3GPP LTE-V2X标准进展及技术介绍

李　凤　大唐无线移动创新中心高级标准工程师房家奕　大唐无线移动创新中心高级技术经理赵　丽　大唐无线移动创新中心高级标准研究工程师

3GPP LTE-V2X标准进展及技术介绍

李凤大唐无线移动创新中心高级标准工程师
房家奕大唐无线移动创新中心高级技术经理
赵丽大唐无线移动创新中心高级标准研究工程师

自2015年2月3GPPSA1立项LTE-V2X研究课题，LTE-V随即在3GPP各小组成为研究和标准的热点。本文总结和分析了LTE-V技术在3GPP核心网和无线接入网各小组的标准及相关的技术进展。

LTE-V2X；3GPP；D2D；Uu；V2X；V2V/V2I/V2P

1　引言

近年来，美国、日本和欧盟等发达国家分别通过Connected Vehicles、VSC、SmartWay、CVIS和 Drive C2X等项目，深入研究车与车（V2V）、车与路侧基础设施（V2I）、车与人（V2P）等之间实时高效的双向通信，用来有效地解决传统激光、雷达、机器视觉分析等存在的距离、角度等缺陷，全方位提升汽车主动安全系统的感知范围，从而解决碰撞引起的事故和生命财产损失。同时，通过该系统，还可以搭建车辆、行人以及路侧基础设施之间的信息交互桥梁，为交通参与者提供全时空的、高可靠的交通信息，实现人—车—路的充分协同，从而有效提升道路通行效率，减少排放，改善交通环境，增加出行舒适度。

以上项目底层都是基于IEEE802.11p通信技术，由于IEEE802.11p基于IEEE802.11a扩展而来，其物理层采用OFDM调制方式，MAC层采用基于CSMA/CA的EDCA接入机制，使得IEEE802.11p在轻负载条件下可以满足道路安全类应用的时延、可靠性及节点接入公平性的要求，然而当网络负荷增加时，由于CSMA/CA机制导致隐藏节点的问题突出，使得数据发送的可靠性受到影响。随着LTE通信技术的普及，尤其是LTED2D通信标准的制定，使得基于LTE技术实现车车、车路、车人之间直接通信成为可能，从而满足车车、车路、车人之间低时延、高可靠性的通信需求。2015年2月，3GPPSA1正式启动了LTEV2X业务需求研究项目，拉开了LTE-V技术在3GPP各小组的标准化序幕。

2　LTE-V业务需求

2015年2月，LG公司在3GPPSA1#69次会议立项牵头“基于LTE的V2X业务需求”研究课题，并在2015年11月完成。2015年8月，LG公司又牵头立项“基于LTE的V2X业务需求”的标准项目，并在2016年2月SA1#73次会议完成该项目。

SA1研究课题中共定义了包含车车、车路、车人以及车与后台通信的27个用例（见表1）。

在标准项目中，基于研究课题的27个用例，SA1定义了LTEV2X支持的最大移动速度、时延、消息发送频率、数据包大小、安全等通用的业务要求。

●移动速度：最高绝对速度160km/h，最大相对速度280km/h。

●数据包大小：典型的周期性数据包为50～400字节，事件触发数据包最大到1200字节。

●消息发送频率：1～10Hz。

●时延：100～1000ms，预碰撞感知场景下为20ms。

●安全：通信设备需要被网络授权才能支持V2X业务，要支持用户的匿名性并保护用户隐私。

●资源管理：网络覆盖内资源可控，网络覆盖外通过预配置方式。

●通信范围：TTC（Time To Collision）为4s的通信距离。

●其他：需要支持高精度定位以及业务优先级。

注1：在2016年3月RAN#71次会议上，考虑欧洲有些国家高速不限速的情况，最大相对速度修改为500km/h。

表1　SA1定义的27个用例

同时，为了让RAN能够尽快开展技术评估，SA1还给出了7种特定场景的性能要求参考，具体参见表2。

3　LTE-V网络架构及信息安全

2015年10月，“支持LTE V2X业务的增强架构”的研究课题在3GPPSA2立项，确定在PC5接口的Prose和Uu接口的LTE蜂窝通信的架构基础上增强支持V2X业务。研究的关键问题包括V2X业务授权、V2V/ V2I/V2P消息发送和接收、V2V/V2I/V2P业务策略及参数开通、V2V/V2P消息优先级、基于eMBMS架构的V2X消息发送和接收（包括MBMS业务区域匹配、减少时延和本地服务器发现）、V2X业务的QoS和不同PLMN间的V2X业务运营。

