基于移动通信系统的车联网通信资源管理

杨瑾　陈琳　许玲　卢有雄　黄双红

摘要：基于移动通信系统的车联网通信中，无线资源管理是实现有效的车联网通信的关键。车联网通信具有区别于传统移动通信的需求和特征，传统的调度式资源管理或者竞争式资源管理无法满足车联网通信的需求。为了进一步提高车联网通信的资源效率，分析并提出了基于共享资源池的车联网通信资源管理方案，在共享资源池中通过测量并反馈信道使用情况，或者将预占用资源的信息通知给相关节点的方式，形成了协调调度式及竞争式资源管理的综合性车联网资源管理方案，以避免资源使用冲突，达到更高效的车联网资源管理。

关键词：车联网;资源管理;资源竞争;资源调度

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.11.013        中图分类号：TN929.5

文献标志码：A        文章编号：1006-1010（2019）11-0081-07

引用格式：杨瑾，陈琳，许玲，等. 基于移动通信系统的车联网通信资源管理[J]. 移动通信， 2019，43（11）： 81-87.

The Resource Management in V2X Communication Based on

Mobile Communication System

YANG Jin， CHEN Lin， XU Ling， LU Youxiong， HUANG Shuanghong

（ZTE Corporation， Shenzhen 518057， China）

[Abstract] For the V2X communication based on mobile communication system， one of the most important key issues is the radio resource management. As there are some different requirements and characters between legacy mobile communication and V2X communication， legacy resource scheduling scheme or contention based resource selection scheme cannot satisfy the requirement of V2X communication. A V2X communication resource scheme based on shared resource pool structure is presented， by using channel status measure and report， or indicating reserved resource information， it can combine scheduling scheme and contention based resource selection into a V2X resource scheme， and it can also avoid potential resource collision and improve the resource efficiency in V2X communication.

[Key words]V2X; resource management; resource competition; resource scheduling

0   引言

近年来随着汽车产业和短距离无线通信技术的发展，车联网通信受到了广泛的关注。车联网通信根据具体的通信节点类型，可以细分为车与车（V2V， Vehicle-to-Vehicle）、车与路侧设施（V2I， Vehicle-to-Infrastructure）、车与人（V2P， Vehicle-to-Pedestrian）、车与网络（V2N， Vehicle-to-Network）之间的互联和通信传输。上述与车辆相关的各种类型的通信可统称为车联网通信（V2X， Vehicle-to-Everything），如图1所示。

车联网通信的主要场景需求为短距离内的节点之间的通信，因此基于Wi-Fi体系的技术方案应用于V2X通信具有明显的易用性。美国IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers）的DSRC（Dedicated Short Range Communications）标准已经发布十多年，并被美国交通部确认为V2V标准，具备相当的成熟度且得到了部分车企的支持[1-3]。但由于DSRC源于Wi-Fi技术，其所能使用的无线资源频段受限，且资源管理采用竞争式资源方案，缺乏集中式控制节点的技术特征，在一定程度上导致整体的资源管理效率和资源利用率受限。而基于移动通信系统的V2X通信可以在网络侧的集中协调管理下，具有比DSRC更可靠高效的服务。

为实现基于移动通信系统的V2X通信，3GPP（3rd Generation Partnership Project）于2015年正式開启了基于LTE通信系统的V2X功能设计及标准化，首先定义了一些主要的V2X通信的场景，具体需求如表1所示[4]。

为了满足上述场景需求，3GPP讨论并制定了基于LTE系统的V2X通信方案，并于2017年发布了第一阶段的LTE V2X标准协议[5-10]。进一步地，3GPP正在进行基于NR系统的V2X标准化讨论工作，并将于2020年完成NR V2X通信的第一版标准。同时，基于LTE及NR移动通信系统的V2X通信标准可以使用移动通信系统的授权频谱，也可以使用5.9 GHz的ITS（Intelligent Transport System）频谱。

在基于移动通信系统的V2X通信中，为了区别于传统用户设备终端UE（User Equipment）与基站之间的上行链路和下行链路，车辆终端与其他节点（除基站）之间的通信链路被称为Sidelink，V2X通信的资源管理主要关注Sidelink上的资源配置及使用。在车联网通信中，车辆所携带的V2X通信模块可以认为是一类具有V2X功能的UE，由网络侧集中调度Sidelink资源是一种基于移动通信网络的V2X通信基本资源方案。除此以外，3GPP定义的V2X通信标准中，也支持由UE在给定的可用资源范围内，竞争式地选择Sidelink资源。

