直連通信應(yīng)用于自動(dòng)駕駛場(chǎng)景的頻譜需求研究

針對(duì)5G 新空口- 車(chē)用無(wú)線通信（NR-V2X）技術(shù)中的直連通信應(yīng)用于自動(dòng)駕駛場(chǎng)景的頻譜需求進(jìn)行研究，給出頻譜需求研究方法、假設(shè)參數(shù)和評(píng)估結(jié)果。在NR-V2X 系統(tǒng)中，使用廣播模式發(fā)送承載狀態(tài)信息和環(huán)境信息的消息，這部分消息需要至少30~40 MHz 的頻率。NRV2X的組播模式可以支持自動(dòng)駕駛?cè)航M間協(xié)商和決策。盡管組播模式對(duì)于支持高級(jí)應(yīng)用更為關(guān)鍵，但由于群組通信基本上是事件觸發(fā)，通過(guò)組播模式傳輸?shù)目倶I(yè)務(wù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于廣播消息的總業(yè)務(wù)量，在進(jìn)行NR-V2X 頻率研究的初期可以暫不考慮組播模式的頻率需求。

自動(dòng)駕駛是目前汽車(chē)產(chǎn)業(yè)乃至整個(gè)科技行業(yè)中最受關(guān)注的技術(shù)之一，將會(huì)在不久的將來(lái)出現(xiàn)在我們的生活中。車(chē)車(chē)直連通信對(duì)于支持安全可靠的自動(dòng)駕駛業(yè)務(wù)至關(guān)重要，自動(dòng)駕駛的感知、決策和執(zhí)行3 個(gè)層面都將受益于車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)而得到增強(qiáng)?；诜涓C網(wǎng)車(chē)用無(wú)線通信（C-V2X）技術(shù)作為車(chē)輛中其他車(chē)載傳感器的補(bǔ)充而在全球范圍內(nèi)被廣泛接受，并將成為5G 的先導(dǎo)性應(yīng)用得到部署。C-V2X通過(guò)提供360°非視距（NLOS）感知，大大擴(kuò)展車(chē)輛檢測(cè)道路參與者的能力。尤其在盲點(diǎn)交叉路口或惡劣天氣狀況下，更能體現(xiàn)其相對(duì)傳統(tǒng)車(chē)載傳感器的優(yōu)勢(shì)。

2017 年6 月， 第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）完成并發(fā)布了長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）-V2X R14 標(biāo)準(zhǔn)。R14 LTE-V2X可以支撐汽車(chē)基礎(chǔ)安全應(yīng)用。對(duì)于車(chē)輛來(lái)說(shuō)，具備這些通信要求，就能可靠地與其他附近車(chē)輛、基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)點(diǎn)（路邊單元）以及行人交換狀態(tài)信息，例如位置、速度和航向，并且還能夠及時(shí)向鄰近實(shí)體傳播告警消息。LTE-V2X 的頻譜需求在中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（CCSA）以及5G 汽車(chē)協(xié)會(huì)（5GAA）等全球標(biāo)準(zhǔn)化組織已得到充分研究，得出的共識(shí)是需要為L(zhǎng)TE-V2X 分配20~30 MHz 以支持基礎(chǔ)安全應(yīng)用，包括車(chē)到車(chē)（V2V）、車(chē)到基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）和車(chē)到行人（V2P）應(yīng)用[1-2]。

