原标题：【2021 · 车联网专题】蜂窝车联网（C-V2X）演进技术研究

　　【摘 要】车联网是实现智能交通和自动驾驶的重要技术之一，蜂窝车联网（C-V2X）作为当前全球车联网的主要候选技术，目前正处于NR-V2X增强研究阶段。首先基于C-V2X在3GPP的标准化研究进展，引出了NR-V2X增强阶段的研究背景，进而针对NR-V2X增强阶段的技术需求，重点阐述了直通链路终端节电机制和直通链路终端间协调机制的主要技术特性和技术方案，最后展望了NR-V2X后续技术演进方向。

　　蜂窝车联网（C-V2X, Cellular-V2X）作为融合蜂窝网通信和终端直通通信的新一代车联网技术 [2] ，在3GPP（3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划）标准化发展过程中包括了两个阶段：基于LTE（Long Term Evolution，长期演进）技术的蜂窝车联网（LTE-V2X）和基于5G NR（New Radio，新空口）技术的蜂窝车联网（NR-V2X） [3] 。图1给出了C-V2X标准的演进过程。其中，LTE-V2X主要面向基本道路安全类业务和交通效率类业务，引入了基于PC5接口的终端直通链路（SL, Sidelink）通信方式，以支持低时延高可靠的直通通信，相关协议的制定已于2018年完成 [4] 。NR-V2X主要面向传感器共享、车辆编队、增强自动驾驶等V2X增强应用，基于5G NR空口设计，引入了直通链路单播、组播通信模式以及基于混合自动重传（HARQ, Hybrid Automatic Repeat reQuest）的反馈机制 [5] ，并于2020年6月完成了首个版本Release 16（Rel-16）的协议制定 [6] 。为进一步实现NR-V2X支持更复杂应用场景和满足更高可靠性的需求，Rel-17 NR-V2X增强阶段主要考虑在以下两个方面进行技术演进 [7] 。

　　（1）Rel-16版本未考虑行人等无持续电源供给的终端，例如弱势交通参与者设备（VRU, Vulnerable Road User）。为保证具有节电需求的终端参与通信时的性能，Rel-17 NR-V2X增强阶段对终端的节电机制进行了研究，使其能够以省电的方式执行直通链路操作。

　　（2）先前版本主要基于发送端的感知结果进行资源选择，并未考虑收发两端感知信息的交互。为进一步提高直通通信的可靠性，Rel-17 NR-V2X增强阶段对终端间协调（Inter-UE coordination）机制进行了研究，旨在满足V2X增强应用严苛的传输性能需求。

　　本文将针对上述演进方向，详细介绍NR-V2X增强阶段的关键技术，包括直通链路终端节电机制和终端间协调机制，并对NR-V2X技术的后续演进方向进行展望。

　　Rel-16 NR-V2X的设计基于终端持续工作的场景，例如车载终端（OBU, On Board Unit）和路侧设备（RSU, Road Side Unit）可以分别通过车辆和路侧设施获得持续的能量供给。然而对于能量持续供给受限的终端，例如依靠电池工作的VRU，如果采用与Rel-16相同的信道感知和数据包接收机制，则可能导致终端无法进行长时间工作。因此，如何在保证可靠工作的同时节省终端的能耗，以延长终端的工作时间，是NR-V2X增强阶段的核心研究内容之一。

　　根据NR-V2X通信机制的设计，终端的能量消耗主要集中在信道感知、数据发送以及数据接收等环节。因此，NR-V2X增强阶段对于终端节电机制的研究主要包括节电模式UE（例如VRU设备）的部分感知（Partial sensing）机制和直通链路非连续接收（DRX, Discontinuous Reception）机制 [7] 。

　　考虑到行人手持终端（PUE, Pedestrian UE，VRU的一种形态）持续进行信道感知带来的功耗问题，3GPP在LTE-V2X标准设计时引入了部分感知机制。执行部分感知的PUE根据高层配置的最小候选子帧个数Ymin，在资源选择窗中自主确定Y个候选子帧的位置（Y≥Ymin）。通过监听

