LTE-eV2X中无线电资源池共享技术研究＊

李岚，高月红，张欣

（北京邮电大学，北京 100876）

随着通信技术的发展，车联网正在逐步由概念转化为现实。V2X车联网技术在交通系统中发挥着很大的作用，通过新一代的通信技术，可以实现车与一切事物相连，进而实现车辆与车辆、车辆与路边基础设施、车辆与行人以及车辆与互联网之间全方面X的信息交互，如图1所示。

图1 V2X分类示意图

V2X早期发展主要依托DSRC （专用短程通信技术）开展，后期提出的LTE-V2X是基于LTE移动通信技术演进的形成的V2X车联网无线通信技术。LTEV2X的技术性能相较于当前其它V2X无线通信技术，在覆盖、可靠性和容量等方面优势明显，并且该技术体系也在不断向前演进。LTE-V2X研究第一阶段的标准化工作在3GPP第75次RAN全会上已经宣告完成；目前已经进入第二阶段，也就是LTE-eV2X的研究工作，项目的重点是支持更高级的V2X业务需求，并且指定该技术要在传送安全信息的同时兼容Rel-14（Release 14）的 LTE-V2X，进一步提升V2X通信性能；而后向5G NR V2X方向靠拢，实现自动驾驶等多种更高级业务。本文介绍的无线电资源池共享技术，采用与LTE-V2X相同的资源池设计理念和相同的资源分配格式，因此能够与LTE-V2X用户共存，旨在提高资源利用率的同时，减少资源碰撞干扰的影响。

1 资源池共享背景

1.1 传输模式

3GPP Rel-14中新规定了两种sidelink传输模式，分别为Mode3与Mode4，图2给出了使用两种传输模式的UE（用户设备）以及其选择资源的示意图。

两种模式的主要区别在于选择发送V2X消息资源的方式不同：Mode3 UE使用的资源由eNode B（Evolved Node B，演进型基站）控制分配，eNode B通过控制信道下发控制消息，如通过PDCCH（Physical Downlink Control Channel，物理下行控制信道）下发DCI（Downlink Control Information，物理下行控制信息），所以仅适用于网络覆盖范围内的UE；Mode4 UE则根据自身预配置的信息，基于自主感知选择sidelink传输资源，通过PSCCH（Pysical Sidelink Control Channel，物理侧链控制信道）传输SCI（Sidelink Control Information，侧链控制信息）进行资源分配，UE的预配置信息可以内置在终端中、手机卡上或者之前注册过的网络预配置信息里，该传输模式网络覆盖范围内外的UE都适用。

图2 两种sidelink传输模式及资源选择

1.2 自主感知

V2X Sidelink传输中，消息都是以广播的方式发出，UE占用资源池中的某一块资源给一定范围内的其它UE广播消息。Mode4 UE使用的资源由自己选择，也就是通过自主感知过程，利用一定时间内在资源池中获取到的信息，为后续自身传输消息选择合适的资源。

Mode4 UE在发送消息前一直处于感知状态，在其收到其它UE广播的消息后，会对消息进行解码，从而可以得知消息占用了哪部分资源块，继而获取到资源块对 应 的 RSRP（Reference Signal Receiving Power，参考信号接收功率）等信息，Mode4 UE将获取到的RSRP与网络中预先设置的RSRP阈值相比，将超出阈值范围的认定为不可用资源。根据规定，Mode4 UE只使用发送消息前1 000 ms的感知信息，将该事件段内RSRP在阈值范围内的资源选出，并比较资源的RSSI（Received Signal Strength Indicator，接收信号强度），选择RSSI值排在前20%的资源，作为可用资源。

另外，一些周期性的V2X业务会周期性的占用某部分资源，所以资源池中存在一些预留的资源不能被使用。Mode4 UE通过解码消息，可以获得资源池中的预留资源信息，进而排除这些资源，确定最终的可用资源集合。Mode4 UE发送消息时在可用资源集合中选择合适的资源。

1.3 资源池共享动机与问题

Rel-14中规定两种传输模式UE所使用的资源池是相互正交、独立配置的，它们各自使用自己的发送资源池进行通信。在针对更高要求的业务时，正交的资源池可能会出现资源利用率低这个问题。因为网络中会有许多预先配置的资源池，分别给两种模式的UE使用，虽然eNode B会根据一些测量结果对资源池进行半静态调整，但资源池中的用户数量会是动态变化的，在这种情况下，即使部分资源池的负载特别低，其空闲的资源也不能被很好利用。例如当前环境下，Mode4 UE个数较多，其资源池负载很高甚至拥塞，而Mode3 UE个数较少，资源池中有空闲资源，Mode4 UE也不能使用Mode3 UE的资源池进行通信，资源分配不合理，导致利用率低。

