NR-V2X Sidelink关键技术研究

吴迎笑，朱凯男，刘云涛，赵庶源，朱永东，王延松，赵志峰

(之江实验室，浙江 杭州 311121)

0 引言

从第一代移动通信开始，无论是全球移动通信系统(Global System for Mobile Communications，GSM)，通用移动通信系统(Universal Mobile Telecommunications System，UMTS)，还是长期演进(Long-Term Evolution，LTE)、LTE-A(LTE-Advanced)蜂窝移动通信系统，两个用户设备(User Equipment，UE)之间的通信都需要通过基站。2012年，3GPP在Release 12中开始提出公共安全网络(Public Safety Network，PSN)，为急救、警察以及消防等急救机构提供应急网络服务[1]。PSN基于侧链路(Sidelink)通信传输技术，又称为D2D(Device-to-Device)通信或近场通信(Proximity Services，ProSe)。该通信机制是UE和UE之间通过直连的通信链路实现交互，而不需要通过传统的蜂窝移动通信系统，所以D2D通信可以在蜂窝网络不可用或遭破坏之后仍能进行通信[2]。车联网V2X(Vehicle-to-Everything)中的V2V(Vehicle-to-Vehicle)通信是一种典型的Sidelink通信应用场景。由于该通信机制在节约无线网络资源、减少通信时延以及使得UE能够在基站覆盖范围之外进行通信等方面的特性，使其应用于车联网驾驶安全和交通效率领域具有先天的优势。

1 3GPP标准进展历程与V2X Sidelink技术的发展

在3GPP标准的Release 12和Release 13中[3-5]，Sidelink通信传输模式仅支持广播模式，不支持单播、组播模式，因此发送UE和接收UE之间的Sidelink链路中没有混合自动重传请求(Hybrid Automatic Repeat reQuest，HARQ)反馈信息。在Release 12中，Sidelink不支持基站覆盖范围外用户设备UE的寻呼，因此Sidelink传输只能应用于用户设备UE在基站覆盖范围内的场景。为进一步增强Release 12中Sidelink传输功能，在Release 13中，引入用户设备UE到网络的中继(UE-to-Network Relay)功能，网络覆盖范围外的远程用户设备UE将通过网络覆盖范围内的用户设备UE中继与蜂窝网络相连，实现远程UE与网络的通信。

为实现基于LTE的V2X通信服务，在3GPP标准的Release 14中，对Sidelink传输通信的物理层和高层进一步增强，以支持UE之间能通过Sidelink传输V2X信息[6]。UE之间传输的V2X信息包括典型应用场景中的协同感知消息(Co-operative Awareness Messages，CAM)和分布式环境通知消息(Decentralized Environmental Notification Message，DENM)。为满足V2X信息传输的低时延、高可靠、更高效等需求，增强了PC5接口和Uu接口功能，对Sidelink传输通信技术重新进行定义，包括信道结构、资源调度和分配方法以及相关的射频指标和性能要求等[7]。

除了基本的V2X应用需求，随着通信行业和自动驾驶行业的发展，V2X技术需要进一步演进以满足车联网高级应用的指标要求，3GPP在Release 15中提出增强型V2X[8],对Release 14的V2X通信功能进行了扩展，定义了包括自动车队驾驶、半/全自动驾驶、支持扩展传感、远程驾驶以及基本需求等五大类需求场景。为了提高Sidelink通信传输的数据速率和带宽，引入载波聚合(Carrier Aggregation，CA)[9]，采用64QAM高阶调制方式、传输分集等技术，同时引入短传输时间间隔(Short Transmission Time Interval，Short TTI)、资源池共享等以满足低延迟要求[10]。