3GPP R16 開(kāi)展了C-V2X 演講技術(shù)的研究，并且在5G 新空口（NR）的框架上制訂5G NR-V2X 標(biāo)準(zhǔn)， 其靈活的設(shè)計(jì)可以支持需要低時(shí)延和高可靠性的高級(jí)車(chē)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。NR-V2XPC5（直連通信）框架的靈活性允許輕松擴(kuò)展NR 系統(tǒng)，支持未來(lái)進(jìn)一步發(fā)展更先進(jìn)的V2X 業(yè)務(wù)和其他業(yè)務(wù)[3]。3GPP 計(jì)劃在2020 年3 月完成5G NRV2X核心標(biāo)準(zhǔn)化工作。5G NR-V2X 技術(shù)可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)和增強(qiáng)多維度自動(dòng)化，例如感知、規(guī)劃、定位、意圖共享（ADAS）和傳感器信息共享等。5GNR-V2X PC5 有不同的通信模式，包括廣播模式和組播模式。組播通信模式用于支持群組內(nèi)的特定互動(dòng)消息，通常有較高可靠性要求，如群組協(xié)商、群組決策、反饋消息等。5G NR-V2X將與LTE-V2X 共存，并針對(duì)不同的用例。LTE-V2X 將提供基礎(chǔ)安全服務(wù)，而5G NR-V2X 將用于支撐自動(dòng)駕駛等高級(jí)汽車(chē)應(yīng)用。本文中，我們主要針對(duì)自動(dòng)駕駛5G NR-V2X 直連通信頻譜需求進(jìn)行研究。

1、頻率需求研究方法

利用系統(tǒng)負(fù)載和系統(tǒng)吞吐量之間的關(guān)系，將預(yù)期提供的分組業(yè)務(wù)量映射到所需的系統(tǒng)容量，稱(chēng)為業(yè)務(wù)負(fù)載映射方法。該方法在V2X 直連通信系統(tǒng)容量和頻譜分析中廣為采納[1-2], [4-7]。

針對(duì)5G NR-V2X 中的先進(jìn)應(yīng)用，一個(gè)新的參數(shù)激活因子需要被引入，它將反映發(fā)送傳感器共享信息等先進(jìn)應(yīng)用消息的車(chē)輛在所有交通參與車(chē)輛中所占的比例。5G NR-V2X 對(duì)頻譜需求估計(jì)S 可以用公式（1）表示：

（1）

其中，

·n = 1,..., NbVehiclesInRange。NbVehiclesInRange 是有效通信范圍內(nèi)的車(chē)輛數(shù)量，它取決于車(chē)輛的平均速度和有效的通信范圍。

·PSn是在有效通信范圍內(nèi)第n輛車(chē)發(fā)送的數(shù)據(jù)包大小，由應(yīng)用的業(yè)務(wù)量模型確定，單位是比特。

·Ftxn是在有效通信范圍內(nèi)第n輛車(chē)的消息發(fā)送頻率，由應(yīng)用的業(yè)務(wù)量模型確定，單位為赫茲。

·SE 是無(wú)線技術(shù)的頻譜效率，單位為bit/(s·Hz)。它在發(fā)射機(jī)側(cè)進(jìn)行測(cè)量，并由NR-V2X 所采用的調(diào)制和信道編碼方案確定。

·CU 是無(wú)線信道的最大資源利用率，反映了由于信號(hào)衰減、同道干擾等因素造成的接收端的頻譜效率的下降。

·DRn是有效通信范圍內(nèi)第n 輛車(chē)的數(shù)據(jù)速率，可以通過(guò)PSn×Ftxn進(jìn)行計(jì)算。

·AFAdvApp是發(fā)送先進(jìn)應(yīng)用消息的用戶在所有交通參與車(chē)輛中所占的比例，稱(chēng)之為激活因子。

3GPP 尚未完成5G NR-V2X PC5的無(wú)線接入部分的標(biāo)準(zhǔn)化，因此需要對(duì)NR PC5 的頻譜效率和信道利用率進(jìn)行估算?？梢曰? s 周期內(nèi)并在40 MHz 信道帶寬內(nèi)的總信息比特?cái)?shù)來(lái)估計(jì)NR-V2X 的頻譜效率[8]，頻譜效率約為0.712 bit/(s·Hz)。

