V2X通信无线电接入技术的发展外文翻译资料

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IEEE 802.11bd amp; 5G NR V2X:

V2X通信无线电接入技术的发展

随着人们对自动驾驶汽车的兴趣日益浓厚，开发无线接入技术来实现可靠、低延迟的车辆通信已经变得至关重要。专用短程通信(Dedicated short-range communications，DSRCs)和蜂窝V2X(C-V2X)是目前能够支持日常车辆应用的两种技术。然而，这些无线接入技术不能满足那些被认为是实现全自动驾驶的关键的高级应用程序的通信需求。因此，DSRC和C-V2X都在进行全面的升级，以支持那些有高可靠性、低延迟和高吞吐量性能需求的高级车辆应用程序。这些无线电接入技术的升级——DSRC的IEEE 802.11bd和C-V2X的NR V2X通信标准——可以弥补今天的汽车传感器，实现自动驾驶。本文综述了802.11bd和NR V2X标准的最新进展。我们首先简要介绍两种现有的汽车无线电接入技术。其中，我们强调它们不能保证许多先进车载应用的服务质量要求。然后我们看两种技术的演进，即，IEEE 802.11 bd和NR V2X，概述了它们的目标，描述了它们的显著特性，并对实现这些特性的关键机制进行了深入的描述。虽然IEEE 802.11bd和NR V2X都处于开发的初始阶段，但我们了解了它们的初步性能预测，并将升级后的技术与它们各自的前身进行了比较。

索引项：C-V2X、DSRC、IEEE 802.11bd、NR V2X。

Ⅰ.介绍

V2X通信有可能显著减少车辆事故的数量，从而减少相关的死亡人数[1]。然而，V2X的好处不仅仅限于在交通安全上的应用。支持V2X的车辆还有助于改善交通管理，从而提高车辆的环保性，降低燃油成本[2]。智能交通系统（ITS）便由这些车辆安全和非安全方面的应用组成。如今，支持V2X通信的两种关键无线电接入技术（RATs）是专用短程通信（DSRC）和蜂窝式V2X（C-V2X）。DSRC的设计初衷是在5.9GHz频段工作，这一频段在许多国家都被指定用于ITS应用。另一方面，C-V2X可以在5.9GHz频段以及蜂窝运营商的许可运营商中运行[2]。

DSRC的物理层（PHY）和媒体访问控制层（MAC）依赖于IEEE 802.11p标准。DSRC使用的MAC协议简单、特性良好，并且能够进行分布式操作。然而，由于DSRC的可扩展性差以及高移动性环境带来的通信挑战，其在车辆中的应用受到了延后。同时，第三代合作伙伴计划（3GPP）开发了C-V2X，这是一种无线接入技术的长期演进（LTE），能够使具有C-V2X的车辆在没有蜂窝基础设施的情况下以分布式方式运行，同时当车辆在蜂窝覆盖范围内运行时，可以利用基础设施进行高效的资源分配。

现有文献表明，在额外的链路预算、抗干扰能力和非视距（NLOS）能力上，C-V2X比DSRC更具有性能优势[3]。此外，研究表明，只要车辆密度不是很高，DSRC和C-V2X都能可靠地支持要求端到端延迟约100毫秒的安全应用[4]。然而，随着包括许多高级V2X应用程序在内的V2X用例对服务质量（QoS）要求变得越来越严格[5]，当前的两种V2X接入技术已经无法提供所需的性能。

为了缩小DSRC和C-V2X之间的性能差距，支持额外的操作模式以及提高吞吐量，2018年3月成立了一个名为IEEE 802.11下一代V2X的新研究小组[6]，进而2019年1月成立了IEEE 802.11bd工作组（TGbd）。另一方面，在3GPP R15的通信标准NR的基础上，3GPP正致力于为其R16（Release 16，版本16）开发NR-V2X。NR V2X预计将支持高级V2X应用程序，与C-V2X支持的应用程序相比，这些高级V2X应用程序需要更严格的QoS保证[5]。其中一些用例要求端到端延迟低至3毫秒，可靠性为99.999%！再加上高移动性环境带来的现有挑战，这些额外的限制使得802.11bd和NR V2X的设计面临极大的挑战。

就设计目标而言，802.11bd和NR V2X有一定的相似性。例如，这两种演进的无线接入技术的设计，都是为了提高所提供服务的可靠性、降低端到端的延迟以及支持需要高吞吐量的应用。然而，他们的设计方法却大不相同。TGbd，即802.11bd，要求新的标准向后兼容802.11p，这意味着802.11bd和802.11p设备在同一信道上工作时必须能够相互通信。另一方面，3GPP对NR V2X没有类似的限制，配备NR V2X的车辆仍然可以与C-V2X设备通信。然而，这将通过一个双无线电系统来实现，一个无线电用于C-V2X，另一个无线电用于NR V2X。802.11bd的向后兼容性要求会影响它的设计和性能，正如我们将在本文后面讨论的那样。

IEEE 802.11bd和NR V2X是目前正在开发的技术。本文全面介绍了IEEE 802.11和3GPP的最新发展。我们总结了两种技术的最终标准中可能包含的一组关键特性和功能。本文的主要贡献如下：

bull;我们概述了802.11bd和NR V2X的主要目标，然后详细描述了802.11bd和NR V2X的开发过程中，对DSRC和C-V2X技术进行的重要提升。

bull;我们详细说明了在设计两种接入技术时遇到的关键挑战及其潜在的解决方案。

bull;我们将根据802.11bd和NR V2X各自的设计目标来研究它们的性能预测。

bull;最后，我们讨论了一些关键的频谱管理问题，这些问题阻碍了V2X技术的部署和管理。

虽然在这些不断发展的接入技术的设计中存在一些有趣且具有挑战性的研究问题（例如V2X的安全性），但我们在本文中将重点放在PHY和MAC层的设计上。据我们所知，我们所做的工作是第一次对这两种RAT的设计和发展进程进行的深入回顾。在本文中，我们交替使用术语DSRC和802.11p。表1归纳了本文中使用的缩略词。

表1：缩略词总结

Ⅱ.最新技术

A. 专用短程通信（DSRC）

来源于IEEE 802.11a的IEEE 802.11p标准定义了DSRC的物理层和MAC层。传统上，Wi-Fi标准是为低移动性应用开发的。然而，由于DSRC是为具有高移动性的车辆网络设计的，因此引入了增强功能以使DSRC适合于此类环境。DSRC使用基于正交频分复用（OFDM）的物理层，信道带宽为10MHz。因此，与Wi-Fi相比，DSRC子载波间隔减少了一半。DSRC中使用的MAC协议是载波监听多点接入[7]。然而，DSRC中没有指数退避，即，MAC协议中的竞争窗口参数保持不变，原因有两个：1.DSRC主要是为基于广播的系统设计的，所以没有回传给发射机的确认帧。2.指数退避会导致较大的竞争窗口大小，从而导致高延迟。

B.蜂窝式车联万物（C-V2X）

C-V2X是3GPP在其R14中开发的V2X接入技术，可以直接利用现有蜂窝基础设施进行部署。然而，由于蜂窝基础设施的存在不能总是被依赖，C-V2X定义了能够通过PC5接口使用侧链信道实现V2X直通传输模式。3GPP R14引入了两种新的侧链传输模式（模式3和模式4），以支持低延迟V2X通信[8]。

C-V2X的基本时频资源结构类似于LTE，即最小的时间分配单元是一个子帧（1毫秒，由14个OFDM符号组成），最小的频率间隔是12个子载波，每个

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