从Release 12到Release 15,Sidelink传输通信技术主要基于LTE和LTE-A的空口技术[11]。2018年，3GPP在Release16中开始开展基于NR(New Radio)的Sidelink传输通信技术标准制定，支持编队行驶、扩展传感器、高级驾驶以及远程驾驶等高级应用场景。为了支持新的应用需求，需要更高可靠性、更低时延、更大密度和更高速率的网络连接[12]，NR V2X Sidelink在传输引入了新的无线空口设计，除了支持广播，还支持单播和组播[13]，并引入新的通信信道PSFCH(Physical Sidelink Feedback Channel)以实现单播和组播通信[14]。NR Sidelink传输技术还包括新的Uu空口增强、QoS管理以及新资源分配模式等技术。

2 Sidelink物理层结构

2.1 参数集和波形

根据世界各国现有的无线频段划分政策，7 GHz以下的频谱带宽资源难以支持由IMT-2020规定的5G峰值数据传输速率。因此，5G NR将频谱带宽划分为两部分：频带范围1(Frequency Range 1，FR1)和频带范围2(Frequency Range 2，FR2)。标准化文件3GPP TS 38.104(Release 16)中将FR1定义为410～7 125 MHz，FR2定义为24 250～52 600 MHz[15]。然而，在不同载波频率上传输的信号会经历不同程度的多径衰落，并造成不同程度的频率选择性衰落。为了解决上述问题，5G NR支持不同数值的子载波间隔(Subcarrier Spacing，SCS)[11,16]，并且将具有较小子载波间隔的正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)子载波部署到具有较低载波频率的频谱上，将具有较大SCS的OFDM子载波部署到具有较高载波频率的频谱上。另外，多径衰落会引起不同程度的符号间干扰(Inter-Symbol Interference，ISI)。5G NR针对不同数值的子载波间隔，采用不同的循环前缀(Cyclic Prefix，CP)长度以降低符号间干扰的影响。按照不同的CP长度与符号时长(Symbol Duration)的比值，NR支持常规循环前缀(Normal Cyclic Prefix，NCP)和扩展循环前缀(Extended Cyclic Prefix，ECP)两种循环前缀类型。同时，NR引入了参数集(Numerology)的概念以描述不同SCS值和CP类型的组合。标准化文件3GPP TS 38.104和TS 38.211(Release 16)在NR Sidelink传输中，支持以下几种参数集[15,17]：

① 针对FR1，支持15 kHz，30 kHz，60 kHz的SCS与NCP的组合，而ECP仅适用于60 kHz的SCS。

② 针对FR2，支持60 kHz，120 kHz的SCS与NCP的组合，而扩展循环前缀仅适用于60 kHz的SCS。

在NR的传输波形中，下行传输采用循环前缀正交频分复用(CP-OFDM)技术，上行传输采用循环前缀正交频分复用和离散傅里叶变换扩频正交频分复用(Discrete Fourier Transform-spread-OFDM，DFT-s-OFDM)技术。对于Sidelink传输波形，仅支持循环前缀正交频分复用技术。

2.2 时域资源结构

在NR中，时域资源结构由帧(Frame)、子帧(Subframe)、时隙(Slot)以及微时隙(Mini-slot)等组成，如图1所示[18]。

图1 NR时域资源结构Fig.1 NR time domain resource structure

其中：

① 帧：每个帧的持续时间为10 ms，一个帧可以分为10个子帧。

② 子帧：每个子帧的持续时间为1 ms。

③ 时隙：一个子帧包含一个或多个时隙，具体个数与子载波间隔有关[17]。当子载波间隔为15 kHz时，一个子帧只包含1个时隙，即每个时隙的长度为1 ms；当子载波间隔分别为30 kHz，60 kHz，120 kHz时，一个子帧分别2，4，8个时隙，即对应的每个时隙的长度分别为0.5 ms,0.25 ms,0.125 ms。在使用NCP的情况下，每个时隙包含14个OFDM符号；在使用ECP的情况下，每个时隙包含12个OFDM符号。