1   Sidelink资源管理方案

在LTE V2X标准中，网络侧集中式调度Sidelink资源管理的方案称为Mode 3资源方案，由UE竞争式选择Sidelink资源的方案称为Mode 4资源方案。在NR系统中，这两类资源方案相应被称为Mode 1和Mode 2资源方案。其中，基于竞争的Sidelink资源方案（Mode 2/4）可以更广泛地应用于没有移动通信系统覆盖的地区，从而保障了基于移动通信系统的V2X通信方案具有扩展性，可适用于所有车联网通信场景。

整体上，Sidelink资源管理方案的应用模式可以由图2所示的流程确定。当车辆处于移动通信网络的覆盖范围内且与基站有直接连接时，Sidelink资源可以由基站集中控制管理，其他情况下可以采用竞争式的资源管理方案。

1.1  调度式资源管理

传统移动通信系统中，UE与基站进行蜂窝通信所使用的无线资源统一由基站调度管理，基站作为集式控制节点，统筹调度所有UE的空口资源。调度式资源管理的优点之一是没有资源使用冲突，资源效率高。V2X UE进行Sidelink通信时，基站也同样可以采用类似于移动通信系统中的调度式资源管理方案，协调调度多个V2X UE之间的Sidelink资源使用。

如图3所示，基站通过蜂窝网络的空口向V2X UE下达Sidelink资源调度指示，其中包含调度配置给发送端UE（Tx UE）的Sidelink控制信道和数据信道资源。另外，根据具体的V2X通信业务及场景需求，还可以同时配置Sidelink重传资源。Tx UE根据接收到的调度信令，使用所指示的Sidelink资源，进行Sidelink信息传输。

1.2  竞争式资源管理

考虑到V2X通信可能发生在没有移动通信网络覆盖的区域，另外V2X通信场景的一些特征能够适用自组织的局部网络，因此在给定资源范围内的竞争式资源管理是一种必备的Sidelink资源管理方案。目前，3GPP定义的Sidelink Mode 2/4资源管理方案支持Tx UE在系统预配置的资源池或基站指示的资源池中，根据资源选择策略，由V2X UE自主地选择需要使用的Sidelink资源。

如图4所示，在V2X UE选择确定所使用的资源之前，UE需要在监听窗口内对Sidelink可用资源进行监听，判断其中已经被其他UE使用的资源以及可能空闲的资源。进一步地，在满足Sidelink数据发送需求的资源选择窗口中，选择合适的资源进行发送。

由于Sidelink业务具有一定的周期性，Sidelink的资源控制指示信息中含有对后续资源使用的预留指示，因此Tx UE能够通过对监听窗口内检测到的Sidelink信号及信息情况来预测后续资源选择窗口中的资源使用情况，并基于此优选资源，以达到尽可能避免资源选择冲突的作用。

2   Sidelink资源池

V2X通信可使用的无线资源可以位于移动通信的授权频谱上，也可以使用为车联网配置的专用频段资源。

当V2X通信工作在授权频谱上时，Sidelink通信需要与移动通信网络中的普通用户分享无线资源。为了避免Sidelink通信与蜂窝通信之间的干扰或方便调度管理等，基站需要在所管理的蜂窝通信资源中划分出一部分时/频域资源作为Sidelink通信的专用资源，这部分资源也称为Sidelink资源池[11]。当使用Mode 1/3调度资源方案时，基站配置指示Sidelink资源池，以便Sidelink接收端UE（Rx UE）能够在确定的资源范围内进行Sidelink信号接收。当使用在Mode 2/4资源方案时，基站需要为V2X UE配置指示可用的Sidelink资源池，Tx UE在资源池内监听并选择资源。

当V2X通信工作在车联网专用频谱上时，为了减少干扰或降低终端处理复杂度等，也同样划分有不同的Sidelink资源池，其结构与工作在授权频谱上时一致。图5所示是一种典型的Sidelink资源池配置，其中，时域上划分部分子帧作为Sidelink子帧，在每个Sidelink子帧上，划分频域中的部分或全部资源为Sidelink资源，同时按照配置，进一步将频域资源划分为多个Sidelink控制信道及相应的Sidelink数据信道。