　　上的可用资源。其中k值的集合由高层参数确定，在SL通信不与上下行传输共载波的情况下，Pstep取值为100 ms。LTE-V2X的Partial sensing机制如图2所示：

　　LTE-V2X支持的典型业务为周期性业务，因此仅设计了周期性部分感知机制。而在NR-V2X中，由于额外引入了非周期性业务，节电模式UE对于资源池中的周期性资源预留和非周期性资源预留都需要进行监听。为在节省功耗的同时保证业务的传输性能，3GPP在NR-V2X增强阶段对LTE-V2X中的周期性部分感知机制进行了改进，并额外引入了连续部分感知机制。

　　针对V2X增强应用更复杂的业务类型，NR-V2X增强阶段主要对部分感知时机的确定方式进行了改进，使其配置更加灵活。对于资源选择窗中的Y个候选时隙，UE通过监听

　　上的可用资源。其中Preserve对应于资源池中支持的所有或部分周期，k可以对应于最近的一次（默认设置）或多于一次的感知时机。NR-V2X的周期性部分感知机制如图3所示，其中ty0表示Y个候选时隙中的第一个时隙。

　　为进一步提升信道感知的可靠性，在NR-V2X增强阶段还设计了连续部分感知机制。节电模式UE需要在一段连续的部分感知时机上持续进行信道监听，根据其它UE的资源预留情况进行候选资源的排除，进而确定选择窗口中相应候选时隙上的资源是否可用。NR-V2X的连续部分感知机制如图4所示。

　　结合上述两种NR-V2X部分感知机制，节电模式UE可以高效地对资源池中的资源预留情况进行监听，从而在不牺牲业务传输可靠性的基础上，满足节电模式UE的节电需求。目前，根据多家公司在3GPP提交的系统级仿真结果，与执行持续感知（full sensing）的UE相比，采用部分感知机制的UE的传输可靠性没有出现明显下降 [8-10] ，同时能量消耗得到了明显改善，可以降低90%以上 [11] 。

　　为解决UE持续执行信道监听带来的耗电问题，LTE蜂窝移动通信系统在Uu接口引入了DRX机制。UE通过周期性地对控制信道进行监听，可以达到节电的目的。然而，在LTE-V2X的设计过程中，由于假设PUE没有接收需求，并未在PC5接口引入DRX机制。在NR-V2X增强阶段，考虑到NR-V2X多样化的应用场景，节电模式UE不仅有发送需求，同样也有接收需求。为了减少节电模式UE执行接收操作时产生的功耗，在NR-V2X增强阶段为PC5接口引入了DRX机制。

　　虽然SL DRX可以通过减少UE监听SCI的时间的方式实现终端节电，但同时也会对UE的感知和资源选择机制造成一定影响。例如，如果接收UE采用了DRX机制，发送UE在进行资源选择时除了考虑信道占用情况，还需要考虑接收UE的DRX配置，保证接收UE可以在DRX Active Time内成功监听到SCI。因此，对于配置了SL DRX的UE，还需要进一步考虑感知和资源选择机制的增强。

　　在分布式资源分配机制中，终端基于信道感知结果进行资源排除和资源选择，从而达到减少资源碰撞，提高可靠性的目的。然而考虑到V2X实际部署场景的多样性和复杂性，隐藏节点和半双工等问题会直接降低通信的可靠性。

　　在实际通信系统中，遮挡或者通信距离的限制会导致终端的感知范围受限。如图6所示，UE-B和UE-C无法互相感知，因此两者在选择资源时可能发生资源碰撞，导致UE-A无法成功解码两者的信息。

　　当前直通链路双工模式为半双工，即终端在同一信道上无法同时执行发送和接收。如图7所示，如果UE-A和UE-B选择相同时刻的发送资源，则会导致UE-A和UE-B因为半双工问题无法确保两者之间的信息传输。