④ 微时隙：NR允许一次传输一个时隙的一部分，即微时隙传输机制，以进一步降低上下行传输时延。根据系统实际配置，一个微时隙包含2，4或7个OFDM符号。

NR Sidelink传输不支持微时隙传输机制，因此NR Sidelink传输在时域资源调度中的最小单元为一个时隙。然而在共享频带模式下，若一个时隙中的部分符号用于Sidelink传输，而该时隙中剩余的符号用于直连通信传输，则NR Sidelink支持部分时隙(partial slot)传输。

2.3 频域资源结构

在NR中，频域资源结构由资源单元(Resource Element)、资源块(Resource Block)、资源组(Resource Grid)以及带宽部分(Bandwidth Part)等组成，如图2所示[18]。

图2 NR频域资源(资源组)结构Fig.2 NR frequency domain resource (resource block) structure

其中：

① 资源单元：一个资源单元由时域上一个OFDM符号频率上的一个子载波组成，是网络资源最小单位。

② 资源块：一个资源块由12个采用相同SCS的连续子载波组成。因此，一个资源块的带宽由子载波的SCS值决定。

③ 资源组：一个资源组由多个采用相同SCS的资源块组成。

④ 带宽部分：一个带宽部分有多个连续的资源块组成，NR中载波带宽可高达400 MHz(其中包含275个资源块)。然而，多数移动服务中的用户终端无法完全利用275个资源块，而仅使用部分资源块以达到节约能耗的目的。一个带宽部分由载波中一系列连续的资源块组成。对于用户终端而言，一个载波上至多配置4个带宽部分，并且在任一时刻，至多一个带宽部分可处于激活状态。

由带宽部分的概念可以引出两种类型的资源块：公共资源块(Common Resource Block，CRB)和物理资源块(Physical Resource Block，PRB)。CRB是指一个载波中包含的多个采用相同参数集的资源块，且这些资源块从该载波的最低频率开始以递增的方式进行编号。带宽部分中包含的资源块称为PRB，这些资源块按照从0开始递增的方式进行编号。

NR Sidelink传输允许一个载波上至多配置一个侧行带宽部分，其在频域资源调度中的最小单元为一个子信道(Subchannel)。根据系统实际配置情况，一个子信道包含10，15，20，25，50，75或100个连续资源块。

3 Sidelink信道和参考信号

NR Sidelink包含物理Sidelink共享信道(Physical Sidelink Shared Channel，PSSCH)、物理Sidelink广播信道(Physical Sidelink Broadcast Channel，PSBCH)、物理Sidelink反馈信道(Physical Sidelink Feedback Channel，PSFCH)、物理Sidelink控制信道(Physical Sidelink Control Channel，PSCCH)、Sidelink主/辅同步信号(Sidelink Primary/Secondary Synchronization Signal，SPSS/SSSS)以及参考信号(Reference Signal，RS)等几种物理信道和参考信号。

(1) PSSCH

PSSCH用于传输Sidelink用户终端的数据和部分控制信息，具体包含Sidelink用户的传输数据、用于配置无线资源控制(Radio Resource Control，RRC)的系统信息块(System Information Blocks，SIBs)，以及部分Sidelink控制信息(Sidelink Control Information，SCI)。另外，信道状态信息(Channel State Information，CSI)也可以在PSSCH中传输。PSSCH采用低密度奇偶校验(Low Density Parity Check，LDPC)编码方式，调制方式支持QPSK、16 QAM(Quadrature Amplitude Modulation)、64 QAM调制方式和256 QAM。PSSCH 的传输资源可以由gNB进行调度并通过DCI告知UE，也可以通过UE自己的感知过程自主确定。PSSCH发送的天线端口从port 1000开始。

(2) PSBCH

PSBCH以同步信号/PSBCH块(Synchronization Signal/PSBCH Block，SSB)的方式和SPSS/SSSS同时传输。在同一载波上，SSB采用与PSCCH / PSSCH相同的参数集，并且SSB需要在配置的带宽部分内的带宽进行传输。SSB以160 ms的时间间隔进行周期性传输。另外，160 ms的时间周期内有N次SSB重复(可配置起始偏移和间隔)。N值由具体的SCS值进行配置。PSBCH包含与同步相关的信息、Sidelink传输时间资源的指示信息和覆盖范围指示信息等。调制方式只支持QPSK。 PSBCH发送的天线端口从port 4000开始。

