NR-V2X覆盖能力综合分析

万俊青，何华伟，芮杰，张建国

（1.华信咨询设计研究院有限公司，浙江 杭州 310052；2.中国电信股份有限公司杭州分公司，浙江 杭州 310002）

0 引言

NR-V2X 主要有城区和高速公路两种部署场景。对于城区场景，其典型特征是无线信号传播环境复杂、用户集中分布，主要的评估指标是在高网络负荷和高密度用户条件下的可靠性、可用性和时延；对于高速公路场景，其典型特征是UE 移动速度快、信道变化快速、切换频繁、多普勒频移大，主要评估指标是在高速/ 移动条件下的可靠性、可用性[1]。

NR-V2X 支持单播、组播和广播三种传输模式，支持gNB 调度和NR-V2X UE 自主选择两种资源分配模式。对于gNB 调度资源分配模式，NR-V2X UE 需要先通过NR Uu 接口和gNB 建立RRC 连接，由gNB 分配PC5 接口上的时频资源，因此，NR-V2X UE 的通信过程涉及到2 个空中接口，分别是PC5 接口和NR Uu 接口。

3GPP 在2020 年6 月发布了NR-V2X 标准，基于NR-V2X 技术的车联网部署日益临近。国内外对NR-V2X的标准、关键技术研究较多，但是对基于NR-V2X 技术的车联网无线覆盖的研究较少，本文将通过链路预算分析，分别计算PC5 接口和NR Uu 接口在城区和高速公路场景下的MAPL（Maximum Allowable Path Loss，最大允许的路径损耗）和小区覆盖半径，并给出NR-V2X 的站点布局和覆盖规划。

1 NR-V2X频段分析

当NR Uu 接口和PC5 接口并发操作时，PC5 接口支持的频率是n47 频段（TDD 制式：5 855—5 925 MHz）；NR Uu 接口支持的频率有n39、n40、n41、n71、n78、n79 频段。

n39、n40、n41 分别是中国移动的F 频段、E 频段和D 频段。F 频段（1 885—1 915 MHz）的频率相对较低、覆盖半径较大，是中国移动4G 室外覆盖的主力频段，短期内无法重耕为5G 网络；E 频段（2 320—2 370 MHz）带宽较大，用于室外会对雷达等设备造成干扰，只能限定在室内使用，是中国移动4G 室内覆盖的主力频段；D频段（2 515—2 675 MHz）可兼顾4G 容量和5G 覆盖需求，主要用于中国移动在城区的4G 容量补充和5G 覆盖。

n78 是中国电信和中国联通的C 频段（3 300—3 600 MHz），相对于高频段具有较好的传播特性，相对于低频段具有更宽的连续覆盖，可以实现覆盖和容量的平衡，是中国电信和中国联通在市区的主力覆盖频段。

n79 是中国移动和中国广电的4.9 GHz 频段（中国移动：4 800—4 900 MHz；中国广电：4 900—4 960 MHz），频率较高，覆盖半径较小，不适合于室外广覆盖，可用于热点容量补充和专网覆盖。

运营商在室外部署的4G 或5G 网络（n39、n41、n78），是以室内浅层覆盖为目标，在城区道路和高速公路上都有良好的覆盖，现有的站点基本上能满足Uu 接口的覆盖要求。另外，使用运营商的5G 网络调度NR-V2X UE 会导致商业模式不清晰的问题，预计不会在运营商网络上部署NR-V2X 网络。因此本文不再单独分析已经部署的5G 网络的覆盖能力。

n71 频段（上行：663—698 MHz；下行：61—652 MHz）是FDD 制式，具有空口时延小、覆盖广等优点，且该频段不会与运营商的5G 网络产生容量冲突，未来极有可能是车联网使用的5G 频段，因此本文重点分析n71 频段的覆盖能力[2]。