　　为解决上述问题带来的传输性能损失，提升NR-V2X在复杂场景应用的可靠性，基于现有分布式资源分配机制，3GPP在NR-V2X增强阶段引入了终端间协调机制 [6] 。

　　终端间协调机制在传统的自主式资源选择机制的基础上增加了终端间感知结果交互的过程，根据协调信息的差异，设计了两种方案：方案1中，协调UE向被协调UE发送感知到的资源集合信息；方案2中，协调UE向被协调UE发送资源碰撞指示信息。

　　在触发资源选择或者资源重选之后，被协调UE（UE-B）首先向协调UE（UE-A）发送协调请求信息，可以包括优先级、子信道个数、剩余业务包传输时延预算等；UE-A在接收到该请求信息后，确定并反馈协调信息给UE-B；然后UE-B基于协调信息进行资源选择。处理流程如图8所示。

　　方案1中的协调信息为资源集合，可以为期望使用的资源集合（Preferred resource set）或非期望使用的资源集合（Non-preferred resource set）。例如，UE-A为了避免半双工的影响可以将自身待发送时隙上的资源设置为非期望使用的资源集合；为了避免隐藏节点的影响可以将空闲资源或者干扰较小的资源设置为期望使用的资源集合。

　　UE-B在接收到协调信息后，可以基于自身的感知结果和协调信息确定最终的可用资源集合。例如可以将接收到的非期望使用的资源集合从候选资源集合中排除，从而确定可用资源集合，或者将自身感知到的可用资源集合和期望使用的资源集合的交集设为最终的可用资源集合。此外，对于有节电需求的终端，可以选择不进行信道感知而直接从期望使用的资源集合中选择传输资源，从而降低能耗。

　　不同于方案1中直接指示资源集合的方式，方案2采用隐式指示的方式：协调UE（UE-A）针对被协调UE（UE-B）的SCI预约的资源进行碰撞检测，如果发现UE-B预约的资源出现资源碰撞，则将资源碰撞指示（Resource conflict indication）作为协调信息反馈给UE-B，进而触发UE-B的资源重选。处理流程如图9所示。

　　在标准讨论过程中，提出了两类资源碰撞类型：检测到的资源碰撞（Detected resource conflict）和潜在资源碰撞（Expected/potential resource conflict）。如图10所示，UE-A可以通过解码UE-B和UE-C的SCI，判断UE-B和UE-C的当前传输存在检测到的资源碰撞。此外，UE-A可以通过解码UE-B的SCI，判断UE-B预约的传输资源和自身所选资源存在潜在资源碰撞。然而，考虑到NR-V2X中的HARQ反馈机制已经可以有效解决检测到的资源碰撞，终端间协调机制在该场景中带来的增益有限，因此当前在方案2中仅支持潜在资源碰撞。

　　综上所述，方案1中，虽然指示资源集合的开销比较大，但是协调UE可以提供更完整的感知信息。方案2中，协调UE仅提供碰撞指示信息，被协调UE并不能获取协调UE的感知信息，但是相比于方案1，协调信息的信令开销会相对较小。目前，多家公司在3GPP提交的仿真结果也已经证明，终端间协调机制在多种场景、多种业务类型下均可以带来系统可靠性的增益 [12] 。其中在单播场景下，周期性业务数据包接收成功率的增益可以达到5%左右 [13] 。因此，引入终端间协调机制，可以有效地缓解隐藏节点和半双工机制带来的问题。

　　NR-V2X增强阶段的设计可以降低设备功耗并提升系统可靠性。随着通信技术的演进，后续NR-V2X还可考虑对以下几个技术方向进行研究。

　　车辆的高精度定位是实现智慧交通和自动驾驶等应用的必要条件，对定位准确性和覆盖完整性提出了更高要求。3GPP在Rel-17已经完成了包含V2X场景在内的覆盖内、部分覆盖和覆盖外定位场景与需求的研究课题 [14] 。考虑到直通通信不受蜂窝网络和全球导航卫星系统覆盖限制，其与定位技术的结合预期可支持车联网的全场景定位。因此，NR-V2X的后续演进潜在包括直通链路定位技术的研究和标准化，主要考虑针对以下技术问题开展工作 [15] ：

