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车联网通讯服务之来龙去脉
 

【作者: Holger Rosier】2019年11月14日 星期四

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为了争取实现道路零事故之目标,交通运输系统中内建的智慧系统需要能够以最小延迟共用各种交通讯息。人工驾驶员辅助以当今汽车安全系统,已经实现了历史性的低死亡人数。在2001年至2017年间,欧盟道路死亡人数下降了57.5%。尽管高速公路由於交通事故而导致出现大量交通雍堵和沮丧情绪,但如果计算每天发生的交通事故数量,实际上大多数仍然发生在农村道路和城市地区(分别为55%和37%)。但是,无论驾驶员状态如何出色,视觉条件差、各种交通方式混合以及不可见障碍等仍然是面临的主要挑战。


在世界范围内,已经研发和推广了一系列协作式智慧运输系统(C-ITS)。这些技术的目的是实现感知共用,道路使用者能够意识到他们可能看不到的道路状况。显然,这种技术需要仰仗无线和行动通讯来实现。然而,它还需要考虑其他道路使用者,例如行人和自行车手。此外,并非所有区域都已被现有的无线和行动基础设施充分覆盖,那麽C-ITS用户在这种情形下该如何相互通讯?


利用现有行动技术提高安全性

自2017年以来,已有一系列新功能包括在3GPP-LTE Release 14行动通讯标准中,它们统称为Cellular-V2X Service(C-V2X),其中描述了支援现有LTE蜂巢网路的技术如何用於C-ITS。相应技术规格小组(TSG)进行的工作确定了三类应用:道路安全、交通效率和其他应用。


透过对这些应用类别的分析有助於理解支援它们的C-V2X之技术要求。例如,道路安全包括了诸如前向防撞警告,或接近紧急车辆之类的用例,这些都需要充分及时的服务,传输可靠性和低延迟时间。


交通效率包括绿灯最隹速度谘询(GLOSA)之类功能,这些对资料传输的要求较低。其他潜在应用包括自动泊车,共用可用车位,以及汽车OEM向其客户提供的独特服务等,这里都需要一些功能,以使认证方能够设置应用伺服器来处理C-V2X资料请求,并对其进行回应。


使用现有LTE蜂巢网路透过车对网路(V2N)与此类应用伺服器进行通讯是很合理的途径(图1),为此目的而设计的路侧设备(RSU)用於处理交通状况资料收集,也可以经由车辆到基础设施服务(V2I)透过LTE共用这些资料。


然而,透过蜂巢网路传递资料所固有的延迟对於快速行动的道路使用者而言并不足够方便。 在隧道或农村地区,LTE覆盖范围有限或没有LTE覆盖,这种情形特别需要考虑。因此,对於车辆之间(车辆到车辆,V2V)和车辆到行人(V2P)之间的通讯,以及某些V2I应用,必须能够在没有蜂巢网路支援情形下完成。此外,与道路安全有关的资料接收和发送不应限於特定的行动网路营运商,透过允许资料传输而无需在行动网路运营商注册,C-V2X能够实现此目的。



图1 : LTE V2X定义了四种通讯服务。
图1 : LTE V2X定义了四种通讯服务。

在3GPP-LTE Release 14中,直接的V2V、V2I和V2P通讯是透过使用PC5介面处理。在没有任何行动网路基础设施支援,包括处在蜂巢网路覆盖范围内但无网路以及在覆盖范围之外情形,此类ad hoc网路仍可能运作。


在C-V2X方案中处理同步

在有网路覆盖情形,具有C-V2X的车辆在蜂巢网路上进行通讯时,能够将其时脉与Evolved NodeB (eNB)基础设施同步(图2),这对於最小化时分多址(TDMA)和频分多址(FDMA)系统上的符号间干扰(ISI)至关重要。对於无法浏览eNB之情形,网路覆盖范围之外的通讯需要其他替代同步机构。



图2 : 覆盖范围之外应用场景中的时脉同步要求C-V2X节点使用其他替代资源,例如间接来自eNB(上方)、GNSS(左下方)或其他C-V2X道路使用者(右下方)。 @内文:在这种情形下,该标准按优先顺序提供了几个同步源。全球导航卫星系统(GNSS)就是这样其中一个同步源,可以直接透过车辆内部系统使用,也可以透过V2V或V2I连接到车辆,或者使用GNSS进行自身同步等间接方式。间接同步也可以透过连接到eNB的C-V2X设备来实现。如果这种方式失效,车辆可以简单地彼此同步。
图2 : 覆盖范围之外应用场景中的时脉同步要求C-V2X节点使用其他替代资源,例如间接来自eNB(上方)、GNSS(左下方)或其他C-V2X道路使用者(右下方)。 @内文:在这种情形下,该标准按优先顺序提供了几个同步源。全球导航卫星系统(GNSS)就是这样其中一个同步源,可以直接透过车辆内部系统使用,也可以透过V2V或V2I连接到车辆,或者使用GNSS进行自身同步等间接方式。间接同步也可以透过连接到eNB的C-V2X设备来实现。如果这种方式失效,车辆可以简单地彼此同步。

PC5通讯协定和通道

为了维持PC5通讯,定义了两个协定堆叠。与使用者层面相关的协定堆叠能够为V2X应用提供一种相互交换使用者资料方法,而控制层面则提供通讯服务,来承载控制资料(图3)。


PHY在无线电频段47上的5.9 GHz频率,利用10MHz或20MHz频宽在侧链(sidelink)上传输资料,全球监管机构已将其免於C-ITS通讯许可。在中国,只有C-V2X技术才被允许,而欧洲在技术上保持中立。在美国,已经向FCC提交了申请,要求允许C-V2X在专用短程通讯(DSRC)目前使用的频谱中运作。