信道利用率可以給定一個(gè)假設(shè)范圍，例如，下界可以與LTE-V2X 頻譜需求率采用的下界相同，即0.336[9]。對(duì)于上界，我們可以假設(shè)為80％，這對(duì)于可以實(shí)現(xiàn)更好的調(diào)度協(xié)調(diào)的單播或多播通信是可能的。隨著3GPP 標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展，可以根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)估計(jì)更為準(zhǔn)確的數(shù)值。

2、通信需求和業(yè)務(wù)建模

3GPP 于2016 年完成了針對(duì)5GNR-V2X 的通信需求研究[10-12]，其中一些通信需求考慮得比較理想，主要面向較長(zhǎng)期的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)。從2016 年之后，自動(dòng)駕駛技術(shù)發(fā)展迅速，針對(duì)近期和中期的通信需求又提出了更為實(shí)際的通信需求，5GAA 等組織與汽車(chē)廠商密切合作，針對(duì)通信需求進(jìn)行了細(xì)化和總結(jié)[13-14]。

5G NR-V2X PC5 有不同的通信模式，包括廣播模式和組播模式。例如，編隊(duì)行駛可以使用組播模式，而傳感器共享更依賴(lài)廣播模式。

2.1 廣播模式

傳感器共享也稱(chēng)為合作式環(huán)境感知，是最早支持自動(dòng)駕駛的應(yīng)用，它使用了NR-V2X 直連通信的廣播模式。

根據(jù)豐田汽車(chē)公司的研究[15]，傳感器共享消息大小被建模為350 B+ x *50 B，其中350 B 被假定為基礎(chǔ)安全消息的平均有效載荷大小，x 表示車(chē)輛從本地傳感器觀察到的其他對(duì)象的數(shù)量。50 個(gè)字節(jié)表示描述單個(gè)對(duì)象的信息量。如果假設(shè)x 為25，那么如圖1 所示中央紅色汽車(chē)將感知周?chē)?5 輛黃色汽車(chē)。自動(dòng)駕駛消息大小為1 250 B，發(fā)送頻率為10 Hz[16]。

圖1、自動(dòng)駕駛中本地傳感器觀測(cè)到的周?chē)矬w對(duì)象

對(duì)于傳感器共享信息，如果每輛車(chē)都發(fā)送所檢測(cè)到的周?chē)矬w對(duì)象的信息，則從系統(tǒng)角度看，會(huì)有很多冗余信息被發(fā)送出來(lái)。為了減少冗余信息的發(fā)送，只須一部分車(chē)輛發(fā)送傳感器共享信息，與周?chē)能?chē)輛共享這些數(shù)據(jù)。發(fā)送傳感器共享信息的車(chē)輛比率應(yīng)該是頻譜需求研究中需要考慮的重要假設(shè)。

歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（ETSI）制訂了集體感知服務(wù)[17-18]的技術(shù)報(bào)告和規(guī)范。對(duì)于ESTI 協(xié)作感知消息（CPM）流量模型進(jìn)行建模，由于周?chē)兄獙?duì)象數(shù)量不同，CPM 數(shù)據(jù)包大小約為550~1 900 B[16]。

以下是由3GPP 技術(shù)規(guī)范給出的采用信息共享應(yīng)用的部分自動(dòng)駕駛的另一示例。用于部分自動(dòng)駕駛的3GPP流量模型的有效載荷大小是6 500 B，對(duì)應(yīng)于3GPP TS22.186[12]中V2V 高級(jí)駕駛用例[R 5.3-002] 的消息大小。根據(jù)文獻(xiàn)[11-12]，該消息大小假設(shè)60 B ，并且有效載荷包括100 個(gè)對(duì)象的信息。感知100 個(gè)對(duì)象需要非常強(qiáng)大的傳感器能力，且空口將存在大量信息冗余。此時(shí)，傳感器共享的有效載荷大小為6 000 B，另外500 B 將用于粗略駕駛意圖分享。