(3) PSFCH

PSFCH内容包含一个资源块中一个比特的HARQ的确认(Acknowledgement，ACK)和非确认(Negative ACK，NACK)信息。承载Sidelink上接收UE向发送UE的反馈，具体形式可以是ACK/NACK或者NACK- only。PSFCH的时域资源(预)配置在第1、2、 4时隙，频域/码域资源通过隐式方式获得。PSFCH发送的天线端口从port 5000开始。

(4) PSCCH

当传输用户终端需要传输数据时，其需要先行发送PSCCH(部分SCI)以用于其他用户终端解码进行信道感知。具体内容包含预留的传输时频资源、DMRS模式和天线端口等。PSCCH采用极化码编码和正交相移键控(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)调制方式。PSCCH发送的天线端口从port 2000开始。

(5) Sidelink链路主同步信号/Sidelink链路辅同步信号

NR Sidelink同步信号包括Sidelink链路主同步信号(Sidelink Primary Synchronization Signal,SPSS)和Sidelink链路辅同步信号(Sidelink Secondary Synchronization signal,SSSS)，其分别使用M序列和Gold序列生成信号。通过检测用户终端发送的主同步信号和辅同步信号(由两种主同步信号序列和336种辅同步信号序列组合而成的672种Sidelink同步标识符)，接收用户终端可以识别出Sidelink同步标识符(Sidelink Synchronization Identity，SSID)，从而获得发送用户终端的特性。常见的起始小区搜索过程是通过搜索SPSS和SSSS获取时间/频率同步以及用户终端SSID。传输主/辅同步信号的节点(用户终端、eNB、gNB)被称为同步源，但发送主/辅同步信号的用户终端不一定进行Sidelink传输。SSSS发送的天线端口从port 4000开始，与PSBCH相同。

(6) RS

Sidelink RS包括解调参考信号(DM-RS)、相位跟踪参考信号(PT-RS)和信道状态信息参考信号(Channel State Information Reference Signal，CSI-RS)。其中解调参考信号DM-RS又可以细分为PSSCH 解调参考信号、PSCCH 解调参考信号和PSBCH 解调参考信号。PT-RS仅在FR2频段中存在，专用于PSSCH的参考信号，在PSSCH所在的资源块中传输。CSI-RS用于指示信道的状态信息，发送的天线端口从port 3000开始。

4 Sidelink资源分配

4.1 3GPP标准中资源分配方法

NR-V2X支持Mode 1和Mode 2两种资源分配方案，其中Mode 1模式由基站通过Uu口配置并调度Sidelink资源给UE进行传输；Mode 2模式由UE自主确定由基站或者网络(预)配置的Sidelink资源。根据功能Mode-2又分为4种sub-mode，其中Mode-2(a)：UE自主选择Sidelink资源用于Sidelink传输；Mode-2(b)：UE辅助其他UE选择用于传输的Sidelink资源；Mode-2(c)：通过NR configured grant对Sidelink传输进行配置；Mode-2(d)：UE调度其他UE的 Sidelink传输[14]。

这里重点介绍Mode-2方式。当上层应用有数据达到，车联网用户设备UE需要为PSSCH和PSCCH自主选择资源。车联网用户UE传输数据的周期称为PSCCH周期，每个周期包括物理侧链路共享信道PSSCH和物理侧链路控制信道PSCCH，PSCCH包含SCI，又称为调度分配SA(Scheduling Assignment)信令。PSSCH和PSCCH的资源池配置可以是非邻带和邻带分布部署方式，邻带分布部署方式时PSCCH的SA信息和关联的PSSCH数据传输块TB(Transport Block)在同一个子帧的邻带发送，且二者在频域上是相邻的。

