【学术论文】面向LTE-V调度方法研究
英文引用格式： Li Yanfen，Zhu Xuetian. Research on LTE-V scheduling method[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(9)：8-12.
0 引言
车联网的提出和发展可以有效缓解或解决由于车辆快速增长而带来的各种问题，并有可能彻底改变人们未来的出行模式，大大提升道路交通网络的运输效率、安全水平、智能化水平及环保水平，对支撑汽车产业升级转型具有重要意义。车联网是以车内网、车际网和车载移动互联网为基础，按照约定的通信协议和数据交互标准，在V2X（Vehicle to Everything）之间进行无线通信和信息交换的大系统网络，是能够实现智能化交通管理、智能动态信息服务和车辆智能化控制的一体化网络。
1 LTE-V标准进展及业务需求
国际上车联网标准包括两大通信阵营，一种是DSRC(Dedicated Short Range Communications)方案，作为WiFi的升级版技术。美国在1998年将5 850~5 925 MHz用于DSRC无线电服务，也是多数企业普遍采用的标准。另外一种是以LTE为基础的车联网专用的LTE-V方案，实现车辆与周边环境节点低时延、高可靠的直接通信，满足行车安全需求。
3GPP标准进展如图1所示，2015年12月，3GPP RAN启动LTE-V的第1个工作项目，主要完成基于LTE PC5接口的V2V（PC5-based V2V）的标准化工作。2016年6月，3GPP RAN 启动第2个LTE-V工作，主要完成基于Uu接口的LTE-V，以及其他第1阶段遗留的标准化工作。2017年3月，3GPP RAN 启动基于Rel-14 LTE-V的增强（Rel-15）的标准化工作，截止到2018年6月完成了LTE-V R15标准制定，同时6月份正式将eV2X列为R16标准化研究内容。5G eV2X可为自动驾驶汽车提供更多的无线通信功能以支持多种前沿用例，如车辆间高吞吐量传感器数据及地图共享，将车辆摄像头捕捉到的信息流传输至其他车辆以实现“透视”功能，或实现宽带测距以改善定位服务。3GPP主张未来5G eV2X是LTE-V的一个补充，而不是后向兼容。
目前主要产品形态还是基于R14，在R14 中针对LTE-V定义了三类业务场景，分别是安全应用场景、交通效率提升应用场景、信息娱乐服务场景，共计27种用例[1]。对网络有如下需求：
(1)速度：支持最高相对速度为500 km/h，最高绝对速度为250 km/h；
(2)有效通信距离：网络能够提供足够的有效通信距离，以保证司机有足够的反应时间(如4 s)；
(3)时延：直接或通过RSU(Road Side Unit)支持V2V(Vehicle to Vehicle)/V2P(Vehicle to Pedestrian)应用的两个UE之间的最大端到端延迟应为100 ms。支持V2I(Vehicle to Infrastructrue)应用的UE和RSU之间的最大时延应为100 ms。为了支持预碰撞检测，支持V2V应用的两个UE之间的最大时延不超过20 ms。对于经过3GPP网络实体的在支持V2N(Vehicle to Network)业务的车联网终端和应用服务器之间通信，最大端到端时延不超过1 000 ms。
(4)消息生成周期：E-UTRAN应能够支持RSU和终端最大10 Hz的消息发送频率。
2 LTE-V业务特点
LTE-V业务包括BSM(Basic Safety Message)、DENM(Decentralized Environmental Notification Message)、CAM(Cooperative Awareness Message) 3种数据包。
(1)BSM：BSM由SAE制定。它包含关键车辆状态信息，通过BSM信息可以跟踪车辆的位置和状态，阻止可能的碰状。BSM周期固定为100 ms。没有认证的BSM长度为132~300 B，具备认证的BSM为241~409 B。
(2)DENM：DENM消息由事件触发，在一个会话期间，DENM以一个固定周期传输。对于不同业务类型DENM有不同周期。DENM消息长度为200~1 200 B。
(3)CAM：由ETSI制定，基于车辆位置改变、速度改变和方向改变，将触发CAM消息。具体满足以下任何一种将会产生CAM消息：
①当前位置和之前位置超过4 m；
②当前速度与之前速度差别在0.5 m/s；
③当前方向和之前方向超过4°。
CAM消息周期可能是100 ms、200 ms、…、900 ms、1 000 ms。如果CAM没有认证消息大小为92~260 B，认证的CAM消息为201~369 B。
