的映射關系，則UE基于所處的地理區域選擇V2X直通鏈路發送資源池；

UE執行感知以選擇/或重新選擇資源?；诟兄Y果，UE選擇/或重新選擇一些直通鏈路資源，并預留多個直通鏈路資源。UE可最多支持2個并行而且獨立的資源預留過程，UE也可以執行單次的資源選擇。

對于V2X直通通信，切換過程中，發送資源池的配置，包括用于目標小區的異常發送資源池配置可以在切換信令中發送給UE，以減少發送中斷。

為了避免因捕獲目標小區廣播的接收資源池而帶來的V2X消息接收的中斷時間，目標小區的同步配置和接收資源池配置可在切換命令中通知給RRC_Conneted狀態的UE。對于處于空閑狀態的UE，由UE實現來最小化與捕獲目標小區SIB21相關的直通鏈路發送和接收中斷的時間。

4.2 基于MBMS LTE-Uu的V2X通信架構

基于MBMS LTE-Uu的V2X通信架構如圖3所示：

圖3 基于MBMS LTE-Uu的V2X通信架構

（1）接口

大部分接口與圖2相同，這里只描述不同的2個接口：

MB2：2X應用服務器和BM-SC之間的接口。

SGmb/SGi-mb/M1/M3:MBMS系統內的SGmb/SGi-mb/M1/M3接口。

（2）功能要求

如果UE配置了通過MBMS接收V2X應用服務器信息，則通過相應的廣播信道接收本地信息。本地信息包括本地V2X應用服務器地址信息。另外如果下行使用MBMS，本地信息還可能包括V2X應用服務器的USD（User Service Description，用戶業務描述）。

UE根據收到的信息，獲取本地V2X應用服務器地址，如果這過程中UE沒有收到USD，那么需要UE建立到V2X應用服務器的連接后獲取用戶USD信息。

因為涉及到MBMS，因此V2X服務器需要將用戶的信息映射為MBMS能識別的信息再下發，即格式的匹配，此外UE可能提供地理位置信息，V2X應用服務器通過這些信息來確定目標MBMS廣播區域的MBMS業務區域。V2X應用服務器向BM-SC（組播控制器）提供MBMS業務區域或者小區ID，以備后續LTE-Uu口的精確下發。同時為了減小時延，MBMS需要支持更短的下發/更新周期。

4.3 小結

縱觀上述的分析，車聯網對運營商來說是一個全新的網絡，需要額外增加很多接口以及網元，運營商在夯實自己基礎網絡建設的同時，要面向車企，將網絡信息更好地配合應用層的需求，實現精確有效的傳遞，這無論在投資還是在技術上，都是一大挑戰。

隨著5G的推進，會進一步加大產業的融合，提升V2X服務平臺的功能，比如現有輔助的無線技術以及調度，干擾消除等原本移動網絡的功能上移云端，同時配合5G的切片功能，運營商會單獨為車聯網提供獨立的組網，使得V2X車載終端和V2X平臺功能分別演進、各自創新及升級，加速車聯網的進一步發展。

5 總結

本文LTE V2X標準入手，詳述了標準的現狀以及可能基于5G NR演進版本的考慮。再從與DSRC的對比出發，詳述LTE V2X涉及到的關鍵技術，如LTE D2D、多播組播以及針對車聯網特點進行的基于LTE結構的技術增強。通過本文分析，可見LTE V2X技術具備卓越的性能，支持豐富的V2X業務，能面向5G演進路線以支持不斷發展的V2X需求。當前車聯網的試點逐步增加，隨著試點推行、發現問題、解決問題這個閉環的出現，相信在不久的將來，車聯網不再停留在學習、報告，而是如同互聯網一樣，給廣大用戶帶來全新的體驗。