2.2 組播模式

組播通信是5G NR-V2X 最重要的功能之一，該模式用于支持群組內(nèi)的特定交互消息，通常要求很高可靠性，如群組協(xié)商、群組決策、反饋消息等；因此NR-V2X 的組播模式引入了混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求（H-ARQ）[19]，保證群組通信所要求的高可靠和低時(shí)延。5GAA 針對(duì)包括部分群組通信在內(nèi)的用例和需求進(jìn)行了研究[13-14]。參考5GAA 對(duì)群組通信用例及其消息流的研究[13]，我們提出了組播的一般消息流，如圖2 所示。圖2 反映了組播過(guò)程和群組通信中交互的一般流程，其中通用的消息流建模是業(yè)務(wù)建模和頻譜需求研究的基礎(chǔ)。

圖2、常規(guī)組播消息流的示意圖

3、評(píng)估結(jié)果

3.1 廣播模式

在2.1 節(jié)中，我們總結(jié)了廣播模式下協(xié)作感知應(yīng)用3 種業(yè)務(wù)建模方案，分別為豐田研究方案（以下編號(hào)為S1）、ETSI 研究方案（以下編號(hào)為S2）和3GPP 研究方案（以下編號(hào)為S3）。

表1、總結(jié)了協(xié)作感知（傳感器共享）的業(yè)務(wù)模型參數(shù)。

我們以70 km / h 的車(chē)速為例來(lái)計(jì)算傳感器共享的頻譜需求，表2 給出了用于計(jì)算的關(guān)鍵參數(shù)的摘要。

表2、廣播模式傳感器共享的關(guān)鍵參數(shù)

針對(duì)不同的業(yè)務(wù)量模型S1，S2和S3，我們計(jì)算了頻譜需求與激活因子，頻譜需求的計(jì)算結(jié)果如圖3 所示。

圖3、廣播模式傳感器共享的頻譜需求

在自動(dòng)駕駛的開(kāi)始階段，能夠傳輸檢測(cè)到的物體的車(chē)輛比例可能會(huì)很低，協(xié)作感知不會(huì)消耗太多頻譜，例如可以采用10 MHz 頻譜提供協(xié)作感知服務(wù)。隨著V2X 車(chē)輛提高其檢測(cè)物體（即其他道路參與者、障礙物）的能力，消息載荷大小將變大并且無(wú)法通過(guò)LTE-V2X PC5 接口傳輸。根據(jù)上述研究，需為NR-V2X 分配30~40 MHz的新頻譜來(lái)承載傳感器共享消息。

3.2 組播模式

基于組播用例的頻譜需求研究方法是首先估算每輛車(chē)在組播用例上產(chǎn)生的總業(yè)務(wù)量，然后計(jì)算容納指定范圍內(nèi)的所有車(chē)輛所需的頻譜量。鑒于組播的基本原理也是一種物理層廣播，并且消息像廣播一樣以最大發(fā)送功率進(jìn)行傳輸，我們可以利用2.1 節(jié)的頻譜需求研究方法。但是，針對(duì)每種用例類(lèi)型的頻譜需求重復(fù)進(jìn)行分析和計(jì)算很耗時(shí)，我們因此提出了一種新穎的方法來(lái)研究基于組播用例的頻譜需求。鑒于組播和廣播的通用性，即每輛車(chē)以最大發(fā)送功率向所有近端車(chē)輛發(fā)送消息，并且具有相似或相同的發(fā)射頻譜效率，我們可以比較組播消息產(chǎn)生的所有業(yè)務(wù)量與基礎(chǔ)安全消息（BSM）消息負(fù)載的比率（Ratio_G2B）。組播的頻譜需求與在文獻(xiàn)[2] 中獲得的BSM頻譜數(shù)量的比例也是Ratio_G2B。通過(guò)這種方式，我們可以快速獲得基于組播用例所需的頻譜數(shù)量[5],[8]。

參加群組通信的車(chē)輛位于如圖4所示的虛擬組中。在一個(gè)組中，有一個(gè)主要的交通參與者來(lái)領(lǐng)導(dǎo)組播事件的群組通信。

