适用于汽车和C-V2X物理层的3GPP标准版本（附白皮书下载）

引言

C-V2X分为两种模式：“直接模式”（也称为模式4）和“基于网络的模式”（称为模式3）。直接模式像 使用5.9 GHz ITS频段的车辆对车辆 (V2V)、车辆对基础设施 (V2I) 和车辆对行人 (V2P) 通信一样进行 直接通信，不用依赖任何网络。“基于网络的模式”则是蜂窝网络的一部分，使用移动通信网络专用的频段进行车辆对网络 (V2N)、基础设施对网络 (I2N) 和行人对网络 (P2N) 通信。一部分器件同时支持两种模式，但目前开发中的大多数器件只支持直接模式。

第三代合作伙伴计划 (3GPP) 这个术语代表了开发蜂窝通信协议的七个组织。3GPP发布的每个版本标准均可追溯到新的协议和通信技术，例如GSM、宽带CDMA、2G、3G、4G (LTE) 和5G。2015年，适用于C-D2D（器件对器件）的标准发布，该标准被视为C-V2X的前身。

第14版给出了C-V2X的定义，该版本对C-D2D进行了增强和改进，将可能产生多普勒频移的车辆环境和高速行驶状态纳入考虑。

第15版包括5G以及对C-V2X的一些微小增强，第16版于2020年底开发完成，在侧链（或直接通信 模式）中为V2X网络提供了5G新空口。如下所示，3GPP已经发布了一系列版本的标准和增强功能，并计划在未来继续发布新版本，从而满足最新解决方案的需求，使其与不断变化的协议和规范完全保持同步。

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本白皮书介绍了C-V2X在实现自动驾驶方面发挥的作用、与汽车行业相关的3GPP标准版本以及智能交通系统(ITS) 的分层体系结构，为您应对标准一致性的挑战奠定了基础。在推荐与持续变化的C-V2X要求同步演进的解决方案之前，我们回顾多个地区的不同使用场景。

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第14版——LTE

在第14版的物理层中，C-V2X侧链使用SC-FDMA并支持10 MHz和20 MHz信道。信道分为子帧和 子信道，我们可以将它们称为资源块（图4中的红色块）。

每个子帧的长度为一毫秒，相当于两个时隙。资源块 (RB) 是可以分配给LTE用户的最小频率资源单位， 其频率宽度为180 kHz（12个15 kHz的子载波）乘以0.5 ms（1个时隙）。

C-V2X将子信道定义为同一子帧中的一组RB；每个子信道的RB数量可能会有所不同，具体数量取决于调制编码方案。这些子信道用于传输数据和控制信息（图4中的绿色块），数据在传输块 (TB) 中传输。RB的概念定义了LTE网络，第14版中使用了这个概念。

第15版——面向主要垂直行业的5G

第15版具有非常重大的意义，因为它将5G引入行业，并且带来了垂直行业和网络切片这两个概念。然而，该版本仅对C-V2X做了如下所述的微小增强。

• 适用于模式4的载波聚合——支持多个PC5链路的不同 机制。

• 64-QAM能够将传输块扩展到64-QAM，不受之前每个载波一个QPSK的限制。

• 发射分集——使用多个天线提高传输可靠性。

• 减少时延——缩短数据包到达与选择资源进行传输之间的时间。

第16版——面向C-V2X的下一个大版本

第16版将在侧链中引入5G新空口 (NR)。该版本还提供超高可靠性和超低时延的移动宽带连接，为汽车行业带来显著优势。该版本专门针对C-V2X开发，具有如下特点

• 可扩展的OFDN接口——支持参数集，可实现更高数据速率和更大带宽。

• 具有即时反馈的独立时隙结构，可用于非常可靠的低时延通信系统。

• 先进的信道编码——复杂性低、可靠性高。

• 支持宽带载波——可实现更高数据速率。

• 使用大量天线——支持使用多个天线，从而实现更高数据速率、更大覆盖范围和更高可靠性。

第16版具有低延迟和高可靠性等特点，使C-V2X网络有能力为车辆实现厘米级准确度的精准地图导航。这些特性为实现超高效驾驶创造了机会，允许多辆汽车在考虑了实时风阻和行驶速度的情况下在短距离内“编队”行驶。

此外，第16版还支持从网络中心站点远程驾驶车辆和/或与驾驶员合作操控车辆。得益于该版本提供的更大带宽和更低时延，车辆能够共享传感器信息和意图。这使得车辆可以自行做出安排，同时支持在公路行驶途中进行并线或更复杂的运动。

利用第16版提供的厘米级准确度，自动泊车也将成为现实。车辆能够找到停车位并将自己停入其中。之后，驾驶员能够使用智能手机远程取车。

编队——多辆汽车以车队形式行驶，它们通过技术手段和通信协议连接到一起，可以控制速度、距离、 方向，实现高效的性能提升和其他相关优势。

来源：FHWA

协同操控——通过智能数据共享和通信，车辆可以共享传感器信息和/或意图，从而允许车辆在公路 行驶途中自行做出并线或更复杂的操控。

来源：ResearchGate.net

遥控驾驶——这项技术已经应用于深海和太空探索，它允许远程操作员驾驶位于市区的车辆。该技术 可用于支持远程控制的出租车或代驾服务。

来源：Project Visio.M——慕尼黑工业大学

自动泊车——车辆能够发现和定位停车位，之后 用户可以通过智能手机远程自动取车。

来源：Forbes.com

第17版

第17版计划于2022年发布。该版本以第16版为基础，加快推动5G的扩展。第17版还提供多项NR 侧链增强功能，包括网络控制的交互服务 (NCIS)、提高能效和覆盖范围的增强型中继 (REFEC)、视听 服务制作 (AVPROD) 等。

