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车联万物通信服务 V2X的输入和输出

浏览次数:363 发布日期:2019-12-17

为了使我们的道路和高速公路有机会达成零事故的目标,智能交通系统需要以最低的延迟共享交通信息。人类驾驶员与当今现代化的汽车安全系统相搭配,已经让死于交通事故的人数达到历史新低,其中 2001 年至 2017 年间,欧盟的交通事故死亡人数下降了 57.5%1。尽管因车流量较大且交通事故所引发的负面传播较广,高速公路上发生的车辆事故会更容易受到关注,但实际上农村道路和城市地区(分别为 55% 和 37%)才是事故多发地。然而,无论驾驶员的技术多优秀,但糟糕的视野条件、复杂的交通状况和视线盲区依然是最棘手的挑战。

全球范围内开发和推广了一系列合作式智能交通系统 (C-ITS)。这些技术旨在实现感知的共享,让道路使用者能够注意到原本看不到的状况。很明显,这种技术需要依靠无线和移动通信才能发挥作用。此外,该技术还需要考虑到其他道路使用者,如行人和骑车人,他们也会出现在道路中。更重要的是,不是所有的区域都已经充分覆盖有无线和移动基础设施,在这样的情况下 C-ITS 用户应该如何相互通信?

利用现有的移动通信技术提高安全性

自 2017 年以来,3GPP-LTE 第 14 版移动通信标准中引入了一系列特性。这些特性统称为蜂窝车联网服务 (C-V2X),描述了如何将现有的 LTE 蜂窝网络应用于 C-ITS。技术规范组 (TSG) 所负责开展的工作将应用分为三类:道路安全、交通效率和其他应用。

对这些应用类别进行分析有助于理解 C-V2X 所需的技术要求,进而提供支持。例如,道路安全包括前向碰撞预警或紧急车辆预警等应用场景,需要较高的服务可用性、传输可靠性和低延迟性。交通效率则会促进实现诸如绿灯最优速度建议 (GLOSA) 等功能,对数据量传输的要求较低。其他潜在的应用包括自动泊车、空闲停车位信息共享或汽车 OEM厂商为客户提供的专有服务。此时经过认证的提供商就需要根据某些特性来建立应用服务器,以处理 C-V2X 数据请求并做出响应。

通过车对网络 (V2N) 通信方式采用现有的 LTE 蜂窝网络与此类应用服务器进行通信具有明显的优势(图 1)。交通状况的数据采集工作由专为该用途而设计的路侧单元 (RSU) 进行处理,也可以由车对基础设施服务 (V2I) 通过 LTE 分享数据。

然而,通过蜂窝网络传递数据而产生的相应延迟会对高速移动的道路用户造成不便,还要充分考虑 LTE 覆盖范围有限或没有覆盖的情况,例如隧道或农村地区。因此,对于车辆之间(车对车,V2V)和车对行人 (V2P) 使用场景下的通信,以及某些 V2I 应用,即使在没有蜂窝网络支持的情况下也必须能够进行通信。此外,与道路安全有关的数据接收和传输还不能局限于特定的移动网络运营商。C-V2X 实现这一要求的方式在于,允许在没订购移动网络运营商服务的情况下进行数据传输。

车联万物通信服务

图 1:LTE V2X 定义了四种通信服务

3GPP-LTE 第 14 版采用 PC5 接口处理直连 V2V、V2I 和 V2P 通信。此类场景无需任何移动网络基础设施的支持,在蜂窝网络覆盖范围内外均可正常运行:

C-V2X 场景的同步处理

在有网络覆盖的情况下,当配备了 C-V2X 的车辆通过蜂窝网络进行通信时,就能够将时钟与LTE基站 (eNB) 进行同步(图 2)。这一功能对于最大程度降低时分多址 (TDMA) 和频分多址 (FDMA) 系统中的码间干扰 (ISI) 至关重要。如果无法接入 eNB,网络覆盖范围外的通信就需要另一种同步机制。

在这种情况下,该标准按优先顺序提供了多种同步源。全球导航卫星系统 (GNSS) 就是其中的一种同步源,可通过车辆内部系统直接使用,也可通过 V2V 或 V2I 连接到本身使用 GNSS 进行同步的车辆或 RSU 上而间接使用。间接同步还可通过与本身连接到 eNB 的 C-V2X 设备进行连接而实现。如果仍无法实现,车辆还可以相互进行简单同步。

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图 2:在网络覆盖范围外的场景中,如果要进行时钟同步,就需要 C-V2X 节点使用其他同步源,例如通过 eNB 间接同步(图中上方)、通过 GNSS(图中左下角)或通过其他 C-V2X 道路用户进行简单同步(图中右下角)。

PC5 的通信协议和信道

为了保持 PC5 通信,定义了两个协议栈。与用户面相关的协议栈为 V2X 应用交换用户数据提供了一种可行的方法,而控制面则提供了传输控制数据所需的通信服务(图 3)。