因此共享资源池的概念被提出，即两种Mode UE在相同的资源池调度，不对资源池严格分割，这样就能提高网络中的资源利用率。但共享资源池会带来一个严重的资源冲突问题，即两种模式UE选择了同一块资源传输消息，如图2右边所示。虽然Mode4 UE可以通过自主感知得知其它UE占用的资源，然后在共享资源池中进行自主选择，但是eNode B并不了解Mode4 UE使用资源的情况，所以eNode B在给Mode3 UE分配资源时，可能会选择已经被占用的资源，一定程度上增加了资源冲突的概率，会降低传输的可靠性。

因为Rel-14的标准化工作已经结束，本文研究的LTE-eV2X中无线电资源池共享技术，就是要在提高资源利用率的同时，通过对Rel-15 UE设计的一些增强，减少资源冲突对传输性能的影响。余部分仍作为各自的独立资源池使用。由于部分共享场景涉及到的资源池配置较为复杂，并且尚未定论，所以3GPP第101次RAN2会议中，建议在Rel-15中优先支持全部资源池共享，降低部分共享场景研究的优先级。

2 资源池共享场景

在现实应用中，一个小区的覆盖内外会有不同版本、不同传输模式的UE，所以当它们共用一块资源池时，会出现多种混合的场景，可以从两个角度来看：一是在共享同一资源池的UE种类；二是整块资源池是否全部共享。

首先，按照UE种类来划分。由于现实应用的场景会比较复杂，我们在研究资源池共享技术时，对Rel-14，Rel-15以及Mode3 UE，Mode4 UE将共享场景简化为以下3种。

（1）Rel-14 Mode3 UE与Rel-15 Mode4 UE共享资源池。

（2）Rel-14 Mode4 UE与Rel-15 Mode3 UE共享资源池。

（3）Rel-15 Mode3 UE与Rel-15 Mode4 UE共享资源池。

前面提到Rel-14中两种模式资源池相互正交，所以不存在Rel-14 Mode3 UE与Rel-14 Mode4 UE共享资源池的情况。对于场景a，目前标准化进程中表示不再进行讨论，因为Rel-14 Mode3 UE的传统设计中，不支持将其预留资源信息告知Rel-15 Mode4 UE，所以不管对Rel-15 Mode4 UE做怎样的增强，都会使V2X服务的质量变差。

场景b与c则是我们重点研究的目标场景，因为通过增强相应的Rel-15 UE，能够减少共享池中的资源冲突。如场景b中，可以对Rel-15 Mode3 UE做一些改进，使其能将预留资源信息告知Rel-14 Mode4 UE，从而减少资源冲突。

另外，资源池可以全部共享，也可以部分共享，如图3所示。全部共享是所有UE都在同一个资源池内选择资源；部分共享则是两种模式的资源池有部分重叠，其

图3 全部与部分共享资源池

3 增强方案

按照标准化的进程，我们优先讨论在全部共享场景下，有哪些增强方案可以减少或者避免共享池中的资源冲突问题。前面提到造成资源冲突的最主要原因，是eNode B不了解Mode4 UE使用了共享资源池中的哪部分资源，导致可能会调度到已被占用的资源。本文介绍的增强方案都是针对Rel-15 Mode3 UE，通过设计改进减少资源冲突。因为在目前支持的两种共享场景中，都存在Rel-15 Mode3 UE，所以增强Rel-15 Mode3 UE或许可以同时解决两个场景的资源冲突问题。而对Mode4 UE而言，在共享资源池中，其自主感知机制已经足够避免一些资源冲突，并且Mode4 UE的增强方案有一些局限性，如让其将资源池中的资源使用情况上报给eNode B，这样频繁的报告会引入大量的信令开销，并且只有覆盖内的UE可以与eNode B通信，此外还要考虑地理位置的限制，若当前上报的Mode4 UE远离eNode B调度的Mode3 UE，其报告信息可能没有参考价值。

下面介绍了3种基于Rel-15 Mode3 UE设计改进的增强方案。避免冲突可以从两个角度考虑：一是Mode4 UE主动避免占用Mode3 UE使用的资源；二是eNode B在给Mode3 UE分配资源时，避免占用Mode4 UE使用的资源。

3.1 设置SPS周期

由于Mode4 UE无法知道资源池中Mode3 UE的预留资源，导致了冲突，所以可以在Rel-15 Mode3 UE的设计中考虑这个因素，使得Mode4 UE避免选择被Mode3 UE占用的资源。由于eNode B可以通过配置SPS（Semi-Persistent Scheduling，半持续调度）对Mode3 UE分配资源，即UE申请一次资源之后，相应资源在一段时间内周期性的分配给该UE，所以资源池中会有当前时刻未被使用，但已经为Mode3 UE预留的资源，图4给出了SPS的示意图，其中SPS周期是分配资源的时间间隔。