资源分配过程分为两个阶段：资源感知和资源选择/重选阶段，分别对应感知窗口和选择窗口。在资源感知阶段，当用户设备UE传输数据时，在感知窗口对各个子帧的资源进行监测感知，通过监测接收到的参考信号接收功率(Reference Signal Received Power，RSRP)判断其他用户占用PSSCH资源的情况，即发射功率小于等于预设的功率阀值的一个资源块可以认为是可用资源。根据监测感知结果获取其他用户的资源占用情况，形成候选子帧资源集合，并根据一定的规则将被其他用户占用的、受到干扰较大的资源从候选资源中排除，如果候选资源集中的资源数小于选择窗口资源总数的20%，则增大门预设的功率阀值3 dB，直到形成最终的候选子帧资源集合。用户设备UE基于候选子帧资源集合，在资源选择窗口内为PSCCH、PSSCH选择可用的资源[19]。

4.2 资源分配和调度研究

V2X需要支持交通道路安全、效率类应用，资源调度和分配机制应满足超低时延、超高可靠以及更高效等需求。随着V2X应用场景的丰富和性能需求的不断提升，资源调度和优化技术也面临越来越多的挑战。

为解决隐藏节点的问题并降低传输冲突，文献[20]提出基于地理位置的资源调度方法，车辆终端根据邻近车辆的位置和排列信息选择通信无线资源，以此通过车辆终端间的位置协作选择资源减少包传输冲突。针对大规模V2X应用场景，文献[21]提出新的MAC机制SMAC(Segmentation MAC)，SMAC的特点是分段的网络和信道分配随着车辆终端的密度变化而动态调整，该方法提高了网络吞吐量、包传输速率(Packet Delivery Rate，PDR)，降低了冲突概率。为解决集中式和分布式混合V2X通信系统中的资源分配问题，文献[22]提出基于功率控制和资源分配模式选择的联合优化方法，为保证V2X安全通信的QoS需求，在最小SINR值和最大传输功率的限制条件下，寻求V2X通信的最大全局信息值，并考虑ProSe包优先级和通信链路质量。

V2X需要满足可靠性、低时延以及通信效率等通信需求，文献[23]利用基于蜂窝V2X的V2V通信可消除竞争性时延并能辅助长距离通信的特性，提出资源分配优化算法，通过选择最优的接收车辆终端集来确定V2V链路，并在最小化全局时延条件下进行资源分配，该优化问题可以等效为最大化加权独立集问题(MWIS-AW)，通过求解，文献[23]提出的资源分配方法在时延、吞吐量和包传输率性能方面都优于现有方法。Bonjorn等人[24]提出协作式eV2X(enhanced V2X)资源分配和调度算法以满足可靠性和低时延通信需求，算法基于Sidelink半时隙(Semi-Persistent Scheduling，SPS)调度，通过邻近节点间的信息共享，包括计数器值等，提出计数器值的重选学习机制，以降低包传输冲突概率。文献[25]提出基于稀疏码多址接入(Sparse Code Multiple Access，SCMA)的V2X资源分配算法，通过干扰模型分析，结合基于图形颜色的用户聚类算法和资源分配算法以最大化系统容量，通过仿真分析得出基于SCMA的资源分配系统容量优于基于OFDMA的资源分配系统容量。

5 Sidelink中继

Sidelink中继是3GPP Release 17中将要具体讨论的内容[26-27]，是指用户设备UE利用Sidelink进行内容转发，一方面可以用于延长通信距离，另一方面可以用于保持较好的通信质量。Sidelink中继包括UE到网络的中继和UE到UE的中继。其中，UE到网络的中继有利于扩大网络覆盖范围，UE到UE的中继有利于扩大Sidelink覆盖范围。目前学术界已有一些对Sidelink中继的研究，包括Sidelink中继的传输可靠性、系统能效、时延等方面的性能表现，以及中继选择等策略的研究。