表2　V2X业务性能要求示例

图1是基于PC5接口的LTE V2X参考架构，在Prose架构的基础上引入了V2X控制功能单元，用于支持V2X业务相关的网络控制功能，如V2X业务授权等功能。图1中各接口定义如下：

（1）V1

V2X应用和V2X应用服务器之间的接口。

（2）V2

V2X应用和运营商网络的V2X控制功能单元的接口。V2X应用可以连接到属于多个PLMN的V2X控制功能单元。

（3）V3

支持V2X业务的终端和运营商网络的V2X控制功能单元的接口。

（4）V4

HSS和运营商网络的V2X控制功能单元的接口。

（5）V5

V2X应用之间的接口。

图2是基于eMBMS的LTE V2X参考架构，在eMBMS架构的基础上引入了V2X应用服务器，用于支持V2X业务相关的网络控制功能，与GCS应用服务器类似。图2中各接口定义如下：

（1）VC1

V2X应用服务器和终端上客户端应用的接口。

（2）VMB2

V2X应用服务器和BM-SC之间的接口。

2015年11月，3GPPSA3立项调研V2X安全威胁，研究V2X安全需求并调研和评估对现有的安全功能和架构的重用和增强；在2016年2月的会议上，分析了V2X通信、V2X无线资源授权和V2X实体安全环境的安全威胁和安全要求。针对这些安全问题解决方案还在讨论中。

4　LTE-V无线接入技术

图1　基于PC5接口的参考架构

图2　基于eMBMS的参考架构

2015年6月RAN#68次会议，由LG、大唐和华为3家公司联合牵头“基于LTE的V2X可行性研究”的研究课题，该课题主要是定义评估支持V2X业务增强技术的方法，研究基于PC5接口和Uu口技术方案增强支持V2X业务，并评估基于LTE不同技术增强的性能。同时，明确优先研究基于PC5接口支持V2V业务，其他的研究内容在2016年6月会议完成，在2016年3月RAN#71次会议，考虑到会议时间安排及LTE V2X与IEEE802.11p共存内容的增加，将研究课题完成时间延期到2016年9月。基于研究课题的研究进展，2015年12月RAN#70次会议，由LG、大唐和华为3家公司联合牵头“基于LTE PC5接口的V2V”标准项目，确定基于LTE D2D通信的物理层和高层进行增强以支持V2X业务，包括同步过程、资源分配、同载波和相邻载波间的PC5和Uu接口共存、RRC信令和相关的射频指标及性能要求等。该项目预计2016年9月完成。

在“基于LTE的V2X可行性研究”的技术报告中，共定义了3种运营场景，如图3、4、5所示：仅基于PC5接口的V2X运营场景、仅基于Uu接口的V2X运营场景以及同时基于PC5接口和Uu接口的V2X运营场景。

其中，基于PC5接口的V2X运营场景主要考虑了导频、同步和资源调度增强技术。

（1）导频增强

LTE D2D中双方通信的设备之间主要是静止或者低速移动，而在车联网应用中车辆移动速度高，同时考虑LTEV2X可能工作在6GHz频段，为了克服高速移动和高载频带来的频率偏移，提升信道估计性能，在R12 D2D基础上，需要将导频序列加密，一种可能的方案是将导频序列从2列增加为4列，也有公司提出增加载波间隔、设计新的DMRS结构等，方案还在讨论中。

图3　基于PC5接口的V2X运营场景

（2）同步增强

图4　基于Uu接口的V2X运营场景

LTE D2D系统中以基站作为唯一的同步源，覆盖内节点通过基站下发的下行同步信号同步，部分覆盖节点与覆盖内节点同步，部分覆盖节点可将同步信息向覆盖外节点转发。而在V2X系统中，由于终端或路侧设备支持GNSS模块，直接获得可靠GNSS信号的终端或路侧设备定时和频率精度都较高，可以作为同步源为周围节点提供同步信息。在网络覆盖内的终端，由基站配置是以基站还是以GNSS为同步源。当终端无法收到基站配置的同步方式信息时，按照覆盖外场景进行同步优先级处理。网络覆盖外，GNSS为最高的同步优先级，系统的同步优先级设计还再进一步研究。