图4 SPS示意图

由于SPS是已有机制，并且Mode3 UE的SCI中存在4 bit的资源预留字段，只是全部为零，还未启用，所以如果在Rel-15 Mode3 UE的设计中，将其SCI中的资源预留字段设置为SPS周期，那么Mode4 UE就可以通过该字段的指示，解码SPS相关信息，排除资源池中为Mode3 UE预留的资源，进一步避免资源冲突。其中资源预留间隔由eNode B确定，UE在收到eNode B下发的DCI后，通过相关字段的指示，设置SCI中的资源预留字段。

本方案对场景b与场景c都适用，在3GPP RAN1第92次会议中已明确表示，在Rel-15的设计中将采用这个增强方案。

3.2 设置模式指示符

在Rel-15 Mode3 UE的SCI资源预留字段中设置SPS周期，只是解决了Mode3 UE预留资源避免被占用的问题，资源池中还是有可能存在冲突。基于该增强方案，如果能将Mode3 UE与Mode4 UE区分开来，则可以进一步避免资源池中的冲突。

本增强方案是在Rel-15 Mode3 UE的SCI中设置一个字段作为模式指示符，用来标识Mode3 UE的传输资源。一旦检测到PSCCH并且模式指示符显示传输消息的资源被Mode3 UE占用，Mode4 UE就会从其候选资源集合中排除该资源，从而减少资源冲突的发生。这是基于Rel-15 UE的设计，Rel-14中并没有模式指示符的概念，所以对Rel-14 Mode4 UE来说，可能无法识别该附加的模式指示符，故本方案有一定的局限性，仅适用于场景c。

3.3 上报感知信息

若从第二个角度看，优先保证 Mode4 UE传输的可靠性，就必须使eNode B了解Mode4 UE的资源使用情况。由于Mode3 UE始终处于基站覆盖范围内，可以与基站进行通信，如果eNode B能通过Mode3 UE的上报了解资源池中的情况，就可以避免资源冲突。

在Rel-14中，Mode3 UE无法获取资源池的使用情况，所以在Rel-15的设计中，可让Mode3 UE具有Mode4 UE一样的自主感知机制，通过与eNode B的通信报告相关信息，来解决问题。但是本方案有两个主要问题：信令开销，若共享资源池中所有Mode3 UE都上报，信息会大量重复，尤其地理位置相近的UE，上报的信息几乎相同，故可基于地理位置等信息，由eNode B选择Mode3 UE的一个子集上报，但开销还是相对较大；时延变大，在Mode3 UE上报后，eNode B要接收处理该信息，如果发现有冲突的可能，就要为该UE分配新的资源，这个过程可能已发生冲突。

针对这两个问题，可以从报告整个过程：报告触发，报告信令以及报告内容这3个方面讨论。

首先，Mode3 UE报告触发分为事件性触发与周期性触发两种：事件触发即在需要的时候让Mode3 UE上报感知信息，但是存在上述所说的时延问题；而周期性触发则是UE周期性的向eNode B上报感知结果，上报时间间隔由eNode B配置，eNode B基于之前收到的报告进行资源调度，不断更新资源池的使用信息，这种方式可以满足V2X业务的时延要求，但无法应对突发情况。

其次，报告信令可选择MAC CE（Control Element，控制元素）或RRC（Radio Resource Control，无线资源控制）信令。使用MAC CE上报时延较小，可与UE上行发送的BSR（Buffer Status Report，缓存状态报告）一起上报，但若当前时刻无数据传送，UE便不会发送BSR。RRC信令时延较大，可以用于周期报告。若是将两者结合起来，使用RRC信令上报感知信息后，将资源池中可用资源的变化情况通过BSR上报，eNode B调度时可使用最新感知结果，这样不仅解决了时延问题，信令开销也会减小。

最后，报告内容需考虑开销。如果将自主感知过程中获得的信息直接上报，信令开销会增大。例如RSRP信息，在sidelink中，PSSCH-RSRP是基于接收到的SCI信息计算的，即一块传输资源需要上报一个RSRP信息，其上报值为0～97不等，上报时会占用(1～7) bit，再加上RSSI等信息，会占用较多比特，从而开销变大。但是，如果我们考虑上报一个位图信息，即将感知获取的RSRP、RSSI等结果与预先设定的阈值进行比较，在UE端事先判定资源的可用性，并标志共享资源池中的可用资源为1，其余为0，那么一块传输资源只需占用1 bit，最后将这样由1和0组成的位图信息进行上报，大幅度减少信令开销。

4 总结

现如今车联网正在快速发展，车联网技术也在不断演进和完善，以应对迫切的现实需求，不仅仅可以减少交通事故发生，更能实现远程驾驶、自动驾驶等高级场景。在这个过程中，对已有的机制或者技术的改进必不可少。而随着无线通信技术的快速发展，频谱资源越来越紧张，在有限的资源里提高资源利用率是缓解现状的一个不错选择。LTE-eV2X中无线电资源池共享技术就是在原有机制的基础上，通过资源的共享使用，大大提高资源的利用率。关于解决资源冲突问题方案的更多细节，后续工作中会继续跟进研究。