需要注意的是，由于调度式资源管理方案与竞争式资源管理方案存在本质区别，其资源管理节点不同，因此对调度式资源管理方案和竞争式资源管理方案会分别配置独立的资源池，以避免二者的資源管理冲突，如图6所示。

在Mode 1/3对应的资源池中，所有Sidelink可用资源都由基站调度管理，使用此资源池的V2X UE不能自行选择资源使用。相应地，配置为Mode 2/4对应的资源池，全部资源由使用此资源池的所有V2X UE共享，基站不会调度使用其中的资源。

为不同资源管理方案配置相应的资源池，虽然简化了V2X UE的处理复杂度，降低了基站调度管理资源的难度，但同时也导致了一定程度的资源浪费。因为二者之间的资源使用隔离，使资源不能得到充分共享。本文进一步分析并提出对两种资源方案实现资源共享的方案，从而提供更高效的车联网资源管理方案。

3   共享资源池的Sidelink资源管理方案

同一个UE在相同频带内一般不能同时处于不同的资源管理模式下，相应地，受基站调度控制的V2X UE可称为Mode 1/3 UE，通过竞争选择资源的V2X UE可称为Mode 2/4 UE。例如，处于LTE网络覆盖内的UE，由基站调度其Sidelink资源，则此UE也称为Mode 3 UE。

由于按资源管理方案分别独立配置的Sidelink资源池会导致一定程度的资源浪费，整体的资源利用效率受限，因此增强型的Sidelink资源管理方案中考虑采用共享式Sidelink资源池，即在资源池中允许同时支持调度式和竞争式资源方案，即Mode 1/3 UE及Mode 2/4 UE在资源池中共存。

3.1  共享资源池结构

共享式资源池方案中，根据允许的资源共享程度可以分为完全共享型Sidelink资源池和部分共享型Sidelink资源池。如图7所示，完全共享型资源池是指Mode 1/3 UE及Mode 2/4 UE能够使用的Sidelink资源池中的资源完全相同，而部分共享型资源池是指二者的资源池有部分重叠共享，剩余部分则是专用独立资源，不能被另一种资源方式所使用[12]。

对于部分共享型Sidelink资源池结构，根据具体的共享资源重叠情况，可以采用时域资源部分共享，如图8所示，或者频域资源部分共享，如图9所示，以及时域和频域复合型共享，即二者的叠加使用。

3.2  增强的调度式Sidelink资源管理方案

在独立资源池配置的情况下，基站可以完全掌握资源池中的所有Sidelink资源的使用情况，而共享资源池中的资源可能被Mode 2/4 UE自行选择使用，也可以被基站调度使用。无论是完全共享或是部分共享的Sidelink资源池，按照Mode 1/3资源方案的一般处理，基站不接收Sidelink信号，因此基站无法获知被Mode 2/4 UE选择使用的Sidelink资源信息，则基站调度时可能会调度使用已被Mode 2/4 UE使用的资源，导致所调度的Sidelink资源与Mode 2/4 UE选择的资源形成冲突。

进一步地，此资源冲突将导致被调度的Mode 1/3 UE与竞争选择了相同资源的Mode 2/4 UE的Sidelink信号叠加在相同资源上，使二者的信息对于Rx UE来说无法正确接收。此问题是由于基站与Mode 2/4 UE可以同时作为资源池中Sidelink资源管理节点，而二者却无法获知其它节点使用Sidelink资源的信息造成的。

为克服上述问题，对于基站调度式资源方案来说，需要设计反馈渠道使基站能够尽可能地获得被Mode 2/4 UE选择使用的Sidelink资源情况，并进一步在基站的调度中避免使用相同资源。为实现上述目的，可以通过配置指示基站所管理的Mode 1/3 UE对共享部分的Sidelink资源进行监听及测量，并向基站反馈其监听测量结果。

如图10所示，当V2X UE工作在共享型Sidelink资源池中时，Mode 1/3 UE可以根据基站的配置要求，对共享部分的资源进行监听测量，以判断信道的使用情况，并进一步上报给基站。基站通过Mode 1/3 UE的反馈报告，可以实时地获得当前Sidelink资源池中被Mode 2/4 UE占用的资源，从而优化调度避免冲突。其中，由UE上报给基站的Sidelink监听测量报告可以有多种方式，例如向基站上报已被Mode 2/4 UE选择使用的资源，或者对监听测量结果先进行初步处理，筛选出较优的可用资源向基站上报，再由基站最终进行综合调度。