M.Schellmann等人[28]研究了车联网场景下通过Sidelink中继进行信息协作式重传的方案，以达到提高传输可靠性并保持低资源利用率的目的。研究结果表示在不考虑路径损耗效应并采用两次HARQ重传的情况下，数据传输的可靠性随着每增加一个邻近用户，增加一个数量级。在考虑路径损耗效应的情况下，数据传输的可靠性会较之显著降低。V.K.Shrivastava等人[29]对Sidelink中继系统的能效和以保障端到端服务质量为目的的资源调度策略展开了研究，并提出了创新的系统架构。研究结果显示，文中提出的资源调度算法与传统的基于选择业务的调度算法相比，可显著降低丢包率和平均传输时延。

Y.Hu等人[30]对采用中继的高可靠低时延网络进行了性能建模与优化。同时，作者全面总结了5G高可靠低时延传输中采用中继传输相较于直连传输的性能优势。B.R.Elbal等人[31]研究了通过空闲网联车进行Sidelink中继以增强车辆至基础设施链路信号的问题。通过综合考虑基站和用户密度，作者提出了一种以最大化信号覆盖范围为目的的中继选择方法。利用随机几何理论，作者分别得出了直连传输链路和有中继辅助传输链路中覆盖概率的解析表达式。

J.Fu等人[32]研究了车联网编队行驶中基于稀疏码多址接入(Sparse Code Multiple Access，SCMA)的多播策略。为了扩大队列中头车的信号覆盖范围，作者假设所有队列成员可以作为解码转发(Decode-Forward，DF)中继。作者提出单中继和多中继的技术方案，并且分析比较了这两种方案与直连通信的平均中断概率。另外，作者还对这两种中继方案的通信过程和通信时延做了分析比较。研究结果显示采用中继的技术方案能大幅降低系统平均中断概率，并且单中继方案具有最佳的性能(平均中断概率)表现。作者还分析得出虽然多中继方案会增加用户间的干扰，从而增加平均中断概率，但是可以降低整个通信时延。S.Pizzi等人[33]对5G物联网中通过Sidelink进行安全可靠有效的多播传输协议展开了研究。通过综合考虑安全性和信任程度因素，作者设计了一种基于可靠性的Sidelink中继选择策略，并利用Diffie-Hellman密钥交换协议生成密钥以进行数据传输中的加密/解密。仿真结果显示作者提出的方案能在有效利用资源的前提下减少数据丢失。

6 结束语

本文从参数集、波形、时域资源结构以及频域资源结构等几个方面详细介绍了Sidelink物理层结构。同时，分析了Sidelink通信信道和参考信号，以及3GPP标准中mode 1和mode 2资源分配模式。本文还结合最新研究现状，对Sidelink资源分配和调度，以及Sidelink中继等方面的技术进行了分析总结。

3GPP Release 16是NR Sidelink传输的第一个标准版本。2020年7月，3GPP宣布Release 16标准冻结，标志5G第一个演进版本标准完成。2019年12月3GPP RAN工作组就在第86次全会对5G第三个版本R17进行了规划和布局，共设立23个标准立项，全面启动了Release 17 5G标准的设计工作。Release 17 中对NR Sidelink进一步增强，直连通信的应用场景将从5G V2X扩展到公共安全、紧急服务，以及手机与手机之间直接通信应用。为了更好地让NR Sidelink支持新场景新应用，R17将致力于优化功耗、频谱效率、超高可靠、超低时延、中继、同步等方面[34]，并包括FR2(>6 GHz)扩展频段部分。在Sidelink中继方面，现有研究主要聚焦于利用单个中继提升传输可靠性、系统能效、时延等通信性能，未来Sidelink中继研究可考虑基于多性能指标(如距离、RSRP等)的中继选择方案，以及在UE到UE/UE到网络场景下，多中继并存方案下的通信性能分析以及策略研究。