图5　同时基于PC5接口和Uu接口的V2X运营场景

（3）资源分配增强

LTE D2D系统主要是为了满足用户日益增长的业务发现、社交、数据共享等商业应用和公共安全的设备间直接通信。针对不同的应用场景，LTE D2D系统支持基站集中调度和分布式调度方式两种方式，基站集中调度的方式下，终端向基站发送资源请求并接收基站下发的资源分配信息；在分布式调度方式下，终端在所分配的资源池中随机选择发送资源。而在V2X系统中，V2X消息大多具有周期性的特点，并且数据发送频率较高（如10Hz），业务持续时间较长。另外，由于车辆快速移动导致车辆网络拓扑变化快，同时在拥堵场景下会导致无线信道拥塞，因此要求V2X底层传输机制要具备更高效、更可靠、时延更低的资源分配方案，像LTE D2D一样，V2X也支持集中式调度和分布式调度两种调度方法，但利用了V2X业务的周期性，减少空口信令开销，采用预约的半静态资源调度方式，提高资源利用率和通信可靠性，具体参见图6。在基站集中式调度中采用基于终端地理信息的半静态资源调度，分布式调度采用感知加半静态调度的方式，具体的机制还在讨论中。

图6　半静态资源调度

基于Uu接口的V2X运营场景，RAN2工作组评估了eMBMS和SC-PTM不同参数配置下支持V2V业务的容量和时延，评估结果表明连接状态下，有两种参数配置可以满足100ms的时延要求；而在空闲状态下，使用SC-PTM，只有一种参数配置可以满足时延要求。在研究过程中，RAN2工作组确定基于终端地理信息增强eMBMS/SC-PTM、减少MBMSF的时延，尤其是控制面的时延、增强上行SPS机制、支持不同运营商互通几个方向的增强，有些方向已经给出可能的解决方案，如下行增强包括减小广播周期/调度周期、基于消息内容缩小广播区域以及采用动态调度等。

虽然前期各工作组的重点是研究支持低时延、高可靠性要求的V2V业务，但对V2I和V2P的业务支持也进行了初步的研究，对于V2I业务的支持，确定了UEType的RSU采用与V2V相同的方案；对于V2P业务，重点考虑P-UE节电、复杂度，并考虑优先支持P发V收的场景。

5　结束语

随着LTE技术及网络的普及，基于LTE的演进技术也逐渐从传统的公众移动应用向行业应用普及，LTE-V就是为车联网量身定制的技术，除了能提供原有支持的交通效率、信息娱乐服务业务，还能够支持低时延、高可靠性要求的道路安全业务，能够很好地推动车联网应用的普及。但在LTE-V技术研究过程中，也看到由于运营模式的不清晰，引入了LTE V2X与802.11p共存、PC5接口与Uu接口同频还是异频共存等问题的研究，增加了LTE-V标准制订过程的工作量，目前预计LTE-V的标准在2017年3月完成。

［1］S1-150284.Study on LTE support for V2X services.

［2］S1-152738.LTE support for V2X services.

［3］3GPP TR22.885V14.0.0.Study on LTE support for Vehicle to Everything（V2X）services.

［4］3GPP TS 22.185 V14.0.0.Service requirements for V2X services.

［5］S2-153355.Study on architecture enhancements for LTE support of V2X services.

［6］3GPP TR 23.785 V0.3.0.Study on architecture enhancements for LTE support of V2X services.

［7］S3-152465.New SID on security aspects for LTE support of V2X services.

［8］3GPP TR 33.885 V0.2.0.Study on Security Aspect for LTE support of V2X Services.

［9］RP-160657.Feasibility Study on LTE-based V2X Services.

［10］RP-152293.Support for V2V services based on LTE sidelink.

［11］3GPPTR36.885V1.0.0.Studyon LTE-based V2X Services.

Introduction of standard and technology of LTE-Vin 3GPP

LI Feng，FANG Jiayi，ZHAO Li

Since SI of LTE-V2X was proposed in 3GPP SA1 in February， 2015， LTE-V became the hot topic in all working groups in 3GPP. This paper summarizes the standardization progress and the technologies of core network and radio access network of LTE-Vin3GPP.

LTE-V2X；3GPP；D2D；Uu；V2X；V2V/V2I/V2P

2016-05-17）