媒体存取控制(MAC)层处理资料分组调度和资源选择。该层中的分组资料过滤可确保仅将用於此特定V2X设备的协定资料传送到上层。混合自动重发请求(HARQ)协定也在此处实现。


无线链路控制(RLC)层处理服务资料按顺序传送,以及它们的分段和重组。最後,分组资料汇聚协定(PDCP)子层将3GPP无线浏览协定层与C-ITS应用相关协定层分开。对非IP资料支援对於支援C-ITS应用至关重要,并且从Release 14开始已经含括在其中。


控制层面中的另一个层,即无线资源控制(RRC)子层,用来处理广播通讯服务,它们负责管理通讯,配置协定服务并调整无线电叁数。


透过使用称之为区域的概念,车辆的纬度和经度讯息用於确保接收到的无线电讯号保持在可接受范围内,以避免可能出现饱和,即所谓远近效应,并提高了讯号与干扰和杂讯比(SINR),足以对无线电讯号进行解码。



图3 : 使用者层面(上方)和控制层面(下方)中的协定堆叠。 @内文:MAC子层向RLC子层提供了两个逻辑通讯通道,用於C-V2X通讯。第一个是边连结广播控制通道(SBCCH),用於处理控制层面消息。第二个是边连结业务通道(STCH),用於处理使用者层面消息,这些映射到两个传输通道。侧链广播通道(SL-BCH)携带高层控制资料并映射到SBCCH。对於使用者资料,侧链共用通道(SL-SCH)映射到STCH。
图3 : 使用者层面(上方)和控制层面(下方)中的协定堆叠。 @内文:MAC子层向RLC子层提供了两个逻辑通讯通道,用於C-V2X通讯。第一个是边连结广播控制通道(SBCCH),用於处理控制层面消息。第二个是边连结业务通道(STCH),用於处理使用者层面消息,这些映射到两个传输通道。侧链广播通道(SL-BCH)携带高层控制资料并映射到SBCCH。对於使用者资料,侧链共用通道(SL-SCH)映射到STCH。

由於附近还可能有其他C-V2X设备,以自动资源选择模式(称为传输模式4,TM4)运作可能会导致设备受到干扰。为了解决这个问题,SL-SCH利用HARQ进行最多一次使用者资料的重传。这种能力不适用於携带SL-BCH的控制资料。


在PHY处,这些传输层进一步映射到物理通道,其中SL-SCH映射到物理侧链路共用通道(PSSCH),而SL-BCH映射到物理侧链路广播通道(PSBCH)。与控制层面处理时间和频率资源配置相关联的控制讯息在物理侧链控制通道上传输,这些控制讯息透过使用牢固的正交相移键控(QPSK)传输,相比之下,PSSCH上的使用者资料则使用QPSK和16阶正交幅度调变(16QAM)。



图4 : 1ms PC5子帧使用四个段用於解调叁考符号,能够有效应对Doppler频移带来的挑战。 @内文:PC5通讯还采用LTE的常规1ms子帧架构,每个子帧有14个单载波频分多址(SC-FDMA)符号,其中四个被分配给解调叁考符号(DMRS)(图4)。这些弥补了C-V2X通讯中预期出现的Doppler频移带来的挑战。
图4 : 1ms PC5子帧使用四个段用於解调叁考符号,能够有效应对Doppler频移带来的挑战。 @内文:PC5通讯还采用LTE的常规1ms子帧架构,每个子帧有14个单载波频分多址(SC-FDMA)符号,其中四个被分配给解调叁考符号(DMRS)(图4)。这些弥补了C-V2X通讯中预期出现的Doppler频移带来的挑战。

面向未来的V2X测试处理

由於C-V2X和C-ITS通讯协定以及与道路安全相关应用之复杂性,再加上行动V2X节点面临的环境因素,在各种条件下进行仔细的测试对於确保相容、可交互操作解决方案至关重要。 R&S?CMW500等现有LTE技术测试和量测解决方案是C-V2X测试之理想选择(图5),这款宽频无线电测试仪能够支援从静态协定一致性到动态条件下操作的所有测试,例如衰减和讯号反射影响等等。它还支援从3GPP LTE-V2X无线电访问协定到中国、欧洲和美国等区域性C-ITS应用完整堆叠,这也是全球认证论坛(GCF)批准之首个C-V2X测试解决方案。可以使用R&S?SMBV100B讯号产生器来模拟GNSS,其中软体API允许使用自行开发和协力厂商工具将这些硬体测试工具整合到范围广泛的自动化测试环境,都可以执行测试套件或长期测试。



图5 : CMW500和SMBV100B组合是V2X应用之理想测试平台。
图5 : CMW500和SMBV100B组合是V2X应用之理想测试平台。

在可预见将来,用於基本安全应用的直接C-V2X PC5(称为第一阶段)将仰仗LTE Release 14进行通讯,尤其是在网路覆盖范围之外的情形。在C-V2X推出第二阶段,Release 15将包含LTE增强型V2X(eV2X)。Release 15计画於2019年发布,将增加对协作感知等C-ITS应用支援。作为3GPP Release 16一部分,预计在第三阶段将对5G新无线电(NR)概念的支援进行标准化,这对於开发特定应用的汽车工程师而言,现有测试和量测投资将能够在未来几年内继续满足他们的需求。


(本文作者Holger Rosier为Rohde & Schwarz公司技术经理)


叁考文献

[1] http://www.europarl.europa.eu/news/en/headlines/society/20190410STO36615/road-fatality-statistics-in-the-eu-infographic


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