ITS堆栈（智能交通系统堆栈）和地区性差异

ITS堆栈由多个元件组成，这些元件均在物理层之上。

ITS堆栈元件包括传输层、消息层和应用层，每一层都具有管理能力和安全性。尽管C-V2X的物理层是以蜂窝技术为基础，并且与DSRC等其他 “V2X” 系统有区别，但ITS堆栈中的每一层都根据SAE、ETSI、C2C等标准得到重复使用并做出了适当调整。然而，上面几层的确存在地区性差异。

ITS层的地区性差异源于北美、欧洲和中国采用了不同的标准。无论每一层存在怎样的地区性差异，都能执行相似的功能，但产品设计必须考虑到产品销售地区适用的不同标准。此外，测试设备和测试标准也必须适应这些差异。

我们将上面的堆栈图倒过来展示，从而更真实地反映它们的实际布置。举个例子，图中顶部是物理层， 它通常连接车顶的天线。

这个图中所显示的概念意味着需要验证远程车辆是否能够向主车辆发送消息以及从主车辆接收消息。例如，一辆车想要发送消息，例如电子紧急刹车灯预警消息，我们希望确保该预警消息通过空中接口沿着物理堆栈各层向上传递，然后通过应用层接收后解码返回。这张图从逻辑上解释了如何在一辆汽车上发起消息，消息如何向上经过各层传输至天线，另一辆汽车如何通过其天线接收消息并进行处理和解码再返回的过程。测试解决方案必须能够准确测量这种交换，同时将我们提到的地区性差异纳入考虑。

拥堵控制压力测试

对这些器件来说，有一项重要的压力测试是拥堵控制测试。这项压力测试需要将器件放置到拥堵的环境中，例如车辆密集的道路上，在一个小地理区域内有许多ITS站点。在ITS频段上共享资源可能有一定的 挑战性，因此这项测试已纳入测试要求的范畴。为了缓解这类情况造成的影响，业界开发了拥堵控制算法以便平等地共享资源，从而尽可能让信道保持不饱和状态。

我们需要能够正常运行的拥堵控制算法来协调信道的适当使用。标准定义了表征信道状态的两个指标。这两个指标分别是下图所示的信道繁忙率 (CBR) 和信道占用率 (COR)。

C-V2X模块会用1000毫秒时间感知环境，并尝试确定临近的车辆在发送哪些RB。该器件会检测某个频率或某个信道是否存在空闲RB，然后决定在使用得最少或能耗最低的频谱部分进行发送。器件会根据控制面的信道占用率和信道繁忙率信息做出决定，然后对资源进行分配和发送。因此，测试拥堵控制算法的运行情况可以很好地对器件进行压力测试。

拥堵控制方法

如上所述，拥堵控制算法会根据不同指标和参数以及信道繁忙率和信道占用率做出决定。这些参数包括 功率、信道质量指标和范围。根据输入到算法的信息（例如PER、CQI和范围内的车辆密度），站点或 器件可以使用多种方法。

• 放弃数据包重传——如果重传功能已经激活，站点可以禁用该功能。

• 放弃数据包传输——站点放弃传输数据包（也包括激活了的重传）；这种方法最简单

• 缩短数据包传输周期——延长数据包传输间隔

• 自适应MCS——站点可以通过增加所使用的MCS指数来降低其CR；这样可以减少传输使用的 子信道数量。但是，增加 MCS 会降低消息的稳健性，从而导致消息的传输范围缩小。

• 自适应发射功率——站点可以降低发射功率；其后果是，该区域的整体CBR会下降，CR极限值 可能会增加。

对于具体使用哪一种方法，标准没有做强制要求。裝置因此，压力测试最好是将被测器件放到拥堵的 环境中，看看触发了哪些机制（如果触发了的话）以及器件如何处理消息并做出相应的反应。

使用场景

在测试C-V2X器件和应用时，可以使用一些基本的安全使用 场景。右图只描绘了50个基本使用场景中的几个。

• 紧急刹车灯 (EEBL) ——踩下车辆的刹车时，车辆会向附近的其他车辆发出预警信号。

• 来自交通信号灯的信号相位和时间信息——有助于确定车辆以怎样的合适速度接近交通信号灯。

• 交叉路口碰撞预警——车辆可能会发送 EEBL 消息，警告存在碰撞风险。

• 横向车道车辆转弯碰撞风险预警——车辆可能会发送EEBL消息，警告存在碰撞风险。

• 弱势道路使用者保护——通过智能手机提醒行人或其他 非车辆用户存在碰撞风险。

• 慢速车辆或静止车辆预警——提醒有可能与拥堵的车辆或 其他停泊或静止的车辆发生碰撞。

业界还有所谓的“首日”使用场景。这些使用场景涵盖了我们 刚才提到的基本安全问题。每个地区都有各自的首日使用场景 列表。例如，中国就有大约17到20个首日使用场景。其他 地区可能有类似的使用场景集合，但具体内容不一定相同。首日使用场景可能包括前方碰撞预警、左转 辅助、盲区预警等等。

图 10：C-V2X 使用场景的大众市场部署时间表。来源：5G-ACIA

上述时间表注明了5GAA汽车协会报告的各项功能特性计划上市的时间。例如，交通效率和安全相关使用场景（如环境危险或交通信息）计划随着第15版以及2020年之后推出的其他版本一同发布。该时间表 还列出了紧急电子刹车灯预警和左转辅助使用场景的发布时间。高级安全和自动驾驶使用场景（例如适用于自动驾驶汽车的自动泊车）计划于2024年推出，其他一些高级安全功能将于2029年推出。根据这个时间表，我们可以更好地了解即将发布的标准版本以及计划将哪些使用场景合并或准备整合到C-V2X 测试计划中。

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