物理层 (PHY) 利用 10MHz 或 20MHz 带宽,通过无线频段 47 中的 5.9GHz 频率资源传输数据。世界各地的监管机构已陆续将 C-ITS 通信列入许可豁免的行列。在中国,只有 C-V2X 技术获得许可,而欧洲则保持技术中立。美国已经向 FCC 提交了一份请求,申请允许 C-V2X 通过专用短程通信 (DSRC) 在当前使用的频谱中运行应用。

媒体接入控制 (MAC) 层负责处理数据包的调度和资源的选择。该层中的分组过滤确保了只有用于该特定 V2X 设备的协议数据单元可以传递到更高层。该层还采用了混合自动重传请求 (HARQ) 协议。

无线链路控制 (RLC) 层负责处理数据单元的按顺序传送及其分割和重组。最后,分组数据汇聚协议 (PDCP) 子层负责将 3GPP 无线接入协议层与 C-ITS 应用相关的协议层进行分离。从LTE第 14 版开始,对非 IP 数据的支持是支撑 C-ITS 应用的必要前提。

控制面中还有一个额外的无线资源控制 (RRC) 子层,负责处理广播通信服务。这些服务用于管理通信、配置协议服务和适配无线参数。

通过一种名为区域的概念,车辆的经纬度信息就可用于确保接收到的无线电信号保持在可接受的范围内。这一机制限制了饱和的可能性(称为远近效应),并将信噪比 (SINR) 提高到足以解码无线信号的程度。

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图 3:用户面(图中上方)和控制面(图中下方)中的协议栈

MAC 子层为 RLC 子层提供了两个逻辑通信信道,可用于 C-V2X 通信。其一是直通链路广播控制信道 (SBCCH),负责处理控制面的消息,其二是直通链路业务信道 (STCH),负责处理用户面的消息。这两个信道会映射到两个传输信道。直通链路广播信道 (SL-BCH) 承载了更高层级的控制数据,并映射到 SBCCH。用户数据会由直通链路共享信道 (SL-SCH) 映射到 STCH。

如果附近有其他 C-V2X 设备以自动资源选择模式(又称为传输模式 4,即 TM4)运行,就可能导致设备受到干扰。为了解决这一问题,SL-SCH 利用 HARQ 将每一条重新传输的用户数据的作用发挥到最大。但此功能不会提供给承载 SL-BCH 的控制数据。

在 PHY,上述传输层会进一步映射到物理信道,其中 SL-SCH 映射到物理直通链路共享信道 (PSSCH),SL-BCH 映射到物理直通链路广播信道 (PSBCH)。与控制面处理时间和频率资源分配相关的控制信息通过物理直通链路控制信道 (PSCCH) 传输。此类控制信息采用了强大的正交相移键控 (QPSK) 进行传输。相较之下,PSSCH 上的用户数据则采用 QPSK 和 16 进制正交振幅调制 (16QAM)。

PC5 通信采用的也是 LTE 的通用 1 ms 子帧结构。每个子帧中有 14 个单载波频分多址 (SC-FDMA) 符号,其中四个子帧用于传输解调参考符号 (DMRS)传输(图4)。这些码元降低了 C-V2X 通信中可能存在的多普勒频移所带来的挑战。

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图 4:1 ms PC5 子帧采用四个时隙作为解调参考码元,提高了对多普勒频移的稳定性。

V2X 测试的前瞻性处理

由于 C-V2X 和 C-ITS 通信协议和道路安全相关应用的复杂性,加之移V2X 节点的移动性所面临的环境因素,在各种条件下进行缜密测试是确保解决方案兼容性、互动性的必要前提。现有的 LTE 技术测试和测量解决方案,如 R&S?CMW500,非常适合于 C-V2X 测试(图 5)。这款宽带无线通信测试仪支持从静态条件下的协议一致性到动态条件下的衰落测试的所有测试场景。该产品还支持从 3GPP LTE-V2X 接入层协议测试到中国、欧洲和美国的 C-ITS 应用层的全协议栈测试。这也是全球首个通过GCF认证的 C-V2X 测试解决方案。GNSS 则可以使用 R&S?SMBV100B 信号发生器进行模拟。该产品提供的软件 API 允许自主开发和第三方自动化工具集成,可用于测试序列长期自动化测试。

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图 5:CMW500 和 SMBV100B 都是 V2X 应用的理想测试平台

未来,用于基本安全应用的直连 C-V2X PC5通信(又称为 I 阶段)还将依赖于 LTE 第 14 版通信标准,尤其是网络覆盖范围外的场景。-C-V2X发展的第II阶段将包含在LTE版本15增强型V2X(eV2X)之中。该版本计划于 2019 年发布,将增加对协作式感知等 C-ITS 应用的支持。对 5G 新空口 (NR) 概念的支持有望在 III 阶段作为 3GPP 第 16 版的一部分进行标准化。这意味着对于开发应用的汽车工程师而言,他们现有的测试和测量投入将在未来若干年中继续支持他们的测试需求。

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