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用于Sidelink 5G V2X车载通信的LTE-V：面向短距离视觉传感以及加载的车联网的全新5G技术
拉斐尔 莫利那-马瑟戈沙 哈里尔 戈塞维斯
摘要：本文概述了在LTE中使用名为PC5的LTE直接接口支持侧链或车辆到车辆（V2V）通信的长期演进车辆（LTE-V）标准。我们回顾第14版LTE-V，其通信模式3和4以及第15版中正在讨论的LTE-V演进中引入的物理层变化，以支持第5代车辆到一切（V2X）通信和自动驾驶汽车的应用。模式3和模式4支持直接的V2V通信，但不同之处在于它们如何分配无线资源。资源由模式3中的蜂窝网络分配。模式4不需要蜂窝覆盖，车辆使用拥塞控制机制支持的分布式调度方案自动选择其无线资源。模式4被认为是基准模式并且代表802.11p或专用短程通信（DSRC）的替代。在此背景下，本文还详细分析了LTE-V sidelink模式4的性能，并提出了对其分布式调度的修改。
LET-X支持的V2X通信
V2X通信将实现车辆（V2V）之间以及车辆与其他节点（基础设施和行人）之间的信息交换。这种交流将为车辆提供更准确的周边环境知识，从而提高交通安全[1]。近年来，已经努力开发使用IEEE 802.11p的V2X通信[18]。然而，802.11p使用带有冲突避免介质访问方案的运营商多址，并且可能面临一些问题
当保证严格的可靠性水平并确保随着负载增加网络的可扩展性时面临挑战[2]。作为替代方案，第三代合作伙伴计划（3GPP）于2016年9月发布了第一版第14版，其中包括对V2X通信的支持[3]。该标准通常被称为LTE-V，LTE-V2X或蜂窝V2X。 LTE-V物理层改善了关于802.11p的链路预算。另外，在某些情况下，LTE-V可以通过增加每个数据包的冗余传输来提高可靠性。
LTE-V标准包括两个无线电接口。蜂窝接口（称为Uu）支持车辆到基础设施通信，而PC5接口支持基于直接LTE侧向链路的V2V通信。为了公共安全，在第12版中首次引入LTE侧向链路（或设备到设备通信），并包括两种操作模式：模式1和模式2.两种模式的设计都是为了延长电池寿命移动设备的代价是增加延迟。连接车辆需要高度可靠和低潜力的V2X通信;因此，模式1和2不适用于车辆应用。
版本14引入了专门为V2V通信设计的两种新通信模式（模式3和4）。在模式3中，蜂窝网络选择和管理车辆用于其直接V2V通信的无线电资源。在模式4中，车辆自主选择用于其直接V2V通信的无线电资源。相比之下，模式4可以在没有蜂窝覆盖的情况下运行，因此被认为是基线V2V模式，因为安全应用不能取决于蜂窝覆盖的可用性。模式4包括用于车辆选择其无线电资源的分布式调度方案，并包括对分布式拥塞控制的支持。
物理层
LTE-V采用单载波频分多址，并支持10MHz和20MHz频道。每个信道被分成子帧，资源块（RB）和子信道。子帧长度为1 ms [如传输时间间隔（TTI）]。 RB是可以分配给用户的频率资源的最小单位。它的频率宽度为180 kHz（12个15 kHz副载波）。 LTE-V将子信道定义为同一子帧中的一组RB，并且每个子信道的RB数量可以变化。子信道用于传输数据和控制信息。数据通过物理侧链路共享信道（PSSCH）在传输块（TB）中传输，并且侧链控制信息（SCI）消息通过物理侧链路控制信道（PSCCH）传输[4]。 TB包含要发送的完整分组，例如信标或合作意识消息。想要发送TB的节点也必须发送其关联的SCI，这也被称为调度分配。 SCI包括诸如用于传输TB的调制和编码方案（MCS），其使用的RB以及半持久调度（SPS）的资源预留间隔等信息。这些信息对于其他节点能够接收和解码传输的TB至关重要，因此必须正确接收SCI。一个TB及其相关的SCI必须始终在同一个子帧中传输。我们指的是在与SCI TB（或3GPP中的混合自动重传请求传输）相同的子帧中传输SCI及其相关TB。
■相邻的PSCCH PSSCH：SCI和TB在相邻的RB中传输。 对于每个SCI TB传输，SCI占用用于传输的第一子信道的前两个RB。 TB在SCI之后的RB中传输，并且可以占用几个子信道（取决于其大小）。 如果这样做，它也将占用以下子信道的前两个RB。
■不相邻的PSCCH PSSCH：RB被划分为池。 一个池专用于仅传输SCI，而SCI则占用两个RB。 第二个池被保留为仅传输TB并被分成子通道
可以使用正交相移键控（QPSK）或16正交幅度调制（QAM）传输TB，而SCI总是使用QPSK传输。 LTE-V使用turbo编码和正常循环前缀。 LTE-V副载波每个子帧总共具有14个符号，并且这些符号中的四个专用于解调参考信号（DMRS）的传输以在高速下对抗多普勒效应。 DMRS在每个子帧的每个子载波的第三，第六，第九和第十二个符号中传输[5]。 最大发射功率为23 dBm，该标准规定了接收机的灵敏度 - 功率电平要求为-90.4 dBm，最大输入电平为-22 dBm [6]。
Figure 1 lte-v subchannelization.