　　1）现有智能交通系统（ITS, Intelligent Trans-portation System）专用频段的频谱资源受限，需要对候选频段以及适用性技术进行研究。

　　2）面向V2X的直通链路定位对定位时延和精度均有较高要求，需要考虑定位参考信号的设计、直通链路定位过程设计、资源分配增强、测量以及信令设计等 [16] 。

　　随着NR-V2X支持的场景不断丰富，V2X业务对于高数据速率和高可靠性的需求也将持续提升，同时考虑全球不同地区频谱规划情况存在差异，NR-V2X技术演进需要考虑多载波机制和高频段通信等支持更大带宽的直通链路增强技术。

　　目前全球ITS专用频谱分配情况已经逐渐清晰。国内，工信部已于2018年为LTE-V2X直通通信分配了20 MHz（5 905—5 925 MHz）频谱资源 [17] 。国外，美国、欧洲等多个国家或地区也已明确ITS专用频谱。由于V2X频谱资源通常被划分为多个载波，如果C-V2X业务需要充分利用可用频段上的频谱资源，则需要基于载波聚合技术来实现。另一方面，为进一步提升V2X业务的传输性能，还可通过多载波重复传输技术来提升业务传输的可靠性。

　　由于当前低频段的频谱划分已经基本固定且带宽资源比较受限，利用带宽范围更广的高频段进行直通通信是满足NR-V2X高数据速率需求的有效解决方案。目前，FR2频段（24.25—71 GHz）上的直通通信机制仅定义了相位参考符号等部分内容，对于实现FR2频段上高效通信的波束管理等机制还未进行系统的研究和定义。因此，为实现高频段上直通通信的更好性能，还需要对FR2频段上的直通通信机制进行进一步的研究和增强。

　　考虑到中、美等国家或地区的频谱规划和分配现状，为有效解决当前ITS频谱资源受限的问题，保证C-V2X技术在平滑演进的同时，实现LTE-V2X和NR-V2X的长期共存，后续需要进一步展开共存相关技术的研究，例如同信道共存技术或其它潜在的共存增强技术。

　　目前直通链路中继技术的研究主要专注于UE到网络（UE-to-NW）的中继方式 [18] ，远端UE可以通过处于网络覆盖内的UE-to-NW中继节点与网络进行通信，这种方式可以有效提升网络的覆盖范围，增强网络服务的连续性 [19] 。然而，考虑到V2X通信中存在网络无法覆盖的场景，并且收发两端UE也可能具有通信的需求，为提升直通通信的可靠性和连续性，UE到UE（UE-to-UE）的中继方式将是NR-V2X技术演进需要考虑的方向之一。

　　本文针对蜂窝车联网演进过程中面临的低功耗和高可靠性等通信需求，对目前NR-V2X增强阶段主要研究的直通链路终端节电机制及直通链路终端间协调机制进行了详细介绍及分析，并展望了NR-V2X后续技术演进方向。蜂窝车联网（C-V2X）技术标准的演进将持续推动国内外车联网产业化进程，有效使能智能交通和自动驾驶。

　　王亚坤：硕士，现任电信科学技术研究院有限公司、大唐高鸿数据网络技术股份有限公司智能网联产品事业部标准研究工程师，研究方向为车联网无线通信技术等。

　　习一凡：硕士，现任电信科学技术研究院有限公司、大唐高鸿数据网络技术股份有限公司智能网联产品事业部标准研究工程师，研究方向为车联网无线通信技术等。

　　《移动通信》杂志由中国电子科技集团公司主管，中国电子科技集团公司第七研究所主办，是中国科技核心期刊、中国期刊方阵“双效期刊”、工业和信息化部精品电子期刊、广东省优秀期刊、中国科技论文统计源刊。国内连续出版物号：CN44-1301/TN，国际连续出版物号：ISSN1006-1010，邮发代号：46-181。返回搜狐，查看更多