2 PC5接口的覆盖能力

V2X 共有多种应用类型，包括V2V（Vehicle to Vehicle，车辆对车辆）、V2R（Vehicle to Road side unit，车辆对路侧单元）、V2P（Vehicle to Pedestrian，车辆对行人）、V2N（Vehicle to Network，车辆对网络），其中V2V、V2R、V2P 均使用PC5 接口进行通信。

PC5 接口定义的物理信道有广播信道PSBCH（Physical Sidelink Broadcast Channel）、控制信道PSCCH（Physical Sidelink Control Channel）、共享信道PSSCH（Physical Sidelink Shared Channel）和可选的反馈信道PSFCH（Physical Sidelink Feedback Channel）[3]。

PSBCH 主要用于传输NR Uu 接口的TDD 配置、帧号、时隙号以及覆盖指示等同步信息，在频域上占用11 个PRB。PSCCH 用于传输PSSCH 资源配置相关信息。PSSCH 用于传输数据块以及HARQ 进程和CSI 反馈触发等信息。PSCCH 和其相关联的PSSCH 在时间重叠但是频率非重叠的资源上传输，PSSCH 的另外一部分和PSCCH 在时间非重叠的资源上传输，也即PSCCH占用的PRB 数少于等于PSSCH 占用的PRB 数，建议PSCCH/PSSCH 占用的PRB 数是25 个PRB[4]。PSFCH用于承载HARQ 反馈信息，在时域上占用一个时隙的最后面2 个OFDM 符号，在频域上占用1 个或多个PRB。

当PSBCH、PSCCH/PSSCH 以及PSFCH 采用时分复用的方式发射时，终端可以以较大的功率发送这几个信道，因此显著增加覆盖范围，同时终端的实现也较为简单。由于传递HARQ 信息只需要1 个bit，一般不会成为覆盖的瓶颈，本文接下来分别计算PSBCH、PSCCH、PSSCH 的覆盖能力。

（1）系统带宽：n47 频段的频率范围是5 855—5 925 MHz，最大带宽是70 MHz，当NR Uu 接口和PC5 接口并发操作时，PC5 接口的系统带宽最大是40 MHz，根据前文建议，PSBCH、PSCCH、PSSCH 实际发射的带宽分别是11 个PRB、25 个PRB、25 个PPB。

（2）子载波间隔：n47 频段支持的子载波间隔（SCS,Sub-Carrier Spacing）是15 kHz、30 kHz 和60 kHz，n71 频段支持的子载波间隔是15 kHz、30 kHz，较大的子载波间隔能容忍较大的多普勒频移，适合高速移动的终端。此外，NR Uu 接口和PC5 接口使用相同子载波间隔可以使终端的实现比较简单，本文建议NR Uu 接口和PC5 接口的子载波间隔都是30 kHz，40 MHz 带宽对应的PRB 数是106 个。

（3）车载终端类型：根据车辆类型和车载终端天线高度的不同，有三种类型的车载终端：1）Type 1 是低天线位置的轿车，长、宽和高分别是5 m、2.0 m 和1.6 m，天线高度是0.75 m；2）Type 2 是高天线位置的轿车，长、宽和高分别是5 m、2.0 m 和1.6 m，天线高度是1.6 m；3）Type 3 是卡车/公交车，长、宽和高分别是13 m、2.6 m和3 m，天线高度是3 m。在本文中，假设车载终端类型是Type 2，2T4R，天线放置在车顶，天线高度是1.6 m，天线增益是3 dBi，天线接收分集增益是4 dB，单个终端的馈线损耗是0.5 dB，两个终端的馈线损耗合计是1.0 dB[5]。

（4）终端发射功率：当NR Uu 接口和PC5 接口并发操作时，NR-V2X UE 在n47 频段和n71 频段发射的总功率是23 dBm，为了增加覆盖距离，本文建议NR-V2X UE在NR Uu 接口和PC5 接口上采用时分复用的方式发射，也即NR-V2X UE 在PC5 接口上的发射功率是23 dBm。