由于LTE-V业务数据包BSM、DENM、CAM周期性特点，如果使用常规动态调度，需要针对每个包发送SR(Service Request)信令，将会带来大量信令开销。针对该类业务数据包特点，适合使用SPS(Semi-Persistent Scheduling)调度，UE可以周期使用对应资源。
3 LTE-V调度分析
基于3GPP标准，LTE-V终端可以选择两种接口进行V2X消息传递，一种是PC5接口方式，另一种是Uu方式。下文将针对两种方式分析不同调度算法。
3.1 PC5接口调度方式
LTE-V PC5方式发送数据信道包括PSCCH 和PSSCH，其中PSCCH 传送的是SA(Scheduling Assignment)信息，PSSCH传送的是用户数据信息。数据资源池和SA资源池是一一对应的关系，每个数据传输都由一个SA调度，解出的SA信息指示数据传输资源的时频位置信息。资源池的分布方式有两种[2]：(1)数据资源与SA资源相邻，如图2所示，这样可以降低带内辐射，为降低用户间干扰，只需要对用户在频带上所占资源的两侧进行功率回退即可；(2)数据资源与SA资源不相邻，如图3所示，这种资源分布的优势是由于SA所在资源池较小，有利于SA的盲检测，方便进一步检测到数据资源。无论哪种分布方式，SA与对应的数据资源相比总处于较低的子信道上，用户总是选择整数倍的相邻子信道进行发送。在资源调度上，PC5接口方式下LTE-V有Mode 3和Mode 4两种资源调度模式，即基站调度模式或自主选择模式，同时为减少空口信令开销，采用预约的SPS半静态资源调度方式，以提高资源利用率和通信可靠性。一个终端在同一个时刻只能在基站调度模式或自主选择模式中选取一种，不能同时存在，并且Mode 3和Mode4的资源池是相互独立的。Uu方式下，采用SPS增强调度方式，针对传统LTE网络SPS调度方式进行了增强。
(1)Mode3调度方式
类似于LTE调度，UE在连接态下，首先向基站发送SR资源调度请求，基站根据用户位置以及资源利用情况通过DCI format 5A调度发送端UE发送PSCCH及PSSCH。该方式终端在基站覆盖范围内，通过在LTE授权频谱移动网络发送调度信令用于调度LTE-V专用频谱5.9G上的V2X传输，因此需要移动网络及时掌握5.9G网络资源使用情况。Mode3调度方式完全由基站调度，当车辆较多，PC5资源紧张时，基站可以选择为其中某些车辆优先分配资源，而为其他车辆分配较少甚至不分配资源，如图4所示。
(2)Mode4调度方式
Mode4调度方式是终端自主选择方式，资源的选择采用Sensing+SPS 的策略。由于LTE-V业务数据包随时可能发生，终端用户始终在1 000 ms的窗口内进行Sensing，在需要进行数据业务发送时进行资源选择，流程如图5所示，资源选择窗口如图6所示。
①标记所有可用资源：根据上层业务需求，终端在【m+T1，m+T2】(R14标准限定T1≤4 ms，20 ms≤T2<100 ms)资源选择窗口内进行资源选择，标记该窗口内所有资源均为可用资源[3-5]。
②排除其他终端使用的资源：在资源选择窗口内进行RSRP测量，超出门限的资源排除。其中门限值取决于要发送TB的优先级和解到其他终端SA的优先级，参考图7共计64个门限。如果可用资源比例低于20%，门限自动提升3 dB，重新进行判断。
③确定候选资源：为了避免出现RSRP测量不准，在步骤②可用资源基础上再进行RSSI测量，将功率进行排序，选择功率最低的20%资源。
④针对步骤③所选资源随机选择。
资源选择后将基于SPS调度方式进行数据包传输，Mode4调度方式完全由终端自主选择和管理资源，没有网络设备参与，相比Mode3调度方式降低资源调度处理时延。
3.2 Uu调度方式
传统LTE方式下，VOLTE一般使用SPS调度方法“一次分配，多次使用”。LTE-V与VOLTE最大区别是车辆可能同时进行多项周期不同的业务。因此，在3GPP中针对Uu口调度最多可配置8个不同参数的SPS配置，所有SPS配置的激活、释放和资源调度可通过UL-SPS-V-RNTI加扰的PDCCH进行指示[5-6]。
SPS流程包括4个步骤：(1)SPS参数配置；(2)激活SPS；(3)传输SPS；(4)释放SPS。
3.2.1 SPS参数配置
相比传统LTE SPS，新增UE AssistenceInformation 用于UE向网络上报V2X通信的SPS辅助信息。例如，当预估的周期改变或数据包到达的时间偏移改变等场景。eNB可以基于UE上报的SPS辅助信息为UE进行SPS配置。
SPS参数通过IE：SPS-Config进行配置，主要参数包括：