可以看到，增强的调度式Sidelink资源管理方案一方面需要令Mode 1/3 UE具备对Sidelink资源池中的资源进行监听测量的功能，另一方面也需要基站具备相应的配置管理能力，包括选择并指示合适的Mode 1/3 UE执行测量反馈，以及接收UE上报的测量报告后，进一步根据测量报告进行综合调度，优选适当的Sidelink资源调度给Mode 1/3 UE。

3.3  增强的竞争式Sidelink资源管理方案

对于Mode 2/4 UE来说，在共享资源池中选择资源时，也同样存在无法准确获知基站调度信息的问题。在传统的Mode 1/3资源调度方案中，由于资源统一由基站管理，各个UE之间不需要协调资源，即不需要告知其它UE后续将使用的Sidelink资源，因此缺乏相应的资源预留指示。也就是说，在共享资源池中，被基站调度使用的Sidelink资源，Mode 2/4 UE可能无法预测其使用情况，从而导致选择资源的冲突。

为了使Mode 2/4 UE能够获得基站调度Sidelink资源的情况，可以通过一定方式增强竞争式Sidelink资源方案，以避免资源选择冲突。例如，基站以广播方式通知其调度使用的Sidelink共享资源，Mode 2/4 UE可通过接收相应的基站广播获得此信息;或者在Mode 1/3 UE的Sidelink控制信息发送中，增加资源预留相關指示，使Mode 2/4 UE能够能过检测接收Mode 1/3 UE的Sidelink控制信息，获得相应的基站调度情况。

如图11所示，基站为V2X UE调度共享资源池中的Sidelink资源，被调度的Mode 1/3 UE在Sidelink控制信道中发送相应的资源预留信息，指示将使用的Sidelink资源。Mode 2/4 UE在同一资源池中检测接收Sidelink控制信息，并从中获得了Mode 1/3 UE的指示。进一步地，Mode 2/4 UE基于此信息进行资源选择，从而达到在共享资源池中优化资源选择，避免资源选择冲突，提高共享资源利用率的效果。

增强的竞争式Sidelink资源选择方案需要基站侧与V2X UE的配合，一方面基站调度的Sidelink共享资源信息需通过广播或其他渠道通知给Mode 2/4 UE，另一方面V2X UE在选择资源时，需要考虑被调度的资源的影响，在资源选择算法中应增加相应的考虑因素。

综上所述，在Sidelink共享资源池中，为了同时支持调度式和竞争式资源方案，需要在已有的资源管理方案中增加相应的信息交互，使不同的资源管理节点间能够获知其他节点的资源使用情况，从而在自身的资源调度或选择中，以更优的算法确定使用的Sidelink资源。通过协调基站与UE之间的资源管理，可以有效地达到避免资源使用冲突，提高Sidelink资源利用率，增强Sidelink通信效率的作用。

4   结束语

本文首先阐述了基于移动通信网络的车联网通信中的资源管理方案，包括移动通信网络中传统的基站调度式资源方案，以及基于竞争的资源选择方案，随后针对车联网通信的资源管理，提出了共享資源池的结构，并基于此资源结构提出了协调调度式和竞争式资源管理方案的具体实现方法，以达到更高效地使用无线资源，提高基于移动通信网络的车联网通信资源效率的效果。

参考文献：

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[2] 未来移动通信论坛. 5G车车通信技术研究白皮书[Z]. 2017.

[3] 中国通信标准化协会. 基于LTE的车联网无线通信技术[Z]. 2018.

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[9] 3GPP. 3GPP TS 36.331： Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）; Radio Resource Control （RRC） protocol specification[S]. 2017.

[10] 3GPP. 3GPP TS 36.321： Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）; Medium Access Control （MAC） protocol specification[S]. 2017.

[11] 中兴通讯车联网通信项目组. LTE V2X深度分析报告[R]. 2017.

[12] 中兴通讯车联网通信项目组. Sidelink Mode 3/4资源池共享方案分析[R]. 2017. ★