（5）传播模型：根据车辆位置和阻挡物的不同，传播模型分为三类。1）LOS（Line of Sight，视距传播）：两辆车在相同的街道上且两车之间没有车辆阻挡；2）NLOS（Non Line of Sight，非视距传播）：两辆车在不同的街道上且两车之间有车辆阻挡；3）NLOSv：两辆车在相同的街道上且两辆车之间有车辆阻挡。

对于LOS、NLOSv：

在高速公路场景，路径损耗的计算见式(1)：

在市区场景，路径损耗的计算见式(2)：

对于NLOS 场景，路径损耗的计算见式(3)：

在式(1)到式(3)中，fc是载波的中心频率，单位是GHz；d3D是发射天线和接收天线的欧式距离，单位是m。

（6）阻挡损耗和标准差：对于NLOSv 模型，根据收发天线的高度与阻挡物的高度不同，需要增加额外的车辆阻挡损耗。

Case1：发射天线和接收天线的最低高度均大于阻挡物的高度，不需要考虑额外的阻挡损耗；

Case2：发射天线和接收天线的最高高度均小于阻挡物的高度，阻挡损耗的平均值是9+max(0,15*log10(d3D)-41)，标准差是4.5 dB，其中d3D是收发天线之间的距离；

Case3：Case1 和Case2 之外的其它情形，阻挡损耗的平均值是5+max(0,15*log10(d3D)-41)，标准差是4 dB，其中d3D是收发天线之间的距离。

当15*log10(d3D)-41＞0，可以计算出d3D＞541 m，即收发天线之间的距离大于541 m 时，式(1)需要进行修正，见式(4)：

对式(4) 进行化简，可以得到式(5)：

在高速公路场景，本文采用Case3；在城区场景，NLOS 模型已经考虑了车辆阻挡损耗的因素，因此不再重复计算车辆的阻挡损耗。

在本文中，城区采用NLOS 模型，即使用式(3)计算路径损耗；高速公路采用修正后的NLOSv 模型，即使用式(5) 计算路径损耗。

（7）阴影衰落余量：在城区场景，传播模型LOS和NLOSv 的标准差是3 dB，传播模型NLOS 的标准差是4 dB，本文采用传播模型NLOS，标准差是4 dB，阴影衰落余量取4.2 dB；在高速公路场景，无线环境的标准差是3 dB，阻挡损耗的标准差是4 dB，总的标准差是7 dB，阴影衰落余量取7.2 dB[6]。

（8）快衰落余量：由于车辆节点动态拓扑快速变化，且部分业务对可靠性要求严苛，因此需要考虑小尺度衰落即快衰落对通信的影响。3GPP 组织在制定PC5 接口协议时，采取了以下措施来消除快衰落的影响，满足车联网业务对可靠性的严苛要求：每个时隙的第1 个符号为AGC（Automatic Gain Control）符号，AGC 符号为同时隙中第2 个符号的完全复制映射，以满足发送端和接收端距离频繁变化对AGC 时延的要求；每个时隙的最后1 个符号为保护符号；为了增加传输的可靠性，1 个PSSCH 信道可以调度1 个、2 个或3 个PSSCH。本文不再单独考虑快衰落余量。

（9）穿透损耗：在城区场景，采用的是NLOS 模型，街边的建筑、树木等会对车载天线造成一定的阻挡，因此需要考虑穿透损耗，本文取值8 dB；在高速公路场景，采用的是NLOSv 模型，由于两辆车在相同的街道上，比较开阔，不考虑车体的穿透损耗。

