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蜂窝车联网(cellular vehicle to everything,C-V2X)是智能交通系统的关键技术之一,车辆通过与周围的信息实体实时交换信息以实现保障城市交通安全、提高城市交通效率等目的,实现V2X通信的基本需求。在NR-V2X定义的场景中,它还将支持自动驾驶、远程驾驶、车辆编队、扩展传感四大类先进V2X服务。通过OPNET搭建5G-V2X系统级仿真平台,针对基于PC5接口和Uu接口的车联网通信两大通信模式对5G蜂窝车联网的系统性能进行分析研究,给出相应的性能分析和评估结果,并提出改进建议,对5G 蜂窝车联网的研究方向和实际系统部署都具有重要的指导作用。
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专题:5G 组网与 6G 展望
5G 蜂窝车联网组网性能研究
王君,纪晓东,张欣然,温晓然,佟佳俊
(北京邮电大学,北京 100876)
摘 要:蜂窝车联网(cellular vehicle to everything,C-V2X)是智能交通系统的关键技术之一,车辆通过与周
围的信息实体实时交换信息以实现保障城市交通安全、提高城市交通效率等目的,实现 V2X 通信的基本需求。
在 NR-V2X 定义的场景中,它还将支持自动驾驶、远程驾驶、车辆编队、扩展传感四大类先进 V2X 服务。通
过 OPNET 搭建 5G-V2X 系统级仿真平台,针对基于 PC5 接口和 Uu 接口的车联网通信两大通信模式对 5G 蜂
窝车联网的系统性能进行分析研究,给出相应的性能分析和评估结果,并提出改进建议,对 5G 蜂窝车联网
的研究方向和实际系统部署都具有重要的指导作用。
关键词:蜂窝车联网;5G-V2X;V2N;性能估计
中图分类号:TN929
文献标识码:A
doi: 10.11959/j.issn.1000-0801.2020009
Performance evaluation of 5G cellular vehicle networks
WANG Jun, JI Xiaodong, ZHANG Xinran, WEN Xiaoran, TONG Jiajun
Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China
Abstract: Cellular vehicle networks (C-V2X) is one of the key technologies of intelligent transportation systems. Ve-
hicles exchange information with surrounding information entities in real time to ensure traffic safety and improve
traffic efficiency, which meets the basic demands of V2X communication. Besides, it will be applied to automatic
driving, assisting driving and other advanced scenarios in the NR-V2X scene. 5G-V2X system-level simulation plat-
form was developed through opnet. For different application scenarios, coverage performance of 5G C-V2X was
analyzed based on simulation results, and suggestions for improvement were given, which has important directive to
production practices for the research and system deployment of 5G-V2X.
Key words: cellular vehicle network, 5G-V2X, V2N, performance evaluation
1 引言
第五代移动通信技术(5th generation mobile
networks,5G)被认为是改变人们未来生活的关
键技术,为支持其发展,各个领域进行了大量的
研究
[1-3]
。车联网是智能交通系统的关键技术之一
[4]
,
在 5G 移动通信技术中扮演重要角色,其基本要求
是通过车辆之间的可靠通信保障城市交通安全。
车辆、行人和基础设施可以收集有关环境的信息
并实时与其他附近的实体交换,因此可以通知潜
收稿日期:2019−12−01;修回日期:2020−01−06
专题:5G 组网与 6G 展望 ·50·
在危险情况,保障城市交通安全,实现车联网通
信的基本需求
[5]
。在 5G-V2X 的应用场景中,定
义了 3 类 V2X 服务场景
[6]
:第一,支持非安全
相关的 V2X 服务,例如移动高速率数据传输、
移动热点、动态数字地图更新等;第二,支持
安全相关 V2X 服务,包括车联网基本需求及自
动驾驶、远程驾驶、车联编队、扩展传感四大
先进 V2X 服务;第三,支持多种 3GPP 无线接入
技术,如 LTE、new RAT(NR),支持与多种
网络环境协作,包括非 3GPP 的 V2X 技术,如
DSRC
[7]
。车联网的工作模式可分为两大类,第
一类是基于 PC5 接口的车辆与车辆
(vehicle-to-vehicle,V2V)直接通信,主要针对
车联网通信的安全相关的基本需求;第二类是
基于 Uu 接口的车辆与基站(vehicle-to-network
communication,V2N)进行通信,主要针对先
进 V2X 服务及非安全相关的 V2X 服务等高吞吐
量需求服务。
3GPP 的 C-V2X 通信标准化分为 3 个阶段
[8]
。
第一阶段工作从 2015 年 2 月开始,主要从基础业
务需求、系统架构、安全研究和空口技术 4 个方
面开展,并首次定义了包括车车、车路、车人以
及车与网络通信的 27 个应用场景。第二阶段从
2017 年 3 月开始,定义了车联网通信的五大业务
需求,包括车辆编队、半自动驾驶、扩展传感、
远程驾驶四大先进 V2X 服务和基本需求。另一方
面,研究并评估支持 LTE-V2X 业务的增强技术方
法,主要从载波聚合、发送分集、高阶调制、资
源池共享及减少时延等关键增强技术进行研究,
同时,3GPP RAN 开始进行 V2X 服务相关性能评估
的方法研究,确定性能评估指标及参数。在 2018 年
6 月正式启动第三阶段 NR-V2X 的研究,一方面
根据第二阶段确定的性能评估方案对 NR-V2X 进
行系列的性能评估;另一方面对支持 NR-V2X 的
一系列关键技术开展了丰富的研究。物理层的讨
论主要从帧结构、子载波间隔、CP 等方面展开,
目前的讨论结果见表 1。
表 1 NR-V2X 物理层子载波间隔及 CP 长度
频率范围 支持子载波间隔 CP 长度
6 GHz 及以下 15 kHz、30 kHz、60 kHz
normal CP
60 kHz extend CP
6 GHz 以上 60 kHz、120 kHz
normal CP
60 kHz extend CP
同步方式方面,NR-V2X 的同步源包括 GNSS
(global navigation satellite system,全球导航卫星
系统)、gNode B(NR 基站)、eNode B(evolved
node B),与 LTE-V2X 相比新增了 gNode B 同步
方式,其中当 eNode B 作为 NR UE 的同步源时,
需要当前 NR UE 支持 LTE Uu 接口或 PC5 接口。
资源分配方面,NR-V2X 支持 Mode 1 和 Mode 2
两种资源分配方案:Mode 1,基站为车辆 UE 调
度资源以完成数据传输;Mode 2,UE 自主地进行
资源选择,包括 UE 自主选择资源和 UE 辅助其他
UE 进行资源选择,通过 NR configured grant 对副
链路的传输进行配置,UE 调度其他 UE 的资源进
行传输有 4 种方式。此外,关于副链路控制信道
(physical sidelink control channel,PSCCH)与副
链路共享信道(physical sidelink shared channel,
PSSCH)的复用及与反馈信道(physical sidelink
feedback channel , PSFCH )相关的技术以及
LTE-V2X 与 NR-V2X 共存等相关的问题还在进一
步讨论中。
本文将根据 3GPP 定义的蜂窝车联网应用场
景的性能评估方法
[9]
,针对 5G-V2X 安全相关的
服务和先进 V2X 服务,对车联网的覆盖性能进行
评估。主要贡献包括:通过搭建 5G-V2X 系统级
仿真平台
[10]
,从系统级的角度考虑
[11]
,针对不同
的通信模式及实际场景,研究业务负载、车辆密
度对系统性能的影响,并与 3GPP 目标可靠性进
行比较,给出相应的性能分析和评估结果,并提
出改进建议。
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