模式4
车辆在模式4下使用侧向链路或V2V通信进行通信，并自主选择它们的无线电资源，而不管它们是否处于蜂窝覆盖范围内。当车辆处于蜂窝覆盖范围内时，网络决定如何配置V2X通道并通过侧链V2X可配置参数通知车辆[3]。该消息包括V2X信道的载波频率，V2X资源池，同步参考，子信道化方案，每个子帧的子信道的数量以及每个子信道的RB的数量等等。当车辆不在蜂窝覆盖范围内时，他们利用预先配置的一组参数来替代sidelink V2X可配置参数。但是，该标准没有为每个参数指定具体的值。 V2X资源池指示信道的哪些子帧用于V2X。其余的子帧可以被其他服务使用，包括蜂窝通信。该标准包括根据地理区域划分V2X资源池的选项（称为分区[3]）。在这种情况下，区域内的车辆只能利用分配给这些区域的资源池。在本文中，我们假设一个通道完全专用于V2X，并且该分区不适用。
车辆使用版本14中指定的基于感测的SPS方案在模式4中选择其子信道。[4]，[7]车辆为多次连续重选计数器分组传输预留选定的子信道。该计数器随机设置在5到15之间，车辆在SCI中包含其值。每次传输后，重选计数器减1。当它等于零时，必须以概率（1-P）选择和保留新资源。每辆车可以设置0到0.8之间的P值。如果要发送的分组不适合先前保留的子信道，则还需要保留新的资源。重新选择计数器是每次必须保留新资源时随机选择的。分组可以每隔100个子帧发送[即，每秒10个分组（10pps）]或以100个子帧的倍数（最多为1pps）发送。每辆车在其SCI的资源预留字段中包含其分组传输间隔。由于资源的半永久保留以及在SCI中包含重选计数器和分组传输间隔，其他车辆可以估计哪些子信道在进行自己的预留时是空闲的，这减少了分组冲突。保留子频道的过程按以下三个步骤组织：
步骤1：假设车辆（V）在时间（T）需要保留新的子信道。它可以保留T与已建立的最大延迟（等于或小于100 ms [4]）之间的子信道。这段时间被称为选择窗口。在选择窗口内，交通工具识别候选单子帧资源（CSR，也称为候选资源），其将被发送的SCI TB将拟合的同一子帧内的所有相邻子信道组保留。
步骤2：车辆V分析在T之前的1,000个子帧中接收到的所有信息并创建它可以预留的CSR的列表（L1）。此列表包括选择窗口中的所有CSR，但符合以下两个条件的那些除外。
1）在最后的1,000个子帧中，V已经正确接收到来自另一车辆的SCI，表明它将利用该CSR，同时V将需要它来发送其下一个重选计数器分组
2）V测量用于发送与SCI关联的TB高于给定阈值的RB上的平均参考信号接收功率（RSRP）。阈值取决于数据包的优先级。此优先级是根据应用程序的相关性和紧迫性由更高层建立的。如果V从同一干扰车辆接收到预定给定CSR的多个SCI，它将利用最近的一个来估算平均RSRP。
V必须同时满足这两个条件才能排除CSR。如果V在任何先前的子帧F -100）j（je N，1＃＃j 10）期间传输，则车辆V也在选择窗口中排除子帧F的所有CSR。应该注意的是，由于半双工（HD）传输，V无法接收其正在传输的子帧中的其他车辆的传输]。
执行步骤2后，L1必须在选择窗口中包含至少20％的所有CSR。如果不是，则迭代执行第2步，直到满足20％的目标。在每次迭代中，RSRP阈值增加3dB。
步骤3：车辆V创建CSR的第二列表（L2）。 L2中的CSR总数必须等于选择窗口中所有CSR的20％。 L2包括来自L1（在步骤2之后）的CSR，其在所有RB上经历最低平均接收信号强度指示符（RSSI）。该RSSI值在所有先前的TCSR-100）j个子帧（je N，1＃＃j 10）上被平均;参见图2.车辆V随机选择L2中的一个CSR，并为下一次重选计数器分组传输保留它。
基于传感的SPS扩展
LTE-V模式4为每个数据包提供两次传输选项以提高可靠性。在这种情况下，基于传感的SPS方案会创建第三个CSR列表（L3）。假设原始SCI TB传输发生在子帧SF中的CSR中;除了SF中的所有CSR之外，L3由时间间隔（SF-15ms; SF 15ms）中的L2（包括在步骤3中产生的）中包括的所有CSR组成。基于传感的SPS方案从SCI随机选择L3的CSR用于SCI TB的冗余传输。对于以下重选计数器分组，冗余传输的选择保持半持续。