根据以上的参数，可以计算出NR-V2X UE 在城区和高速公路场景的MAPL 和覆盖半径，见表1。

根据表1，可以发现，NR-V2X UE 在城区和高速公路场景的覆盖半径分别是125 m 和1 177 m。对于表1，有三点说明，第一点：在城区场景，本文假定两辆车在不同的街道上，使用的是NLOS 传播模型，同时考虑了穿透损耗，因此覆盖半径较小，如果两辆车是在相同的街道上，使用NLOSv 传播模型，则覆盖半径会大大增加。第二点：本文假设采用车顶小天线，如果在车辆的前部和后部各放置一个大尺寸的板状天线，板状天线的增益是11 dBi，则在城区和高速公路场景，覆盖半径分别增加到426 m 和3 372 m 左右。第三点：V2R 的覆盖能力也可以参照表1，由于RSU（Road Side Unit，路侧单元）的安装位置高于路面，因此RSU 的覆盖半径会大一些。

表1 NR-V2X UE在城区和高速公路场景的MAPL和覆盖半径（PC5接口）

由于支持NR-V2X 的模组还没有发布，所以目前还没有NR-V2X 的测试案例。LTE-V2X 的PC5 接口也是使用的n47 频段，LTE-V2X 的测试结果对NR-V2X 具有一定的参考意义。ConVeX 项目的LTE-V2X 场地测试结果如下：在视距场景下，V2V 的通信距离至少是1 200 m；在城区十字路口，V2V 的通信距离可以达到140 m；V2R 没有视距测试环境，受测试地形、阻挡、街道弯曲等因素的影响，V2R 的通信距离波动较大，至少在1 065 m 以上。NR-V2X 的物理层在LTE-V2X 基础上进行了较大的优化，有理由相信NR-V2X 的覆盖能力应该优于LTE-V2X 的覆盖能力[11]。

3 NR Uu接口的覆盖能力

NR-V2X UE 在NR Uu 接口上传递的数据可以分为两类：一类是配置信息和应用层数据，配置信息包括系统消息、RRC 连接建立以及RRC 重配置消息；应用层数据包括高精度地图、定位导航以及车辆采集的状态信息等，这类数据在下行方向使用PDCCH 和PDSCH 信道，在上行方向使用PUCCH 和PUSCH 信道。另一类是gNB调度PC5 接口时频资源的信令，这类信令通过PDCCH信道发送给NR-V2X UE，主要包括PC5 接口上的资源池索引、子信道分配的最低索引、频域配置和时域配置以及HARQ 进程号等信息[7]。本文接下来分别分析下行的PDCCH 和PDSCH信道、上行的PUCCH 和PUSCH 信道的覆盖能力。

5G 覆盖能力分析的计算方法可以参照文献[8]。文献[8] 分析的是3.5 GHz 频段的覆盖能力，本文接下来对n71 频段和3.5GHz 频段差异较大的部分进行说明。

（1）系统带宽：NR-V2X 在NR Uu 接口使用的频率是n71 频段（FDD 制式，上行：663—698 MHz；下行：617—652 MHz），共计是35 MHz×2，当NR Uu 接口和PC5 接口并发操作时，NR Uu 接口的系统带宽最大是20 MHz。

（2）子载波间隔：根据第2 节的建议，n71 频段的子载波间隔是30 kHz，20 MHz 带宽对应的PRB 数是51 个。

（3）边缘速率：由于n71 频段的系统带宽较小，吞吐量较低，如果视频等大流量数据通过n71 频段传输，则需要定义较高的边缘速率，会导致小区覆盖半径较小。比较合理的传输方案是配置信息和应用层的关键数据通过n71 频段传输，视频等大流量数据通过其他5G 频段传输，这样n71 频段的边缘速率可以定义得较小，本文建议n71 频段的下行边缘速率是5 Mbps，上行边缘速率是1 Mbps。

（4）基站设备和天线选型：n71 频段的波长较长，使用AAU 会导致天线尺寸过大，难以安装在杆塔上，本文建议基站设备采用4 通道RRU+无源天线形态，RRU的功率是50 W/通道，天线增益是14.5 dBi。

（5）车载终端类型：车载终端类型是Type 2，2T4R，天线高度是1.6 m，天线放置在车顶，n71 频段的波长较长，天线增益是0 dBi，接收分集增益是3 dB。