圖4、組播通信的通信范圍圖

文獻(xiàn)[8] 研究了一個(gè)組播用例“車(chē)道變更事件”的總組播業(yè)務(wù)量，每個(gè)組群的平均業(yè)務(wù)速率是一次事件內(nèi)所有發(fā)送消息的字節(jié)數(shù)的總和與平均車(chē)道變更間隔時(shí)間T_event 之比，具體見(jiàn)圖5 所示。我們假設(shè)T_event 為60 s，則該業(yè)務(wù)量與BSM 業(yè)務(wù)量之比約為1.5％。隨著協(xié)作駕駛策略的廣泛采用，我們期望可以進(jìn)一步減少變道以提高道路效率。如果T_event 延長(zhǎng)為300 s，則總組播業(yè)務(wù)量與BSM 業(yè)務(wù)量之比為0.3％。同樣，我們可以評(píng)估車(chē)道變更事件的總組播業(yè)務(wù)量與傳感器共享總業(yè)務(wù)量的比率，如圖6 所示。假設(shè)根據(jù)豐田汽車(chē)研究的流量模型，傳感器共享消息的大小為1 250 B，發(fā)送頻率為10 Hz。我們同樣可以發(fā)現(xiàn)在實(shí)際道路環(huán)境中與共享傳感器業(yè)務(wù)量相比，車(chē)道變更組播業(yè)務(wù)量是微不足道的。綜上所述，與真實(shí)道路環(huán)境中的廣播業(yè)務(wù)量相比，車(chē)道變更的組播業(yè)務(wù)量可以忽略不計(jì)。

圖5、車(chē)道變更的業(yè)務(wù)量與BSM 業(yè)務(wù)量之比

圖6、車(chē)道變更的業(yè)務(wù)量與傳感器共享業(yè)務(wù)量之比

4、結(jié)束語(yǔ)

在NR-V2X 系統(tǒng)中，可以用廣播模式發(fā)送承載狀態(tài)信息和環(huán)境信息的消息（如傳感器共享消息）。這些消息將消耗主要的頻譜資源，研究表明需要至少約30~40 MHz 的頻譜。NRV2X采用組播模式發(fā)送群組通信中的協(xié)商和決策消息。根據(jù)對(duì)某些基于組播的用例研究，我們注意到這些組播應(yīng)用始終是事件觸發(fā)的，并且事件發(fā)生概率通常較低；因此，盡管組播模式對(duì)于支持高級(jí)應(yīng)用更為關(guān)鍵，但通過(guò)組播模式傳輸?shù)目倶I(yè)務(wù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于廣播消息的總業(yè)務(wù)量。如果與廣播消息相比，組播的業(yè)務(wù)量微不足道，組播所需的頻譜相對(duì)于BSM 和協(xié)作感知等廣播類(lèi)消息所需的頻譜而言可以忽略。在進(jìn)行NR-V2X 頻率研究的初期可以暫不考慮組播模式的頻率需求。根據(jù)目前研究，我們可以得出以下結(jié)論：至少需要40 MHz 頻譜來(lái)支持不同傳感器融合、路徑規(guī)劃算法以及群組通信，用以支持即將到來(lái)的自動(dòng)駕駛。

5.9 GHz 作為國(guó)際電信聯(lián)盟無(wú)線電通信部門(mén)（ITU-R）全球范圍以及區(qū)域性融合的智能交通系統(tǒng)（ITS）頻譜[20]， 可以為C-V2X 和相關(guān)ITS 業(yè)務(wù)發(fā)展帶來(lái)規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益。在5.9 GHz中除了分配用于LTE-V2X 提供基礎(chǔ)安全業(yè)務(wù)的20 MHz 頻率，應(yīng)額外至少預(yù)留40 MHz 用于5G NR-V2X 直連通信（廣播模式、組播模式以及單播模式），以支持近期部署的自動(dòng)駕駛技術(shù)。