基于传感的SPS方案可以支持比10pps更高的数据包传输频率，特别是20pps和50pps。在这种情况下，应用基于传感的SPS方案的以下更改：
■最大可容忍延迟分别为50和20毫秒，这减少了选择窗口。
■重选计数器可以取10到30之间的任何值，20 pps，25到75之间50 pps。
■步骤3中的变量j取值为1到20之间20 pps，1到50之间取值50 pps。
版本14包括行人间通信的基于传感的SPS方案的变体，行人通过移动设备广播其存在。感测过程严重危害这些设备的电池，因此标准给他们选择仅感测步骤2中T之前的1,000个子帧的百分比。移动设备只能使用感测在所感测的子帧中选择CSR SPS方案。
模式3
车辆也在模式3下使用侧向链路或V2V通信进行通信。但是，子信道的选择由基站或演进节点B（eNB）管理，而不是如模式4中的情况那样由每个车辆管理。因此，只有当车辆处于蜂窝覆盖范围时才可用。 3GPP已经定义了必要的蜂窝架构增强来支持V2X。其中一项增强功能是网络在模式3中使用的V2X控制功能，用于管理无线电资源并为[或一般来说，用户设备（UE）]提供车辆侧向链路V2X可配置参数。模式3采用与模式4相同的子信道配置。使用模式3的车辆也必须发送关联的SCI / TB，并且SCI / TB的发送必须发生在相同的子帧中。与模式4相反，标准没有为模式3指定资源管理算法。每个运营商都可以实现自己的算法，该算法应属于以下两类之一[8]：
■动态调度：车辆向eNB请求子信道用于每个分组传输。这增加了蜂窝信令开销，并且延迟了分组传输，直到车辆被通知其分配的子信道。
■SPS：eNB为模式4中的车辆的周期性传输预留子信道。然而，与模式4相比，由eNB决定应该维持预留多长时间（即，模式3没有定义重选计数器）。只有eNB可以激活，停用或修改车辆子信道的预留。车辆必须通知eNB其分组的大小，优先级和传输频率，以便eNB能够半持续地保留适当的子信道。该信息（称为UE辅助信息[4]）必须在传输开始时或当任何业务特征（大小，优先级和频率）改变时提供给eNB。
在模式3下运行的车辆可以由不同的蜂窝运营商或公共陆地移动网络（PLMN）支持。为了实现其直接通信，3GPP已经定义了可以支持以下场景的PLMN间架构[9]：
■由不同的PLMN支持的车辆在不同的运营商中传输。在这种情况下，车辆必须能够在多个运营商中同时接收其他PLMN支持的车辆传输。为此，每个PLMN在侧链V2X可配置参数中广播必要的信息，以使其支持的车辆可以接收由其他PLMN支持的车辆发送的分组。
■由不同的PLMN支持的车辆共享相同的载波，但是每个PLMN被分配一部分载波的RB。该标准没有规定如何在PLMN之间分配资源，而是在PLMN之间引入协调机制（通过V2X控制功能）以避免包冲突。
拥塞控制
版本14支持模式4中的拥塞控制[3]。该标准没有规定特定的拥塞控制算法，但是定义了相关度量和可能的机制来减少信道拥塞。每次车辆必须传输或重新传输数据包时，它都会估算通道占用率（CBR）和通道占用率（CR）。如果分组将在子帧n处传送，则测量在子帧n-4 [4]处完成。 CBR提供信道拥塞水平的指示，并且被定义为经历比预先配置的阈值更高的平均RSSI的前100个子帧中的子信道的数量。该标准没有规定该阈值，但3GPP工作文档通常通过在子信道上增加-107 dBm / RB来计算该阈值。 CR量化发射车辆产生的信道占用。它被定义为传输车辆在1,000个子帧期间使用的子信道的数量。这个时期可以包括过去和未来的子帧，每个车辆决定在计算CR时有多少过去和未来子帧具有一定的限制。可以考虑未来的子帧，因为每个车辆使用基于感测的SPS方案来保留许多子信道。必须至少考虑前面的500个子帧来估计CR，并且可以考虑只有发射车辆已经预留的未来子帧才能计算CR。
该标准指出，可以定义多达16个CBR间隔，并且对于每个CBR间隔，传输车辆不能越过随着CBR减少而增大的最大CRL限制。每个CBR间隔的CRLimit值随数据包的优先级而变化。该标准没有规定每个CBR间隔的范围和CRLimit的值。然而，表1显示了来自3GPP工作文档[10]的10 pps的例子。较高的传输频率在1,000个子帧
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