(1)semiPersistSchedlntervalUL:表示上行链路中，半静态调度间隔的子帧数量。取值范围为sf10、sf20、sf32、sf40、sf64、sf80、sf128、sf160、sf320等，分别对应10个子帧、20个子帧、32个子帧、40个子帧、64个子帧、80个子帧、128个子帧、160个子帧、320个子帧等；
(2)sps-ConfigIndex：多个UL SPS配置中的某个SPS配置索引；
(3)sps-ConfigUL-ToAddModList：表示要添加或修改的上行SPS配置，由sps-configindex标识；
(4)sps-ConfigUL-ToReleaseList：表示要释放的上行SPS配置，由sps-configindex标识。
3.2.2 激活SPS
UE配置了SPS后，仍然不能使用SPS调度算法。只有接收到使用UL-V-SPS-RNTI加扰的DCI 0，验证成功，可以作为一个有效的SPS激活，如表1所示。
3.2.3 传输SPS
SPS激活之后，V2X传输SPS与传统传输SPS方法一致，在满足下面公式的子帧中被分配SPS上行资源：
其中，SFNstart time和subframestart time为UE接收到指示上行SPS激活的PDCCH所指定的将用来发送上行数据的系统帧号和子帧号。
当终端有上行数据需要传输，UE首先检测DCI 0加扰的PDCCH，按照PDCCH中指示的MCS进行传输。
3.2.4 释放SPS
V2X释放SPS的方式与LTE类似，包含3种：
(1)接收到使用UL-V-SPS-RNTI加扰的DCI 0，验证成功，可以作为一个有效的SPS释放，如表2所示。
(2)终端接收到RRC消息中SPS-ConfigUL配置成release时，终端会释放对应的SPS。
(3)如果UE在分配的上行SPS资源上，连续implicitReleaseAfter次发送的MAC PDU不包含MAC SDU，则会自动释放上行SPS并清除配置的UL grant。这种方式主要是为了避免UE没有收到指示上行SPS释放的PDCCH，而一直发送上行包。
由于LTE-V支持最多8个不同参数的SPS配置，所有SPS配置可以同时被激活，因此存在多个UL SPS进程之间出现资源碰撞，需要通过合理方案避免碰撞的发生。
4 结论
本文介绍了LTE-V标准发展和业务需求，基于LTE-V业务特点，重点分析PC5和Uu调度算法。针对PC5介绍了Mode3和Mode4调度算法及优缺点：Mode3方式需要通过移动网络分配LTE-V终端在5.9G网络资源，虽然增加了调度的复杂度，但是可以针对不同车辆进行资源优化分配。Mode4方式完全由终端自主选择资源，缩短调度处理时延。Uu调度算法是在传统LTE SPS调度上进行了增强，同时可以支持8个不同SPS配置，提高调度效率，降低LTE-V调度时延。随着未来LTE-V应用场景的增加，基于不同的网络部署方式，在保证LTE-V业务时延、安全性前提下，可以选择不同调度算法。
参考文献
[1] 3GPP TR22.885.Study on LTE support for Vehicle to Everything(V2X) services[S].2018.
[2] 拉里佩.车联网关键技术及演进方案研究[OL].(2017-10-27)[2019-08-01].http：//www.360doc.com/content/17/1027/00/30375878_698434812.shtml.
[3] 3GPP TS 36.211(Release 14).Evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA)；physical channels and modulation[S].2018.
[4] 3GPP TS 36.213(Release 14).Evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA)；physical layer procedures[S].2018.
[5] 3GPP TS 36.321(Release 14).Evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA)；medium access control(MAC) protocol specification[S].2018.
[6] 3GPP TS 36.331(Release 14).Evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA)；radio resource control(RRC) protocol specification[S].2018.
作者信息:
李艳芬，朱雪田
(中国电信股份有限公司智能网络与终端研究院，北京102209)