（6）传播模型：在城区场景，采用3GPP 定义的UMa NLOS 模型，基站的天线高度是25 m，车载终端的天线高度是1.6 m；在高速公路场景，采用3GPP 定义的RMa LOS 模型，基站的天线高度是35 m，车载终端天线的高度是1.6 m，双向八车道的高速公路平均宽度是40 m，建筑物平均高度是5 m[9]。

（6）穿透损耗：由于天线放置在车顶，可以不考虑车体的穿透损耗，但是道路外面的建筑、树木等会对车载天线造成一定的阻挡，因此在计算链路预算时，需要考虑穿透损耗。

（7）阴影衰落余量：在城区场景，UMa NLOS 的标准差是8 dB，阴影衰落余量取9 dB；在高速公路场景，RMa LOS 的标准差是6 dB，阴影衰落余量取6.2 dB[10]。

根据以上的参数，可以计算出NR-V2X UE 在城区和高速公路场景的MAPL 和覆盖半径，见表2。

表2 NR-V2X UE在城区和高速公路场景的MAPL和覆盖半径（NR Uu接口）

根据表2，可以发现，对于NR Uu 接口，城区场景和高速公路场景的小区覆盖半径分别是771 m 和8 853 m。对于表2，有两点说明。第一点：高速公路场景采用的是视距传播模型，由于受地形、高速公路走向等影响，实际的小区覆盖半径远远小于8 853 m，如果采用非视距传播模型，则小区覆盖半径下降到1 200 m 左右。第二点：与PC5 接口的计算类似，如果采用板状天线，天线增益是7 dBi，在城区和高速公路场景，小区的覆盖半径分别增加到1 165 m 和13 246 m 左右。

4 NR-V2X覆盖规划建议

对于使用n71 频段的5G 覆盖规划，可以参考运营商的5G 规划原则。由于在1 个时隙内，NR 可以配置1 到4 个CORESET（Control-resource set，控制资源集合），控制信道的容量较多，且n71 频段基站覆盖半径大，在初期，部署较少的5G 站点就可以满足覆盖和容量需求，后期随着NR-V2X 用户数的增加，再逐步增加5G 站点。

对于V2V 覆盖规划，当卡车编队行驶时，V2V 通信采用组播模式，需用通过一个距离参数来指示满足QoS的最小距离，可以根据表1 给出的覆盖半径来设置这个距离参数，当编队车辆之间的距离为20 m 时，建议3～4辆卡车组成一个编队。

对于覆盖城区的RSU 站点，有以下几点建议：（1）应充分利用十字路口、道路沿线的红绿灯灯杆、监控杆、道路指示牌等现有设施，可以降低建设难度，减少建设成本和维护成本；（2）城区平直的快速路、高架桥等道路，可以参照高速公路场景，适当增加RSU 站址的站间距；（3）为降低干扰，RSU 天线的安装位置不宜过高。

对于覆盖高速公路的RSU 站点，有以下几点建议：（1）应充分利用道路沿线的监控杆、道路指示牌等现有设施；（2）对于直线高速公路，相邻RSU 站址宜交叉分布于高速公路两侧，形成“之”字形布局，有利于信号的均匀分布；（3）对于高速弯道，RSU 站址宜设置在弯道内侧，可提高入射角，保证覆盖的均衡性；（4）当高速公路进入城区时，为了降低干扰，RSU 天线挂高可以稍低，但是应保证天线与路面视通。

5 结束语

本文给出了NR-V2X 的链路预算，并分别分析了PC5 接口和NR Uu 接口的MAPL 及小区覆盖半径。在实际组网的时候，还需要考虑现有的网络架构、站址布局、道路走向、红绿灯分布等因素，因此NR-V2X 的实际覆盖半径与本文计算的覆盖半径会有一定差异。当运营商或车企大规模部署NR-V2X 网络后，可以通过现场勘查，结合本文给出的NR-V2X 覆盖能力计算方法，更有效地指导NR-V2X 网络的覆盖规划和站点布局。